Płytki drukowane: wielka odpowiedzialność i niewielki szacunek

Płytki drukowane dosłownie stanowią fundament wyrobów i systemów elektronicznych. Łączą one ze sobą dziesiątki, setki, a nawet tysiące komponentów aktywnych i pasywnych przy użyciu niewielkich pól i cienkich jak włos ścieżek, a jednocześnie zapewniają fizyczne podparcie, mocowania, złącza itp. Często są nazywane płytkami PCB lub PC. Jakiś czas temu jedna z kluczowych organizacji normalizacyjnych w branży o nazwie IPC (wcześniej Institute for Interconnecting and Packaging Electronic Circuits) dążyła do zmiany tej nazwy na PWB (printed wiring boards), jednak nowa nazwa się nie przyjęła.

Z pewnością nie ma potrzeby pisać tutaj o niezastąpionej roli płytek drukowanych (PC), ich uniwersalności i możliwościach. W wielu rozmowach mówi się o nich lekceważąco, jako o zwykłym, prostym, chociaż niezbędnym komponencie pasywnym, co jednak jest mylącym uproszczeniem.

Interesująca historia płytki drukowanej

Droga, jaką przeszły te płytki jest interesująca. Gdy opracowano je około 50 lat temu, początkowo wielu projektantów uważało je za konieczność, a jednocześnie za niedogodność. Były one potrzebne, aby zastąpić bezpośrednie połączenia przewodowe lutowane ręcznie, ponieważ ta technika nie mogła już sprostać gęstości połączeń i rygorom czasowym produkcji takich wyrobów, jak telewizory kolorowe, które zawierały ponad 100 lamp. Co ciekawe, jeden z ówczesnych sprzedawców telewizorów chwalił się, że jego odbiorniki były budowane ręcznie przez rzemieślników i nie wykorzystywały bezdusznych płytek drukowanych. Dobrze wiemy, jak kończą się takie bajki marketingowe.

Pierwsze płytki drukowane były jednostronne i wykonane z tworzyw fenolowych lub bakelitu, w przeciwieństwie do współczesnych kompozytów epoksydowo-szklanych. Otwory na komponenty i odprowadzenia gniazd były wybijane, a nie wiercone. Ponadto nadal były one lutowane ręcznie (ilustracja 1). Szerokości ścieżek były rzędu 3 do 6 milimetrów (mm).

Ilustracja 1: podstawowe, jednostronne płytki fenolowe z otworami przelotowymi, takie jak ta, były pierwszymi powszechnie używanymi protoplastami koncepcji płytek drukowanych. (Źródło ilustracji: TheEngineeringProjects.com)

Niezawodność wczesnych płytek była niska ze względu na rozwarstwianie się okładzin, problemy z tolerancjami oraz niską powtarzalność lutowania. Jednak płytki drukowane były skazane na sukces, ponieważ oferowały jedyne rozsądne rozwiązanie dla wyższych ilości komponentów, układów scalonych, coraz mniejszych komponentów, coraz większych liczb wyprowadzeń, a ostatecznie komponentów do montażu powierzchniowego. Współczesne płytki drukowane są o wiele rzędów wielkości bardziej zaawansowane w porównaniu z pierwszymi pod względem wszystkich parametrów pracy i wydajności.

Co ciekawe, jednostronne płytki fenolowe nadal są używane w niektórych urządzeniach konsumenckich, mieszcząc niemal wszystkie komponenty składowe. Przewody połączeniowe są wprowadzane od góry, co umożliwia zastosowanie bardzo tanich płytek jednostronnych (ilustracja 2).

Ilustracja 2: ta fenolowa płytka drukowana pochodzi z wyprodukowanej w 2010 roku kuchenki mikrofalowej i zawiera zasilacz (niskiego i wysokiego napięcia), transformator, urządzenia mocy i pozostałe obwody. Należy zwrócić uwagę na użycie połączeń od góry, co pozwala na zastosowanie taniej płytki jednostronnej. (Źródło ilustracji: Low Price Mart)

Wielozadaniowość i precyzja płytek drukowanych

Pomimo że o współczesnych płytkach mówimy zdawkowo, to są one zaawansowanymi wyrobami inżynieryjnymi wysokiej precyzji. Ich zadania wykraczają dużo dalej, niż tylko bycie nośnikiem i platformą połączeń dla komponentów. Ich zadania to między innymi:

1. Prowadzenie zasilania i masy na odsłoniętych warstwach, jeżeli mamy do czynienia z podstawową dwustronną płytką drukowaną.
2. W płytkach wielowarstwowych, takich jak powszechnie stosowane wersje czterowarstwowe, jedna warstwa wewnętrzna służy do rozprowadzania zasilania dla jednej lub kilku szyn, a druga warstwa wewnętrzna służy jako masa. Połączenia z tymi warstwami są wykonywane przy użyciu przewodzących przelotek (via, vertical interconnect access).
3. Miedź wokół i w pobliżu gorących komponentów działa jak radiator lub kanał termiczny odprowadzający ciepło do dyskretnego radiatora.
4. Miedź płytki drukowanej może być skonfigurowana jako linia przesyłowa częstotliwości radiowych (RF), filtr, izolator lub cyrkulator z wykorzystaniem topologii linii paskowych lub mikropasków.
5. Płytka drukowana może również zostać zaprojektowana jako antena. Często jest to antena wielopasmowa a nie jednopasmowa.
6. Odpowiednia konstrukcja układu ścieżek miedzianych pozwala tworzyć radiowe elementy pasywne - kondensatory i cewki.
7. Precyzyjnie zwymiarowane ścieżki mogą działać jak rezystory niskiej wartości (kilka miliomów) przeznaczone do pomiaru przepływającego prądu na podstawie spadku napięcia na ścieżce.
8. Miedź może tworzyć również pierścień ochronny wokół wrażliwych wejść czujników analogowych niskiego poziomu do wzmacniaczy operacyjnych.
9. Miedź płytki może zapewniać ekranowanie elektromagnetyczne (EMC), zapobiegając oddziaływaniu częstotliwości radiowych z otoczenia na obwody lub tłumiąc ich emisje z płytki.
10. Działają jako wciskane gniazda dla sztywnych i elastycznych wtyków zakańczających poszczególne przewody w wiązce.

Jakby tego było mało, do listy doszła nowa rola: działanie w charakterze złącza współpracującego ze złączami IDC (z połączeniami wykonywanymi przez przerwanie izolacji) kabli taśmowych firmy Würth Elektronik. Podejście firmy Würth polega na tym, że zamiast stosować standardową parę współpracujących złącz IDC - jednego męskiego ze stykami wtykowymi (wtykami) i drugiego żeńskiego z gniazdami, płytka służy jako element współpracujący z męskim złączem IDC.

Warto zauważyć, że to nie pierwszy raz, kiedy przewody podłączono bezpośrednio do płytki. Przez wiele lat oddzielne lite lub elastyczne wtyki były wciskane do powlekanych otworów w płytkach drukowanych. Jednak takie wtyki nie mogą zostać wyjęte bez uszkodzenia wtyku i płytki, dlatego mogły być włożone tylko raz. W przeciwieństwie do tego grupa złącz REDFIT IDC SKEDD firmy Würth może być podłączana i odłączana nawet dziesięciokrotnie przy użyciu określonych rozmiarów i powlekania otworów w płytce, a nawet do 25 razy przy rozluźnionych tolerancjach.

Ilustracja 3: grupa złącz REDFIT IDC SKEDD firmy Würth eliminuje potrzebę stosowania gniazda IDC współpracującego z męskim (wtykowym) złączem IDC i kablem płaskim. Obniża to koszty, upraszcza wykazy materiałów BOM i zmniejsza liczbę połączeń przewód-złącze, będących źródłem potencjalnych problemów. (Źródło obrazu: Würth Elektronik)

Jaka przyszłość czeka naszą skromną i niedocenianą płytkę drukowaną? Wygląda na to, że szeroko stosowane podłoże epoksydowo-szklane FR-4 nie będzie już tak dominujące, jak obecnie. Jego charakterystyka nie pozwala spełnić surowych wymagań projektów wielogigahercowych (GHz), w których krytyczne znaczenie odgrywają subtelne czynniki elektryczne i materiałowe, takie jak stała dielektryczna (e_r), współczynnik strat (tδ), absorpcja wilgoci i inne. Co więcej, parametry nie tylko muszą być odpowiednie do projektów gigahercowych, ale również muszą się charakteryzować bardzo niskimi współczynnikami temperaturowymi, a FR-4 ich nie zapewnia. Mechaniczne i wymiarowe współczynniki temperaturowe mają znaczenie, ponieważ przy takich częstotliwościach nawet najmniejsze zmiany wpływają na parametry elektroniczne.

A zatem gdy następnym razem ktoś będzie mówił o płytkach drukowanych jak o nieistotnym elemencie, będziemy wiedzieć, że wynika to z niezrozumienia. Powodzenie projektu zależy w równej mierze od płytki, jak od każdego innego komponentu. Zdolność do maksymalizacji funkcji, wyprodukowania wielowarstwowej płytki zgodnie z niezwykle surowymi specyfikacjami, jej zapełnienia i prawidłowego lutowania bezpośrednio wpływa na podstawowe parametry pracy, wskaźniki odrzutów oraz niezawodność finalną.

Bibliografia:

1 – Wikipedia, „FR-4” https://en.wikipedia.org/wiki/FR-4

2 – Wikipedia, „Printed circuit board” https://en.wikipedia.org/wiki/Printed_circuit_board#Materials

3 – Wikipedia, „Via (electronics)” https://en.wikipedia.org/wiki/Via_(electronics)

4 – SEEED Studio, „Printed Circuit Board (PCB) Material Types and Comparison” https://www.seeedstudio.com/blog/2017/03/23/pcb-material/

5 – Al Wright, Epec LLC., „PCB Vias - Everything You Need To Know” https://blog.epectec.com/pcb-vias-everything-you-need-to-know

6 – John W. Schultz, Compass Technology Group, „A New Dielectric Analyzer for Rapid Measurement of Microwave Substrates up to 6 GHz” https://compasstech.com/wp-content/uploads/2019/02/A-New-Dielectric-Analyzer-for-Rapid-Measurement-of-Microwave-Substrates-up-to-6-GHz.pdf

7 – Rogers Corp., „Characterizing Circuit Materials at mmWave Frequencies” https://www.microwavejournal.com/articles/32237-characterizing-circuit-materials-at-mmwave-frequencies?v=preview

8 – Rogers Corp., „Laminate Materials Simultaneously Increase μ and ε, Reducing Antenna Size” https://www.microwavejournal.com/articles/32056-laminate-materials-simultaneously-increase-mu-and-epsilon-reducing-antenna-size