Lecția 5.1 — Placa de bază (PCB)

Toate componentele unei console — SoC, memorie, VRM-uri, conectori — sunt montate pe o singură placă de bază (PCB). Acest substrat nu este doar un suport fizic: este o rețea complexă de trasee de cupru, planuri de masă și planuri de alimentare distribuite pe 8+ straturi, fiecare cu un rol precis. Un traseu greșit dimensionat, o impedanță incorectă sau o via defectă pot cauza instabilitate, artefacte grafice sau oprirea completă a consolei.

Această lecție acoperă anatomia unui PCB: straturile (layers) unei placi de bază moderne, traseele electrice (traces) care transportă semnale și putere, ground plane (planul de masă care oferă referința 0V) și distribuția alimentării pe PCB.

Scopul nu este memorarea numărului de straturi, ci înțelegerea de ce placa de bază a PS5 are peste 8 straturi, ce rol joacă fiecare plan de masă și de alimentare și de ce materialele și geometria traseelor sunt alese pentru a minimiza pierderea de semnal, crosstalk-ul și rezonanțele.

5.1.1 — Definiție și structură de bază

• PCB (Printed Circuit Board) = structură laminată sandwich din straturi conductoare și izolante
• Fiecare strat are un pattern de trasee (traces), plane și alte elemente, gravate chimic din foi de cupru
• Cuprul este laminat pe/între straturi de substrat non-conductiv
• Componentele electronice sunt fixate pe pad-uri conductive prin lipire (soldering)
• Vias = găuri metalizate care permit conexiuni electrice între straturi
• Alternativele la PCB: wire wrap, construcție point-to-point (rare astăzi)
• Piața globală PCB: >$60.2 miliarde (2014), estimat $80.33 miliarde (2024), prognozat $96.57 miliarde (2029)

5.1.2 — Straturi (Layers)

• PCB poate fi: single-sided (1 strat cupru), double-sided (2 straturi cupru), multi-layer (straturi stivuite)
• Multi-layer: straturi alternante cupru-substrat-cupru-substrat, laminate împreună
• Cel mai simplu: 2-layer board (cupru pe ambele fețe = straturi externe)
• 4-layer board: adaugă semnificativ mai multe opțiuni de rutare internă
• Straturile interne folosite frecvent ca ground plane sau power plane
• Ground plane: strat complet de cupru pentru ecranare, integritate semnal, frecvențe mai mari, EMI redus, decuplare alimentare
• Internal vias: metalizate înainte de laminare; straturile interne protejate de substratul adiacent
• Mai multe straturi = mai multe opțiuni rutare + control integritate semnal, dar cost și timp fabricație mai mari

5.1.3 — Proprietăți electrice ale traseelor

• Trace = parte plată, îngustă din folia de cupru rămasă după gravare
• Rezistența traseului: determinată de lățime, grosime și lungime
• Trasee de putere și ground: trebuie mai late decât traseele de semnal
• Ground plane: un strat complet de cupru solid pentru ecranare și return de putere
• La frecvențe înalte/semnale rapide: traseele funcționează ca linii de transmisie (stripline, microstrip)
• Impedanță controlată: dimensiuni precise necesare pentru consistență
• Inductanța și capacitanța traseelor devin semnificative la frecvențe mari
• HDI (High Density Interconnect): trasee/vias sub 152 μm

5.1.4 — Materiale și substraturi

• FR-4 = cel mai comun substrat: fibră de sticlă țesută impregnată cu rășină epoxidică
• Proprietăți FR-4: absorbție apă scăzută (~0.15%), izolație bună, rezistență la arc, rating 130°C
• FR-2 = hârtie fenolică: mai ieftin, electronice consumer low-end, proprietăți electrice inferioare
• Substraturi flexibile: Kapton (poliimidă) – rezistent la temperaturi înalte, electronice miniaturizate
• Substraturi aluminiu (IMS): pentru componente de putere mare (LED-uri, comutatoare putere)
• Parametri cheie substrat: Tg (glass transition temperature), constanta dielectrică, loss tangent, rezistența la tracțiune
• La Tg rășina se înmoaie → expansiune termică crește → stres pe vias și componente
• Constanta dielectrică: determină viteza propagare semnal, variază cu frecvența

5.1.5 — Grosimea cuprului

• Specificată în oz/ft² (uncii/picior pătrat): 1 oz/ft² = 34.1 μm = 35 μm
• Grosimi comune: 0.5 oz (17 μm), 1 oz (34 μm), 2 oz (68 μm), 3 oz (102 μm)
• Heavy copper: >3 oz/ft² (~105 μm) – pentru curenți mari sau disipare căldură
• 1 oz/ft² este cea mai frecventă grosime

5.1.6 — Montarea componentelor

• Through-hole (THT): pinii componentei trec prin găuri și sunt lipiți pe partea opusă
• Surface-mount (SMT): componentele sunt lipite direct pe suprafața PCB-ului (fără găuri)
• SMT dominantă din anii 1990: componente ¼ – 1/10 din dimensiunea THT
• SMT permite automatizare, producție rapidă, densitate mai mare
• PCB-uri moderne: predominant SMT, cu THT doar pentru componente mari (condensatoare electrolitice, conectori)
• Wave soldering: PCB-ul trece peste un val de aliaj topit (pentru THT)
• Reflow soldering: pasta de lipire se topește în cuptor (pentru SMT)

5.1.7 — Istorie

• 1903: Albert Hanson – conductori plați laminați pe substrat izolant, straturi multiple
• 1936: Paul Eisler (Austria/UK) – inventează circuitul imprimat ca parte dintr-un radio
• 1941: PCB multi-layer folosit în mine navale germane
• ~1943: SUA adoptă tehnologia pe scară largă pentru fuzee de proximitate (WWII)
• 1948: eliberare pentru uz comercial
• 1950s: Motorola – adopție în electronice consumer
• 1980s: SMT înlocuiește progresiv through-hole
• 1990s: plăci multi-layer + HDI cu microvia
• 2020s: 3D printing pe PCB, HDI avansat

5.1.8 — Compoziția PCB (structură lasagna)

• PCB = structură tip lasagna din straturi alternante laminate cu căldură și adeziv
• Straturile (de la interior la exterior):

1. FR4 (substrat): fibră de sticlă, dă rigiditate și grosime. Grosime comună: 1.6mm (0.063"). Alternative: 0.8mm. PCB-uri flexibile: Kapton

2. Cupru: folie subțire de cupru laminată pe substrat. Double-sided = cupru pe ambele fețe. Poate fi 1-16+ straturi. 1 oz/ft² = ~35 μm grosime

3. Soldermask: strat protector peste cupru, previne scurtcircuite accidentale și coroziune. De obicei verde, dar orice culoare posibilă. Lasă expuse pad-urile pentru lipire

4. Silkscreen: litere, numere, simboluri pentru identificare componente. De obicei alb

5.1.9 — Terminologie cheie PCB

• Trace: cale continuă de cupru pe PCB (echivalent fir electric)
• Pad: zonă expusă de metal pentru lipirea componentelor (PTH = plated through-hole, SMD = surface mount)
• Via: gaură metalizată pentru transmiterea semnalului între straturi. Tented via = acoperită cu soldermask
• Annular ring: inelul de cupru în jurul unui through-hole metalizat
• Plane (pour): bloc continuu de cupru definit de limite, nu de traseu (ex: ground pour)
• Thermal: traseu mic care conectează un pad la un plane – necesare pentru lipire corectă
• DRC (Design Rule Check): verificare software a design-ului
• Drill hit: locuri de găurire pe PCB
• Solder paste: bilute mici de aliaj suspendate într-un gel, aplicate pe pad-uri SMD

Conceptele din această lecție — Placa de bază (PCB) — reprezintă fundamentul fizic al tehnologiei digitale utilizate în consolele moderne.

Definiție și structură de bază

• PCB (Printed Circuit Board) = structură laminată sandwich din straturi conductoare și izolante
• Alternativele la PCB: wire wrap, construcție point-to-point (rare astăzi)
• Piața globală PCB: >$60.2 miliarde (2014), estimat $80.33 miliarde (2024), prognozat $96.57 miliarde (2029)

Straturi (Layers)

• PCB poate fi: single-sided (1 strat cupru), double-sided (2 straturi cupru), multi-layer (straturi stivuite)

Montarea componentelor

• Surface-mount (SMT): componentele sunt lipite direct pe suprafața PCB-ului (fără găuri)
• PCB-uri moderne: predominant SMT, cu THT doar pentru componente mari (condensatoare electrolitice, conectori)
• Wave soldering: PCB-ul trece peste un val de aliaj topit (pentru THT)

Istorie

• 1936: Paul Eisler (Austria/UK) – inventează circuitul imprimat ca parte dintr-un radio
• 1941: PCB multi-layer folosit în mine navale germane
• 2020s: 3D printing pe PCB, HDI avansat

Compoziția PCB (structură lasagna)

• PCB = structură tip lasagna din straturi alternante laminate cu căldură și adeziv

1. FR4 (substrat): fibră de sticlă, dă rigiditate și grosime. Grosime comună: 1.6mm (0.063"). Alternative: 0.8mm. PCB-uri flexibile: Kapton

Terminologie cheie PCB

• Trace: cale continuă de cupru pe PCB (echivalent fir electric)
• Drill hit: locuri de găurire pe PCB

Grosimea cuprului

• Specificată în oz/ft² (uncii/picior pătrat): 1 oz/ft² = 34.1 μm = 35 μm

• Definiție și structură de bază: PCB (Printed Circuit Board) = structură laminată sandwich din straturi conductoare și izolante
• Straturi (Layers): PCB poate fi: single-sided (1 strat cupru), double-sided (2 straturi cupru), multi-layer (straturi stivuite)
• Proprietăți electrice ale traseelor: Trace = parte plată, îngustă din folia de cupru rămasă după gravare
• Materiale și substraturi: FR-4 = cel mai comun substrat: fibră de sticlă țesută impregnată cu rășină epoxidică
• Grosimea cuprului: Specificată în oz/ft² (uncii/picior pătrat): 1 oz/ft² = 34.1 μm = 35 μm
• Montarea componentelor: Through-hole (THT): pinii componentei trec prin găuri și sunt lipiți pe partea opusă
• Istorie: 1903: Albert Hanson – conductori plați laminați pe substrat izolant, straturi multiple
• Compoziția PCB (structură lasagna): PCB = structură tip lasagna din straturi alternante laminate cu căldură și adeziv
• Terminologie cheie PCB: Trace: cale continuă de cupru pe PCB (echivalent fir electric)

Întrebarea 1

Care afirmație este corectă despre: Definiție și structură de bază?

• a) single-sided (1 strat cupru), double-sided (2 straturi cupru), multi-layer (straturi stivuite)
• b) >$60.2 miliarde (2014), estimat $80.33 miliarde (2024), prognozat $96.57 miliarde (2029)
• c) Vias = găuri metalizate care permit conexiuni electrice între straturi
• d) wire wrap, construcție point-to-point (rare astăzi)

Întrebarea 2

Care afirmație este corectă despre: PCB poate fi?

• a) Vias = găuri metalizate care permit conexiuni electrice între straturi
• b) >$60.2 miliarde (2014), estimat $80.33 miliarde (2024), prognozat $96.57 miliarde (2029)
• c) single-sided (1 strat cupru), double-sided (2 straturi cupru), multi-layer (straturi stivuite)
• d) wire wrap, construcție point-to-point (rare astăzi)

Întrebarea 3

Care afirmație este corectă despre: Proprietăți electrice ale traseelor?

• a) Vias = găuri metalizate care permit conexiuni electrice între straturi
• b) Trace = parte plată, îngustă din folia de cupru rămasă după gravare
• c) wire wrap, construcție point-to-point (rare astăzi)
• d) >$60.2 miliarde (2014), estimat $80.33 miliarde (2024), prognozat $96.57 miliarde (2029)

Întrebarea 4

Care afirmație este corectă despre: FR-4 = cel mai comun substrat?

• a) >$60.2 miliarde (2014), estimat $80.33 miliarde (2024), prognozat $96.57 miliarde (2029)
• b) fibră de sticlă țesută impregnată cu rășină epoxidică
• c) wire wrap, construcție point-to-point (rare astăzi)
• d) Vias = găuri metalizate care permit conexiuni electrice între straturi

Întrebarea 5

Care afirmație este corectă despre: Specificată în oz/ft² (uncii/picior pătrat)?

• a) 1 oz/ft² = 34.1 μm = 35 μm
• b) >$60.2 miliarde (2014), estimat $80.33 miliarde (2024), prognozat $96.57 miliarde (2029)
• c) Vias = găuri metalizate care permit conexiuni electrice între straturi
• d) wire wrap, construcție point-to-point (rare astăzi)

🧠 Exercițiu: Placa de bază (PCB)

Scenariu: Analizezi un sistem hardware care utilizează conceptul de PCB. Pe baza cunoștințelor din această lecție, răspunde la următoarele întrebări:

• 1. Defineste pe scurt: PCB.
• 2. Ce rol are straturile unei plăci de bază în contextul hardware-ului?
• 3. Explică relația dintre PCB și trasee electrice.