Πλακέτα τυπωμένου κυκλώματος

Ιστορία

Οι πλακέτες τυπωμένων κυκλωμάτων προήλθαν από συστήματα ηλεκτρικής σύνδεσης που χρησιμοποιούνταν τη δεκαετία του 1850. Αρχικά χρησιμοποιήθηκαν μεταλλικές λωρίδες ή ράβδοι για τη σύνδεση μεγάλων ηλεκτρικών εξαρτημάτων τοποθετημένων σε ξύλινες βάσεις. Αργότερα, οι μεταλλικές λωρίδες αντικαταστάθηκαν από καλώδια συνδεδεμένα σε βιδωτούς ακροδέκτες και οι ξύλινες βάσεις αντικαταστάθηκαν από μεταλλικά πλαίσια. Αυτό επέτρεπε τα πράγματα να είναι μικρότερα, κάτι που ήταν απαραίτητο καθώς τα κυκλώματα γίνονταν πιο πολύπλοκα με περισσότερα εξαρτήματα. Ο Τόμας Έντισον δοκίμασε μεθόδους χρήσης μετάλλων σε λινό χαρτί. Ο Άρθουρ Μπέρι το 1913 κατοχύρωσε με δίπλωμα ευρεσιτεχνίας στη Βρετανία μια μέθοδο print-and-etch. Το 1925, ο Charles Ducas των Ηνωμένων Πολιτειών ανέπτυξε μια μέθοδο που χρησιμοποιούσε την ηλεκτρολυτική επιμετάλλωση. Δημιούργησε μια ηλεκτρική διαδρομή απευθείας σε μια μονωμένη επιφάνεια εκτυπώνοντας μέσω ενός στένσιλ (ένα σχήμα που κόβεται σε ένα χαρτόνι ή χαρτί) με ειδικό μελάνι που μπορούσε να αγωγιμοποιήσει τον ηλεκτρισμό, όπως ακριβώς και τα καλώδια. Η μέθοδος αυτή ονομάστηκε "τυπωμένη καλωδίωση" ή "τυπωμένο κύκλωμα".

Το 1943, ο Αυστριακός Paul Eisler, που εργαζόταν στο Ηνωμένο Βασίλειο, κατοχύρωσε με δίπλωμα ευρεσιτεχνίας μια μέθοδο χάραξης του αγώγιμου μοτίβου ή των κυκλωμάτων πάνω σε ένα στρώμα φύλλου χαλκού που ήταν προσαρτημένο σε μια σκληρή βάση που δεν αγωγούσε τον ηλεκτρισμό. Η τεχνική του Eisler έγινε αντιληπτή από τον αμερικανικό στρατό και άρχισαν να τη χρησιμοποιούν σε νέα όπλα, συμπεριλαμβανομένων των πυροκροτητών προσέγγισης στον Β' Παγκόσμιο Πόλεμο. Η ιδέα του έγινε πολύ χρήσιμη τη δεκαετία του 1950, όταν εισήχθη το τρανζίστορ. Μέχρι τότε, οι λυχνίες κενού και άλλα εξαρτήματα ήταν τόσο μεγάλα που οι παραδοσιακές μέθοδοι τοποθέτησης και καλωδίωσης ήταν το μόνο που χρειαζόταν. Με την εισαγωγή των τρανζίστορ, ωστόσο, τα εξαρτήματα έγιναν πολύ μικρά και οι κατασκευαστές έπρεπε να χρησιμοποιούν τυπωμένες πλακέτες κυκλωμάτων ώστε οι συνδέσεις να είναι επίσης μικρές.

Η τεχνολογία των διαμπερών οπών και η χρήση της σε PCB πολλαπλών στρώσεων κατοχυρώθηκε με δίπλωμα ευρεσιτεχνίας από την αμερικανική εταιρεία Hazeltine το 1961. Αυτό επέτρεψε πολύ πιο πολύπλοκες πλακέτες, με εξαρτήματα τοποθετημένα κοντά μεταξύ τους. Τα τσιπ ολοκληρωμένων κυκλωμάτων εισήχθησαν τη δεκαετία του 1970 και τα εξαρτήματα αυτά ενσωματώθηκαν γρήγορα στο σχεδιασμό και τις τεχνικές κατασκευής πλακετών τυπωμένων κυκλωμάτων. Σήμερα η πλακέτα τυπωμένου κυκλώματος μπορεί να έχει έως και 50 στρώματα σε ορισμένες εφαρμογές.

Η τεχνολογία επιφανειακής τοποθέτησης αναπτύχθηκε τη δεκαετία του 1960 και άρχισε να χρησιμοποιείται ευρέως στα τέλη της δεκαετίας του 1980.

Μια χειροποίητη πλακέτα κυκλώματος

Σχεδιασμός

Το κύριο καθήκον κατά το σχεδιασμό μιας πλακέτας είναι να υπολογίσετε πού θα τοποθετηθούν όλα τα εξαρτήματα. Συνήθως υπάρχει ένα σχέδιο ή σχηματικό διάγραμμα που θα μετατραπεί σε PCB. Δεν υπάρχει κάτι τέτοιο όπως μια τυπική πλακέτα τυπωμένου κυκλώματος. Κάθε πλακέτα σχεδιάζεται για τη δική της χρήση και πρέπει να έχει το σωστό μέγεθος για να χωράει στον απαιτούμενο χώρο. Οι σχεδιαστές πλακετών χρησιμοποιούν λογισμικό σχεδιασμού με τη βοήθεια υπολογιστή για να σχεδιάσουν τα σχέδια κυκλωμάτων στην πλακέτα. Τα διαστήματα μεταξύ των ηλεκτρικών διαδρομών μπορούν να είναι 0,04 ίντσες (1,0 mm) ή μικρότερα. Η θέση των οπών για τα καλώδια των εξαρτημάτων ή τα σημεία επαφής σχεδιάζονται επίσης. Μόλις τοποθετηθεί το σχέδιο κυκλώματος, εκτυπώνεται μια αρνητική εικόνα σε ακριβές μέγεθος σε ένα διαφανές πλαστικό φύλλο. Με μια αρνητική εικόνα, οι περιοχές που δεν αποτελούν μέρος του κυκλώματος εμφανίζονται με μαύρο χρώμα και το σχέδιο του κυκλώματος εμφανίζεται καθαρό. Στη συνέχεια, το μέταλλο αφαιρείται από τις διαφανείς περιοχές, συνήθως με χημικές ουσίες. Αυτό το σχέδιο μετατρέπεται σε οδηγίες για μια μηχανή διάτρησης που ελέγχεται από υπολογιστή ή για την αυτόματη πάστα συγκόλλησης που χρησιμοποιείται στη διαδικασία κατασκευής.

Κατασκευή

Η κάρτα είναι κατασκευασμένη με εξωτερικά στρώματα χαλκού. Ο ανεπιθύμητος χαλκός αφαιρείται, αφήνοντας τα χάλκινα καλώδια που θα συνδέσουν τα ηλεκτρονικά εξαρτήματα. Τα εξαρτήματα τοποθετούνται στην πλακέτα, ερχόμενα σε επαφή με τα καλώδια.

Φωτοανθεκτικό

Οι πλακέτες κυκλωμάτων κατασκευάζονται μερικές φορές με φωτολιθογραφία. Ένα κάλυμμα που ονομάζεται φωτοαντιστατικό αντιδρά με το φως και στη συνέχεια η πλακέτα και το κάλυμμα τοποθετούνται σε έναν προγραμματιστή. Αυτή η μέθοδος είναι ακριβή ανά πλακέτα, αλλά πολύ φτηνή στην αρχή.

Μεταξοτυπία

Υπάρχουν, ωστόσο, διαφορετικές μέθοδοι κατασκευής μιας πλακέτας κυκλώματος. Ορισμένες επαγγελματικά κατασκευασμένες πλακέτες κυκλωμάτων χρησιμοποιούν μια διαφορετική μέθοδο για την αφαίρεση του επιπλέον χαλκού από την πλακέτα κυκλώματος. Χρησιμοποιείται μια διαδικασία που ονομάζεται μεταξοτυπία. Η μεταξοτυπία είναι όταν ένα ύφασμα τραβιέται σφιχτά πάνω από ένα πλαίσιο. Στη συνέχεια, μια εικόνα εκτυπώνεται πάνω στο ύφασμα. Στη συνέχεια, το μελάνι πιέζεται μέσω του υφάσματος. Το μελάνι δεν πηγαίνει εκεί όπου έχει τυπωθεί η εικόνα στο ύφασμα. Ονομάζεται μεταξοτυπία επειδή το ύφασμα είναι συνήθως μετάξι. Το ύφασμα είναι συνήθως μεταξωτό επειδή έχει πολύ μικρές οπές. η μεταξοτυπία χρησιμοποιείται για να εκτυπωθεί πάνω στον πίνακα ένα μελάνι που ονομάζεται αντίσταση. Το Resist είναι ένα μελάνι που αντιστέκεται στο διαβρωτικό που χρησιμοποιείται για την κατασκευή της πλακέτας κυκλώματος. Το εγχυτικό διαλύει το χαλκό στην πλακέτα. Αυτό είναι φθηνότερο για κάθε πλακέτα από το φωτοαντίσταση, αλλά είναι πιο ακριβό στην αρχή.

Φρεζάρισμα

Ένας άλλος τρόπος για να φτιάξετε μια πλακέτα κυκλώματος είναι να χρησιμοποιήσετε ένα μύλο. Ο μύλος είναι ένα τρυπάνι που κινείται προς πολλές κατευθύνσεις. Το τρυπάνι αφαιρεί μια μικρή ποσότητα χαλκού κάθε φορά που κινείται κατά μήκος της πλακέτας. Ο μύλος αφαιρεί το χαλκό γύρω από τα καλώδια στην πλακέτα. Αυτό αφήνει επιπλέον χαλκό στην πλακέτα. Άλλες μέθοδοι δεν αφήνουν τον επιπλέον χαλκό στην πλακέτα. Αυτή η μέθοδος είναι φθηνότερη ανά πλακέτα, αλλά ο εξοπλισμός για την κατασκευή της είναι ακριβός. Η μέθοδος αυτή δεν χρησιμοποιείται συχνά, επειδή οι άλλες δύο μέθοδοι είναι ευκολότερες.