Hvad er trykt kredsløb (PCB)

Hvad er en Trykt kredsløb (PCB)?

PCB (Printed Circuit Boards), også kaldet “printed wiring boards” eller “printed wiring cards,” er rygraden i moderne elektronik, designet til at sammenkoble og understøtte elektroniske komponenter, samtidig med at det letter overførslen af signaler og strøm.

Behovet for PCB

Før PCB var kredsløb afhængige af ineffektive forbindelsesmetoder:

• Punkt-til-punkt-ledninger: Udsat for fejl, hvor nedbrydning af isolering fører til kortslutning.
• Trådindpakning: Holdbar, men arbejdskrævende, med håndrullede ledninger omkring stolperne.

Da elektronikken gik fra vakuumrør til siliciumchips og integrerede kredsløb (IC'er), blev de traditionelle metoder upraktiske, hvilket førte til indførelsen af printplader (PCB).

PCB-struktur og -funktion

• Materialer: Isolerende substrat lagdelt med ledende kobberbaner.
• Nøgleroller:
• Elektriske forbindelser: Kobberbaner letter signal- og strømoverførsel.
• Mekanisk støtte: Sikrer komponenter; loddetin (en metallegering) forbinder dele både elektrisk og fysisk.

Fordele ved PCB'er

• PålidelighedEliminerer manuelle ledningsfejl og aldringsrelaterede fejl.
• Skalerbarhed: Muliggør masseproduktion, hvilket reducerer enhedens størrelse og omkostninger.

PCB'er revolutionerede elektronikken og blev grundlaget for den moderne industri.

Sammensætning og opbygning af printkort (PCB)

1. Underlag

• Materialer:
• FR4 (Glasfiber + epoxy): Mest almindeligt, giver stivhed; standardtykkelse er 1,6 mm (0,063 tommer).
• Fleksible underlag (f.eks. polyimid/kapton): Bruges til bøjelige printkort, tåler høje temperaturer, ideelt til specialiserede anvendelser.
• Billige alternativer (Phenol-/Epoxyharpikser): Findes i billig forbrugerelektronik; dårlig varmebestandighed, afgiver stærke lugte, når det loddes.

2.Ledende lag (kobberfolie)

• Struktur:
• Enkeltsidet: Kun kobber på den ene side (laveste pris).
• Dobbeltsidet: Kobber på begge sider (mest almindeligt).
• Flere lag: Skiftende ledende og isolerende lag (op til 32+ lag).
• Standarder for kobbertykkelse:
• Standard: 1 oz/ft² (~35 µm).
• Anvendelser med høj effekt: 2-3 oz/ft² for øget strømkapacitet.

3.Loddemaske

• Funktion:
• Isolerer kobberbaner for at forhindre kortslutning.
• Styrer lodningen (f.eks. eksponerer pads gennem åbninger).
• Farve: Typisk grøn (SparkFun bruger f.eks. rød), men kan tilpasses (blå, sort, hvid osv.).

4.Silketryk-lag

• Formålapsuleringsprocesser og mødeMærker komponentbetegnelser, polaritet, testpunkter osv. og hjælper med montering og fejlfinding.
• FarveNormalt hvid, men der findes andre muligheder (sort, rød, gul osv.).

PCB-lag Oversigt over struktur

1. Enkeltsidet: Substrat → Kobber → Loddemaske → Silketryk.
2. DobbeltsidetSubstrat (kobber på begge sider) → Loddemaske → Silketryk.
3. Flere lagSkiftende substrat/kobberlag, toppet med loddemaske og silketryk.

Guide til valg af PCB-substratmaterialer

1. Billige løsninger (forbrugerelektronik)

• FR-1/FR-2 (Phenolic Cotton Paper, aka “Bakelite”)
• Materiale: Fenolisk harpiks + papirbase
• Funktionerapsuleringsprocesser og mødeUltra-lav pris (~1/3 af FR-4), men dårlig varmebestandighed (tilbøjelig til at brænde) og mekanisk styrke
• AnvendelserFjernbetjeninger, legetøj og anden billig elektronik

2.Standardmateriale af industriel kvalitet

• FR-4 (glasfiber-epoxy)
• Markedsandel: Bruges i 80 % af konventionelle PCB'er
• FordeleAfbalanceret pris/ydelse, varmebestandighed op til 130 °C, standardtykkelse på 1,6 mm
• Varianter:
  • FR-3 (Papir-epoxy-komposit): Mellemklasse mellem FR-2 og FR-4
  • FR-5: Forbedret version til høje temperaturer (tåler >150°C)

3.Højfrekvente applikationer (>1GHz)

• PTFE (teflon-baserede substrater)
• Ejendomme: Ekstremt lavt dielektrisk tab (Dk=2,2), velegnet til 5GHz+ mmWave
• Eksempler på modeller: Rogers RO3000-serien
• Anvendelser5G-basestationer, satellitkommunikation, radarsystemer

4.Krav til høj termisk ledningsevne

5.Specialiserede løsninger

• Keramiske substrater (aluminiumoxid)
• Fordele: Svarer til chip-CTE, tåler 500 °C
• Forarbejdning: Kræver laserboring (høj pris), f.eks. Rogers RO4000
• Kompositmaterialer (CEM-serien)
• CEM-1: Papirkerne + glasfiberoverflade (FR-1 alternativ)
• CEM-3: Glasfibermåtte + epoxyharpiks (halvgennemsigtig, almindelig i Japan)

Typer af trykte kredsløb (PCB)

PCB'er klassificeres primært i tre grundlæggende typer baseret på deres lagstruktur:

• Enkeltlags PCB

• Har kun ledende kobber på den ene side af substratet
• Det enkleste og mest omkostningseffektive design
• Almindelige anvendelser: Grundlæggende elektronik, lommeregnere, strømforsyninger

• PCB med dobbeltlag

• Ledende kobberlag på begge sider af substratet
• Gennemgående vias forbinder kredsløb mellem lag
• Tilbyder mere kompleks routing end et enkelt lag
• Typiske anvendelser: Industrielle styringer, instrumentpaneler til biler

• PCB i flere lag

• Stablede strukturer med skiftevis ledende og isolerende lag (4-32+ lag)
• Bruger blinde/nedgravede vias til forbindelser mellem lagene
• Fordele: Høj tæthed, forbedret EMI-afskærmning
• Anvendelser:Smartphones, servere, medicinsk udstyr

PCB-kortets funktioner

1. Elektrisk forbindelse

• Funktionalitet: Kobberbaner forbinder præcist komponenter (modstande, kondensatorer, IC'er osv.) for at danne komplette kredsløbstopologier.
• Tekniske fordele:
• Høj pålidelighed: Erstatter manuel ledningsføring og eliminerer risikoen for kortslutninger/åbne kredsløb (f.eks. smartphone-bundkort med 0,1 mm sporpræcision).
• SignalintegritetDesign i flere lag (f.eks. 6+ lag) bruger jord/strøm-planer til at reducere krydstale (kritisk for højfrekvente kommunikationsenheder).
• EksempelComputerens bundkort muliggør højhastighedsdataoverførsel (f.eks. PCIe 4.0-baner) mellem CPU, RAM og GPU via PCB-routing.

2.Mekanisk støtte

• Strukturelt design:
• Stive/fleksible muligheder: Forbrugerelektronik bruger stive FR4-plader, mens wearables bruger fleksible PCB'er (f.eks. Apple Watch's bøjelige kredsløb).
• Monteringsmetoder: Blandede SMT- (f.eks. 0402-modstande) og THT-layouts (f.eks. strømstik) giver balance mellem tæthed og holdbarhed.
• Praktisk værdi: Droneflyvekontroller opnår vægtreduktion og vibrationsmodstand via letvægts PCB-design (f.eks. aluminiumssubstrater).

3.Beskyttelse af kredsløb

• Beskyttelsesmekanismer:
• Isolerende underlag: FR4-materialer kan modstå op til 500 V/mm, hvilket forhindrer lækage (f.eks. strømadapterprintkort).
• LoddemaskeGrøn epoxybelægning forhindrer oxidering/kortslutning (almindeligt omkring USB-porte).
• Særlige behandlinger: PCB'er til biler bruger konform belægning (anti-fugtighed, anti-korrosion) til barske miljøer.

4.Termisk styring

• Køleteknikker:
• Varmespredning i kobber: 2 oz tykt kobber i LED-driverkort reducerer forbindelsestemperaturer.
• Termisk optimering: Server-bundkort bruger termiske vias + pads til at overføre varme til kabinetter (f.eks. Intel Xeon-kort).
• Særlige materialer: Keramiske substrater (f.eks. aluminiumnitrid, 170W/mK) til IGBT-moduler med høj effekt.

5.Optimering af plads

• Avancerede processer:
• HDI-teknologi: Blinde/nedgravede vias muliggør 10-lags stabling i smartphone-kort (f.eks. iPhones Any-layer HDI).
• Via-in-Pad: JLCPCB's harpiksfyldte vias forhindrer loddelækage under BGA-chips (f.eks. Snapdragon-processorer).
• OmkostningseffektivitetKompakte layouts (f.eks. smartwatch-printkort på 20 mm × 30 mm) reducerer enhedsomkostningerne.

Udvidede applikationer

• Højfrekvent: PCB'er til 5G-basestationer bruger PTFE (ε=2,2) for at minimere signaltab.
• Høj pålidelighed: Aerospace PCB'er med 50 μm guldbelægning sikrer langvarig stabilitet.

Gennem materiale-, proces- og designinnovationer fortsætter printkort med at drive elektronik mod højere ydeevne, miniaturisering og pålidelighed.

Detaljeret forklaring af PCB-fremstillingsprocessen

PCB-proces med et enkelt lag (9 centrale trin)

1. Teknisk design: Gerber-filoutput og procesbekræftelse
2. Skæring af substrat: Præcisionsskæring af FR-4 (±0,1 mm tolerance)
3. Tørfilm-laminering: Mønsteroverførsel ved hjælp af LDI-eksponering
4. Syrisk ætsning: 35 μm (1 oz) kobberætsning
5. Udskrivning af loddemasker: Anvendelse af LPI-blæk (Liquid Photoimageable)
6. Silketryk: Mærkning med hvidt epoxyblæk
7. OverfladefinishHASL/ENIG/OSP-muligheder tilgængelige
8. CNC-fræsning: V-CUT eller fræsning af konturskæring
9. Endelig testning: AOI + test med flyvende sonde

De vigtigste forskelle på dobbeltlags-printkort

• Plated Through Hole (PTH)-proces:
• Kemisk aflejring af kobber: 0,3-1 μm vægbelægning
• Galvanisering:Opnår 20-25 μm hul kobber (IPC-6012 standard)
• Forbedret overførsel af mønstre:
• Sekundær kobberbelægning: Øger tykkelsen til 50-70 μm
• Tin-bly-beskyttelse:Ætsningsbestandigt lag (moderne alternativer bruger rent tin)

PCB-kerneproces med flere lag (eksempel med 12 lag)

• Produktion af indre lag:

• Kernelaminering→eksponering→DES-linje (fremkaldelse/ætsning/strip)
• AOI-inspektion af det indre lag (<0,1 % fejlrate)

• Lamineringsparametre:

• Layup-struktur: Kobberfolie + prepreg (PP) + kerne
• Tryk på betingelser:180℃/400psi/120 minutter

• Boreteknologi:

• Lasermikrovias: 50-100 μm i diameter (HDI-plader)
• Mekanisk boring: 0,2 mm minimum (6+ lags plader)

• Særlige processer:

• Via påfyldning:Sikrer et pålideligt billedformat på 8:1
• Impedansstyring: ±10% tolerance (±5% for RF-kort)

Moderne procesudvikling

Miljøvenlige opgraderinger:

• Cyanidfri guldbelægning: Pulselektroplettering
• Spildevandsbehandling: 95% kobbergenvinding

Kvalitetsstandarder (IPC-A-600G)

• Klasse 2: Forbrugerelektronik
• Klasse 3: Militær/medicinsk klasse
• Nøgleparametre: Min. linjebredde/afstand, kobberuniformitet, hulvægskvalitet

PCB-fremstillingsproces: Fra design til montering

1.PCB-design

• Software-værktøjer: CAD-værktøjer (f.eks. Altium Designer, KiCad, Eagle) definerer kredsløbslayout, spor og komponentplacering.
• Design-output: Gerber-filer (til fabrikation) og BOM (Bill of Materials) genereres.
• OEM-rolle: Producenter af originalt udstyr (OEM'er) færdiggør designet, før de sender det til PCB-producenter.

2.PCB-fremstilling

Designet omdannes til et fysisk board gennem:

• Ætsning: Kobberlag er kemisk ætset for at danne ledende spor.
• BoringDer bores huller til vias og gennemgående komponenter (mekanisk eller laserboring).
• Laminering: PCB'er i flere lag limes sammen under varme og tryk.
• OverfladefinishValgmulighederne omfatter HASL (Hot Air Solder Leveling), ENIG (Electroless Nickel Immersion Gold) og OSP (Organic Solderability Preservative).

3.Montering af printkort (PCBA)

Komponenterne monteres på printet ved hjælp af:

A. Gennemgående hul-teknologi (THT)

• Komponenterne har ledninger, der er sat ind i borede huller.
• Loddet på den modsatte side (bølgelodning eller manuel lodning).
• Fordele: Stærke mekaniske bindinger, høj pålidelighed.
• Ulemper: Større fodaftryk, langsommere montering.

B. Overflademonteret teknologi (SMT)

• Komponenterne placeres direkte på PCB-pads.
• Proces:

1. Anvendelse af loddepasta: Stenciltryk aflejrer pasta på puder.
2. Plukke og placere: Robotter placerer komponenter med høj præcision.
3. Reflow-lodningBrættet opvarmes for at smelte loddepasta.

• FordeleMindre størrelse, hurtigere samling, bedre til højfrekvente kredsløb.
• UlemperKræver præcise maskiner, sværere at omarbejde.

C.Blandet montering (SMT + THT)

• Nogle kort kombinerer begge metoder (f.eks. store stik i THT, IC'er i SMT).

4.Test og kvalitetskontrol

• Automatiseret optisk inspektion (AOI): Kontrollerer for loddefejl.
• Test i kredsløb (ICT): Validerer den elektriske ydeevne.
• Funktionel testning: Sikrer, at printkortet fungerer efter hensigten.

Hvorfor foretrækker moderne printkort SMT?

• Mindre størrelse (muliggør kompakte enheder som smartphones).
• Højere komponenttæthed (mere funktionalitet pr. arealenhed).
• Hurtigere montering (egnet til masseproduktion).
• Bedre ydeevne ved høje frekvenser (kortere spor reducerer EMI).

PCB-komponenter og moderne designtrends

1. Vigtige PCB-komponenter

PCB'er integrerer forskellige elektroniske komponenter afhængigt af deres anvendelse. De vigtigste typer omfatter:

2.HDI-teknologi (High Density Interconnect)

Moderne printkort anvender i stigende grad HDI-designs for at opfylde kravene til miniaturisering:

Nøglefunktioner i HDI PCB'er:

• Højere ledningstæthed (mikrovias, finere spor < 50µm)
• Flere komponenter pr. arealenhed (stablede vias, blinde/nedgravede vias)
• Reduceret størrelse/vægt (kritisk for bærbare enheder)

Anvendelser:

• Forbrugerelektronik: Smartphones, wearables
• Medicinske indkapslingsprocesser og møderImplanterbare enheder, diagnostiske værktøjer
• Automotiveapsulation-processer og møderADAS, infotainmentsystemer

Fordele i forhold til traditionelle printkort:

• Forbedret signalintegritet (kortere sammenkoblinger reducerer EMI)
• Lavere strømforbrug (optimerede layouts)
• Omkostningseffektivitet (færre lag er nødvendige for den samme funktionalitet)

3.Retningslinjer for valg af komponenter

• Design med begrænset plads: Foretrækker SMT-komponenter + HDI-routing.
• Kredsløb med høj effekt: Brug PCB'er af tykt kobber med køleplader.
• Højfrekvente applikationer: Vælg materialer med lav Dk (f.eks. Rogers-substrater).

Nøglefaktorer for PCB-design

1. Grundlæggende elementer i layoutdesign

(1) Optimering af elektriske egenskaber

• Sporbredde: Beregnet ud fra strømbelastning (f.eks. 1 oz kobber, 1A strøm kræver ≥0,3 mm sporbredde).
• Regler for mellemrum:
• Signallinjer: ≥3× sporbredde (for at forhindre krydstale).
• Højspændingsledninger: Følg IPC-2221-standardafstanden.
• Via design:
• Vias med gennemgående huller: Huldiameter ≥ pladetykkelse/8 (sikrer pålidelig plettering).
• Blinde/nedgravede vias:Almindelige i HDI-kort (laserborede, 50-100 μm i diameter).

(2) Principper for placering af komponenter

• Funktionel zoneinddeling: Isolér analoge/digitale/strømførende sektioner.
• Termisk styringHold komponenter med høj varme (f.eks. CPU'er) væk fra temperaturfølsomme dele.
• DFA (design til montering):
• SMT-komponentafstand ≥0,5 mm.
• Reserver 5 mm frigang til værktøjskanten.

2.Nøgle-strategier for signalintegritet (SI)

Tips til højfrekvent design:

• Impedansstyring: ±10 % tolerance (f.eks. USB-differentielle par ved 90Ω±10 %).
• Serpentine Routing: For længdematchning, amplitude ≥5× sporbredde.

3.Kontrol af design for fremstillbarhed (DFM)

• Verifikation af CAM-teknik:
• Min. spor/plads ≥ fabrikskapacitet (f.eks. 4/4 mil).
• Loddemaskebroer ≥0,1 mm (forhindrer loddekortslutninger).
• Symmetrisk opstablingsdesign: Forhindrer krumning af flerlagsplade.

4.Test- og valideringssystem

(1) Test af produktion

• AOI (automatiseret optisk inspektion):
• Registreringsrate for defekter: 99,7 % (loddebroer/mistilpasning).
• Scanningspræcision: 10μm @ 50MP kamera.
• ICT (In-Circuit Testing):
• Testdækning >95% (via bed-of-nails fixture).

(2) Funktionel validering

• Environmental Stress Screening (ESS): -40℃~85℃ termisk cykling.
• Test af signaløjediagram: USB3.0 skal opfylde >20% maskemargin.

5.Avanceret designværktøjskæde

• Simuleringssoftware:
• SI/PI-analyse: HyperLynx, Sigrity.
• Termisk simulering: Flotherm, Icepak.
• Samarbejdsorienteret design:
• 3D ECAD-MCAD-integration.
• Versionskontrol: Git til PCB-designfiler.

PCB-industriens certificeringer

1. UL-certificering (overholdelse af sikkerhedskrav)

Organisation: Underwriters Laboratories Inc. (USA-baseret global leder inden for sikkerhedsvidenskab)

Certificeringstyper:

• Liste: Fuld produktsikkerhedscertificering (f.eks. elektronik til slutbrug)
• Anerkendt komponent (RU): Til komponenter som PCB'er (mest almindeligt for PCB-producenter)
• Klassificering: Specialiserede test til specifikke farer

Fokus på PCB-industrien:

• Producenter skal opretholde en UL-godkendt materialebeholdning (basislaminater, prepregs, loddemasker)
• Hvert certificeret anlæg får et unikt UL-filnummer (f.eks. Shengtai’s E142470)
• Kritisk over for:
• Adgang til det nordamerikanske marked
• Beskyttelse mod erstatningsansvar
• Kvalificering af forsyningskæden

2.ISO 9001 (kvalitetsstyring)

Vigtige krav:

• Standardisering af processer
• Kontinuerlig forbedring
• Målinger af kundetilfredshed

PCB-implementering:

• Typiske anvendelser:
• Processtyring (±5% impedans-tolerance)
• Sporing af fejlrate (f.eks. 500 DPPM)
• Levering til tiden (mål på 98%)

3.ISO 14001 (miljøledelse)

Drivkræfter for overholdelse:

• Spildevandsbehandling (kobber < 0,5 ppm udledning)
• Energieffektivitet (kWh/m² produktion)
• Kontrol af kemisk lagerbeholdning

Fordele på markedet:

• 62 % af de globale OEM'er kræver miljøcertificering
• Muliggør markedsadgang i EU/Japan
• Reducerer lovpligtige bøder med 30-40%.

4.IATF 16949 (kvalitet i bilindustrien)

Specialiserede krav:

• Implementering af proces-FMEA
• PPAP-dokumentation
• 8D problemløsning
• 0 ppm defekte mål

Påvirkning af forsyningskæden:

• Obligatorisk for Tier 1/Tier 2 leverandører til bilindustrien
• Kræver proceskapacitetsindeks (CpK >1.67)
• Årlige overvågningsaudits

5.Overholdelse af RoHS (materialebegrænsninger)

Grænser for stoffer:

Testmetoder:

• XRF-screening
• ICP-MS-verifikation
• Årlige leverandørerklæringer

6.REACH-forordningen (kemikaliesikkerhed)

Ramme for overholdelse:

• 241 SVHC-stoffer (fra 2023)
• Rapportering i SCIP-databasen
• Krav til SDS-dokumentation

PCB-industriens udfordringer:

• Overensstemmelse med halogenfrit laminat
• Kemi for loddeflux
• Formulering af konforme belægninger

Matrix for certificeringsstrategi

Oversigt over PCB-anvendelsesområder

Som kernekomponent i elektroniske produkter er printkort trængt ind i forskellige teknologisektorer:

• Forbrugerelektronik

• Smartphones/tablets: 8-12 lags tavler med høj densitet
• Det intelligente hjem:Wi-Fi-kontrolmoduler
• Bærbare produkter:Fleksible, bøjelige kredsløb

• Kommunikationsinfrastruktur

• 5G-basestationer: Højfrekvente specialsubstrater
• Datacentre:Design af højhastigheds-signaltransmission

• Elektronik til biler

• Konventionelle køretøjer:4-6 lags kontrolpaneler
• Elbiler: Højspændingsbatteristyringssystemer

• Industrielt udstyr

• Robotteknologi: Vibrationsresistente designs i tykt kobber
• Automatisering:Højtemperaturbestandige kredsløb

• Aerospaceapsulationsprocesser og møder

• Satellitter:Strålingshærdede specialsubstrater
• Flyvemaskiner:Design, der tilpasser sig ekstreme temperaturer

• Energisystemer

• Smart Grids: Krav om høj pålidelighed
• Vedvarende energi: Konverteringsmoduler med høj effekt

Teknologiske tendenser:

• Højere integration (miniaturisering af komponenter)
• Bedre termisk design (materialer med høj ledningsevne)
• Stærkere miljømæssig tilpasningsevne (militære standarder)

PCB-teknologi fortsætter med at drive innovation i elektroniske enheder på tværs af brancher.

Anbefalet læsning

PCB-substratmateriale
PCB-klassificering
Sådan designer du et printkort
Design af PCB-layout