Vad är ett tryckt kretskort (PCB)?

Vad är en Tryckt kretskort (PCB)?

KRETSKORT (Printed Circuit Boards), även kallade “printed wiring boards” eller “printed wiring cards,” är ryggraden i modern elektronik, utformad för att sammankoppla och stödja elektroniska komponenter samtidigt som den underlättar överföringen av signaler och kraft.

Behovet av PCB

Innan kretskorten fanns var kretsarna beroende av ineffektiva anslutningsmetoder:

• Punkt-till-punkt-kablage: Känsliga för fel, med försämrad isolering som leder till kortslutningar.
• Wire-wrapping: Hållbar men arbetsintensiv, med handlindade trådar runt stolparna.

När elektroniken övergick från vakuumrör till kiselchip och integrerade kretsar (IC) blev traditionella metoder opraktiska, vilket ledde till att man började använda tryckta kretskort (PCB).

PCB-struktur och funktion

• Material: Isolerande substrat överlagrat med ledande kopparspår.
• Nyckelroller:
• Elektrisk anslutning: Kopparbanor underlättar signal- och kraftöverföring.
• Mekanisk support: Fäster komponenter; lödning (en metallegering) sammanfogar delar både elektriskt och fysiskt.

Fördelar med mönsterkort

• TillförlitlighetEliminerar manuella kabeldragningsfel och åldringsrelaterade fel.
• Skalbarhet: Möjliggör massproduktion, vilket minskar enhetens storlek och kostnad.

Kretskort revolutionerade elektroniken och blev en grundpelare i den moderna industrin.

Kretskortens sammansättning och struktur (PCB)

1. Underlag

• Material:
• FR4 (Glasfiber + epoxi): Vanligast, ger styvhet; standardtjockleken är 1,6 mm (0,063 tum).
• Flexibla substrat (t.ex. polyimid/kapton): Används för böjbara mönsterkort, tål höga temperaturer, idealisk för specialiserade applikationer.
• Lågkostnadsalternativ (Fenol-/Epoxihartser): Förekommer i billig konsumentelektronik; dålig värmebeständighet, avger stark lukt vid lödning.

2.Ledande skikt (kopparfolie)

• Struktur:
• Enkelsidig: Koppar på endast en sida (lägsta kostnad).
• Dubbelsidig: Koppar på båda sidor (vanligast).
• Flerskikt: Omväxlande ledande och isolerande skikt (upp till 32+ skikt).
• Standarder för koppartjocklek:
• Standard: 1 oz/ft² (~35 µm).
• Högeffektsapplikationer: 2-3 oz/ft² för ökad strömkapacitet.

3.Lödmask

• Funktion:
• Isolerar kopparledningarna för att förhindra kortslutning.
• Styr lödningen (t.ex. exponerar pads genom öppningar).
• Färg: Vanligtvis grön (t.ex. SparkFun använder röd), men kan anpassas (blå, svart, vit etc.).

4.Silkscreenskikt

• SyfteMärker ut komponentbeteckningar, polaritet, testpunkter etc., vilket underlättar montering och felsökning.
• FärgVanligtvis vit, men det finns även andra alternativ (svart, röd, gul etc.).

PCB-lager Översikt över strukturen

1. Enkelsidig: Substrat → Koppar → Lödmask → Silkscreen.
2. DubbelsidigSubstrat (koppar på båda sidor) → Lödmask → Silkscreen.
3. FlerskiktOmväxlande substrat/kopparskikt, toppat med lödmask och silkscreen.

Guide för val av material för PCB-substrat

1. Lågkostnadslösningar (konsumentelektronik)

• FR-1/FR-2 (fenoliskt bomullspapper, även kallat “bakelit”)
• Material: Fenolharts + pappersbas
• FunktionerUltralåg kostnad (~1/3 av FR-4), men dålig värmebeständighet (benägen att brännas) och mekanisk hållfasthet
• TillämpningarFjärrkontroller, leksaker och annan elektronik av låg kvalitet

2.Standardmaterial av industriell kvalitet

• FR-4 (glasfiberepoxi)
• Marknadsandel: Används i 80% av konventionella PCB
• FördelarBalanserad kostnad/prestanda, värmebeständighet upp till 130°C, standardtjocklek 1,6 mm
• Varianter:
  • FR-3 (Komposit av papper och epoxi): Mellanklass mellan FR-2 och FR-4
  • FR-5: Förbättrad version för höga temperaturer (tål >150°C)

3.Högfrekventa applikationer (>1GHz)

• PTFE (Teflon-baserade substrat)
• Fastigheter: Extremt låg dielektrisk förlust (Dk=2,2), lämplig för 5GHz+ mmWave
• Exempel på modeller: Rogers RO3000-serien
• Tillämpningar5G-basstationer, satellitkommunikation, radarsystem

4.Krav på hög värmeledningsförmåga

5.Specialiserade lösningar

• Keramiska substrat (aluminiumoxid)
• Fördelar: Motsvarar chipets CTE, tål 500°C
• Bearbetning: Kräver laserborrning (hög kostnad), t.ex. Rogers RO4000
• Kompositmaterial (CEM-serien)
• CEM-1: Papperskärna + glasfiberyta (FR-1-alternativ)
• CEM-3: Glasfibermatta + epoxiharts (halvgenomskinlig, vanlig i Japan)

Typer av tryckta kretskort (PCB)

PCB klassificeras huvudsakligen i tre grundläggande typer baserat på deras lagerstruktur:

• PCB med ett lager

• Har ledande koppar på endast en sida av substratet
• Enklaste och mest kostnadseffektiva design
• Vanliga användningsområden: Grundläggande elektronik, miniräknare, strömförsörjning

• PCB med dubbla lager

• Ledande kopparskikt på båda sidor av substratet
• Vias genom hål förbinder kretsar mellan lager
• Erbjuder mer komplex routing än ett enskiktat system
• Typiska användningsområden: Industriella kontroller, instrumentpaneler i fordon

• Flerskikts-PCB

• Staplad struktur med omväxlande ledande och isolerande skikt (4-32+ skikt)
• Använder blinda/begravda vior för anslutningar mellan skikten
• Fördelar: Hög densitet Hög densitet, förbättrad EMI-avskärmning
• Användningsområden:Smartphones, servrar, medicinsk utrustning

PCB-kortens funktioner

1. Elektrisk anslutning

• Funktionalitet: Kopparledningarna förbinder komponenter (resistorer, kondensatorer, IC:er etc.) på ett exakt sätt för att bilda kompletta kretstopologier.
• Tekniska fördelar:
• Hög tillförlitlighet: Ersätter manuell kabeldragning, vilket eliminerar risken för kortslutningar/öppna kretsar (t.ex. moderkort för smartphones med 0,1 mm spårprecision).
• SignalintegritetFlerskiktskonstruktioner (t.ex. 6+ lager) använder jord- och effektplan för att minska överhörning (kritiskt för högfrekventa kommunikationsenheter).
• ExempelModerkort till datorer möjliggör höghastighetsdataöverföring (t.ex. PCIe 4.0-banor) mellan CPU, RAM och GPU via PCB-routing.

2.Mekaniskt stöd

• Strukturell design:
• Rigid/Flex-alternativ: I konsumentelektronik används FR4-kretsar, medan bärbara enheter använder flexibla kretskort (t.ex. Apple Watch böjbara kretsar).
• Monteringsmetoder: Blandade SMT- (t.ex. 0402-resistorer) och THT-layouter (t.ex. strömkontakter) balanserar densitet och hållbarhet.
• Praktiskt värde: Styrenheter för drönare uppnår viktminskning och vibrationsmotstånd med hjälp av lätta mönsterkort (t.ex. aluminiumsubstrat).

3.Skydd av krets

• Skyddsmekanismer:
• Isolerande substrat: FR4-material tål upp till 500 V/mm, vilket förhindrar läckage (t.ex. kretskort för nätadaptrar).
• LödmaskGrön epoxibeläggning förhindrar oxidation och kortslutning (vanligt runt USB-portar).
• Särskilda behandlingar: Kretskort för bilar använder konform beläggning (anti-fukt, anti-korrosion) för tuffa miljöer.

4.Termisk hantering

• Tekniker för kylning:
• Värmespridning av koppar: 2 oz tjock koppar i LED-drivdonskort sänker anslutningstemperaturen.
• Termisk optimering: Moderkort till servrar använder termiska vias + pads för att överföra värme till kapslingar (t.ex. Intel Xeon-kort).
• Särskilda material: Keramiska substrat (t.ex. aluminiumnitrid, 170 W/mK) för högeffekts IGBT-moduler.

5.Rymdoptimering

• Avancerade processer:
• HDI-teknik: Blind/begravda vior möjliggör stapling av 10 lager i smartphonekort (t.ex. iPhones Any-layer HDI).
• Via-in-Pad: JLCPCB:s hartsfyllda vior förhindrar lödläckage under BGA-chip (t.ex. Snapdragon-processorer).
• KostnadseffektivitetKompakta layouter (t.ex. kretskort för smartklockor på 20 mm×30 mm) minskar enhetskostnaderna.

Utökade tillämpningar

• Högfrekvent: Kretskort för 5G-basstationer använder PTFE (ε=2,2) för att minimera signalförlust.
• Hög tillförlitlighet: Aerospace-kretskort med 50 μm guldplätering säkerställer långsiktig stabilitet.

Genom material-, process- och designinnovationer fortsätter mönsterkorten att driva elektroniken mot högre prestanda, miniatyrisering och tillförlitlighet.

Detaljerad förklaring av tillverkningsprocessen för mönsterkort

Process för enskikts-PCB (9 viktiga steg)

1. Teknisk design: Gerber-filutmatning och processbekräftelse
2. Skärning av substrat: Precisionsskärning av FR-4 (tolerans ±0,1 mm)
3. Torrfilmslaminering: Mönsteröverföring med hjälp av LDI-exponering
4. Syrabaserad etsning: 35 μm (1 oz) kopparetsning
5. Tryckning av lödmask: Applicering av LPI-bläck (Liquid Photoimageable)
6. Silkscreentryck: Märkning med vit epoxibläck
7. YtfinishHASL/ENIG/OSP-alternativ tillgängliga
8. CNC-fräsning: V-CUT eller fräsning konturskärning
9. Slutlig testning: AOI + testning med flygande sond

Viktiga skillnader mellan PCB med dubbla lager

• Process för pläterade genomgående hål (PTH):
• Kemisk deponering av koppar: 0,3-1 μm väggbeläggning
• Elektroplätering:Uppnår 20-25 μm hål koppar (IPC-6012 standard)
• Förbättrad mönsteröverföring:
• Sekundär kopparplätering: Ökar tjockleken till 50-70 μm
• Skydd av tenn och bly:Etsningsbeständigt skikt (moderna alternativ använder rent tenn)

Kärnprocess för flerskikts-PCB (exempel med 12 skikt)

• Produktion av inre lager:

• Kärnlaminering→exponering→DES-linje (framkallning/etsning/strippning)
• AOI-inspektion av inre lager (0,1% defektfrekvens)

• Lamineringsparametrar:

• Uppläggningsstruktur: Kopparfolie + prepreg (PP) + kärna
• Pressförhållanden:180°C/400psi/120 minuter

• Borrningsteknik:

• Lasermikrovias: 50-100 μm diameter (HDI-kort)
• Mekanisk borrning: Minst 0,2 mm (skivor med 6+ lager)

• Särskilda processer:

• Via fyllning:Säkerställer ett tillförlitligt bildförhållande på 8:1
• Impedansreglering: ±10% tolerans (±5% för RF-kort)

Modern processutveckling

Miljövänliga uppgraderingar:

• Cyanidfri guldplätering: Pulselektroplätering
• Rening av avloppsvatten: >95% kopparåtervinning

Kvalitetsstandarder (IPC-A-600G)

• Klass 2: Konsumentelektronik
• Klass 3: Militär/medicinsk klass
• Viktiga parametrar: Min. linjebredd/avstånd, kopparuniformitet, hålväggskvalitet

Tillverkningsprocess för kretskort: Från design till montering

1.PCB-design

• Verktyg för programvara: CAD-verktyg (t.ex. Altium Designer, KiCad, Eagle) definierar kretslayout, spår och komponentplacering.
• Designutgång: Gerberfiler (för tillverkning) och BOM (Bill of Materials) genereras.
• OEM-roll: Original Equipment Manufacturers (OEM) färdigställer designen innan den skickas till PCB-tillverkare.

2.Tillverkning av kretskort

Designen omvandlas till ett fysiskt kort genom:

• Etsning: Kopparskikt etsas kemiskt för att bilda ledande spår.
• BorrningHål borras för vior och genomgående komponenter (mekanisk borrning eller laserborrning).
• Laminering: Flerskiktskretskort limmas under värme och tryck.
• YtfinishBland alternativen finns HASL (Hot Air Solder Leveling), ENIG (Electroless Nickel Immersion Gold) och OSP (Organic Solderability Preservative).

3.Montering av kretskort (PCBA)

Komponenterna monteras på kretskortet med hjälp av:

A. Fördelar med genomgående hålteknikKärnbaserad HDI (THT)ry FördelarKärnbaserad HDI

• Komponenterna har ledningar som förts in i borrade hål.
• Lödning på motsatt sida (våglödning eller manuell lödning).
• Proffs: Starka mekaniska bindningar, hög tillförlitlighet.
• Nackdelar: Större fotavtryck, långsammare montering.

B. Ytmonteringsteknik (SMT)

• Komponenterna placeras direkt på kretskortsplattorna.
• Process:

1. Tillämpning av lödpasta: Stenciltryck sätter in pasta på tamponger.
2. Plocka och placera: Robotar positionerar komponenter med hög precision.
3. Fördelar med omsmältningslödningKärnbaserad HDIKortet värms upp för att smälta lödpasta.

• ProffsMindre storlek, snabbare montering, bättre för högfrekventa kretsar.
• NackdelarKräver exakta maskiner, svårare att omarbeta.

C.Blandad montering (SMT + THT)

• Vissa kort kombinerar båda metoderna (t.ex. stora kontaktdon i THT, IC i SMT).

4.Testning & Kvalitetskontroll

• Automatiserad optisk inspektion (AOI): Kontrollerar om lödningen är felaktig.
• Testning i krets (ICT): Validerar elektrisk prestanda.
• Funktionell testning: Säkerställer att kretskortet fungerar som avsett.

Varför föredrar moderna kretskort SMT?

• Mindre storlek (möjliggör kompakta enheter som smartphones).
• Högre komponenttäthet (mer funktionalitet per ytenhet).
• Snabbare montering (lämplig för massproduktion).
• Bättre prestanda för högfrekventa frekvenser (kortare spår minskar EMI).

PCB-komponenter & Moderna designtrender

1. Viktiga PCB-komponenter

Kretskort integrerar olika elektroniska komponenter beroende på deras tillämpning. Viktiga typer inkluderar:

2.HDI-teknik (High-Density Interconnect)

Moderna kretskort använder i allt högre grad HDI-konstruktioner för att möta kraven på miniatyrisering:

Viktiga egenskaper hos HDI-kretskort:

• Högre ledningsdensitet (mikrovias, finare spår < 50µm)
• Fler komponenter per ytenhet (staplade vior, blinda/begravda vior)
• Minskad storlek/vikt (kritiskt för bärbara enheter)

Tillämpningar:

• Konsumentelektronik: Smartphones, wearables
• MedicinskImplanterbara enheter, diagnostiska verktyg
• FordonADAS, infotainmentsystem

Fördelar jämfört med traditionella mönsterkort:

• Förbättrad signalintegritet (kortare sammankopplingar minskar EMI)
• Lägre strömförbrukning (optimerade layouter)
• Kostnadseffektivitet (färre lager behövs för samma funktionalitet)

3.Riktlinjer för val av komponenter

• Utrymmesbegränsade konstruktioner: Föredrar SMT-komponenter + HDI-routing.
• Kretsar med hög effekt: Använd kretskort av tjock koppar med kylflänsar.
• Högfrekventa tillämpningar: Välj material med låg Dk (t.ex. Rogers-substrat).

Nyckelfaktorer för PCB-design

1. Grundläggande designelement för layout

(1) Optimering av elektriska egenskaper

• Spårbredd: Beräknas baserat på strömbelastning (t.ex. 1 oz koppar, 1A ström kräver ≥0,3 mm spårbredd).
• Regler för mellanslag:
• Signallinjer: ≥3× spårbredd (för att förhindra överhörning).
• Högspänningsledningar: Följ IPC-2221 standardavstånd.
• Via design:
• Vior för genomgående hål: Håldiameter ≥ kartongtjocklek/8 (säkerställer tillförlitlig plätering).
• Blinda/begravda vior:Vanligt i HDI-kort (laserborrade, 50-100 μm i diameter).

(2) Principer för placering av komponenter

• Funktionell zonindelning: Isolera analoga/digitala/kraftsektioner.
• Termisk hanteringHåll högupphettade komponenter (t.ex. processorer) borta från temperaturkänsliga delar.
• DFA (Design för montering):
• Avstånd mellan SMT-komponenter ≥0,5 mm.
• Reservera 5 mm spel för verktygskanten.

2.Nyckelstrategier för signalintegritet (SI)

Tips för högfrekventa konstruktioner:

• Impedansreglering: ±10% tolerans (t.ex. USB differentiella par vid 90Ω±10%).
• Serpentinförläggning: För längdmatchning, amplitud ≥5× spårets bredd.

3.Kontroller av design för tillverkningsbarhet (DFM)

• Verifiering av CAM-teknik:
• Min. spår/utrymme ≥ tillverkningskapacitet (t.ex. 4/4mil).
• Lödmaskbryggor ≥0,1 mm (förhindrar lödkortslutning).
• Symmetrisk stackup-design: Förhindrar skevhet hos flerskiktsskivor.

4.System för provning och validering

(1) Produktionstestning

• AOI (automatiserad optisk inspektion):
• Detekteringsgrad för defekter: 99,7% (lödbryggor/förskjutning).
• Skanningsprecision: 10 μm @ 50MP kamera.
• ICT (In-Circuit Testing):
• Testtäckning >95% (via spikmask).

(2) Funktionell validering

• Environmental Stress Screening (ESS): -40°C~85°C termisk cykling.
• Test av signalögondiagram: USB3.0 måste uppfylla >20% maskmarginal.

5.Verktygskedja för avancerad design

• Simuleringsprogramvara:
• SI/PI-analys: HyperLynx, Sigrity.
• Termisk simulering: Flotherm, Icepak.
• Design i samarbete:
• 3D ECAD-MCAD-integration.
• Versionskontroll: Git för PCB-designfiler.

Certifieringar för PCB-industrin

1. UL-certifiering (överensstämmelse med säkerhetskrav)

Organisation: Underwriters Laboratories Inc. (USA-baserad global ledare inom säkerhetsforskning)

Typer av certifiering:

• Listning: Fullständig certifiering av produktsäkerhet (t.ex. elektronik för slutanvändning)
• Redovisad komponent (RU): För komponenter som kretskort (vanligast för kretskortstillverkare)
• Klassificering: Specialiserad provning för specifika faror

Fokus på PCB-industrin:

• Tillverkare måste upprätthålla UL-godkända materialinventarier (baslaminat, prepregs, lödmasker)
• Varje certifierad anläggning får ett unikt UL-filnummer (t.ex. Shengtai’s E142470)
• Kritisk för:
• Tillträde till den nordamerikanska marknaden
• Ansvarsskydd
• Kvalifikationer för försörjningskedjan

2.ISO 9001 (kvalitetsledning)

Viktiga krav:

• Standardisering av processer
• Kontinuerlig förbättring
• Mätning av kundnöjdhet

PCB-implementering:

• Typiska användningsområden:
• Processtyrning (±5% impedanstolerans)
• Spårning av defektfrekvens (t.ex. 500 DPPM)
• Leverans i tid (mål: 98%)

3.ISO 14001 (miljöledning)

Drivkrafter för efterlevnad:

• Rening av avloppsvatten (koppar < 0,5 ppm utsläpp)
• Energieffektivitet (kWh/m² produktion)
• Kemisk lagerstyrning

Fördelar på marknaden:

• 62% av globala OEM-företag kräver miljöcertifiering
• Möjliggör marknadstillträde för EU/Japan
• Minskar bötesbeloppen med 30-40%.

4.IATF 16949 (kvalitet inom fordonsindustrin)

Specialiserade krav:

• Implementering av process-FMEA
• PPAP-dokumentation
• 8D problemlösning
• 0 ppm defekta mål

Påverkan på leveranskedjan:

• Obligatoriskt för Tier 1/Tier 2 fordonsleverantörer
• Kräver index för processförmågan (CpK >1,67)
• Årliga övervakningsrevisioner

5.Överensstämmelse med RoHS (materialrestriktioner)

Gränsvärden för substanser:

Testmetoder:

• XRF-screening
• ICP-MS-verifiering
• Årliga leverantörsdeklarationer

6.REACH-förordningen (kemikaliesäkerhet)

Ramverk för efterlevnad:

• 241 SVHC-ämnen (från och med 2023)
• Rapportering till SCIP-databasen
• Krav på dokumentation av säkerhetsdatablad

Utmaningar för PCB-industrin:

• Halogenfritt laminat uppfyller kraven
• Kemi för lödflussmedel
• Formuleringar för konforma beläggningar

Matris för certifieringsstrategi

Översikt över PCB-applikationsområden

Som kärnkomponent i elektroniska produkter har kretskort trängt in i olika tekniksektorer:

• Konsumentelektronik

• Smartphones/läsplattor: 8-12 lager högdensitetsskivor
• Smarta hem:Wi-Fi-styrmoduler
• Bärbara produkter:Flexibla, böjbara kretsar

• Infrastruktur för kommunikation

• 5G basstationer:Högfrekventa specialsubstrat
• Datacenter:Design för signalöverföring med hög hastighet

• Elektronik för fordonsindustrin

• Konventionella fordon:4-6 lager styrkort
• Elbilar: System för hantering av högspänningsbatterier

• Industriell utrustning

• Robotteknik: Vibrationståliga tjocka kopparkonstruktioner
• Automation:Kretsar som tål höga temperaturer

• Flyg- och rymdindustrin

• Satelliter:Strålningshärdade specialsubstrat
• Flygplan:Konstruktioner som anpassar sig till extrema temperaturer

• Energisystem

• Smarta elnät: Krav på hög tillförlitlighet
• Förnybar energi: Moduler för omvandling av hög effekt

Tekniktrender:

• Högre integration (miniatyrisering av komponenter)
• Bättre termisk design (material med hög ledningsförmåga)
• Starkare miljöanpassningsförmåga (militär standard)

PCB-tekniken fortsätter att driva på innovationen inom elektroniska apparater i alla branscher.

Rekommenderad läsning

PCB-substratmaterial
PCB-klassificering
Hur man designar kretskort
PCB-layoutdesign