Nyomtatott áramköri lap (PCB): mi ez, működés és felépítés
Fedezze fel a nyomtatott áramköri lap (PCB) működését és felépítését: rézvezetékek, üvegszálas alap, alkatrészek rögzítése, típusok és gyakorlati alkalmazások.
A nyomtatott áramköri lap (PCB) az elektronikus alkatrészek összekapcsolására szolgáló lap, amely a modern elektronikában — gyakorlatilag minden számítógépben és számos háztartási eszközben — megtalálható. A PCB gondoskodik arról, hogy az elektromos áram csak a kívánt útvonalakon haladjon, és mechanikailag is rögzíti az alkatrészeket.
Miből készülnek a PCB-k (anyagok és rétegek)
Az áramköri lap alapja általában olyan szigetelő anyag, amely nem vezeti az elektromosságot. A legelterjedtebb az ún. FR-4 típusú anyag, amely üvegszálból és epoxi gyantából áll — ezért gyakran említik, hogy a lap üvegszálból készül. Erre a szigetelő alapra vékony rézrétegeket laminálnak, majd meghatározott helyeken maratással eltávolítják a felesleget, így jönnek létre a vezető nyomvonalak (trace-ek).
Tipikus rétegek és bevonatok:
- Rézréteg(ek) — a vezető nyomvonalak készülnek belőle.
- Szigetelő lapok (core, prepreg) — a mechanikai szilárdságot adják, és rétegek közötti elektromos szigetelést biztosítják.
- Forraszvédő réteg (solder mask) — zöld (vagy más színű) bevonat, amely megakadályozza a véletlen rövidzárlatokat és védi a rézfelületet korróziótól.
- Felirat (silkscreen) — fehér vagy más színű jelölések az alkatrészek és csatlakozók azonosításához.
Felépítés és alkatrészek rögzítése
Az alkatrészeket a PCB-re rögzítik, és elektromosan összekapcsolják a fém segítségével. Két fő szerelési technológia létezik:
- Through-hole — az alkatrészek lábait furatokon keresztül helyezik be, majd a forraszrész a panel másik oldalán rögzíti őket. Erős mechanikai kötést ad, ipari alkalmazásoknál gyakori.
- SMD (Surface Mount Device) — felületszerelt alkatrészek, amelyek a panel felszínén forraszolják. Lehetővé teszik a sűrűbb és kisebb kialakítást, ezért a modern eszközök többségében ez a domináns technológia.
A rézben kialakított nyomvonalak és pad-ek hozzák létre azt az utat, amelyen az elektromos áram az áramkörökben az egyik alkatrésztől a másikig halad. Többrétegű lapoknál az egyes rétegeket furatokon (vias) keresztül kötik össze, így komplex, sűrű elrendezések is megvalósíthatók.
Gyártási folyamat (rövid áttekintés)
- Tervezés (PCB layout) — a nyomvonalak, rétegek, furatok és alkatrészelhelyezés CAD szoftverrel készülnek, figyelembe véve elektromos és mechanikai követelményeket (pl. jel-impedancia, hőelvezetés).
- Laminálás — a réz- és szigetelő rétegeket egymáshoz ragasztják/laminálják.
- Fúrás — fúrógépek vagy lézerek készítik a furatokat az alkatrészek és via-k számára.
- Maratás (etching) — a felesleges réz maratásával jönnek létre a vezető nyomvonalak.
- Felületi kezelések — forraszolhatóság és korrózióvédelem céljából pl. HASL, ENIG, OSP bevonatok alkalmazása.
- Forraszvédő és silkscreen — nyomtatással kerülnek fel a panelre.
- Összeszerelés — alkatrészek felhelyezése és forrasztása (reflow SMD-k számára, wave vagy kézi forrasztás through-hole alkatrészekhez).
- Tesztelés — automatikus optikai ellenőrzés (AOI), in-circuit teszt (ICT) vagy flying probe tesztek biztosítják a funkcionális és gyártási minőséget.
Típusok és speciális megoldások
- Egyoldalas (single-sided) — csak egy rézoldal; egyszerű és olcsó.
- Kétoldalas (double-sided) — mindkét oldalon vannak vezetők; furatokkal kötik össze a rétegeket.
- Többrétegű (multilayer) — belső rétegek segítségével nagy sűrűség és jobb elektromos teljesítmény (pl. föld- és táplálási síkok) érhető el.
- Hajlékony áramköri lapok — vékony, hajlítható anyagból készülnek, így mozgó vagy térkitöltő alkalmazásokhoz ideálisak.
- Rigid-flex — merev és hajlékony részek kombinációja, például kameramodulokban vagy hordozható eszközökben alkalmazzák.
Gyakori alkalmazások és tervezési szempontok
A PCB-ket gyakran használják egy adott célra gyártott eszközökben, például egy számítógép, egy mobiltelefon vagy egy televízió működtetéséhez. A tervezés során figyelembe vett fontosabb szempontok:
- Nyomvonal szélesség és távolság — áramerősség és feszültségviszonyok alapján méretezik.
- Impedancia-kontroll — nagysebességű jeleknél kritikus a jelminőség szempontjából.
- Hőtényezők és hűtés — nagy teljesítményű alkatrészeknél hőelvezetés, hűtőbordák és hővezető rétegek tervezése szükséges.
- EMC/EMI védelem — földrétegek, árnyékolás és megfelelő elrendezés csökkenti a zavaró kibocsátást és érzékenységet.
- Mechanikai szempontok — csavarhelyek, rögzítések, csatlakozóhelyek és panelméretek megfelelősége.
Hobbi és prototípus készítése
Egyszerű áramkörök, prototípusok készíthetők házilag is maratással, CNC-vel vagy toner-transzfer módszerrel. A prototípusoknál gyakori a fejlesztőpanel (breadboard) használata is, de a valódi működő eszközök gyártásához érdemes gyártóhoz fordulni a megbízhatóság és ismételhetőség miatt.
Minőség, tesztelés és környezet
A gyártás utáni tesztelés és bevizsgálás kritikus a megbízható működéshez. A tesztek közé tartozik az elektromos működés ellenőrzése, vizuális hibafelismerés és mechanikai vizsgálatok. Emellett egyre fontosabb a környezetbarát gyártás és az újrahasznosítás: a réz és a laminált anyagok újrahasznosíthatók, de a vegyi anyagok kezelése és a hulladék megfelelő kezelése elengedhetetlen.
Összefoglalva: a PCB a modern elektronika gerince — anyagok, rétegek, gyártási eljárások és szerelési technikák kombinációja teszi lehetővé, hogy megbízható, kompakt és hatékony elektronikus eszközöket hozzunk létre. A hajlékony áramköri lapok olyanok, amelyek elég vékonyak és megfelelő anyagból készülnek ahhoz, hogy hajlíthatók legyenek, így speciális, tértakarékos megoldásokat kínálnak.
Nyomtatott áramköri lapra rögzített alkatrészek
Történelem
A nyomtatott áramköri lapok az 1850-es években használt elektromos csatlakozórendszerekből származnak. Eredetileg fémszalagokat vagy -rudakat használtak a fa alapokra szerelt nagyméretű elektromos alkatrészek összekapcsolására. Később a fémcsíkokat csavaros csatlakozókhoz csatlakoztatott vezetékek váltották fel, a fa alapokat pedig fémkeretek váltották fel. Ez lehetővé tette, hogy a dolgok kisebbek legyenek, amire szükség is volt, mivel az áramkörök egyre összetettebbé váltak, és egyre több alkatrészből álltak. Thomas Edison vászonpapíron tesztelte a fémek felhasználásának módszereit. Arthur Berry 1913-ban Nagy-Britanniában szabadalmaztatott egy nyomtatás- és satírozási módszert. 1925-ben az egyesült államokbeli Charles Ducas kifejlesztett egy galvanizálást alkalmazó módszert. Közvetlenül egy szigetelt felületen hozott létre elektromos útvonalat úgy, hogy egy sablonnal (egy kartonba vagy papírba vágott alakzat) olyan speciális tintával nyomtatott, amely képes volt vezetni az elektromosságot, akárcsak a vezetékek. Ezt a módszert "nyomtatott vezetékezésnek" vagy "nyomtatott áramkörnek" nevezték el.
1943-ban az Egyesült Királyságban dolgozó osztrák Paul Eisler szabadalmaztatott egy olyan módszert, amellyel a vezetőképes mintázatot vagy áramköröket egy kemény alapra rögzített, az elektromosságot nem vezető rézfóliarétegre lehetett maratni. Eisler technikájára felfigyelt az amerikai hadsereg, és a II. világháborúban új fegyverekben, többek között közelségi gyújtószerkezetekben kezdték használni. Az ötlete az 1950-es években vált nagyon hasznossá, amikor a tranzisztort bevezették. Addig a pontig a vákuumcsövek és más alkatrészek olyan nagyok voltak, hogy a hagyományos szerelési és vezetékezési módszerek voltak csak szükségesek. A tranzisztorok bevezetésével azonban az alkatrészek nagyon kicsik lettek, és a gyártóknak nyomtatott áramköri lapokat kellett használniuk, hogy a csatlakozások is kicsik legyenek.
Az átmenő lyukakkal ellátott technológiát és annak többrétegű NYÁK-okban való alkalmazását 1961-ben szabadalmaztatta az amerikai Hazeltine cég. Ez sokkal összetettebb, szorosan egymás mellett elhelyezett alkatrészeket tartalmazó lapokat tett lehetővé. Az integrált áramköri chipek az 1970-es években jelentek meg, és ezeket az alkatrészeket gyorsan beépítették a nyomtatott áramköri lapok tervezésébe és gyártási technikáiba. Ma a nyomtatott áramköri lap egyes alkalmazásokban akár 50 rétegű is lehet.
A felületszerelési technológiát az 1960-as években fejlesztették ki, és az 1980-as évek végén kezdték széles körben alkalmazni.
Kézzel készített áramköri lap
Tervezés
A nyomtatott áramkör tervezésének fő feladata annak kitalálása, hogy az összes alkatrész hova kerüljön. Általában van egy terv vagy vázlat, amelyből PCB lesz. Nincs olyan dolog, mint egy szabványos nyomtatott áramköri lap. Minden egyes lapot saját felhasználásra terveznek, és megfelelő méretűnek kell lennie, hogy illeszkedjen a szükséges helyhez. A laptervezők számítógépes tervezőszoftvereket használnak az áramköri tervek lapra történő elrendezéséhez. Az elektromos pályák közötti távolságok 0,04 hüvelyk (1,0 mm) vagy annál kisebbek lehetnek. Az alkatrészvezetékek vagy érintkezési pontok furatainak helyét is megtervezik. Miután az áramköri mintát lefektették, egy negatív képet nyomtatnak ki pontos méretben egy átlátszó műanyag lapra. A negatív képen az áramköri minta részét nem képező területek feketével jelennek meg, az áramköri minta pedig tisztán látható. A fémet ezután eltávolítják a tiszta területekről, általában vegyszerekkel. Ebből a mintából utasításokat készítenek egy számítógép-vezérelt fúrógép vagy a gyártási folyamatban használt automatikus forraszpaszta számára.
Gyártás
A kártya külső rétegei rézből készültek. A nem kívánt rezet eltávolítják, így megmaradnak a rézhuzalok, amelyek összekötik az elektronikus alkatrészeket. Az alkatrészeket a lapra helyezik, érintkezve a vezetékekkel.
Fotoreziszt
Az áramköri lapokat néha fotolitográfiával készítik. A fotorezisztnek nevezett bevonat fény hatására reagál, majd az áramkört és a bevonatot egy fejlesztőbe helyezik. Ez a módszer áramköri laponként drága, de kezdetben nagyon olcsó.
Szitanyomás
Az áramköri lap készítésének azonban különböző módszerei vannak. Egyes professzionálisan készített áramköri lapok más módszert alkalmaznak a felesleges réz eltávolítására az áramköri lapról. Egy szitanyomásnak nevezett eljárást használnak. A selyemszitanyomás az, amikor egy szövetet feszesen húznak egy keretre. Ezután egy képet nyomtatnak a szövetre. Ezután a tintát átpréselik a ruhán. A tinta nem megy oda, ahol a képet a szövetre nyomtatták. Azért hívják selyemszitázásnak, mert a szövet általában selyem. A szövet általában selyem, mert nagyon apró lyukakkal rendelkezik. a selyemszitázással egy rezisztnek nevezett tintát nyomtatnak a táblára. A reziszt egy olyan tinta, amely ellenáll az áramköri lap készítéséhez használt maratóanyagnak. A marószer feloldja a rézréteget a lapon. Ez minden egyes lap esetében olcsóbb, mint a fotóreziszt, de kezdetben drágább.
Marás
Egy másik módja az áramköri lap készítésének a malom használata. A malom egy fúró, amely több irányban mozog. A fúró minden egyes alkalommal, amikor áthalad a táblán, eltávolít egy kis mennyiségű rezet. A malom eltávolítja a rezet a vezetékek körül a táblán. Ezáltal a lapon extra réz marad. Más módszerek nem hagynak extra rezet a táblán. Ez a módszer laponként olcsóbb, de az előállításához szükséges berendezések drágák. Ezt a módszert nem gyakran alkalmazzák, mert a másik két módszer egyszerűbb.
Kérdések és válaszok
K: Mi az a nyomtatott áramköri lap?
V: A nyomtatott áramköri lap (PCB) az elektronikus alkatrészek összekapcsolására készült lap.
K: Mire használják az áramköri lapokat?
V: Az áramköri lapokat manapság szinte minden számítógépben és elektronikában használják.
K: Miből készül a nyomtatott áramkör?
V: A "lap" olyan anyagból készül, amely nem vezeti az elektromosságot, általában üvegszálból.
K: Hogyan teszi lehetővé a NYÁK, hogy az elektromos áramkörökben az elektromosság az egyik alkatrésztől a másikig terjedjen?
V: Általában a réz a lap belsejében, az üvegszálas rétegek között vagy a lap felületén maratással (vékony vonalakkal) kerül elhelyezésre. A lapba maratott fém lehetővé teszi, hogy az elektromos áram az elektromos áramkörökben az egyik alkatrészről a másikra jusson.
K: Mik azok a rugalmas áramköri lapok?
V: A rugalmas áramköri lapok azok, amelyek elég vékonyak és megfelelő anyagból készültek ahhoz, hogy hajlíthatóak (hajlíthatók) legyenek.
K: Mik a merev-flex áramköri lapok?
V: A merev-flexi áramköri lapok azok, amelyek egyesítik a merev és a flexi lapok tulajdonságait, egyes pontokon kemények, más pontokon pedig hajlíthatóak.
K: A legtöbb elektromosságot használó dologban van legalább egy áramköri lap?
V: Igen, a legtöbb elektromosságot használó dologban van legalább egy áramköri lap, amely működésre készteti őket.
Keres