Płytka drukowana (PCB): co to jest, budowa i zastosowania

Płytka drukowana (PCB) — czym jest, budowa i zastosowania. Typy (sztywne, elastyczne), technologie montażu oraz praktyczne zastosowania w elektronice i urządzeniach.

Płytka drukowana (PCB) to cienka, zwykle sztywna lub elastyczna płytka służąca do mechanicznego montażu i elektrycznego łączenia elementów elektronicznych. Ich zadaniem jest stworzenie uporządkowanej i niezawodnej struktury przewodzącej prąd, dzięki czemu obwody elektroniczne mogą działać zgodnie z projektem. Płytki PCB są powszechnie stosowane w komputerach, telefonach, urządzeniach gospodarstwa domowego, sprzęcie medycznym i niemal każdym urządzeniu elektronicznym.

Budowa płytki drukowanej

Płytka wykonana jest z materiału, który nie przewodzi prądu — najczęściej z laminatu na bazie włókna szklanego (oznaczanego np. jako FR-4) lub z innych tworzyw dla płytek elastycznych. Na takiej bazie umieszczona jest warstwa miedzi, która tworzy ścieżki przewodzące:

• powierzchniowa warstwa miedzi (na jednostronnych i dwustronnych PCB),
• wielość warstw miedzianych oddzielonych izolacyjnymi przekładkami w płytkach wielowarstwowych (multilayer).

Na wierzchu często nakłada się warstwę solder mask (zielony lub inny lakier ochronny), która chroni miedź przed zwarciami i korozją oraz ułatwia lutowanie. Na powierzchni znajdziemy też sitodruk (tzw. silkscreen) z oznaczeniami elementów i numeracją pól lutowniczych.

Elementy konstrukcyjne i połączenia

Elementy elektroniczne są następnie przymocowane do płytki za pomocą metali lutowniczych — metalu do przewodzenia prądu (lut). Sposoby montażu obejmują:

• montaż przewlekany (THT, through-hole) — elementy z wyprowadzeniami wkładane są w otwory i lutowane z drugiej strony,
• montaż powierzchniowy (SMT, SMD) — elementy lutuje się bezpośrednio na padach na powierzchni płytki.

Aby połączyć ścieżki między warstwami stosuje się przelotki (vias) — otwory metalizowane, które przewodzą między kolejnymi warstwami miedzi. Metal wytrawiony na płytce umożliwia przepływ prądu z jednego elementu do drugiego, tworząc kompletne obwody elektryczne.

Rodzaje płytek

• Płytki jednostronne — z miedzią tylko z jednej strony, proste i tanie, stosowane w prostych urządzeniach;
• Płytki dwustronne — miedź na obu stronach, z możliwością łączenia przez przelotki;
• Płytki wielowarstwowe — z kilkoma warstwami przewodzącymi, używane w bardziej złożonych układach np. komputerach czy telefonach;
• Płytki elastyczne (flex) — wykonane z cienkich, giętkich materiałów, które mogą się zginać, stosowane tam, gdzie potrzebna jest ruchomość lub oszczędność miejsca;
• Płytki rigid-flex — połączenie części sztywnych i elastycznych w jednej konstrukcji.

Proces produkcji

Typowy proces produkcji PCB obejmuje:

• projektowanie schematu i rozmieszczenia (PCB layout) w programach CAD,
• druk fotomaske i naświetlanie (fotolitografia) dla precyzyjnego odwzorowania ścieżek,
• trawienie miedzi — usuwanie niepotrzebnej miedzi,
• wiercenie otworów i ich metalizacja (dla przelotek),
• nakładanie maski lutowniczej i sitodruku,
• cięcie, testy elektryczne i kontrola jakości.

Do produkcji wielkoseryjnej stosuje się zautomatyzowane linie, natomiast prototypy można wykonywać w mniejszych zakładach lub samodzielnie (np. frezowanie, naświetlanie lub metoda diy z laminatami).

Montaż i testowanie

Po wyprodukowaniu płytek następuje montaż elementów — automatyczne maszyny pick-and-place dla elementów SMD oraz lutowanie (np. lutowanie na fali lub w piecu rozpływowym). Po montażu wykonywane są testy funkcjonalne i kontroli połączeń (np. testy ICT, AOI — automatyczna kontrola optyczna), aby upewnić się, że obwód działa prawidłowo.

Materiały i wykończenia

Oprócz standardowego FR-4 stosuje się też materiały o lepszych parametrach termicznych i dielektrycznych (np. do zastosowań RF), materiały elastyczne (poliamid) czy ceramiczne w aplikacjach wysokotemperaturowych. Wykończenia powierzchni (HASL, ENIG, OSP itp.) wpływają na jakość lutowania i trwałość połączeń.

Zastosowania

Płytki drukowane znajdują zastosowanie praktycznie we wszystkich dziedzinach elektroniki:

• komputery i serwery;
• telefony komórkowe i urządzenia przenośne;
• telewizory i sprzęt RTV;
• automatyka i motoryzacja (sterowniki silników, systemy bezpieczeństwa);
• sprzęt medyczny (monitoring, aparatura diagnostyczna);
• lotnictwo i kosmonautyka (wysokie wymagania jakościowe);
• Internet rzeczy (IoT), urządzenia przemysłowe i konsumenckie.

Najbardziej powszechne płytki drukowane są produkowane w dużych ilościach do konkretnych zadań, na przykład do zasilania komputera, telefonu komórkowego lub telewizora. Niektóre płytki są przeznaczone do prototypowania, dzięki czemu każdy może zbudować własne układy dla nowych projektów elektronicznych. Większość urządzeń elektrycznych i elektronicznych zawiera co najmniej jedną płytkę PCB, która umożliwia ich działanie.

Płytki elastyczne

Elastyczne płytki drukowane to te, które są wykonane na tyle cienko i z odpowiedniego materiału, że mogą się zginać. Dzięki temu nadają się do zastosowań w urządzeniach o ograniczonej przestrzeni, ruchomych elementach lub tam, gdzie potrzebne są nietypowe kształty. Typowe zalety to oszczędność miejsca, mniejsza masa i mniejsza liczba połączeń przewodzących między modułami. Wadami mogą być wyższe koszty produkcji i większe wymagania projektowe.

Projektowanie i normy

Projektowanie PCB wymaga uwzględnienia zagadnień elektrycznych (linie zasilania, uziemienie, impedancja), mechanicznych (wymiary, otwory montażowe) oraz termicznych (odprowadzanie ciepła). W branży obowiązują normy i wytyczne (np. IPC), które pomagają zapewnić zgodność, niezawodność i bezpieczeństwo projektów.

Podsumowując, płyty drukowane są kluczowym elementem współczesnej elektroniki — od prostych układów po bardzo zaawansowane systemy wielowarstwowe. Ich właściwy dobór materiałów, konstrukcja i proces produkcji decydują o niezawodności i funkcjonalności urządzeń elektronicznych.

Historia

Płytki drukowane wywodzą się z systemów połączeń elektrycznych, które były używane w latach 50-tych XIX wieku. Pierwotnie metalowe paski lub pręty były używane do łączenia dużych elementów elektrycznych zamontowanych na drewnianych podstawach. Później metalowe paski zostały zastąpione przez przewody połączone z zaciskami śrubowymi, a drewniane podstawy zastąpiono metalowymi ramami. Pozwoliło to na zmniejszenie rozmiarów elementów, co było potrzebne, ponieważ obwody stawały się coraz bardziej skomplikowane i zawierały więcej części. Thomas Edison testował metody wykorzystania metali na papierze lnianym. Arthur Berry w 1913 roku opatentował w Wielkiej Brytanii metodę print-and-etch. W 1925 r. Charles Ducas z USA opracował metodę wykorzystującą galwanizację. Stworzył on ścieżkę elektryczną bezpośrednio na izolowanej powierzchni, drukując przez szablon (kształt wycięty na desce lub papierze) specjalną farbą, która mogła przewodzić prąd, tak jak przewody. Metoda ta została nazwana "drukowanym okablowaniem" lub "obwodem drukowanym".

W 1943 r. Austriak Paul Eisler, pracujący w Wielkiej Brytanii, opatentował metodę wytrawiania przewodzącego wzoru, czyli obwodów, na warstwie folii miedzianej przymocowanej do twardego podłoża, które nie przewodziło prądu. Technika Eislera została zauważona przez wojsko amerykańskie i zaczęto ją stosować w nowych rodzajach broni, w tym w zapalnikach zbliżeniowych podczas II wojny światowej. Jego pomysł stał się bardzo przydatny w latach 50-tych, kiedy wprowadzono tranzystor. Do tego momentu lampy próżniowe i inne komponenty były tak duże, że wystarczyły tradycyjne metody montażu i okablowania. Jednak wraz z wprowadzeniem tranzystorów, komponenty stały się bardzo małe, a producenci musieli stosować płytki drukowane, aby połączenia również były małe.

Technologia platerowanych otworów przelotowych i jej zastosowanie w wielowarstwowych płytkach PCB zostały opatentowane przez amerykańską firmę Hazeltine w 1961 roku. Umożliwiło to tworzenie znacznie bardziej złożonych płytek, z elementami umieszczonymi blisko siebie. W latach 70. wprowadzono układy scalone, które szybko znalazły zastosowanie w projektowaniu i produkcji obwodów drukowanych. Obecnie obwody drukowane mogą mieć do 50 warstw w niektórych zastosowaniach.

Technologia montażu powierzchniowego została opracowana w latach 60-tych i upowszechniła się pod koniec lat 80-tych.

Ręcznie wykonana płytka drukowana

Pytania i odpowiedzi

P: Co to jest płytka drukowana?

P: Do czego wykorzystywane są płytki drukowane?

P: Z czego wykonana jest płytka drukowana?

P: W jaki sposób płytka PCB umożliwia przepływ energii elektrycznej z jednego elementu do drugiego w obwodach elektrycznych?

P: Czym są elastyczne płytki drukowane?

P: Czym są płytki sztywno-elastyczne?

P: Czy większość urządzeń wykorzystujących energię elektryczną ma w sobie przynajmniej jedną płytkę drukowaną?

Szukaj według litery