PCB – Płytka drukowana (Printed Circuit Board)

PCB – Płytka drukowana (Printed Circuit Board)

PCB, czyli płytka drukowana (ang. Printed Circuit Board), to podstawowy element konstrukcyjny większości urządzeń elektronicznych – od prostych pilotów, przez smartfony, aż po zaawansowane systemy sterowania w automatyce przemysłowej. Stanowi ona sztywną lub elastyczną platformę, na której montowane są elementy elektroniczne oraz prowadzone są połączenia elektryczne w formie ścieżek z miedzi. To właśnie dzięki PCB elektronika stała się miniaturowa, niezawodna i możliwa do masowej produkcji. Dzisiaj pokażę Ci, jak zbudowana jest płytka PCB, jakie są jej typy, technologie wytwarzania i jak wpływa na projektowanie układów elektronicznych.

Budowa i warstwy PCB

Typowa płytka PCB składa się z kilku warstw: podłoża (najczęściej z materiału FR4), warstwy przewodzącej (miedź), maski lutowniczej oraz nadruku opisowego (silkscreen). W przypadku prostych płytek mamy do czynienia z jedną lub dwiema warstwami miedzi. W bardziej złożonych urządzeniach stosuje się wielowarstwowe PCB (np. 4, 6, 8 warstw), gdzie sygnały, zasilanie i masy są rozdzielone do osobnych warstw, co pozwala na zmniejszenie zakłóceń elektromagnetycznych i lepsze prowadzenie sygnału.

Typy PCB i ich zastosowania

• Jednostronne (Single-sided) – tanie i stosowane w prostych urządzeniach jak kalkulatory, zabawki czy proste sterowniki LED.
• Dwustronne (Double-sided) – z połączeniami po obu stronach, umożliwiają bardziej złożony montaż elementów.
• Wielowarstwowe (Multilayer) – wykorzystywane w komputerach, routerach, płytach głównych, telefonach – tam, gdzie liczy się wysoka gęstość układów i dobra separacja sygnałów.
• Elastyczne (Flexible PCB) – stosowane w aparatach fotograficznych, zegarkach, urządzeniach medycznych.
• Rigid-Flex PCB – łączą cechy PCB sztywnych i elastycznych, wykorzystywane np. w urządzeniach mobilnych i lotnictwie.

Proces produkcji PCB

Produkcja płytki PCB to złożony proces obejmujący kilka etapów: projektowanie schematu i ścieżek w programie typu EDA (np. KiCad, Altium Designer), trawienie miedzi, wiercenie otworów, nakładanie solder maski i nadruku oraz końcowe testowanie. Istotne jest precyzyjne prowadzenie ścieżek – zarówno pod względem szerokości, jak i odległości – co wpływa na impedancję sygnałów, zwłaszcza w przypadku sygnałów wysokoczęstotliwościowych (np. w układach RF czy USB 3.0).

Montaż elementów na PCB

Na płytkach drukowanych montowane są elementy elektroniczne w technologii THT (Through-Hole Technology) – gdzie nóżki przechodzą przez otwory w PCB – lub SMT (Surface-Mount Technology), gdzie elementy są lutowane bezpośrednio do powierzchni. SMT pozwala na miniaturyzację układów i automatyzację montażu. W nowoczesnych urządzeniach prawie wszystkie elementy są montowane powierzchniowo – nawet procesory, układy pamięci i przetworniki. Warto dodać, że montaż komponentów w technologii BGA (Ball Grid Array) wymaga precyzyjnych pieców lutowniczych i inspekcji rentgenowskiej.

Znaczenie projektowania PCB

Dobrze zaprojektowana płytka PCB decyduje o stabilności i niezawodności urządzenia. Trzeba uwzględniać szerokość ścieżek dla prądów, separację logiczną, linie różnicowe (dla sygnałów USB, HDMI, Ethernet), ekranowanie, masy i plan zasilania. Projektując układ cyfrowy z mikrokontrolerem, trzeba również pamiętać o odpowiednim filtrowaniu – tu pojawia się pojęcie kondensatorów odsprzęgających, które minimalizują zakłócenia zasilania. W przypadku zasilaczy impulsowych istotne jest też prowadzenie pętli prądowej jak najkrótszą drogą.

PCB a inne technologie

Choć sama płytka PCB jest nośnikiem sygnałów, nie możemy jej analizować w oderwaniu od takich tematów jak SMD, BGA, warstwy zasilające czy impedancja linii transmisyjnych. Przykładowo, w układach mikrofalowych – gdzie sygnały osiągają gigaherce – PCB pełni nie tylko rolę połączeniową, ale także funkcjonalną jako linia transmisyjna (np. mikropaskowa). Stąd konieczność stosowania materiałów o niskiej stratności dielektrycznej jak Rogers lub Taconic.

PCB znajduje również zastosowanie w technologiach takich jak IoT, gdzie miniaturyzacja i integracja funkcji są kluczowe. W urządzeniach typu wearable (zegarki, opaski), projektuje się wielowarstwowe elastyczne PCB o bardzo małej grubości. Tego typu konstrukcje wymagają dużej precyzji, a ścieżki często prowadzi się w kilku warstwach przy zachowaniu bardzo małych odstępów. W takich przypadkach integracja z antenami Bluetooth czy Wi-Fi odbywa się już bezpośrednio na PCB, bez potrzeby stosowania oddzielnych modułów.

W poprzednim wpisie omówiliśmy szczegółowo strukturę sygnałów AF (Audio Frequency), które również przesyłane są ścieżkami PCB – zwłaszcza w torze audio. Natomiast już w kolejnym artykule przejdziemy do tematu SMD (Surface-Mount Device) i przyjrzymy się, jak technologia montażu powierzchniowego zmieniła podejście do projektowania nowoczesnych urządzeń elektronicznych.