หน้าที่ของแผงวงจรคืออะไร?

แผงวงจรพิมพ์หรือ PCB มีอยู่ในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์แทบทุกประเภท แผงพลาสติกและส่วนประกอบฝังตัวเหล่านี้เป็นเทคโนโลยีพื้นฐานสำหรับทุกอย่างตั้งแต่คอมพิวเตอร์และโทรศัพท์มือถือไปจนถึงสมาร์ทวอทช์ การเชื่อมต่อวงจรบน PCB ช่วยให้สามารถกำหนดเส้นทางกระแสไฟฟ้าระหว่างส่วนประกอบขนาดเล็กบนบอร์ดได้อย่างมีประสิทธิภาพ แทนที่อุปกรณ์ขนาดใหญ่และเดินสายขนาดใหญ่

บอร์ดพีซีอาจทำงานหลายอย่างที่เกี่ยวข้องกับการคำนวณ การสื่อสาร และการถ่ายโอนข้อมูล ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับแอปพลิเคชันที่ออกแบบมาสำหรับ นอกเหนือจากงานที่ทำ บางทีหน้าที่ที่สำคัญที่สุดของแผงวงจรก็คือการจัดเตรียมวิธีการรวมอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สำหรับอุปกรณ์ในพื้นที่กะทัดรัด PCB ช่วยให้ส่วนประกอบสามารถเชื่อมต่อกับแหล่งพลังงานได้อย่างถูกต้องในขณะที่หุ้มฉนวนอย่างปลอดภัย นอกจากนี้ แผงวงจรยังมีราคาถูกกว่าตัวเลือกอื่นๆ เนื่องจากสามารถออกแบบด้วยเครื่องมือออกแบบดิจิทัลและผลิตในปริมาณมากโดยใช้ระบบอัตโนมัติในโรงงาน

แผงวงจรสมัยใหม่มักทำด้วยวัสดุหลายชั้น ชั้นต่างๆ ถูกหลอมรวมเข้าด้วยกันผ่านกระบวนการเคลือบ วัสดุหลักในหลายแผ่นเป็นไฟเบอร์กลาส ซึ่งให้แกนที่แข็งแรง ถัดไปชั้นฟอยล์ทองแดงด้านใดด้านหนึ่งหรือทั้งสองด้านของกระดาน จากนั้นจึงใช้กระบวนการทางเคมีเพื่อกำหนดร่องรอยทองแดงที่กลายเป็นเส้นทางนำไฟฟ้า ร่องรอยเหล่านี้ใช้แทนการพันลวดที่ยุ่งเหยิงซึ่งพบได้ในวิธีการก่อสร้างแบบจุดต่อจุดที่ใช้กับส่วนประกอบอิเล็กทรอนิกส์รุ่นก่อนๆ

NS ชั้นหน้ากากประสาน ถูกเพิ่มเข้าไปในแผงวงจรเพื่อป้องกันและป้องกันชั้นทองแดง ชั้นพลาสติกนี้ครอบคลุมทั้งสองด้านของกระดานและมักเป็นสีเขียว ตามด้วย ชั้นซิลค์สกรีน ด้วยตัวอักษร ตัวเลข และตัวระบุอื่นๆ ที่ช่วยในการประกอบบอร์ด สามารถติดตั้งส่วนประกอบแผงวงจรเข้ากับบอร์ดได้หลายวิธี รวมถึงการบัดกรี วิธีการแนบบางวิธีใช้ประโยชน์จากรูเล็ก ๆ ที่เรียกว่า vias ที่เจาะผ่านแผงวงจร จุดประสงค์คือเพื่อให้กระแสไฟฟ้าไหลจากด้านหนึ่งของกระดานไปอีกด้านหนึ่ง

NS วงจร เป็นวงของวัสดุนำไฟฟ้าที่ไฟฟ้าสามารถเดินทางได้ เมื่อปิดวงจรไฟฟ้า กระแสไฟฟ้าสามารถไหลได้อย่างต่อเนื่องจากแหล่งพลังงาน เช่น แบตเตอรี่ผ่านวัสดุที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้า แล้วจึงกลับสู่แหล่งพลังงาน การออกแบบวงจรขึ้นอยู่กับข้อเท็จจริงที่ว่ากระแสไฟฟ้าพยายามที่จะไหลจากแรงดันไฟฟ้าที่สูงขึ้น ซึ่งเป็นตัววัดศักย์ไฟฟ้าไปยังแรงดันไฟฟ้าที่ต่ำกว่า

ทุกวงจรประกอบด้วยองค์ประกอบพื้นฐานอย่างน้อยสี่อย่าง องค์ประกอบแรกคือ an แหล่งพลังงาน สำหรับไฟ AC หรือ DC องค์ประกอบที่สองคือวัสดุนำไฟฟ้า เช่น ลวด ซึ่งพลังงานสามารถเคลื่อนที่ได้ เส้นทางนำไฟฟ้านี้เรียกว่า ติดตาม หรือ ติดตาม. องค์ประกอบที่สามคือ โหลดซึ่งประกอบด้วยส่วนประกอบอย่างน้อยหนึ่งองค์ประกอบที่ระบายพลังงานบางส่วนเพื่อดำเนินงานหรือการดำเนินการ องค์ประกอบที่สี่และองค์ประกอบสุดท้ายอย่างน้อยหนึ่ง ตัวควบคุม หรือ สวิตซ์ เพื่อควบคุมการไหลของพลังงาน

เมื่อคุณใส่โหลดเข้าไปในเส้นทางปิดของวงจร โหลดสามารถใช้การไหลของกระแสไฟฟ้าเพื่อดำเนินการที่ต้องใช้พลังงาน ตัวอย่างเช่น ส่วนประกอบ lightemitting diode (LED) สามารถทำให้สว่างขึ้นได้เมื่อมีกระแสไฟไหลผ่านวงจรที่เสียบเข้าไป โหลดจำเป็นต้องใช้พลังงานเนื่องจากไฟฟ้าเกินพิกัดอาจทำให้ส่วนประกอบที่แนบมาเสียหายได้

ส่วนประกอบที่สำคัญที่สุดบนแผงวงจรประกอบด้วย:

• แบตเตอรี่: จ่ายไฟให้กับวงจรโดยปกติผ่านอุปกรณ์เทอร์มินอลคู่ที่ให้แรงดันไฟต่างกันระหว่างจุดสองจุดในวงจร
• ตัวเก็บประจุ: ส่วนประกอบคล้ายแบตเตอรี่ซึ่งสามารถเก็บหรือปล่อยประจุไฟฟ้าได้อย่างรวดเร็ว
• ไดโอด: ควบคุมกระแสไฟฟ้าบนแผงวงจรโดยบังคับให้ไหลไปทางเดียว
• ตัวเหนี่ยวนำ: เก็บพลังงานจากกระแสไฟฟ้าเป็นพลังงานแม่เหล็ก
• ไอซี (แบบบูรณาการวงจร): ชิปที่อาจมีวงจรและส่วนประกอบจำนวนมากในรูปแบบย่อขนาดและโดยทั่วไปจะทำหน้าที่เฉพาะ
• นำ (แสงสว่างเปล่งแสงไดโอด): แสงขนาดเล็กที่ใช้บนแผงวงจรเพื่อให้การตอบสนองด้วยภาพ
• ตัวต้านทาน: ควบคุมการไหลของกระแสไฟฟ้าโดยให้ค่าความต้านทาน
• สวิตช์: บล็อกกระแสหรือปล่อยให้ไหลขึ้นอยู่กับว่าปิดหรือเปิด
• ทรานซิสเตอร์: ชนิดของสวิตช์ควบคุมโดยสัญญาณไฟฟ้า

แต่ละส่วนประกอบบนแผงวงจรทำงานเฉพาะหรือชุดของงานที่กำหนดโดยฟังก์ชัน PCB โดยรวม ส่วนประกอบบางอย่าง เช่น ทรานซิสเตอร์และตัวเก็บประจุทำงานโดยตรงกับกระแสไฟฟ้า พวกเขาทำหน้าที่เป็นหน่วยการสร้างภายในส่วนประกอบที่ซับซ้อนมากขึ้นที่เรียกว่าวงจรรวม

คำว่า PCBA (คำย่อสำหรับการประกอบแผงวงจรพิมพ์) ใช้เพื่ออธิบายแผงวงจรที่มีส่วนประกอบทั้งหมดติดอยู่กับบอร์ดและเชื่อมต่อกับร่องรอยทองแดง เรียกอีกอย่างว่าชุดประกอบปลั๊กอิน บอร์ดที่มีร่องรอยทองแดง แต่ไม่มีส่วนประกอบติดตั้งอยู่ มักจะเรียกว่า a กระดานเปล่า หรือ แผงวงจรพิมพ์.

การออกแบบแผงวงจรที่ทันสมัยทำให้สามารถผลิตได้เป็นจำนวนมากโดยมีต้นทุนที่ต่ำกว่าแผงวงจรแบบเก่าที่พันด้วยลวด หลังจากที่ขั้นตอนการออกแบบของบอร์ดได้ถูกกำหนดขึ้นโดยใช้ซอฟต์แวร์คอมพิวเตอร์เฉพาะทางแล้ว การผลิตและการประกอบจะเป็นแบบอัตโนมัติมากที่สุด PCBA ถือว่าเสร็จสิ้นและพร้อมใช้งานหลังจากการทดสอบการประกันคุณภาพเสร็จสิ้น

หนึ่ง วงจรเปิด เป็นอันที่ไม่ปิดเนื่องจากสายไฟขาดหรือการเชื่อมต่อที่หลวม วงจรเปิดไม่ทำงานเพราะไม่สามารถนำไฟฟ้าได้ แม้ว่าแรงดันไฟฟ้าอาจมีอยู่ในวงจรเปิด แต่ก็ไม่มีทางที่จะไหลได้ ในบางกรณีจำเป็นต้องมีวงจรเปิด ตัวอย่างเช่น สวิตช์ที่ใช้เพื่อเปิดและปิดไฟจะเปิดและปิดวงจรที่เชื่อมต่อแสงกับแหล่งพลังงาน

วงจรเสียอีกประเภทหนึ่งคือ ไฟฟ้าลัดวงจรซึ่งสามารถเกิดขึ้นได้เมื่อพลังงานเคลื่อนผ่านวงจรมากเกินไป และทำให้วัสดุนำไฟฟ้าหรือแหล่งจ่ายไฟเสียหาย การลัดวงจรอาจเกิดจากจุดสองจุดในวงจรที่เชื่อมต่อโดยที่ไม่ควรทำ เช่น สองขั้วของแหล่งจ่ายไฟที่เชื่อมต่อโดยไม่มีส่วนประกอบโหลดระหว่างนั้นเพื่อระบาย. บางส่วน หมุนเวียน. การลัดวงจรของแหล่งจ่ายไฟด้วยวิธีนี้อาจเป็นอันตรายและอาจส่งผลให้เกิดไฟไหม้หรือระเบิดได้

หลอดสุญญากาศและรีเลย์ไฟฟ้าทำหน้าที่พื้นฐานของคอมพิวเตอร์ยุคแรกๆ การแนะนำวงจรรวมทำให้ทั้งขนาดและต้นทุนของชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ลดลง ในไม่ช้าแผงวงจรไฟฟ้าก็ได้รับการพัฒนาที่มีการเดินสายไฟของอุปกรณ์ที่เคยใช้อยู่ทั่วทั้งห้อง กระดานรุ่นแรกๆ เหล่านี้ทำมาจากวัสดุที่หลากหลาย รวมทั้ง Masonite, Bakelite และกระดาษแข็ง และตัวเชื่อมต่อประกอบด้วยลวดทองเหลืองพันรอบเสา

เริ่มต้นในปี 1940 แผงวงจรมีประสิทธิภาพและราคาถูกกว่าในการผลิตเมื่อลวดทองแดงเข้ามาแทนที่ทองเหลือง บอร์ดยุคแรกที่มีสายไฟทองแดงถูกใช้ในวิทยุของทหาร และในช่วงทศวรรษ 1950 บอร์ดเหล่านี้ก็ถูกใช้สำหรับอุปกรณ์ผู้บริโภคเช่นกัน ในไม่ช้าบอร์ดด้านเดียวที่มีการเดินสายไฟเพียงด้านเดียวก็พัฒนาเป็น PCB แบบสองด้านและหลายชั้นที่มีการใช้งานกันอย่างแพร่หลายในปัจจุบัน

ตั้งแต่ทศวรรษ 1970 ถึง 1990 การออกแบบ PCB มีความซับซ้อนมากขึ้น ในเวลาเดียวกัน ทั้งขนาดจริงและต้นทุนของกระดานยังคงหดตัว เนื่องจากบอร์ดมีความหนาแน่นมากขึ้นเมื่อประกอบเข้ากับส่วนประกอบต่างๆ แอปพลิเคชันการออกแบบโดยใช้คอมพิวเตอร์ช่วย (CAD) จึงได้รับการพัฒนาเพื่อช่วยในการสร้าง วันนี้มีเครื่องมือมากมายสำหรับการออกแบบ PCB ดิจิทัล ตั้งแต่ตัวเลือกฟรีและราคาประหยัดไปจนถึงแพ็คเกจราคาสูงที่ใช้งานได้จริง ซึ่งช่วยในการออกแบบ การผลิต และการทดสอบ

อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สมัยใหม่ไม่สามารถดำรงอยู่ได้หากไม่มีวงจรรวม ซึ่งเปิดตัวในช่วงปลายทศวรรษ 1950 IC คือชุดวงจรและส่วนประกอบขนาดจิ๋ว เช่น ทรานซิสเตอร์ ตัวต้านทาน และไดโอดที่ประกอบบนชิปคอมพิวเตอร์เพื่อทำหน้าที่เฉพาะ ชิป IC ตัวเดียวอาจมีส่วนประกอบหลายพันหรือหลายล้านชิ้น วงจรรวมที่พบบ่อยที่สุด ได้แก่ ลอจิกเกท ตัวจับเวลา ตัวนับ และตัวบันทึกกะ

นอกจากไอซีระดับต่ำแล้ว ยังมีไมโครโปรเซสเซอร์และไมโครคอนโทรลเลอร์ที่ซับซ้อนกว่าไอซีที่มีความสามารถในการควบคุมคอมพิวเตอร์หรืออุปกรณ์อื่น วงจรรวมที่ซับซ้อนอื่นๆ ได้แก่ เซ็นเซอร์ดิจิทัล เช่น มาตรความเร่งและไจโรสโคปที่พบในโทรศัพท์มือถือและอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์อื่นๆ เช่นเดียวกับส่วนอื่นๆ ของ PCBs ขนาดของวงจรรวมลดลงอย่างต่อเนื่องในช่วงสองสามทศวรรษที่ผ่านมา

การติดตั้งส่วนประกอบบน PCB ด้านเดียวในช่วงต้นที่ใช้ เทคโนโลยีการเจาะทะลุโดยที่ส่วนประกอบติดอยู่ที่ด้านหนึ่งของบอร์ดและยึดผ่านรูเพื่อให้รอยลวดนำไฟฟ้าที่อีกด้านหนึ่งโดยใช้การบัดกรี ในขณะที่มีการแนะนำ เทคโนโลยีการเจาะทะลุเป็นความก้าวหน้าเหนือการก่อสร้างแบบจุดต่อจุด แต่รู การเจาะ PCB สำหรับการติดตั้งทำให้เกิดปัญหาการออกแบบหลายประการ โดยเฉพาะอย่างยิ่งหลังจากการเปิดตัวของ multilayer กระดาน เนื่องจากต้องเจาะรูผ่านทุกชั้น อสังหาริมทรัพย์บนกระดานจึงหมดไปในเปอร์เซ็นต์ที่มาก

เทคโนโลยีการยึดพื้นผิว (SMT) แก้ปัญหาหลายอย่างที่เกิดจากการเจาะทะลุ มีการใช้กันอย่างแพร่หลายในปี 1990 แม้ว่าจะมีการเปิดตัวเมื่อหลายสิบปีก่อน ส่วนประกอบต่างๆ ถูกเปลี่ยนให้ติดแผ่นอิเล็กโทรดขนาดเล็กที่สามารถบัดกรีเข้ากับแผงวงจรได้โดยตรง แทนที่จะใช้ลวดตะกั่ว SMT อนุญาตให้ผู้ผลิต PCB บรรจุส่วนประกอบจำนวนมากทั้งสองด้านของ PCB อย่างหนาแน่น การติดตั้งประเภทนี้ยังง่ายต่อการผลิตด้วยระบบอัตโนมัติ

การติดตั้ง SMT ไม่ได้ขจัดความจำเป็นในการเจาะรูบนแผงวงจร การออกแบบ PCB บางส่วนยังคงใช้จุดแวะเพื่อให้มีการเชื่อมต่อระหว่างส่วนประกอบในชั้นต่างๆ อย่างไรก็ตาม รูเหล่านี้ไม่เกะกะเหมือนรูทะลุที่ใช้ก่อนหน้านี้สำหรับการติดตั้งส่วนประกอบ

อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่ซับซ้อนที่สุดอาจรวมถึง PCB หลายชั้น แผงเหล่านี้ประกอบด้วยวัสดุนำไฟฟ้าอย่างน้อยสามชั้น เช่น ทองแดงสลับกับชั้นฉนวน การกำหนดค่าทั่วไปสำหรับบอร์ดหลายชั้นประกอบด้วยสี่ หก แปดหรือ 10 เลเยอร์ ทุกชั้นจะต้องเคลือบเข้าด้วยกันเพื่อให้แน่ใจว่าไม่มีอากาศติดอยู่ระหว่างชั้น กระบวนการนี้มักจะทำภายใต้อุณหภูมิและความดันสูง

ข้อดีของ PCB แบบหลายชั้น ได้แก่ ส่วนประกอบและวงจรที่มีความหนาแน่นสูงขึ้นในพื้นที่ขนาดเล็ก ใช้สำหรับคอมพิวเตอร์ ไฟล์เซิร์ฟเวอร์ เทคโนโลยี GPS อุปกรณ์ดูแลสุขภาพ ระบบดาวเทียมและอวกาศ อย่างไรก็ตาม กระดานหลายชั้นก็มีข้อเสียบางประการเช่นกัน พวกมันซับซ้อนกว่าและออกแบบและผลิตได้ยากกว่าบอร์ดแบบหน้าเดียวและสองหน้า ซึ่งทำให้ราคาแพงกว่า นอกจากนี้ยังสามารถซ่อมแซมได้ยากเมื่อมีบางอย่างผิดพลาดภายในเลเยอร์ภายในของบอร์ด