Trükkplaat (PCB) — definitsioon, ehitus ja kasutusalad

Trükkplaat (PCB) on tahvel, mis on mõeldud elektrooniliste komponentide mehhaaniliseks fikseerimiseks ja nendevaheliste elektriliste ühenduste loomiseks. Neid kasutatakse tänapäeval peaaegu kõigis arvutites, nutiseadmetes ja elektroonikatoodetes.

Trükkplaat koosneb tavaliselt klaaskiust või mõnest muust elektrit isoleerivast aluskihist (substrat), mille pinnale või sisse on keemiliselt söövitatud õhemad või paksemad vasejuhid. See vasevõrk juhib elektrivoolu täpselt sinna, kuhu disainer on kavandanud, vähendades lühiseid ja juhuslikke ühendusi.

Elektroonilised komponendid kinnitatakse plaadi külge, kasutades juhtivatel kujul metalli, näiteks jootetrahve ja -padjakesi. Tahvlile söövitatud või trükitud metall võimaldab komponendilt komponendile voolu liikumist, moodustades vajalikud elektriahelad.

Trükkplaatide disain võib olla väga erinev: lihtsast ühekihilisest plaadist keerukate mitmekihiliste lahendusteni. Suures koguses toodetavate seadmete (näiteks arvuti, mobiiltelefoni või televiisori) jaoks tehakse tavaliselt spetsiaalsed trükkplaadid, mis täidavad ainult seda konkreetset funktsiooni. On ka standardiseeritud plaate, mida hobi- ja prototüüpmeistrid saavad ise kasutada ja töödelda. Enamiku elektriseadmete sees on vähemalt üks trükkplaat, mis võimaldab seadmel töötada.

Ehituse põhiosad

• Substraat – tavaline materjal on FR-4 ehk klaaskiud-epoksü; alternatiividena kasutatakse tefloni (RF-plaadid), polüimid (painduvad plaadid) jms.
• Vasekihid – juhivad elektrit; võivad olla plaadi pinnal või sisekihtidena mitmekihilistes plaatides.
• Vias (läbiviigud) – valmistatud puuritud ja betonneeritud metalliseeritud aukudest, mis ühendavad kihte: through-hole, blind ja buried vias.
• Jootemask – värvikate (tavaliselt roheline) kaitsekiht, mis kaitseb vasktrasse oksüdatsiooni ja lühistamise eest ning määratleb jootmispadjad.
• Silkscreen – valge või muu värvi tekst/markeeringud, mis aitavad komponentide paigutust ja identifitseerimist.
• Pinnaviimistlus – kaitsekate jootmispindadel: HASL, ENIG, OSP jt, mis mõjutavad jootmise kvaliteeti ja tööea.

Trükkplaatide liigid

• Single-sided – üks vaskkiht; sobib lihtsate skeemide jaoks.
• Double-sided – vask mõlemal küljel; võimaldab rohkem ühendusi ja tihedamat paigutust.
• Multilayer – mitu vasekihi ja isolatsioonikihi kompleksi; kasutatakse kõrgema sageduse ja keerukamate seadmete puhul.
• Rigid – jäik plaat, mis ei paindu.
• Flex (painduvad) – valmistatud piisavalt õhukesest ja elastsetest materjalidest, et neid saaks painutada; sobivad liikuva osa või ruumipiiranguga lahenduste jaoks.
• Rigid-flex – kombineeritud jäiga ja painduva osa lahendus, mida kasutatakse näiteks meditsiini- ja kosmosetehnikas.

Komponentide kinnitamine ja tootmistehnoloogiad

• Through-hole – komponendid läbivad plaadi augud ja on plaadi teisel küljel joodetud; annab tugeva mehaanilise ühenduse.
• SMD (Surface Mount Device) – komponendid kinnitatakse plaadi pinnale; võimaldab tihedate ja väikeste skeemide ehitamist ning sobib automaatseks jootmiseks (reflow).
• Soldering – massitootmises kasutatakse laine- või reflow-meetodeid; käsitööks kasutatakse kaksiktempel-e jootmist või puutevaba meetodeid.

Tootmisprotsess lühidalt

• Disain: skeem ja PCB-layout tarkvaras (EDA tööriistad).
• Füüsiline tootmine: fototöötlus/printimine, söövitamine või kaabeldamine, puurimine, vase plateerimine kihtide vahel.
• Jootemask ja silkscreeni trükkimine.
• Puuritud aukude metalliseerimine (vias) ja pinnaviimistluse rakendamine.
• Testimine: elektriline kontroll (Flying Probe, ICT), optiline kontroll (AOI) ja funktsionaalne test.

Kasutusalad

Trükkplaate kasutatakse väga laialdaselt:

• tarbeelektroonikas (arvutid, nutitelefonid, telerid),
• autotööstuses (mootorijuhtimismoodulid, turvasüsteemid),
• meditsiiniseadmetes (monitoorid, diagnostikaseadmed),
• tööstusseadmetes (juhtimissüsteemid, andurivõrgud) ja
• tarvikutes ja kantavates seadmetes (nutikellad, jalutusmonitorid).

Testimine ja kvaliteet

Täpsus ja töökindlus on trükkplaatide puhul väga olulised. Levinumad testimeetodid on:

• Flying probe – punktipõhine elektriline test väikeste ja keskmise suurusega seeriate jaoks.
• In-Circuit Test (ICT) – automaatne test, mis kontrollib komponentide ühendusi ja väärtusi suures tootmises.
• AOI – optiline kontroll, mis tuvastab trükivigu, jootekoha defekte ja vale paigutusi.
• Funktsionaalne test – kogu seadme automaatne töö kontroll vastavalt nõuetele.

Keskkond ja ringlus

Elektroonikatööstus liigub järjest enam RoHS ja muude keskkonnastandardite poole: pliivabad joodematerjalid, ohutumad pinnaviimistlused ja paremad tootmisprotsessid. Trükkplaatide ringlussevõtt on keerukam kui mõne teise materjali oma, kuid vase ja teiste komponentide taaskasutus on võimalik ning vajalik jäätmekäitluse osa.

Tüüpilised rikked ja kuidas neid leida

• Purikorkide katkestused (broken traces) – mehaaniline kahjustus või korrosioon; leitav visuaalse kontrolli või elektritesti abil.
• Jahedad jootekohad (cold joints) – halb ühendus, mis põhjustab katkendliku kontakti; parandatakse, uuesti joodates.
• Lühised – sageli liigne joodis, põletus või vale paigutus; avastatakse AOI või elektrilise testiga.
• Delamination – kihistumine kõrge temperatuuri või niiskuse tõttu; nõuab tavaliselt plaadi väljavahetamist.

Painduvad trükkplaadid

Paindlikud trükkplaadid on valmistatud spetsiaalsetest õhukestest ja elastsetest materjalidest (näiteks polüimid), mis võimaldavad plaati painutada või voltida. Neid kasutatakse kohtades, kus ruum on piiratud või kus osa süsteemist peab liikuma. Painduvatel plaatidel tuleb arvestada painutuspindade eluea, pingete ja sobiva komponendipaigutusega.

Kokkuvõte: trükkplaat on elektroonika alus — alates lihtsatest ühikustest kuni keerukate mitmekihiliste mooduliteni. Õige materjalivalik, tootmisprotsess ja testimine tagavad usaldusväärse töö kõigis rakendustes.

Ajalugu

Trükkplaadid on pärit 1850. aastatel kasutatud elektrilistest ühendussüsteemidest. Algselt kasutati puidust alustele paigaldatud suurte elektriliste komponentide ühendamiseks metallribasid või -varraste. Hiljem asendati metallribad juhtmetega, mis olid ühendatud kruviklemmidega, ja puidust alused asendati metallraamidega. See võimaldas asjadel olla väiksemad, mida oli vaja, kuna vooluahelad muutusid keerulisemaks ja sisaldasid rohkem osi. Thomas Edison katsetas meetodeid metallide kasutamiseks linapaberil. Arthur Berry patenteeris 1913. aastal Suurbritannias trükkimis- ja söövitusmeetodi. 1925. aastal töötas Charles Ducas Ameerika Ühendriikides välja meetodi, milles kasutati galvaniseerimist. Ta lõi elektrilise tee otse isoleeritud pinnale, trükkimaks läbi šablooni (papile või kartongile lõigatud kuju) spetsiaalse tindiga, mis suutis elektrit juhtida, nagu juhtmedki. Seda meetodit nimetati "trükitud juhtmestikuks" või "trükitud vooluahelaks".

1943. aastal patenteeris Ühendkuningriigis töötav austerlane Paul Eisler meetodi, mille abil söövitati elektrit mittejuhtivale, kõvale alusele kinnitatud vaskfooliumi kihile elektrit juhtiv muster ehk vooluringid. Eisleri tehnikat märkas USA sõjavägi ja nad hakkasid seda kasutama uutes relvades, sealhulgas lähedussütikutes, Teises maailmasõjas. Tema idee muutus väga kasulikuks 1950. aastatel, kui võeti kasutusele transistor. Kuni selle ajani olid vaakumtorud ja muud komponendid nii suured, et traditsioonilised paigaldus- ja juhtmestikumeetodid olid kõik, mida vajati. Transistoride kasutuselevõtuga muutusid komponendid aga väga väikesteks ja tootjad pidid kasutama trükkplaate, et ka ühendused oleksid väikesed.

Plaaditud läbilõike tehnoloogia ja selle kasutamine mitmekihilistes trükkplaatides patenteeriti 1961. aastal USA firma Hazeltine poolt. See võimaldas palju keerulisemaid plaate, kus komponendid olid tihedalt üksteise kõrval paigutatud. Integreeritud kiibid võeti kasutusele 1970. aastatel ja need komponendid lülitati kiiresti trükkplaatide projekteerimis- ja valmistamismeetoditesse. Tänapäeval võib trükkplaat mõnes rakenduses olla kuni 50 kihti.

Pindpaigaldustehnoloogia töötati välja 1960. aastatel ja seda hakati laialdaselt kasutama 1980. aastate lõpus.

Käsitsi valmistatud trükkplaat

Küsimused ja vastused

K: Mis on trükkplaat?

K: Milleks kasutatakse trükkplaate?

K: Millest on valmistatud trükkplaat?

K: Kuidas võimaldab trükkplaat elektrienergia liikumist ühelt komponendilt teisele elektriahelates?

K: Mis on paindlikud trükkplaadid?

K: Mis on jäigalt painduvad plaadid?

K: Kas enamiku elektriga töötavate asjade sees on vähemalt üks trükkplaat?

Otsing