Wat is printplaat (PCB)

Wat is een Printplaat (PCB)?

PCB (Printed Circuit Boards), ook wel “printed wiring boards” of “printed wiring cards,” genoemd, vormen de ruggengraat van de moderne elektronica en zijn ontworpen om elektronische componenten onderling te verbinden en te ondersteunen en tegelijkertijd de overdracht van signalen en stroom te vergemakkelijken.

De behoefte aan PCB

Voordat er PCB's bestonden, waren circuits afhankelijk van inefficiënte verbindingsmethoden:

• Point-to-Point-bedrading: Gevoelig voor storingen, waarbij isolatiedegradatie tot kortsluiting leidt.
• Wire-Wrapping: Duurzaam maar arbeidsintensief, met handgewikkelde draden rond palen.

Toen de elektronica overging van vacuümbuizen naar siliciumchips en geïntegreerde schakelingen (IC's), werden traditionele methoden onpraktisch, waardoor printplaten (PCB's) werden gebruikt.

PCB-structuur en -functie

• Materialen: Isolerend substraat bedekt met geleidende koperen sporen.
• Sleutelrollen:
• Elektrische aansluiting: Koperbanen vergemakkelijken de signaal- en stroomoverdracht.
• Mechanische ondersteuning: Bevestigt onderdelen; soldeer (een metaallegering) verbindt onderdelen zowel elektrisch als fysiek.

Voordelen van PCB's

• BetrouwbaarheidElimineert handmatige bedradingsfouten en verouderingsgerelateerde storingen.
• Schaalbaarheid: Maakt massaproductie mogelijk, waardoor het apparaat kleiner en goedkoper wordt.

PCB's brachten een revolutie teweeg in de elektronica en werden de basis van de moderne industrie.

Samenstelling en structuur van printplaten

1. Substraat

• Materialen:
• FR4 (Glasvezel + Epoxy): Meest gebruikt, biedt stevigheid; standaarddikte is 1,6 mm (0,063 inch).
• Flexibele substraten (bijv. Polyimide/Kapton): Gebruikt voor buigbare printplaten, bestand tegen hoge temperaturen, ideaal voor gespecialiseerde toepassingen.
• Goedkope alternatieven (Fenol-/Epoxyharsen): Gevonden in goedkope consumentenelektronica; slecht hittebestendig, geeft sterke geuren af bij solderen.

2.Geleidende laag (koperfolie)

• Structuur:
• Enkelzijdig: Slechts aan één kant koper (laagste kosten).
• Dubbelzijdig: Koper aan beide zijden (meest voorkomend).
• Meerlagig: Afwisselend geleidende en isolerende lagen (tot 32+ lagen).
• Normen voor koperdikte:
• Standaard: 1 oz/ft² (~35 µm).
• Toepassingen met hoog vermogen: 2-3 oz/ft² voor meer stroomcapaciteit.

3.Soldeermasker

• Functie:
• Isoleert koperen sporen om kortsluiting te voorkomen.
• Geleidt het solderen (legt bijvoorbeeld pads bloot door openingen).
• Kleur: Meestal groen (SparkFun gebruikt bijvoorbeeld rood), maar aanpasbaar (blauw, zwart, wit, etc.).

4.Zeefdruklaag

• Doel: Etiketteert componentaanduidingen, polariteit, testpunten, enz. om assemblage en foutopsporing te vergemakkelijken.
• KleurMeestal wit, maar er zijn ook andere opties (zwart, rood, geel, enz.).

PCB-laag Structuur Overzicht

1. Enkelzijdig: Substraat → Koper → Soldeermasker → Zeefdruk.
2. DubbelzijdigSubstraat (koper aan beide zijden) → Soldeermasker → Silkscreen.
3. MeerlagigAfwisselende substraat/koperlagen, bedekt met soldeermasker en zeefdruk.

PCB-substraat materiaalkeuzegids

1. Goedkope oplossingen (consumentenelektronica)

• FR-1/FR-2 (Fenol Katoenpapier, ook bekend als “Bakeliet”)
• Materiaal: Fenolhars + papierbasis
• KenmerkenUltra-lage kosten (~1/3 van FR-4), maar slechte hittebestendigheid (vatbaar voor schroeien) en mechanische sterkte
• ToepassingenAfstandsbedieningen, speelgoed en andere elektronica uit het lagere segment

2.Standaard materiaal van industriële kwaliteit

• FR-4 (glasvezel epoxy)
• Marktaandeel: Gebruikt in >80% van conventionele PCB's
• VoordelenUitgebalanceerde kosten/prestaties, hittebestendigheid tot 130°C, standaarddikte 1,6 mm
• Varianten:
  • FR-3 (Papier-epoxy composiet): Midden tussen FR-2 en FR-4
  • FR-5: Verbeterde versie voor hoge temperaturen (bestand tegen >150°C)

3.Hoogfrequente toepassingen (>1GHz)

• PTFE (op teflon gebaseerde substraten)
• Eigenschappen: Extreem laag diëlektrisch verlies (Dk=2,2), geschikt voor 5GHz+ mmWave
• Voorbeeldmodellen: Rogers RO3000 serie
• Toepassingen5G-basisstations, satellietcommunicatie, radarsystemen

4.Vereisten voor hoge thermische geleidbaarheid

5.Gespecialiseerde oplossingen

• Keramische substraten (aluminiumoxide)
• Voordelen: Komt overeen met chip CTE, bestand tegen 500°C
• Verwerking: Vereist laserboren (hoge kosten), bijv. Rogers RO4000
• Composietmaterialen (CEM-serie)
• CEM-1: Papieren kern + glasvezel oppervlak (FR-1 alternatief)
• CEM-3: Glasvezelmat + epoxyhars (semi-transparant, gangbaar in Japan)

Soorten printplaten

PCB's worden hoofdzakelijk ingedeeld in drie fundamentele types op basis van hun lagenstructuur:

• Enkellaagse PCB

• Voorzien van geleidend koper aan slechts één zijde van het substraat
• Eenvoudigste en meest kosteneffectieve ontwerp
• Gebruikelijke toepassingen: Basiselektronica, rekenmachines, voedingen

• Dubbellaagse PCB

• Geleidende koperlagen aan beide zijden van het substraat
• Gaten doorvoeren verbinden circuits tussen lagen
• Biedt complexere routering dan een enkele laag
• Typische toepassingen: Industriële besturingen, dashboards voor auto's

• PCB met meerdere lagen

• Gestapelde structuur met afwisselend geleidende en isolerende lagen (4-32+ lagen)
• Gebruikt blinde/ingegraven vias voor verbindingen tussen de lagen
• Voordelen: Hoge dichtheid, verbeterde EMI-afscherming
• Toepassingen:Smartphones, servers, medische apparatuur

Functies van printplaten

1. Elektrische aansluiting

• Functionaliteit: Koperen sporen verbinden nauwkeurig componenten (weerstanden, condensatoren, IC's, enz.) om volledige circuit topologieën te vormen.
• Technische voordelen:
• Hoge betrouwbaarheid: Vervangt handmatige bedrading, waardoor het risico van kortsluiting/open circuits wordt geëlimineerd (bijv. moederborden van smartphones met 0,1 mm spoorprecisie).
• SignaalintegriteitOntwerpen met meerdere lagen (bijvoorbeeld 6+ lagen) maken gebruik van grond/vermogensvlakken om overspraak te verminderen (kritisch voor hoogfrequente communicatieapparaten).
• VoorbeeldComputer moederborden maken gegevensoverdracht op hoge snelheid mogelijk (bijvoorbeeld PCIe 4.0 lanes) tussen CPU, RAM en GPU via PCB routing.

2.Mechanische ondersteuning

• Structureel ontwerp:
• Starre/flexibele opties: Consumentenelektronica gebruikt harde FR4-printplaten, terwijl wearables flexibele PCB's gebruiken (bijvoorbeeld de buigbare circuits van de Apple Watch).
• Montage: Gemengde SMT (bijv. 0402 weerstanden) en THT (bijv. voedingsconnectoren) lay-outs zorgen voor evenwicht tussen dichtheid en duurzaamheid.
• Praktische waarde: Vliegtuigcontrollers voor drone's bereiken gewichtsvermindering en trillingsbestendigheid via lichtgewicht PCB-ontwerpen (bijv. aluminium substraten).

3.Circuitbeveiliging

• Beschermingsmechanismen:
• Isolerend substraat: FR4-materialen zijn bestand tegen maximaal 500 V/mm, waardoor lekkage wordt voorkomen (bijv. PCB's van voedingsadapters).
• SoldeermaskerGroene epoxycoating voorkomt oxidatie/kortsluiting (vaak voorkomend rond USB-poorten).
• Speciale behandelingen: Automotive PCB's gebruiken conformal coating (anti-vochtigheid, anti-corrosie) voor ruwe omgevingen.

4.Thermisch beheer

• Koeltechnieken:
• Koper Warmteverspreiding: 2oz dik koper in LED driver boards verlaagt de junction temperaturen.
• Thermische optimalisatie: Server moederborden maken gebruik van thermische vias + pads om warmte af te voeren naar behuizingen (bijv. Intel Xeon kaarten).
• Speciale materialen: Keramische substraten (bijv. aluminiumnitride, 170W/mK) voor IGBT-modules met hoog vermogen.

5.Ruimteoptimalisatie

• Geavanceerde processen:
• HDI-technologie: Blinde/ingegraven vias maken stapelen in 10 lagen mogelijk in smartphone-boards (bijv. iPhone's Any-layer HDI).
• Via-in-pad: De met hars gevulde vias van JLCPCB voorkomen soldeerlekkage onder BGA-chips (bijv. Snapdragon-processors).
• KostenefficiëntieCompacte lay-outs (bijv. smartwatchprintplaten van 20 x 30 mm) verlagen de kosten per eenheid.

Uitgebreide toepassingen

• Hoogfrequent: PCB's voor 5G-basisstations gebruiken PTFE (ε=2.2) om signaalverlies te minimaliseren.
• Zeer betrouwbaar: Aerospace PCB's met 50 µm vergulding garanderen stabiliteit op lange termijn.

Door materiaal-, proces- en ontwerpinnovaties blijven PCB's elektronica aandrijven in de richting van betere prestaties, miniaturisatie en betrouwbaarheid.

PCB Productieproces Gedetailleerde Uitleg

PCB-proces met één laag (9 belangrijke stappen)

1. Technisch ontwerp: Gerber-bestandsuitvoer en procesbevestiging
2. Substraat snijden: Precisie FR-4 snijden (±0,1mm tolerantie)
3. Droge film lamineren: Patroonoverdracht met LDI-belichting
4. Zuur etsen: 35μm (1oz) koper ets
5. Soldeermasker afdrukken: Liquid Photoimageable (LPI) inkttoepassing
6. Zeefdruk: Markering met witte epoxy inkt
7. Afwerking oppervlakHASL/ENIG/OSP-opties beschikbaar
8. CNC Frezen: V-CUT of frezen contoursnijden
9. Eindtest: AOI + tests met vliegende sonde

Belangrijkste verschillen tussen dubbellaagse PCB's

• Geplateerd doorgaand gat (PTH) proces:
• Chemische afzetting van koper: 0,3-1μm wandcoating
• Galvanisch:Bereikt 20-25 μm koper (IPC-6012 standaard)
• Verbeterde patroonoverdracht:
• Secundair koperplateren: Verhoogt dikte tot 50-70 μm
• Tin-lood bescherming:Etsbestendige laag (moderne alternatieven gebruiken zuiver tin)

Meerlagig PCB-kernproces (12-lagig voorbeeld)

• Productie binnenste laag:

• Kernlamineren→belichten→DES-lijn (Ontwikkelen/Etsen/Strippen)
• Binnenlaag AOI-inspectie (<0,1% defectpercentage)

• Lamineringsparameters:

• Lay-up structuur: Koperfolie + prepreg (PP) + kern
• Perscondities:180℃/400psi/120 minuten

• Boortechnologie:

• Lasermicrovias: 50-100 μm diameter (HDI-platen)
• Mechanisch boren: Minimaal 0,2 mm (platen van 6+ lagen)

• Speciale processen:

• Via vullen:Garandeert 8:1 betrouwbaarheid van de beeldverhouding
• Impedantieregeling: ±10% tolerantie (±5% voor RF-kaarten)

Evolutie van moderne processen

Milieuvriendelijke upgrades:

• Cyanidevrij vergulden: Pulselektrolytisch
• Afvalwaterbehandeling: >95% koper terugwinning

Kwaliteitsnormen (IPC-A-600G)

• Klasse 2: Consumentenelektronica
• Klasse 3: militaire/medische rang
• Belangrijkste parameters: Min. lijnbreedte/afstand, uniformiteit koper, kwaliteit gatenwand

PCB Productieproces: Van ontwerp tot assemblage

1.PCB-ontwerp

• Software Gereedschap: CAD-tools (bijv. Altium Designer, KiCad, Eagle) definiëren circuitlay-out, sporen en componentplaatsing.
• Uitvoer ontwerp: Gerber-bestanden (voor fabricage) en BOM (stuklijst) worden gegenereerd.
• OEM-rol: Original Equipment Manufacturers (OEM's) leggen de laatste hand aan het ontwerp voordat ze het naar printplaatfabrikanten sturen.

2.PCB-fabricage

Het ontwerp wordt omgezet in een fysieke printplaat:

• Ets: Koperlagen worden chemisch geëtst om geleidende sporen te vormen.
• BorenGaten worden geboord voor vias en doorgaande componenten (mechanisch of met laser).
• Lamineren: Meerlagige PCB's worden gelijmd onder hitte en druk.
• Afwerking oppervlakOpties zijn onder andere HASL (Hot Air Solder Leveling), ENIG (Electroless Nickel Immersion Gold) en OSP (Organic Solderability Preservative).

3.PCB-assemblage (PCBA)

Componenten worden op de printplaat gemonteerd met behulp van:

A. Technologie voor doorvoeropeningen (THT)

• Componenten hebben kabels die in geboorde gaten worden gestoken.
• Gesoldeerd aan de tegenoverliggende zijde (golfsolderen of handmatig solderen).
• Voordelen: Sterke mechanische verbindingen, hoge betrouwbaarheid.
• Nadelen: Grotere voetafdruk, langzamere montage.

B. Oppervlaktemontagetechnologie (SMT)

• Componenten worden rechtstreeks op PCB-pads geplaatst.
• Proces:

1. Soldeerpasta toepassing: Stencilprinten deponeert pasta op pads.
2. Pick-and-Place: Robots positioneren onderdelen met hoge precisie.
3. Reflow-solderenDe printplaat wordt verwarmd om soldeerpasta te smelten.

• VoordelenKleiner formaat, snellere assemblage, beter voor hoogfrequente schakelingen.
• NadelenVereist nauwkeurige machines, moeilijker te bewerken.

C.Gemengde assemblage (SMT + THT)

• Sommige printplaten combineren beide methoden (bijvoorbeeld grote connectoren in THT, IC's in SMT).

4.Testen en kwaliteitscontrole

• Geautomatiseerde optische inspectie (AOI): Controleert op soldeerdefecten.
• In-circuit testen (ICT): Valideert elektrische prestaties.
• Functioneel testen: Zorgt ervoor dat de PCB werkt zoals bedoeld.

Waarom geven moderne printplaten de voorkeur aan SMT?

• Kleiner formaat (maakt compacte apparaten zoals smartphones mogelijk).
• Hogere componentdichtheid (meer functionaliteit per oppervlakte-eenheid).
• Snellere montage (geschikt voor massaproductie).
• Betere prestaties bij hoge frequenties (kortere sporen verminderen EMI).

PCB-onderdelen & Moderne ontwerptrends

1. Essentiële PCB-onderdelen

PCB's integreren verschillende elektronische componenten, afhankelijk van hun toepassing. De belangrijkste types zijn:

2.HDI-technologie (hoge dichtheid)

Moderne printplaten maken steeds meer gebruik van HDI-ontwerpen om aan de miniaturisatie-eisen te voldoen:

Belangrijkste kenmerken van HDI PCB's:

• Hogere bedradingsdichtheid (microvias, fijnere sporen < 50µm)
• Meer onderdelen per oppervlakte-eenheid (gestapelde vias, blinde/ingegraven vias)
• Verminderd formaat/gewicht (essentieel voor draagbare apparaten)

Toepassingen:

• Consumentenelektronica: Smartphones, wearables
• Medisch: Implanteerbare apparaten, diagnostische hulpmiddelen
• Automotive: ADAS, infotainmentsystemen

Voordelen versus traditionele PCB's:

• Verbeterde signaalintegriteit (kortere interconnecties verminderen EMI)
• Lager energieverbruik (geoptimaliseerde lay-outs)
• Kostenefficiëntie (minder lagen nodig voor dezelfde functionaliteit)

3.Richtlijnen voor componentenselectie

• Ontwerpen met beperkte ruimte: Bij voorkeur SMT-componenten + HDI-routering.
• Krachtige circuits: Gebruik dikke koperen printplaten met koellichamen.
• Toepassingen voor hoge frequenties: Selecteer materialen met een laag Dk-gehalte (bijv. Rogersubstraten).

Belangrijkste factoren PCB-ontwerp

1. Elementen van het basislay-outontwerp

(1) Optimalisatie elektrische eigenschappen

• Spoorbreedte: Berekend op basis van stroombelasting (bijv. 1oz koper, 1A stroom vereist ≥0,3mm spoorbreedte).
• Regels voor afstanden:
• Signaallijnen: ≥3× spoorbreedte (om overspraak te voorkomen).
• Hoogspanningslijnen: Volg de IPC-2221 standaardafstanden.
• Via Ontwerp:
• Vias door gaten: Gatdiameter ≥ plaatdikte/8 (zorgt voor betrouwbare galvanisatie).
• Blinde/ingebedde vias:Gebruikelijk in HDI-boards (lasergeboord, diameter 50-100 μm).

(2) Principes voor de plaatsing van componenten

• Functionele zonering: Analoge/digitale/voedingssecties isoleren.
• Thermisch beheerHoud onderdelen met hoge temperaturen (zoals CPU's) uit de buurt van temperatuurgevoelige onderdelen.
• DFA (ontwerp voor montage):
• SMT componentafstand ≥0,5 mm.
• Reserveer 5 mm snijkantafstand.

2.Belangrijkste strategieën voor signaalintegriteit (SI)

Tips voor hoogfrequent ontwerpen:

• Impedantieregeling: ±10% tolerantie (bijv. USB differentiële paren bij 90Ω±10%).
• Serpentine routing: Voor lengteafstemming, amplitude ≥5× spoorbreedte.

3.Ontwerp voor maakbaarheid (DFM)-controles

• CAM-engineeringcontrole:
• Min. spoor/ruimte ≥ productiecapaciteit (bijv. 4/4mil).
• Soldeermaskerbruggen ≥0,1 mm (voorkomt soldeerboutjes).
• Symmetrisch stapelontwerp: Voorkomt kromtrekken van meerlagige platen.

4.Systeem voor testen en valideren

(1) Productietesten

• AOI (geautomatiseerde optische inspectie):
• Defectdetectiegraad: 99,7% (soldeerbruggen/afwijkingen).
• Scanprecisie: 10 μm @ 50MP camera.
• ICT (In-Circuit Testen):
• Testdekking >95% (via spijkerbedopstelling).

(2) Functionele validatie

• Environmental Stress Screening (ESS): -40℃~85℃ thermische cycli.
• Signaaloogdiagramtests: USB3.0 moet voldoen aan >20% maskeermarge.

5.Geavanceerde ontwerptoolchain

• Simulatiesoftware:
• SI/PI-analyse: HyperLynx, Sigrity.
• Thermische simulatie: Flotherm, Icepak.
• Ontwerp in samenwerking:
• 3D ECAD-MCAD integratie.
• Versiebeheer: Git voor PCB-ontwerpbestanden.

PCB Industrie Certificeringen

1. UL-certificering (veiligheidsnaleving)

Organisatie: Underwriters Laboratories Inc. (Amerikaanse wereldwijde leider op het gebied van veiligheidswetenschap)

Soorten certificering:

• Vermelding: Certificering van volledige productveiligheid (bijv. elektronica voor eindgebruik)
• Erkend onderdeel (RU): Voor componenten zoals printplaten (het meest voorkomend bij printplaatfabrikanten)
• Classificatie: Gespecialiseerde testen voor specifieke gevaren

Focus PCB-industrie:

• Fabrikanten moeten UL-goedgekeurde materiaalinventaris bijhouden (basislaminaten, prepregs, soldeermaskers)
• Elke gecertificeerde faciliteit krijgt een uniek UL-bestandsnummer (bijv. Shengtai’s E142470)
• Kritisch voor:
• Noord-Amerikaanse markttoegang
• Bescherming tegen aansprakelijkheid
• Kwalificatie toeleveringsketen

2.ISO 9001 (kwaliteitsbeheer)

Belangrijkste vereisten:

• Standaardisatie van processen
• Voortdurende verbetering
• Klanttevredenheidscijfers

PCB Uitvoering:

• Typische toepassingen:
• Procesregeling (±5% impedantietolerantie)
• Bijhouden van defectpercentage (bijv. <500 DPPM)
• Tijdige levering (>98% doelstelling)

3.ISO 14001 (Milieubeheer)

Drivers voor naleving:

• Afvalwaterzuivering (koper < 0,5 ppm lozing)
• Energie-efficiëntie (kWh/m² productie)
• Chemische inventariscontrole

Marktvoordelen:

• 62% van de wereldwijde OEM's vereist milieucertificering
• Maakt markttoegang EU/Japan mogelijk
• Vermindert boetes door regelgeving met 30-40%

4.IATF 16949 (autokwaliteit)

Gespecialiseerde vereisten:

• Implementatie van proces-FMEA
• PPAP-documentatie
• 8D probleemoplossing
• 0 ppm defectdoelen

Invloed op de toeleveringsketen:

• Verplicht voor Tier 1/Tier 2 autoleveranciers
• Vereist procescapaciteitsindexen (CpK >1,67)
• Jaarlijkse toezichtsaudits

5.Naleving van RoHS (materiaalbeperkingen)

Stofgrenzen:

Testmethoden:

• XRF-onderzoek
• ICP-MS-verificatie
• Jaarlijkse leveranciersverklaringen

6.REACH-verordening (chemische veiligheid)

Nalevingsraamwerk:

• 241 SVHC-stoffen (vanaf 2023)
• Rapportage SCIP-database
• SDS documentatie-eisen

Uitdagingen voor de PCB-industrie:

• Halogeenvrij laminaat
• Chemie van soldeervloeimiddel
• Formuleringen voor conforme coatings

Matrix voor certificeringsstrategie

Overzicht van PCB-toepassingsgebieden

Als kernonderdeel van elektronische producten zijn PCB's doorgedrongen in verschillende technologiesectoren:

• Consumentenelektronica

• Smartphones/Tablets: 8-12 lagen hoge dichtheid
• Smart Home:Wi-Fi-bedieningsmodules
• Draagbaar:Flexibele, buigbare circuits

• Communicatie-infrastructuur

• 5G-basisstations: Hoogfrequente speciale substraten
• Datacenters:Ontwerpen voor signaaloverdracht met hoge snelheid

• Automobielelektronica

• Conventionele voertuigen:4-6 lagen besturingskaarten
• EV's: Hoogspanningsbatterijbeheersystemen

• Industriële apparatuur

• Robotica: Trillingsbestendige dikkoperen ontwerpen
• Automatisering:Hoge temperatuur bestendige circuits

• Ruimtevaart

• Satellieten:Stralingsbestendige speciale substraten
• Vliegtuigen:Ontwerpen die zich aanpassen aan extreme temperaturen

• Energiesystemen

• Slimme netwerken: vereisten voor hoge betrouwbaarheid
• Hernieuwbare energie: conversiemodules met hoog vermogen

Technologische trends:

• Hogere integratie (miniaturisatie van componenten)
• Beter thermisch ontwerp (hooggeleidende materialen)
• Sterker aanpasbaar aan de omgeving (militaire normen)

PCB-technologie blijft de drijvende kracht achter innovatie in elektronische apparaten in verschillende industrieën.

Aanbevolen lectuur

PCB-substraatmateriaal
PCB-classificatie
Hoe PCB Board Ontwerpen
PCB Layout Ontwerp