PCB-kernconcepten: wat zijn printplaten en hoe werken ze?

Klant-geantroiseerd beeldmateriaal

Printed Circuit Boards (PCB's) zijn de onbekende ruggengraat van elk modern elektronisch apparaat, van de smartphone in je zak tot de radar in een zelfrijdende auto.gelaagde planken vervangen rommelige draden met precieze koperen sporenZonder PCB's zouden de miniaturiseerde, hoogwaardige elektronica van vandaag onmogelijk zijn:Stel je een smartphone voor met honderden losse draden, of een medische monitor die uitvalt door verwarde verbindingen.

Als de wereldwijde elektronica-industrie groeit, groeit ook de vraag naar PCB's.De ontwikkeling van de 5G-netwerken en de ontwikkeling van de 5G-netwerken zijn een belangrijke factor in de ontwikkeling van de Europese markt.Deze gids beschrijft de kernconcepten van PCB's: wat ze zijn, hun structuur, belangrijke componenten, toepassingen en hoe ze de apparaten die we dagelijks gebruiken, aansturen.Of u nu een hobbyist bent die een doe-het-zelfproject bouwt of een ingenieur die industriële apparatuur ontwerptHet begrijpen van deze basisprincipes zal u helpen effectiever met PCB's te werken.

Belangrijkste lessen
1Definitie: Een PCB is een gelaagd bord dat geleidende kopersporen gebruikt om elektronische componenten te verbinden, om omvangrijke draden te vervangen en miniaturisatie mogelijk te maken.
2.Typen: PCB's worden ingedeeld op basis van complexiteit (eenzijdig, dubbelzijdig, meerlagig) en betrouwbaarheid (klasse 1 voor speelgoed, klasse 3 voor medische en ruimtevaartapparatuur).
3.Structuur: De kernlagen omvatten een substraat (bijv. FR4), kopersporen, soldeermasker (beschermende coating) en zijdeplaat (etiketten).
4Materialen: FR4 is het standaardsubstraat voor de meeste elektronica; flexibele PCB's gebruiken polyimide, terwijl hoogfrequente ontwerpen afhankelijk zijn van PTFE.
5.Aanwendingen: PCB's voeden consumentenapparaten, elektrische voertuigen, medische apparaten en ruimtesystemen, met gespecialiseerde ontwerpen voor de behoeften van elke industrie.
6.Kosten en efficiëntie: PCB's met meerdere lagen kosten meer, maar besparen ruimte; de productie in grote hoeveelheden vermindert de kosten per eenheid met 30-50%.

Wat is een PCB? - Definitie, doel en indeling
A Printed Circuit Board (PCB) is a rigid or flexible board that mechanically supports and electrically connects electronic components using conductive pathways (called “traces”) etched into copper layersIn tegenstelling tot de oudere "punt-tot-punt" bedrading (die losse draden gebruikte om onderdelen te verbinden), zijn PCB's compact, duurzaam en gemakkelijk in massa te produceren.

Kerndoel van PCB's
PCB's lossen drie kritieke problemen op in de elektronica:

1.Miniaturisatie: Koperspuren (zo dun als 0,1 mm) laten ontwerpers honderden componenten op een bord passen dat kleiner is dan een creditcard (bijv. het belangrijkste PCB van een smartphone).
2Betrouwbaarheid: vaste sporen elimineren losse verbindingen en verminderen het falen met 70% in vergelijking met bekabelde schakelingen.
3Vervaardigbaarheid: geautomatiseerde assemblage (pick-and-place machines) kan 1000+ PCB's per uur vullen, waardoor de productie van grote hoeveelheden betaalbaar is.

PCB-classificatie: naar betrouwbaarheid en complexiteit
PCB's worden gegroepeerd in categorieën op basis van hun beoogde gebruik (betrouwbaarheid) en laaggetal (complexiteit) – twee belangrijke factoren voor ontwerpers en fabrikanten.
1. betrouwbaarheidsklassen (IPC-normen)
De IPC (Association Connecting Electronics Industries) definieert drie klassen op basis van hoe cruciaal het PCB is voor de functie van het apparaat:

Voorbeeld: een PCB van klasse 3 in een pacemaker moet voldoen aan strenge tests (bijv. meer dan 1000 thermische cycli) om storingen te voorkomen, terwijl een PCB van klasse 1 in een speelgoed alleen basisfunctionaliteit vereist.

2. Complexiteitsklassen (laaggetal)
Het aantal lagen bepaalt hoeveel geleidende paden een PCB kan ondersteunen. Meer lagen betekenen meer componenten en snellere signalen:

Trend: Multilayer PCB's (612 lagen) zijn nu standaard in smartphones en EV's Apple's iPhone 15 gebruikt een 8-laagse PCB om de 5nm-processor en 5G-modem in een slank ontwerp te passen.

PCB versus PCBA: wat is het verschil?
Een veel voorkomende bron van verwarring is het onderscheid tussen een PCB en een PCBA (Printed Circuit Board Assembly):

a.PCB: het “bare board” “alleen de gelaagde structuur (substraat, koper, soldeermasker) zonder aangesloten onderdelen.
b.PCBA: De eindproductcomponenten (resistoren, IC's, connectoren) worden aan het PCB gelast, waardoor het functioneel wordt.

Een voorbeeld: een fabrikant verkoopt een naakt PCB aan een hobbyist, maar een smartphonefabriek koopt PCBA's die klaar zijn om in apparaten te installeren.

PCB-structuur: lagen en materialen
De prestaties van een PCB zijn afhankelijk van het gelaagde ontwerp en de materialen die voor elke laag worden gebruikt.

De vier kernlagen van een standaard PCB
De meeste starre PCB's (bijv. op basis van FR4) hebben vier belangrijke lagen, terwijl flexibele of meerlagige ontwerpen extra lagen toevoegen voor specifieke behoeften:

Optioneel laag voor geavanceerde PCB's:

a.Power/Ground Planes: Inwendige koperschichten (in meerlagige PCB's) die vermogen verdelen en geluidsreductie mogelijk maken.
b.Thermische vijzels: met koper gevulde gaten die warmte overbrengen van hete onderdelen (bv. IC's) naar de binnenste lagen of hittezuigers.

Belangrijkste PCB-materialen: hoe de juiste te kiezen
De materiaalkeuze is afhankelijk van het gebruiksgeval van de PCB's, bijvoorbeeld een flexibele smartwatch band heeft een ander substraat nodig dan een hoogwarmte EV-omvormer.

Critische overweging: voor hoogfrequente ontwerpen (bijv. 5G mmWave) minimaliseert het lage dielectrische verlies van PTFE (Df = 0,0002) de signaalverdamping, iets wat FR4 (Df = 0,02) niet kan matchen.

Essentiële PCB-componenten: wat ze doen en waarom ze belangrijk zijn
Een pcb is alleen functioneel als er componenten aan worden gelast. Elk onderdeel heeft een specifieke rol, van het regelen van stroom tot het verwerken van gegevens. Hieronder zijn de meest voorkomende componenten en hun functies:
Gemeenschappelijke PCB-componenten en hun functie

Voorbeeld: In een draadloze koptelefoon verwerkt een IC audiosignalen, condensatoren stroom uit de batterij,en weerstanden beschermen de luidspreker tegen overstromingen – allemaal verbonden door koperen sporen op een klein PCB.

Hoe de componenten samenwerken
Componenten worden in circuits (serie, parallel of gemengd) geplaatst om specifieke taken uit te voeren.

a.Krachtcircuit: een batterij levert spanning → een diode voorkomt omgekeerde stroom → een condensator filtert geluid → een weerstand beperkt de stroom naar een LED.
b.Signal Circuit: een sensor detecteert licht → een transistor versterkt het signaal → een IC verwerkt de gegevens → een connector stuurt de resultaten naar een display.

Deze samenwerking zorgt ervoor dat de PCB's als een enkel, samenhangend systeem functioneren, zonder losse draden.

PCB-toepassingen: waar en waarom worden ze gebruikt
PCB's zijn overal, maar hun ontwerp verschilt drastisch per industrie.en een flexibel pcb voor een smartwatch kan de warmte van een EV-omvormer niet aan.
1Consumentenelektronica: de grootste markt
Consumentengadgets zijn afhankelijk van kleine, goedkope PCB's die prestaties en betaalbaarheid in evenwicht brengen.

a.Smartphones: PCB's met 6 ∼12 lagen met kleine sporen (0,1 mm) voor 5G-modems, processors en camera's.
b.Wearables: Flexible polyimide-PCB's die kunnen buigen met smartwatches of fitnessbands. Apple Watch maakt gebruik van een 4-laag flexibel PCB in zijn band.
c.Huishoudelijke apparaten: enkelzijdige of dubbelzijdige FR4-PCB's in koelkasten (temperatuurcontroles) en magnetronen (krachtbeheer).

Marktgegevens: consumentenelektronica is goed voor 40% van de wereldwijde PCB-vraag, gedreven door de jaarlijkse verkoop van 1,3 miljard smartphones.

2Automobiel: EV's en ADAS's stimuleren groei
Auto's gebruiken meer PCB's dan ooit.Traditionele ICE (intern verbrandingsmotor) auto's hebben 50-100 PCB's, terwijl EV's 300-500 hebben.

a.ADAS (Advanced Driver-Assistance Systems): Multilayer PCB's in radarsystemen (77GHz) en LiDAR-systemen. Tesla's Autopilot gebruikt 8-layer b.PCB's voor nauwkeurige objectdetectie.
c.EV-batteriemanagementsystemen (BMS): PCB's van dik koper (2 oz+) die 400 V gelijkstroom verwerken en warmte van batterijcellen afvoeren.
Infotainment: dubbelzijdige PCB's voor touchscreens en Bluetooth-connectiviteit.

Belangrijkste vereiste: PCB's voor de automobielindustrie moeten bestand zijn tegen temperaturen van -40 °C tot 125 °C en trillingen (20G+) ◄ zodat zij gebruikmaken van FR4 met een hoge Tg (Tg ≥170 °C) en extra beschermingsmasker met soldeermiddel.

3Medische hulpmiddelen: veiligheid en precisie
Medische PCB's behoren tot klasse 3 (veiligheidskritisch) en vereisen biocompatibiliteit, steriliteit en betrouwbaarheid.

a.Implantabel: flexibele polyimide-PCB's in pacemakers en neurostimulatoren zijn biocompatibel en bestand tegen lichaamsvloeistoffen
b.Diagnostiek: Multilayer PCB's in echografieapparaten en bloedanalysatoren zorgen voor nauwkeurige metingen.
c. Draagbare apparaten: flexibele PCB's in hartslagmeters, die zich aanpassen aan het lichaam en zweet weerstaan.

Naleving: Medische PCB's voldoen aan de ISO 13485-normen en worden strikt getest (bijv. 1000+ autoclaafcycli voor sterilisatie).

4Luchtvaart en defensie: extreme duurzaamheid
PCB's in de luchtvaart werken in ruwe omgevingen (straling, vacuüm, extreme temperaturen) en moeten storingsveilig zijn.

a.satellieten: PTFE- en keramische PCB's die bestand zijn tegen straling (100kRad) en werken bij -55°C tot 125°C.
b.Military Aircraft: Multilayer PCB's in radarsystemen en navigatiesystemen kunnen bestand zijn tegen trillingen van vuurwapens (100G) en brandstof.
c. raketten: hoogfrequente PCB's die het doelstellingssysteem begeleiden. PTFE-substraat minimaliseert signaalverlies bij 100 GHz.

Testing: PCB's voor de luchtvaart halen MIL-STD-883H (militaire normen) voor thermische cyclussen, trillingen en straling.

Hoe PCB's werken: elektrische verbindingen en signaalstroom
De taak van een PCB is om elektrische signalen en stroom tussen componenten te verplaatsen zonder interferentie of verlies.
1. Trace Routing: de “Roads” voor signalen
Kopersporen zijn de "wegen" die signalen en stroom dragen.

a.Minimaliseer de lengte: kortere sporen verminderen de signaalvertraging, wat van cruciaal belang is voor designs met hoge snelheid (bijvoorbeeld 5G gebruikt sporen <5 cm om latentie te voorkomen).
b.Vermijd kruisingen: bij eenzijdige PCB's kunnen sporen niet kruisen (ze zijn kort), dus bij dubbelzijdige/meerdere lagen bevattende PCB's worden via's (gaten) gebruikt om tussen de lagen te springen.
c.Bedieningbreedte: bredere sporen dragen meer stroom ¥1 mm breed, 1 oz koperen sporenhandvaten ~ 10A, terwijl een 0,2 mm sporenhandvaten ~ 2A (IPC-2221 standaard).

Voorbeeld: een 5G-smartphone's PCB maakt gebruik van 0,15 mm brede sporen voor signaalpaden en 1 mm brede sporen voor stroom (batterij naar IC).

2Impedantieafsluiting: Signalen helder houden
Impedantie (weerstand tegen wisselstroomsignalen) moet consistent zijn over de sporen heen om signaalreflectie te voorkomen..g., Ethernet). Ongeschikte impedantie veroorzaakt:

a. Signaalverlies: een 10% impedantieafwijking (55Ω in plaats van 50Ω) reflecteert 10% van het signaal en vermindert het bereik.
b.Geluid: gereflecteerde signalen interfereren met andere sporen en veroorzaken storingen in geluid of gegevens.

Hoe de matching wordt bereikt: pas de spoorbreedte en de substraatdikte aan, bv. 0,15 mm breed spoor op een 0,1 mm dikke FR4 = 50Ω-impedantie.

3. Aarding en geluidsreductie
Aarding is van cruciaal belang voor het verminderen van elektromagnetische interferentie (EMI), die signalen kan verstoren.

a.grondvlakken: een vaste koperschaal (in meerlagige PCB's) die fungeert als een schild om geluid te absorberen.
b.Eenpuntgrondslag: alle grondverbindingen ontmoeten elkaar op één punt om te voorkomen dat er 'grondsluitingen' ontstaan (die geluid veroorzaken).
c. Ontkoppelende condensatoren: geplaatst in de buurt van IC's om vermogensgeluid te filteren, zijn 0,1 μF condensatoren standaard voor de meeste ontwerpen.

Resultaat: een goed geaard PCB heeft 50% minder EMI, waardoor het geschikt is voor gevoelige apparaten zoals medische monitors.

Vaak gestelde vragen over PCB's: veelgestelde vragen beantwoord
V1: Wat is het verschil tussen een stijf en een flexibel PCB?
A: Rigiede PCB's (op basis van FR4) zijn stijf en worden gebruikt in apparaten zoals laptops. Flexible PCB's (op basis van polyimide) buigen en vouwen  ideaal voor wearables of opvouwbare telefoons. Rigiede-flex PCB's combineren beide (bijv.een smartwatch-PCB met een stijve kern en een flexibele band).

V2: Hoe kies ik het juiste PCB-materiaal?
A: Volg deze checklist op:

1Toepassing: Flexibel? Gebruik polyimide. Hoge frequentie? Gebruik PTFE.
2.Milieu: warm (EV's)? Gebruik hoog-Tg FR4. Steriele (medische)? Gebruik biocompatibele polyimide.
3.Kosten: Budget? Gebruik FR4. Premium? Gebruik PTFE of keramiek.

V3: Waarom zijn meerlagige PCB's beter voor complexe apparaten?
A: PCB's met meerdere lagen:

a. Ruimtebesparing (6-laag PCB = 1/3 van de grootte van een eenzijdig PCB met dezelfde componenten).
b.Reduceer geluid (afzonderlijke vermogen/grondvlakken).
c. Ondersteunen van snellere signalen (kortere traces, gecontroleerde impedantie).

V4: Kunnen PCB's gerecycled worden?
A: Ja, bij gespecialiseerde installaties worden koper (40-60% van het gewicht van een PCB) en edelmetaal (goud, zilver) met chemische of mechanische processen hergebruikt.Recycling vermindert e-afval en verlaagt de kosten van grondstoffen.

V5: Welke gereedschappen heb ik nodig om een PCB te ontwerpen?
A: Voor beginners: gratis tools zoals KiCad of EasyEDA (uitstekend voor eenvoudige projecten).De meeste hulpmiddelen omvatten schematische opname (tekenen circuits) en lay-out (plaats componenten / sporen).

Conclusies
PCB's zijn de basis van de moderne elektronica, en zorgen voor miniaturisatie, betrouwbaarheid en efficiëntie die we als vanzelfsprekend beschouwen.de componenten aanpassen aan de unieke behoeften van elke toepassingHet begrijpen van de kernconcepten van PCB's - hoe ze zijn opgebouwd, welke materialen moeten worden gebruikt en hoe componenten samenwerken - stelt u in staat om elektronische apparaten effectiever te ontwerpen, bouwen of te repareren.

Naarmate de technologie vooruitgaat (6G, AI, quantum computing), zullen PCB's ook evolueren: dunnere sporen, meer lagen en nieuwe materialen (bijv. grafeen voor snellere signalen) zullen de grenzen van wat mogelijk is verleggen.Of u nu een hobbyist bent of een ingenieurAls u deze basisbeginselen goed kent, kunt u de snel veranderende wereld van de elektronica bijhouden.

Voor fabrikanten en ontwerpers zorgt een samenwerking met ervaren PCB-leveranciers (zoals LT CIRCUIT) ervoor dat uw boards voldoen aan de normen en prestatievereisten van de industrie.U kunt zelfs de meest complexe elektronische ideeën omzetten in functionele, betrouwbare producten.