Tryckt kretskort ( engelsk printed circuit board, PCB , eller printed wiring board, PWB ) är en dielektrisk platta , på ytan och/eller i vars volym elektriskt ledande kretsar i en elektronisk krets bildas . Kretskortet är designat för elektrisk och mekanisk anslutning av olika elektroniska komponenter. Elektroniska komponenter på ett kretskort är anslutna med sina ledningar till element i det ledande mönstret, vanligtvis genom lödning .
Till skillnad från ytmontering , på ett tryckt kretskort, är det elektriskt ledande mönstret tillverkat av folie , helt placerat på en solid isolerande bas. Det tryckta kretskortet innehåller monteringshål och dynor för montering av stift eller plana komponenter. Dessutom har kretskort vias för elektrisk anslutning av foliesektioner placerade på olika lager av kortet. Från utsidan är skivan vanligtvis belagd med en skyddande beläggning (”lödmask”) och markeringar (en hjälpfigur och text enligt designdokumentationen).
Beroende på antalet lager med ett elektriskt ledande mönster delas kretskort in i:
När komplexiteten hos de designade enheterna och monteringstätheten ökar, ökar antalet lager på brädorna [1] .
Enligt egenskaperna hos basmaterialet :
Tryckta kretskort kan ha sina egna egenskaper på grund av deras syfte och krav på speciella driftsförhållanden (till exempel utökat temperaturområde ), eller applikationsfunktioner (till exempel kort för enheter som arbetar vid höga frekvenser ).
Grunden för det tryckta kretskortet är ett dielektrikum , de mest använda materialen är glasfiber , getinaks .
Dessutom kan grunden för tryckta kretskort vara en metallbas belagd med ett dielektrikum (till exempel anodiserad aluminium ), kopparfoliespår appliceras över dielektrikumet. Sådana kretskort används inom kraftelektronik för effektiv värmeavledning från elektroniska komponenter. För att ytterligare förbättra den termiska prestandan kan kortets metallbas fästas på en kylfläns .
Som material för tryckta kretskort som arbetar i mikrovågsområdet och vid temperaturer upp till 260 ° C, används fluorplast förstärkt med glasväv (till exempel FAF-4D) [2] och keramik . Dessa brädor har följande begränsningar:
Flexibla skivor är gjorda av polyimidmaterial som Kapton .
Skivdesign sker i specialiserade datorstödda designprogram . De mest kända är PADS Professional , Xpedition , Altium Designer , P-CAD , OrCAD , TopoR , Specctra , Proteus , gEDA , KiCad , etc. [4] Själva designprocessen på ryska kallas ofta för slangordet wiring , vilket betyder processen av läggningsledare.
I Ryssland finns det standarder för designdokumentation av tryckta kretskort inom ramen för Unified System for Design Documentation :
Andra standarder för kretskort:
Betrakta en typisk process för att designa ett kretskort enligt ett färdigt kretsschema: [5]
PCB-tillverkare stöter ofta på icke-uppenbara designfel av nybörjare. De mest typiska misstagen [7] :
Framställning av PP är möjlig genom en additiv eller subtraktiv metod. I additivmetoden bildas ett ledande mönster på ett icke-folierat material genom kemisk kopparplätering genom en skyddsmask som tidigare applicerats på materialet. I den subtraktiva metoden bildas ett ledande mönster på ett foliematerial genom att onödiga sektioner av folien avlägsnas. I modern industri används endast den subtraktiva metoden.
Hela PCB-tillverkningsprocessen kan delas in i fyra steg:
Ofta förstås produktionen av tryckta kretskort endast som bearbetning av ett arbetsstycke (foliematerial). En typisk bearbetning av ett foliematerial består av flera steg: borrning av vior, erhållande av ett mönster av ledare genom att ta bort överskott av kopparfolie, plätering av hål, applicering av skyddande beläggningar och förtenning samt märkning. [8] För flerskikts kretskort tillkommer pressning av det slutliga kortet från flera ämnen.
Folierat material - ett platt ark av dielektrikum med kopparfolie limmad på den. Som regel används glasfiber som ett dielektrikum . I gammal eller mycket billig utrustning används textolit på tyg- eller pappersbasis, ibland kallad getinax . Mikrovågsapparater använder fluorhaltiga polymerer ( fluoroplaster ). Dielektrikens tjocklek bestäms av den erforderliga mekaniska och elektriska hållfastheten, den vanligaste tjockleken på både enskikts- och flerskiktskort är cirka 1,5 mm; tunnare dielektriska skikt används för flerskiktskort.
Ett kontinuerligt ark av kopparfolie limmas på dielektrikumet på ena eller båda sidorna. Tjockleken på folien bestäms av de strömmar som brädan är konstruerad för. Den mest använda folien är 18 och 35 mikron tjock, 70, 105 och 140 mikron är mycket mindre vanliga. Dessa värden är baserade på standardkoppartjocklekar i importerade material, där tjockleken på kopparfolieskiktet beräknas i uns (oz) per kvadratfot . 18 mikron motsvarar ½ oz och 35 mikron mot 1 oz.
AluminiumkretskortEn separat grupp av material är tryckta kretskort av aluminiummetall . Aluminiumskivor används ofta när det krävs för att leda värme genom skivans yta, till exempel i LED-armaturer . De kan delas in i två grupper.
Den första gruppen - lösningar i form av en aluminiumplåt med en högkvalitativ oxiderad yta, på vilken kopparfolie limmas . Sådana brädor kan inte borras, så de görs vanligtvis endast ensidigt. Bearbetning av sådana foliematerial utförs enligt traditionell teknik för kemisk ritning. Ibland används istället för aluminium, koppar eller stål, laminerat med en tunn isolator och folie. Koppar har en hög värmeledningsförmåga, rostfritt stålskiva ger korrosionsbeständighet. [9]
Den andra gruppen involverar skapandet av ett ledande mönster direkt i basaluminiumet. För detta ändamål oxideras aluminiumplåten inte bara över ytan utan också till hela basens djup enligt mönstret av ledande områden som specificeras av fotomasken. [10] [11]
Vid tillverkning av skivor används kemiska, elektrolytiska eller mekaniska metoder för att reproducera det erforderliga ledande mönstret, såväl som deras kombinationer.
Kemisk metodDen kemiska metoden för tillverkning av tryckta kretskort från färdigt foliematerial består av två huvudsteg: applicering av ett skyddande lager på folien och etsning av oskyddade områden med kemiska metoder.
Inom industrin appliceras ett skyddsskikt genom fotolitografi med en ultraviolettkänslig fotoresist , en fotomask och en ultraviolett ljuskälla. Fotoresisten täcker helt foliens koppar, varefter spårmönstret från fotomasken överförs till fotoresisten genom belysning. Den exponerade fotoresisten tvättas bort och exponerar kopparfolien för etsning, medan den oexponerade fotoresisten fästs på folien och skyddar den från etsning.
Fotoresist kan vara flytande eller film. Flytande fotoresist appliceras i industriella förhållanden, eftersom den är känslig för bristande överensstämmelse med appliceringstekniken. Filmfotoresist är populärt för handgjorda brädor, men är dyrare. En fotomask är ett UV-transparent material med ett spårmönster tryckt på. Efter exponering framkallas och fixeras fotoresisten som i en konventionell fotokemisk process.
Under amatörförhållanden kan ett skyddande lager i form av lack eller färg appliceras genom silk screening eller för hand. För att bilda en etsmask på en folie använder radioamatörer överföring av toner från en bild som är tryckt på en laserskrivare (" laserstrykningsteknik ").
Folieetsning är den kemiska processen att omvandla koppar till lösliga föreningar. Oskyddad folie etsas oftast i en lösning av järnklorid eller i en lösning av andra kemikalier, såsom kopparsulfat , ammoniumpersulfat , ammoniakkopparklorid, ammoniakkopparsulfat, baserat på kloriter , baserat på kromsyraanhydrid [12] . Vid användning av järnklorid, fortskrider skivetsningsprocessen enligt följande: FeCl 3 + Cu → FeCl 2 + CuCl. Typisk lösningskoncentration 400 g/l, temperatur upp till 35 °C. Vid användning av ammoniumpersulfat fortskrider skivetsningsprocessen enligt följande: (NH 4 ) 2 S 2 O 8 + Cu → (NH 4 ) 2 SO 4 + CuSO 4 [12] .
Efter etsning avlägsnas skyddsmönstret från folien.
Mekanisk metodDen mekaniska tillverkningsmetoden innebär användning av fräs- och graveringsmaskiner eller andra verktyg för mekaniskt avlägsnande av folielagret från specificerade områden.
LasergraveringTills nyligen var lasergravering av tryckta kretskort inte utbredd på grund av de goda reflekterande egenskaperna hos koppar vid våglängden för de vanligaste högeffekts CO-gaslasrarna. I samband med framstegen inom laserteknikområdet har nu industriella prototypanläggningar baserade på lasrar börjat dyka upp. [13]
HålpläteringVia- och monteringshål kan borras, stansas mekaniskt (i mjuka material som getinaks) eller laserbrännas (mycket tunna vior). Hålplätering görs vanligtvis kemiskt eller, mer sällan, mekaniskt.
Mekanisk plätering av hål utförs med speciella nitar, lödda trådbitar eller genom att fylla hålet med ledande lim (härdningspasta). Den mekaniska metoden är dyr i produktionen och används därför extremt sällan, vanligtvis i mycket tillförlitliga styckelösningar, speciell högströmsutrustning eller amatörradioförhållanden med styckdesign.
Vid kemisk metallisering borras först hål i ett folieämne, sedan metalliseras de genom kopparavsättning, och först därefter etsas folien för att få ett tryckmönster. Kemisk plätering av hål är en komplex process i flera steg, känslig för kvaliteten på reagenser och överensstämmelse med tekniken. Därför används den praktiskt taget inte i amatörradioförhållanden. Förenklat består den av följande steg:
Flerskiktskort (med fler än 2 lager av ledare) sätts ihop av en stapel av tunna två- eller enlagers tryckta kretskort tillverkade på traditionellt sätt (förutom de yttre lagren av paketet - de lämnas med folien intakt kl. detta stadium). De är sammansatta som en "smörgås" med speciella packningar ( prepregs ). Därefter utförs pressning i en ugn, borrning och plätering av vior. Slutligen etsas folien av de yttre skikten. [1] Eftersom koppartjockleken i de yttre lagren ökar med mängden galvaniskt avsatt koppar under viaplätering, medför detta ytterligare begränsningar för spårens bredd och mellanrummen mellan dem.
Via hål i sådana flerskiktsskivor kan också göras före pressning. Om hålen är gjorda före pressning är det möjligt att få tag på brädor med så kallade "döva" och "blinda" hål (när det finns ett hål i endast ett lager av "smörgåsen"), vilket gör det möjligt att packa ihop layouten för komplexa brädor. Produktionskostnaden i dessa fall ökar avsevärt, vilket kräver en rimlig kompromiss i utformningen av sådana brädor.
BeläggningMöjliga täckningar är:
Efter montering av kretskort är det möjligt att applicera ytterligare skyddsbeläggningar som skyddar både själva kortet och lödningen och komponenterna.
BearbetningMånga individuella brädor placeras ofta på ett tomt ark. De går igenom hela processen med att bearbeta ett folieämne som en bräda, och först i slutet är de förberedda för separation. Om brädorna är rektangulära, frästas icke-genomgående spår, vilket underlättar den efterföljande brytningen av brädorna (skriva, från den engelska skribenten till repan). Om brädorna är av komplex form, görs genom fräsning, vilket lämnar smala broar så att brädorna inte smulas sönder. För brädor utan plätering, istället för fräsning, borras ibland en serie hål med liten stigning. Borrning av monteringshål (icke pläterade) sker också i detta skede.
Se även: GOST 23665-79 Tryckta kretskort. Konturbearbetning. Krav på standardtekniska processer.
Enligt en typisk teknisk process sker separationen av skivorna från arbetsstycket efter installationen av komponenterna.
Lödning är huvudmetoden för att montera komponenter på kretskort. Lödning kan göras antingen manuellt med en lödkolv eller med hjälp av specialutvecklade grupplödtekniker.
Installera komponenterInstallation av komponenter kan utföras både manuellt och på speciella automatiska installatörer. Automatisk installation minskar risken för fel och påskyndar processen avsevärt (de bästa automatiska installationerna installerar flera komponenter per sekund).
VåglödningDen huvudsakliga metoden för automatiserad grupplödning för blykomponenter. Med hjälp av mekaniska aktivatorer skapas en lång våg av smält lod. Brädan förs över vågen så att vågen knappt vidrör brädans bottenyta. I det här fallet väts ledningarna till förinstallerade utgångskomponenter av vågen och löds fast på kortet. Flussmedlet appliceras på brädan med en svampstämpel.
Lödning i ugnarHuvudmetoden för grupplödning av plana komponenter. En speciell lödpasta (lodpulver i ett pastaformigt flussmedel ) appliceras på kontaktdynorna på det tryckta kretskortet genom en stencil . Därefter installeras de plana komponenterna. Skivan med de installerade komponenterna matas sedan in i en speciell ugn där lödpastaflödet aktiveras och lodpulvret smälter för att löda komponenten.
Om sådan installation av komponenter utförs på båda sidor, utsätts kortet för denna procedur två gånger - separat för varje sida av installationen. Tunga plana komponenter är monterade på adhesiva droppar som förhindrar dem från att falla av det vända kortet under den andra lödningen. Lättviktskomponenter hålls på kortet av lodets ytspänning.
Efter lödning behandlas skivan med lösningsmedel för att avlägsna flussrester och andra föroreningar, eller, vid användning av icke-ren lödpasta, är skivan omedelbart redo för vissa driftsförhållanden.
SlutförsEfter lödning är det tryckta kretskortet med komponenter belagt med skyddande föreningar: vattenavvisande medel, lacker (till exempel UR-231 ), medel för att skydda öppna kontakter. I vissa fall, för drift av skivan under förhållanden med starka vibrationer, kan skivan vara helt inbäddad i en gummiliknande blandning.
För industriell massproduktion av tryckta kretskort har automatiserade kvalitetskontrollmetoder utvecklats.
Vid kontroll av fältanslutningarnas korrekthet kontrolleras de elektriska anslutningarna för frånvaro av avbrott eller kortslutning mellan dem.
Vid kontroll av kvaliteten på installationen av elektroniska komponenter används optiska kontrollmetoder . Optisk kvalitetskontroll av redigering utförs med hjälp av specialiserade stativ med högupplösta videokameror. Stativ byggs in i produktionslinjen i följande steg:
Hybrid IC- substrat är något som liknar ett keramiskt kretskort, men de använder vanligtvis andra tillverkningsprocesser:
Keramiska höljen av elektroniska mikrokretsar och vissa andra komponenter tillverkas också med hybridmikrokretsteknik.
Membrantangentbord tillverkas ofta på filmer genom silkscreentryck och sintring med smältbara metalliserade pastor.