Найпоширеніші застосування друкованих плат за галузями промисловості

У сучасному світі високих технологій друковані плати (PCB) служать основою для більшості електронних пристроїв, якими ми користуємося щодня. Від смартфона у вашій кишені до приладів на вашій кухні, друковані плати забезпечують роботу електроніки завдяки їх цілеспрямованому та складному дизайну.

У 72.6 році світовий ринок друкованих плат оцінювався в 2022 мільярда доларів США, а до 107.4 року він, за прогнозами, досягне 2030 мільярда доларів США, демонструючи CAGR 4.3% з 2023 по 2030 рік (ResearchAndMarkets, 2022). Це зростання відображає розширення застосування друкованих плат у галузях промисловості разом із постійними інноваціями в самій технології друкованих плат.

За останні кілька десятиліть друковані плати значно розвинулися, стаючи все меншими, надійнішими та здатними сприяти складнішим функціям. У цій статті наведено огляд того, що таке друковані плати, їх широке застосування в різних галузях промисловості, основні аспекти дизайну та погляд на майбутнє можливостей друкованих плат.

Що таке друковані плати та як вони працюють?

Печатна плата служить основою, на якій монтуються електронні компоненти та з’єднуються між собою для створення функціональних схем. Друковані плати забезпечують ефективний розподіл енергії та сигналів між компонентами через провідні шляхи, витравлені з мідних листів і ламіновані на непровідну підкладку. Такі компоненти, як резистори, конденсатори, інтегральні схеми (ІС), кнопки та дисплеї, припаяні до поверхневих панелей друкованої плати або вставлені в наскрізні отвори з покриттям.

У той час як перші прототипи друкованих плат датуються 1903 роком, вони почали отримувати широке комерційне використання в 1950-х роках із поширенням транзисторних радіоприймачів і телевізорів (Buchner, 2021). Відтоді технологія друкованих плат продовжує стрімко розвиватися. Наприклад, у 1960-70-х роках кількість транзисторів, встановлених на одній мікросхемі, подвоювалася кожні 18-24 місяці. Це стало відомим як закон Мура та призвело до серйозних стрибків у обчислювальній потужності протягом наступних десятиліть.

Сьогодні постійні інновації у сфері друкованих плат зосереджені на досягненні подальшої мініатюризації, більшої щільності компонентів завдяки високощільним з'єднанням (HDI) друкованих плат, впровадженні більш досконалих технологій інтегральних схем, розширенні використання гнучких підкладок для друкованих плат та покращенні можливостей терморегуляції.

Застосування друкованих плат

У сфері застосування друкованих плат інновації не знають меж. Від найсучаснішої споживчої електроніки до критичного промислового обладнання, технологія друкованих плат відіграє ключову роль у просуванні прогресу в різноманітних галузях. Завдяки своїй здатності створювати ефективні схеми та забезпечувати міцну основу для електронних компонентів, друковані плати стали основою сучасної технології. Приєднуйтесь до нас у захоплюючій подорожі величезним ландшафтом застосування друкованих плат, де ми досліджуємо дивовижні способи, якими вони забезпечують останні прориви в таких галузях, як автомобілебудування, телекомунікації, охорона здоров’я, авіакосмічна промисловість тощо. Дізнайтеся, як друковані плати сприяють технологічному прогресу, революціонізують галузі та формують світ, у якому ми живемо сьогодні.

Медичні прилади

Медична промисловість значною мірою покладається на електроніку для діагностики, моніторингу, хірургії, протезування та реабілітації. Кардіостимулятори, манжети для визначення артеріального тиску, комп’ютерні томографи та інфузійні насоси – лише деякі приклади. Очікується, що світові продажі медичної електроніки зростуть зі 169 мільярдів доларів США у 2021 році до 258 мільярдів доларів США до 2028 року при середньорічному темпі зростання на 6% (Precedence Research, 2022).

До медичних друкованих плат висуваються суворі вимоги до конструкції, щоб забезпечити точність, безпеку та надійність для життєво важливих застосувань. Основні міркування включають:

• Надзвичайно висока надійність і відстежуваність компонентів
• Сумісність із жорсткими процедурами стерилізації
• Біосумісні матеріали, що відповідають стандартам ISO 10993
• Гідроізоляція для водонепроникності
• Зменшення шуму для чіткості сигналу датчика
• Радіопрозорість для відсутності перешкод у роботі обладнання для обробки зображень
• Радіаційне зміцнення для довговічності під скануючим обладнанням
• З’єднання високої щільності, що полегшує інтеграцію складних компонентів
• Гнучка жорстка конструкція, що забезпечує динамічний рух і вбудоване розміщення

Удосконалення медичних друкованих плат зосереджено на більшій мініатюризації та щільності компонентів для менших імплантатів, вищих частотних та швидкісних можливостях передачі даних для передової візуалізації та роботизованої хірургії, розширенні використання гнучких матеріалів для покращення динамічної посадки, функціональності та цілісності сигналу, а також покращеному тепловіддачі від потужніших інтегральних схем (Schmartboard, 2021).

Побутова електроніка

У 1 році ринок споживчої електроніки, який включає такі продукти, як смартфони, планшети, переносні пристрої, побутова техніка, ігрові системи, дрони тощо, склав глобальну галузь вартістю 2021 трильйон доларів (Allied Market Research, 2022). ПХБ служать «мозком» цих всюдисущих гаджетів, хоча іноді їх також називають «серцем» або «нервовою системою» продукту.

У той час як медичні друковані плати віддають перевагу надзвичайній надійності над витратами, споживча електроніка використовує більш економічний підхід до проектування. Основні міркування включають:

• Виробництво великих обсягів з низькими витратами на одиницю
• Незмінна якість, незважаючи на масове виробництво
• Витримує щоденне стирання та удари
• Зменшення тепла та шуму для комфорту та безпеки користувача
• Компактні форм-фактори
• Підтримка постійної еволюції платформи та підвищення швидкості обробки

З розвитком моделей використання споживачами та технологічних можливостей, інновації в галузі друкованих плат зосереджуються на підтримці інтегрованих компонентів, таких як багатоядерні процесори та передові графічні процесори для таких застосувань, як штучний інтелект (ШІ), віртуальна/доповнена реальність (VR/AR) та підключення до Інтернету речей ( IoT ). Це вимагає постійного розвитку платформи друкованих плат для підтримки високочастотної сигналізації, швидкості передачі даних понад 25 гігабіт на секунду, складної багатошарової схеми, складного теплового управління та зростаючих потреб у потужності, що перевищують 100 Вт.

Промислове обладнання

Друковані плати всюдисущі на заводських складальних лініях і виробничих потужностях. Вони сприяють автоматизації процесів, інтегрують датчики для точного моніторингу та аналізу, контролюють роботизовані функції та регулюють розподіл електроенергії між машинами. Прогнозується, що глобальний ринок промислових ПК зросте з 5.4 мільярда доларів США у 2022 році до 8.6 мільярда доларів США до 2027 року, що відображає середньорічний приріст на 7.9% (MarketsandMarkets, 2022).

Промислові друковані плати повинні витримувати суворі умови, включаючи пил, бруд, вологу, екстремальні температури та вібрацію. Надійність і безпека мають першорядне значення, якщо будь-які збої можуть призупинити роботу або спричинити небезпечні інциденти. Основні міркування щодо дизайну відображають ці вимогливі середовища:

• Конформні покриття стійкі до забруднення частками, хімічними речовинами та рідинами
• Міцні компоненти витримують удари, удари, падіння, а також екстремальний тиск і вібрацію
• Компоненти, що загартовані температурою, функціонують при мінусових температурах або при інтенсивному нагріванні печі
• Водонепроникні корпуси запобігають пошкодженню вологи
• Термоуправління запобігає перегріву та вигоранню компонентів
• Рішення для резервного живлення запобігають відключенню через перепади напруги
• Віддалене усунення несправностей дозволяє швидко виявити проблему та усунути її

Розвиток можливостей промислових друкованих плат зосереджується на бездротових інтерфейсах і датчиках, щоб зменшити кількість кабелів і підвищити гнучкість, компоненти з більшою щільністю, щоб збирати й аналізувати більше даних датчиків, міцніші конструкції для подальшого підвищення довговічності та вдосконалені системи охолодження для розсіювання інтенсивного тепла від промислового обладнання.

Автомобільні програми

Сучасні транспортні засоби перетворилися на складні електронні платформи, середній автомобіль містить понад 3,000 окремих напівпровідників (SEMI, 2022). Електроніка забезпечує важливі функції силових агрегатів, систем безпеки, інформаційно-розважальних систем, підключення, комфорту та можливостей автономного водіння. Очікується, що до 14.5 року тільки автомобільний ринок друкованих плат оцінюватиметься в 2026 мільярдів доларів США, порівняно з 10.3 мільярдами доларів у 2019 році (Prescient & Strategic Intelligence Private Limited, 2020).

Суворі стандарти якості та розширений життєвий цикл продукції формують вимоги до автомобільних друкованих плат, які включають:

• Стійкість до екстремальних температур від -40° до 85°C
• Стійкість до вологи, хімічних речовин, вібрації та ударів
• Покращена цілісність сигналу, незважаючи на електричний шум
• Висока напруга до 65 В
• Низькі електромагнітні перешкоди (EMI)
• Діагностика режиму відмови та звітування
• Простежуваність у всьому ланцюжку поставок

Ключові інновації пов’язані з інтеграцією більшої кількості датчиків для підвищення автономності автомобіля, розширенням електронних блоків керування для додаткових контрольованих систем, адаптацією до вищих рівнів напруги та покращенням розсіювання тепла для забезпечення розширених можливостей без перегріву чутливих компонентів (AT&S, 2021).

Аерокосмічна та авіоніка

Сучасні літаки мають дуже складні електричні системи, які продовжують розширюватися завдяки впровадженню більшої кількості дротових систем і авіоніки. Fly-by-wire використовує електронні інтерфейси, а не ручне керування для маніпулювання обладнанням, тоді як авіоніка полегшує електронний зв’язок, навігацію та можливості моніторингу системи.

У 1.46 році ринок аерокосмічних друкованих плат оцінювався в 2021 мільярда доларів США, і очікується, що він зростатиме на 4.5% CAGR з 2022 по 2030 рік (Grand View Research, 2022). Незважаючи на спад у галузі через COVID-19, основні драйвери зростання залишаються сильними.

Системи авіоніки забезпечують сучасні можливості навігації та зв'язку, одночасно зменшуючи загальну вагу літака. Оскільки застосування друкованих плат у аерокосмічній галузі зростає як за обсягом, так і за складністю, ключові вимоги включають:

• Підвищення міцності для інтенсивних вібрацій, гравітаційних сил, падінь, аварій, коливань тиску
• Екранування від електромагнітних і радіоперешкод
• Мала вага для зменшення витрати палива
• Стійкість до температури, тиску та висоти
• Гідроізоляція при висадці в океан
• Вогнестійкість для захисту від бортових пожеж
• Високошвидкісна сигналізація для радарів та інших датчиків
• Резервне живлення для підтримки екстреного зв'язку

Постійні інновації охоплюють покращене розсіювання тепла для потужніших програм, зменшення шуму сигналу, розширення можливостей високошвидкісної передачі даних, інтеграцію додаткових датчиків для моніторингу стану та покращений захист від перешкод.

світлодіодне освітлення

Світлодіоди ( LED ) забезпечують енергоефективний, швидкодіючий та настроюваний метод освітлення, який добре підходить для індикаторів, дисплеїв та освітлювальних приладів. Термін служби світлодіодів може перевищувати 50 000 годин, а світловіддача знижується менш ніж на 10% за цей час (Mousa, 2010). Вони також миттєво вмикаються/вимикаються, досягаючи повної яскравості швидше, ніж інші форми освітлення.

У поєднанні з друкованими платами світлодіоди покращують зручність використання та налаштування. Печатні плати забезпечують основні схеми та підключення, а також служать фундаментальною структурою та радіатором. Основні переваги світлодіодів на друкованій платі:

• Економічне масове виробництво
• Індивідуальні форми та розміри
• Інтегрована схема керування
• Проста установка на інші друковані плати
• Основне розсіювання тепла

Однак, перегрів компонентів може значно скоротити термін служби світлодіодів та їх випромінювання. Тому управління температурою друкованих плат є критично важливим, а ті, що забезпечують найкраще розсіювання тепла, дозволяють світлодіодам досягти збільшення терміну служби на 30-70% (Bergquist Company, 2008). Друковані плати з металевим сердечником ( MCPCB ), виготовлені з ізоляційними діелектричними шарами, встановленими на алюмінієвих або мідних підкладках, забезпечують чудову теплопровідність.

Додаткові підкладки для друкованих плат, такі як кераміка та кремній, містять можливості для подальшого покращення розсіювання тепла, діелектричних характеристик, а також вбудованих датчиків і схем керування. Їх висока вартість наразі обмежує широке впровадження, хоча ціна може знизитися з масштабуванням. Вони представляють багатообіцяючі платформи, оскільки функціональність світлодіодів продовжить розвиватися в наступні роки за рахунок покращення ефективності, налаштування ширшого спектру кольорів, дрібного змішування кольорів на рівні пікселів і, можливо, вбудованих можливостей передачі даних.

Телекомунікаційна інфраструктура

Сектор телекомунікацій значною мірою покладається на друковані плати на вежах стільникового зв’язку, центрах обробки даних, мережевих маршрутизаторах і комутаторах, інфраструктурі кабельних мереж, супутникових мережах, радіозв’язку та телефонних станціях. Станом на 100 рік світовий ринок телекомунікаційного обладнання оцінювався приблизно в 2021 мільярдів доларів (Statista, 2021).

Окрім цілісності високочастотного сигналу та можливостей пропускної здатності даних, основні вимоги до телекомунікаційної друкованої плати включають:

• Надвисока надійність з мінімальною кількістю відмов
• Сувора стійкість до ударів і вібрації
• Температура загартування від -40° до 85° С
• Стійкий до вологи, пилу та корозії
• Захист EMI/RFI від перешкод
• Ізоляція високої напруги від ударів блискавки та живлення змінного струму
• Розширений життєвий цикл понад 15-30 років
• Віддалений моніторинг і діагностика

Постійні вдосконалення друкованої плати стосуються інтеграції та маршрутизації надзвичайно високочастотних сигналів понад 600 гігагерц для бездротової передачі даних, розширення каналів для просторового мультиплексування, покращених антен і фільтрів для зменшення шуму та розширення радіусу дії, фотонних інтерфейсів для оптичних мереж даних та архітектур наступного покоління для 5G. /6G мобільні дані (5G Америка, 2021).

Нова енергія

Оскільки зростає занепокоєння щодо зміни клімату та залежності від викопного палива, поновлювані джерела енергії розширюються по всьому світу. Цей перехід охоплює інновації в галузі сонячної, вітрової, геотермальної, гідроелектричної, водневої та ядерної енергії. В основі цих досягнень лежать друковані плати, що забезпечують більш складні можливості виробництва, розподілу, моніторингу та автоматизації.

Очікується, що світовий ринок відновлюваної енергії зросте з 881.7 мільярдів доларів США у 2022 році до понад 2 трильйонів доларів США до 2030 року, що відображатиме середньорічний темп зростання на 8.4% (Precedence Research, 2022). Таке експоненційне зростання вимагатиме від друкованих плат для роботи в складних зовнішніх умовах за будь-яких погодних умов протягом кількох десятиліть. Основні напрямки дизайну включають:

• Стійкість до вологи, ультрафіолетового випромінювання, стирання, блискавки та перепадів температур від -40° до +85° C
• Посилена силова електроніка для каналізації високих напруг і струмів
• Розсіювання тепла для перетворювачів, інверторів і трансформаторів
• Інтерфейси бездротового моніторингу через розподілену інфраструктуру
• Резервування та дистанційне усунення несправностей для мінімізації часу простою
• Тривалий життєвий цикл понад 25 років

Основні вдосконалення друкованої плати для підтримки відновлюваних джерел енергії наступного покоління включають напівпровідники з широкою забороненою зоною, здатні витримувати вищі напруги та температури, розширювальну ємність до понад 1,500 ампер і 1,200 вольт, високочастотні матеріали для зменшення електромагнітних перешкод і гнучкі підкладки, що дозволяють спрощувати встановлення, стійкість до вібрації і легка портативність (Advanced Circuits, 2021).

Напівпровідникові прилади

Напівпровідники лежать в основі практично всіх сучасних електронних пристроїв, які використовуються сьогодні – від побутової техніки до транспортних засобів, стільникових пристроїв до хмарних серверів. Вони забезпечують основні можливості електричного вмикання/вимкнення, що дозволяє використовувати всі функції цифрової електроніки за допомогою твердотільних компонентів інтегральної схеми (IC).

У 595 році світовий ринок напівпровідників оцінювався в 2022 мільярдів доларів, що на 20% більше, ніж у попередньому році, що відображає безпрецедентний попит (Gartner, 2022). Удосконалення друкованих плат сприяють швидкому впровадженню інновацій у виробництві, упаковці, тестуванні та інтеграції напівпровідників. Основні напрямки:

• Міжзв’язки високої щільності упаковують ультравузькі сліди та проміжки до 3 мікрометрів один від одного
• Високочастотні діелектричні матеріали з низькими втратами
• Покращена цілісність сигналу через інтерфейси з контрольованим опором
• Ефективне розсіювання тепла за допомогою теплової оболонки, теплових отворів і підкладок друкованої плати з металевим сердечником
• Індивідуальні форм-фактори, включаючи жорсткий, гнучкий і жорсткий
• Техніка точного вирівнювання та надійного кріплення
• Послуги швидкого прототипування

Заглядаючи вперед, продовження інновацій у друкованих платах обіцяє розкрити ще більшу функціональність, продуктивність і щільність інтеграції напівпровідників – від гетерогенних комбінованих рішень, що поєднують обчислення, пам’ять, оптику та багато іншого в єдині інтегровані пакети, до архітектур наступного покоління, що використовують розширені з’єднання для 2.5/3D. укладання. Це сприятиме повсякденним обчислювальним пристроям із розширеним інтелектом, можливістю підключення та швидкістю реагування на основі постійного прогресу в екосистемі підтримки друкованих плат, що робить можливими передові інновації в галузі напівпровідників.

Шлях вперед для інновацій PCB

Шлях розвитку інновацій у сфері друкованих плат (PCB) досить динамічний і багатогранний. У міру розширення електронних застосувань технологія друкованих плат розвивається, щоб відповідати новим викликам і створювати нові можливості. Ось огляд деяких ключових аспектів цієї еволюції:

1. Диверсифікація підкладок для друкованих плат: Традиційно друковані плати виготовлялися з використанням таких матеріалів, як FR4, але все більше переходять на альтернативні підкладки, які забезпечують кращу продуктивність у певних умовах, таких як високі температури або гнучкість.
2. Досягнення в провідних матеріалах: Провідні доріжки в друкованих платах, які традиційно виготовляються з міді, знаходять інновації в матеріалах для покращення провідності, зменшення ваги та підвищення довговічності.
3. Інноваційні технології виготовлення: Розробляються нові виробничі процеси для ефективнішого та більш точного виробництва друкованих плат. Це включає такі методи, як адитивне виробництво (3D-друк) для друкованих плат.
4. Інтеграція більш складних компонентів: Оскільки електроніка стає все більш складною, друковані плати розробляються для інтеграції складніших компонентів, таких як мікроконтролери, датчики та радіочастотні модулі, у менших приміщеннях.
5. Вищі робочі частоти та швидкість передачі даних: З ростом додатків, таких як 5G та IoT, друковані плати розробляються для роботи на вищих частотах і підтримки вищих швидкостей передачі даних.
6. Підвищена вихідна потужність і ефективність: Для таких застосувань, як електричні транспортні засоби та системи відновлюваної енергії, друковані плати повинні ефективно та безпечно працювати з більшою потужністю.
7. Розширений життєвий цикл: Все більше уваги приділяється тому, щоб зробити друковані плати більш міцними та довговічними, зменшуючи потребу в частій заміні та, таким чином, сприяючи стабільності.
8. Налаштування для конкретних галузей: Різні галузі мають унікальні вимоги до друкованих плат. Наприклад, медичний сектор потребує високонадійних і точних друкованих плат, а автомобільна промисловість потребує друкованих плат, які можуть витримувати суворі умови.

У міру розвитку технологій ці аспекти продовжуватимуть стимулювати інновації в дизайні та виробництві друкованих плат, формуючи майбутнє електроніки в кожному секторі.

Висновок

Таким чином, друковані плати формують основу електроніки в медичному обладнанні, споживчих гаджетах, промисловому обладнанні, транспортних засобах, літаках, телекомунікаційних мережах тощо. Їх компактна та економічно ефективна конструкція полегшує створення складних схем, неможливих лише за допомогою окремої проводки.

І в міру просування електронних інновацій розвиватиметься й технологія, що лежить в основі виготовлення та інтеграції друкованих плат. Більша щільність компонентів, розширення можливостей високої частоти, покращена передача потужності та розсіювання тепла, більш динамічні гнучкі форм-фактори та підвищена мініатюризація представляють лише частину поточних удосконалень друкованої плати, які ще попереду. Наступна хвиля технологічної трансформації в різних галузях промисловості базуватиметься на продовженні еволюції друкованих плат.