Printplaten (PCB's) vormen het kernskelet van elektronische producten en dragen niet alleen componenten, maar bepalen ook de prestaties en betrouwbaarheid van het apparaat. Dit artikel gaat in op belangrijke elementen zoals PCB-ontwerpprincipes, materiaalselectie en kwaliteitscontrole.
Wat is een PCB?
PCB's creëren elektrische verbindingen via koperfoliesporen op een isolerend substraat, vervangen complexe bedrading en maken signaaloverdracht en stroomverdeling tussen componenten mogelijk. PCB's, die bekend staan als de "moeder der elektronische producten", zijn geëvolueerd van vroege structuren met één laag tot complexe vormen zoals Interconnectie met hoge dichtheid (HDI) en Flexibele schakelingenen ondersteunt eisen van consumentenelektronica tot ruimtevaart.
Evolutie sleutelmetriek
| Tijdperk | Mainstream lagen | Precisie lijndikte | Materiaalontwikkeling |
|---|
| 1950s | Enkelzijdig | >1mm | CCL op papier |
| 1980s | 2-4 lagen | 0,2-0,5mm | FR-4 standaardisatie |
| 2000s | 6-8 lagen | 0,1 mm | Hoogfrequent materialen |
| Aanwezig | 10-20+ lagen | <0,05mm | Stijf-flex combinatie |
Belangrijkste functies van PCB
- Elektrische aansluiting - Maakt volledige signaaloverdracht mogelijk door nauwkeurige routing; hoogfrequente schakelingen vereisen gecontroleerde karakteristieke impedantie.
- Mechanische ondersteuning - Biedt een stabiel montageoppervlak voor pakketten zoals BGA, QFN.
- Thermisch beheer - Voert warmte af via thermische vias, metalen kernsubstraten (bijv. LED-verlichtingsborden).
- Elektromagnetische compatibiliteit - Vermindert signaaloverspraak door meerlaagse stapelplanning van voedings-/grondlagen.
Praktijkvoorbeeld: Moederborden voor smartphones gebruiken HDI met alle lagen technologie, waarmee BGA-routering met een pitch van 0,3 mm in een stapel van 10 lagen wordt bereikt terwijl RF-antennecircuits worden geïntegreerd.
Compleet overzicht van PCB-classificatie
Classificatie op aantal lagen
- Enkelzijdig - Laagste kosten, geschikt voor eenvoudige schakelingen (bijv. voedingsmodules)
- Dubbelzijdig - Optimale kosten-prestaties, interconnecties via vias
- Meerlagig - 4-30+ lagen, ondersteunt complexe IC-interconnectie (bijv. servermoederborden)
Indeling naar substraat
| Type | Kenmerken | Toepassingsscenario's |
|---|
| Stijve PCB | Dimensionale stabiliteit, hoge sterkte | Computers, industriële besturingen |
| Flexibele PCB | Buigbaar, bestand tegen vermoeidheid | Draagbare apparaten, cameramodules |
| Rigid-Flex | Evenwicht tussen stabiliteit en 3D-routing | Medische apparatuur, Ruimtevaart |
PCB materiaalkeuzegids
Vergelijking gemeenschappelijk substraat
FR-4 Epoxy Glasweefsel
├── Voordelen: Lage kosten (80-200¥/㎡), volwassen verwerking
├── Beperkingen: Hoog verlies bij hoge frequenties, matige hittebestendigheid
└── Toepassingen: Consumentenelektronica, Vermogensapparatuur
Rogers Hoogfrequent serie
├── Voordelen: Stabiele diëlektrische constante, lage verlies tangens
├── Beperkingen: Hoge kosten (5-8x FR-4)
└── Toepassingen: 5G basisstations, radarsystemen
PCB met metalen kern (MCPCB)
├── Voordelen: Uitstekende thermische dissipatie (1-3W/m-K)
├── Beperkingen: Moeilijk voor meerlaagse fabricage
└── Toepassingen: Krachtige LED's, auto-elektronica
Polyimide flexibele printplaten
├── Voordelen: Bestand tegen >100k bochten
├── Beperkingen: Hoge vochtabsorptie, moet voorgebakken worden
└── Toepassingen: Opvouwbare telefoons, dynamische apparatuur
Selectie Besluitvormingsproces
- Elektrische behoeften definiëren - Voor hoge frequentie >1 GHz, geef de voorkeur aan materialen met laag verlies.
- Milieuomstandigheden beoordelen - Kies voor omgevingen met hoge temperaturen materialen met een hoge Tg (>170℃).
- Mechanische vereisten - Overweeg voor trillende omgevingen een stijf-flex ontwerp
- Kostenoptimalisatie - Gebruik FR-4 als het belangrijkste materiaal voor consumentenelektronica, lokaal gemengde materialen
Lay-outprincipes
- Blokgebaseerde indeling - Verdeling per functie (RF, Digitaal, Analoge scheiding)
- Prioriteit geven aan thermisch beheer - Plaats apparaten met hoog vermogen in de buurt van de rand van de printplaat of het warmteafvoerpad
- Oriëntatie signaalstroom - Minimaliseer de spoorlengte voor hoogfrequente signalen
Specificaties routing
Spoorbreedte vs. stroomcapaciteit (1oz koper)
┌────────────┬──────────────────┐
Stroomsterkte │ Aanbevolen breedte│
├────────────┼──────────────────┤
1A │ 0,5mm │
│ 3A │ 1,5mm │
│ 5A │ 2,5mm │
└────────────┴──────────────────┘
- Strikt gecontroleerde lengteaanpassing voor differentiële paren met hoge snelheid (±5mil)
- Vermijd hoeken van 90°, gebruik sporen van 45° of bogen
Kwaliteitscontrole: Volledig proces van grondstof tot eindproduct
Veelvoorkomende defecten en tegenmaatregelen
| Type defect | Oorzaak | Oplossing |
|---|
| Schil van koperfolie | Onvoldoende materiaalhechting | Lamineerparameters optimaliseren |
| Signaalvervorming | Afwijking impedantieregeling | De etscompensatie verbeteren |
| Slechte soldeerbaarheid | Verkeerd padontwerp | Soldeermasker toevoegen |
| EMI | Onredelijke stapelstructuur | Het aardingsschema aanpassen |
Inspectieproces
Inspectie van grondstoffen → Imaging van binnenlagen → AOI-inspectie → Lamineren
→ Boren en plateren → Beeldvorming buitenste laag → Soldeermasker en silkscreen → Elektrisch testen en verpakken
Moderne printplatenfabrieken combineren Geautomatiseerde optische inspectie (AOI) met Test met vliegende sonde om productopbrengst >98% te garanderen.
PCB Industrie Keten Panorama
Stroomopwaarts: Glasvezel/koperfolie/hars → Midstream: CCL/Prepreg → PCB-productie → Downstream: Elektronische assemblage
China is 's werelds grootste productiebasis voor PCB's geworden, goed voor 56% van de wereldwijde outputwaarde, waarbij het aandeel van producten met een hoge toegevoegde waarde zoals HDI en flexibele printplaten voortdurend toeneemt.