Печатная плата — это автономный модуль из взаимосвязанных электронных компонентов, которые используются в самых разных устройствах, от обычных звуковых сигналов или пейджеров и радиоприемников до сложных радаров и компьютерных систем. Схемы формируются тонким слоем проводящего материала, нанесенным или «напечатанным» на поверхность изолирующей платы, известной как подложка. Отдельные электронные компоненты размещаются на поверхности подложки и припаиваются к соединительным схемам. Контактные пальцы вдоль одного или нескольких краев подложки служат соединителями с другими печатными платами или с внешними электрическими устройствами, такими как выключатели. Печатная плата может содержать схемы, выполняющие одну функцию, например усилитель сигнала, или несколько функций.
Существует три основных типа конструкции печатной платы от реверс инжиниринг электроники: односторонняя, двусторонняя и многослойная. На односторонних платах компоненты располагаются на одной стороне подложки. Когда количество компонентов становится слишком большим для односторонней платы, можно использовать двустороннюю плату. Электрические соединения между схемами с каждой стороны выполняются путем просверливания отверстий в подложке в соответствующих местах и покрытия внутренней части отверстий токопроводящим материалом. Третий тип, многослойная плата, имеет подложку, состоящую из слоев печатных плат, разделенных слоями изоляции. Компоненты на поверхности соединяются через отверстия с гальваническим покрытием, просверленные до соответствующего слоя схемы. Это значительно упрощает схему.
Компоненты на печатной плате электрически подключаются к схемам двумя различными способами: более старой «технологией сквозных отверстий» и более новой «технологией поверхностного монтажа». При использовании технологии сквозных отверстий каждый компонент имеет тонкие провода, или выводы, которые проталкиваются через небольшие отверстия в подложке и припаиваются к соединительным площадкам в схемах с противоположной стороны. Сила тяжести и трение между выводами и боковыми сторонами отверстий удерживают компоненты на месте до тех пор, пока они не будут припаяны. Благодаря технологии поверхностного монтажа короткие J-образные или L-образные ножки на каждом компоненте напрямую контактируют с печатными платами. Паяльная паста, состоящая из клея, флюса и припоя, наносится в месте контакта, чтобы удерживать компоненты на месте до тех пор, пока припой не расплавится, или «переплавится», в печи для окончательного соединения. Хотя технология поверхностного монтажа требует большей осторожности при размещении компонентов, она устраняет трудоемкий процесс сверления и занимающие много места соединительные площадки, присущие технологии сквозных отверстий. Обе технологии используются сегодня.
Два других типа печатных плат связаны с печатной платой. Интегральная схема, иногда называемая ИС или микрочипом, выполняет те же функции, что и печатная плата, за исключением того, что ИС содержит гораздо больше схем и компонентов, которые электрохимически «выращиваются» на поверхности очень маленького кремниевого чипа. Гибридная схема, как следует из названия, выглядит как печатная плата, но содержит некоторые компоненты, которые выращиваются на поверхности подложки, а не размещаются на поверхности и припаиваются.
История
Печатные платы произошли от систем электрического подключения, которые были разработаны в 1850-х годах. Металлические полосы или стержни первоначально использовались для соединения больших электрических компонентов, установленных на деревянных основаниях. Со временем металлические полосы были заменены проводами, подсоединенными к винтовым клеммам, а деревянные основания были заменены металлическим корпусом. Но потребовались конструкции меньшего размера и компактнее из-за возросших эксплуатационных потребностей продуктов, в которых использовались печатные платы. В 1925 году Чарльз Дюкас из Соединенных Штатов подал заявку на патент на способ создания электрического пути непосредственно на изолированной поверхности путем печати через трафарет электропроводящими чернилами. Этот метод дал название «печатная проводка» или «печатная схема».
В 1943 году Пол Эйслер из Соединенного Королевства запатентовал метод вытравливания токопроводящего рисунка или схем на слое медной фольги, приклеенной к стеклопластиковой непроводящей основе. Широкое применение технологии Эйслера получило только в 1950-х годах, когда транзистор был представлен для коммерческого использования. До этого момента размеры вакуумных ламп и других компонентов были настолько большими, что требовались только традиционные методы монтажа и подключения. Однако с появлением транзисторов компоненты стали очень маленькими, и производители обратились к печатным платам, чтобы уменьшить общий размер электронного блока.
Технология сквозных отверстий и ее применение в многослойных печатных платах была запатентована американской фирмой Hazeltyne в 1961 году. Получившееся в результате увеличение плотности компонентов и близкое расположение электрических трасс положили начало новой эре в проектировании печатных плат. Микросхемы интегральных схем появились в 1970-х годах, и эти компоненты быстро были внедрены в дизайн печатных плат и технологии их изготовления.
Дизайн
Стандартной печатной платы не существует. Каждая плата выполняет уникальную функцию для конкретного изделия и должна быть спроектирована таким образом, чтобы выполнять эту функцию в отведенном пространстве. Разработчики печатных плат используют системы автоматизированного проектирования со специальным программным обеспечением для размещения схемы на плате. Промежутки между токопроводящими дорожками часто составляют 0,04 дюйма (1,0 мм) или меньше. Также указано расположение отверстий для выводов компонентов или контактных точек, и эта информация переведена в инструкции для сверлильного станка с числовым программным управлением или автоматической паяльной пасты, используемой в производственном процессе.
После того, как схема схемы нанесена, негативное изображение, или маска, распечатывается в точном размере на прозрачном пластиковом листе. На негативном изображении области, которые не являются частью схемы, показаны черным цветом, а схема схемы — четкой.
Сырье
Подложка, наиболее часто используемая в печатных платах, представляет собой эпоксидную смолу, армированную стекловолокном (стекловолокно) , с медной фольгой, приклеенной с одной или обеих сторон. Печатные платы, изготовленные из фенольной смолы, армированной бумагой, со склеенной медной фольгой, дешевле и часто используются в бытовых электроприборах.
Печатные платы изготавливаются из меди, которая либо покрывается металлом, либо вытравливается на поверхности подложки для придания желаемого рисунка. (Смотрите «аддитивные» и «субтрактивные» процессы, описанные на шаге 3 в разделе Производственный процесс). Медные схемы покрыты слоем олова-свинца для предотвращения окисления. Контактные пальцы покрыты свинцово-оловянным покрытием, затем никелем и, наконец, золотом для обеспечения превосходной проводимости.
Приобретаемые компоненты включают в себя резисторы, конденсаторы, транзисторы, диоды, микросхемы интегральных схем и другие.