Trykte kredsløb: Så meget ansvar, så lidt respekt

Trykte kredsløbskort er bogstaveligt talt fundamentet for elektroniske produkter og systemer. De forbinder og “trækker” de ti, hundreder og endda tusinder af aktive og passive komponenter med bittesmå ø’er (puder) og hårtynde tracks, mens de også giver fysisk støtte, monteringsflig, forbindelsesarrangementer med mere. De omtales ofte som PCB'er eller pc-kort, og der var nogle år tilbage et forsøg fra IPC, en nøgleorganisation, der indstillede industrien, der tidligere blev kaldt Institute for Interconnecting and Packaging Electronic Circuits, til at omdøbe dem som ”Wiring boards” eller PWB'er; men den navneændring blev aldrig fanget.

Der er bestemt ikke behov for at fortælle dette publikum om den uundværlige rolle som printkort (pc)-kort, såvel som deres alsidighed og kapacitet. Endnu i mange diskussioner betragtes de tilfældigt som bare en simpel, omend væsentlig, ikke-stor del, passiv komponent; det er en vildledende forenkling.

PC-kortets interessante historie

Det har været en interessant rejse for disse bestyrelser. Da de oprindeligt blev udviklet for omkring 50 år siden, opfattede mange designere dem som både nødvendige og som et nødvendig onde. De var nødvendige for at erstatte brugen af punkt-til-punkt-ledninger og lodning med hånden, en manuel teknik, der ikke længere kunne understøtte den tæthed og produktionstid, der var nødvendig for produkter som farve-tv med deres 100+ vakuumrør. Faktisk pralede en tidens førende tv-sælger, at deres tv'er blev håndlavet af håndværker snarere end ved hjælp af et anonymt kredsløbskort. Vi ved, hvordan denne markedsføringshistorie slutter.

De første pc-kort var enkelsidede og lavet af fenolisk eller Bakelit i stedet for vores moderne glasepoxykomposit; havde stanset snarere end boret huller til gennemgående hulkomponent og stikkeledninger; og blev stadig loddet i hånden (figur 1). Trackbredder var i størrelsesordenen 3 til 6 millimeter (mm).

Figur 1: Grundlæggende ensidige, gennemhullede fenolplader, der ligner denne, var de første vidt udbredte iterationer af pc-kortkonceptet. (Billedkilde: TheEngineeringProjects.com)

Pålideligheden af disse tidlige plader var marginal på grund af delaminering af beklædning, toleranceproblemer og inkonsekvens i lodning. Men som de siger, var fiasko ikke en mulighed, da pc-kort tilbød den eneste levedygtige tilgang til at håndtere højere komponenttællinger, IC-pakker, mindre komponenter, højere pin-tællinger og til sidst overflademonterede komponenter. Dagens pc-kort har avanceret mange størrelsesordrer sammenlignet med de tidlige med hensyn til enhver parameter for ydelse og kapacitet.

Interessant nok bruges enkelsidede fenolplader stadig i nogle forbrugsapparater til at indeholde næsten alle deres komponenter; top-side wire jumpere er indsat, så et meget billigt, ensidigt bord kan bruges (figur 2).

Figur 2: Dette fenoliske pc-kort fra en mikrobølgeovn fra 2010 indeholder strømforsyningen (lav- og højspænding), transformer, strømmenheder og meget af resten af kredsløbet; bemærk brugen af top-side jumpere for at tillade brug af en enkel-sidet tavle til lave omkostninger. (Billedkilde: Low Price Mart)

Multi-tasking-præcisionen på et pc-kort

På trods af den uformelle måde, vi ofte taler om dem på, er nutidens pc-kort meget konstruerede præcisionskomponenter. De forventes at gøre så meget mere end bare at fungere som en komponentbærer og trafikplatform. Blandt deres opgaver:

1. De dirigerer strøm og jord på deres udsatte lag, hvis det er et grundlæggende tosidet pc-kort.
2. I flerlagskort, såsom den fælles fire-lags version, giver det ene indre lag strømfordeling til en eller flere skinner, og det andet indre lag giver jordfunktioner; ledende vias (kort for lodret interconnect-adgang og aldrig aktiveret) forbinder disse lag efter behov.
3. Kobberet omkring eller i nærheden af en varm komponent fungerer som et kølelegeme eller som en termisk ledning for at føre varmen væk til en diskret varmeafleder.
4. Kobber på pc-kortet kan konfigureres til at fungere som en RF-transmissionslinie, filter, isolator eller cirkulator ved hjælp af stripline- eller mikrostrip-topologier.
5. PC-kortet kan også designes til at være en antenne, ofte som en multiband-antenne, snarere end en enkeltbånd-antenne.
6. RF-passive enheder, kondensatorer og induktorer, kan også konstrueres ved hjælp af passende kobbermønster.
7. Præcise dimensionerede spor kan fungere som modstande med lav værdi (flere milliohm) til måling af strømning af IR-faldet over sporet.
8. Kobberet kan også tilvejebringe en beskyttelsesring omkring følsomme analoge sensorindgange til operationsforstærkere (Op Amps).
9. Kortets kobber kan give EMC-afskærmning for at forhindre, at RF påvirkning af kredsløb eller komplementet til dæmpende emissioner fra brættet.
10. Vær indstikskontakten til både stive og fleksible stifter, der afslutter individuelle ledninger i en sele.

Hvis det ikke er nok, er der en ny rolle, der er føjet til listen: at fungere som parringstikket for et båndkabel-IDC (isolationsfortrængningsstik) fra Würth Elektronik. I stedet for standard-parret IDC'er er den ene ende som et han med stikkontakter (stifter) og den anden som hun med stikkontakter. Derved bruger Würth kortet som styr til den mandlige IDC.

Bemærk, at dette ikke er første gang, at ledninger er sat direkte i et kort. I mange år blev individuelle faste eller fleksible stifter skubbet ind i belagte huller på et pc-bord. Men disse stifter kan ikke fjernes uden at beskadige stiften og kortet, så de var kun engangsindsættelse. I modsætning hertil er Würth's REDFIT IDC SKEDD-stik familie kan disse tilsluttes og tages af op til ti gange ved hjælp af det specificerede pc-korthulstørrelse og plettering, og op til 25 gange med afslappede tolerancer.

Figur 3: Würths REDFIT IDC SKEDD-forbindelsesfamilie eliminerer behovet for en IDC-stik, der kan matche sig med det mandlige (pin) IDC og fladkabel, hvilket sparer omkostninger, forenkler BOM og reducerer overganger fra wire-til-connector og dermed potentielle problemer. (Billedkilde: Würth Elektronik)

Hvad er det næste til det ydmyge og under-værdsatte pc-kort? Det ser ud til, at det bredt anvendte FR-4-epoxyglasunderlag ikke længere vil være så dominerende, som det nu er. Dets egenskaber kommer ikke under de strenge krav fra multigigahertz-design (GHz), hvor subtile elektriske og materialefaktorer såsom dielektrisk konstant, dielektrisk konstant (e_r), tabsfaktor (tδ), fugtabsorption og andre er kritiske. Disse numre skal ikke kun matche behovene i GHz-design, de skal have meget lave temperaturkoefficienter eller tempcos, som FR-4 ikke har. Selv de mekaniske og dimensionelle tempcos får ekstra betydning, da selv minutskift påvirker elektronisk ydeevne ved disse frekvenser.

Næste gang nogen beskriver pc-kortet som "ikke noget", fald ikke for den holdning eller misforståelse. Succesen med et projekt afhænger lige så meget af KORTET, som det gør af enhver anden komponent. Evnen til at maksimere dens funktioner, fremstille et flerlags KORT til utroligt stramme specifikationer, indlæse det og lodde det rigtigt, påvirker direkte grundlæggende ydelse, afvis / skrothastighed og feltpålidelighed.

Referencer:

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 - Alt hvad du behøver at vide" 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