ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΗΝ ΑΝΑΠΤΥΞΗ ΤΩΝ ΤΥΠΩΜΕΝΩΝ ΚΥΚΛΩΜΑΤΩΝ
Σήμερα η υλοποίηση ενός ηλεκτρονικού κυκλώματος, μετά τον υπολογισμό των εξαρτημάτων, γίνεται με την ανάπτυξη του τυπωμένου κυκλώματος. Τα τυπωμένα κυκλώματα (PCB) αποτελούν βασικό κομμάτι της σύγχρονης τεχνολογίας και χρησιμοποιούνται παντού στις ηλεκτρονικές συσκευές. Η ιστορία τους ξεκινά από τις αρχές του 20ου αιώνα και η μεγάλη ανάπτυξη τους συνέβαλε στην διαμόρφωση της σημερινής υψηλής τεχνολογίας των ηλεκτρονικών συσκευών, όπως τα έξυπνα τηλέφωνα, τις ψηφιακές τηλεοράσεις υψηλής ευκρίνειας, τους ηλεκτρονικούς υπολογιστές κ.ά.
Το τυπωμένο κύκλωμα (Printed Circuit Board ή PCB) είναι μια τεχνολογία που αποτελεί τη βάση για την κατασκευή ηλεκτρονικών συσκευών. Η ιστορία του τυπωμένου κυκλώματος ξεκινάει τον 20ο αιώνα και είναι στενά συνδεδεμένη με την εξέλιξη της ηλεκτρονικής.
Η χρήση τυπωμένων κυκλωμάτων στις ηλεκτρονικές συσκευές έχει σαν πλεονεκτήματα την μείωση του όγκου και του βάρους της συσκευής, αφού πλέον τα κυκλώματα δεν κατασκευάζονται στον «αέρα» μέσα σε μεταλλικά κουτιά, κι έτσι έχουμε μεγαλύτερη σταθερότητα και αξιοπιστία της κατασκευής, ευκολία στην τοποθέτηση και συγκόλληση των εξαρτημάτων καθώς επίσης την δυνατότητα βιομηχανικής παραγωγής. Σαν μειονέκτημα στην χρήση του τυπωμένου κυκλώματος στις ηλεκτρονικές συσκευές, είναι το αυξημένο κόστος για την ανάπτυξη και παραγωγή του.
Τα τυπωμένα κυκλώματα μπορούν να κατασκευαστούν , α) μιας όψεως, δηλαδή σ’ αυτά οι αγωγοί βρίσκονται στη μια πλευρά της μονωτικής πλάκας, β) δυο όψεων, δηλαδή υπάρχουν αγωγοί και στις δυο πλευρές της μονωτικής πλάκας και γ) τυπωμένα κυκλώματα πολλών στρώσεων.
Τα σύγχρονα τυπωμένα κυκλώματα κατασκευάζονται πάνω σε μονωτική πλάκα με την ονομασία FR4. Το FR4 είναι ένα σύνθετο υλικό που αποτελείται από ύφασμα από υαλοβάμβακα εμποτισμένο με εποξειδική ρητίνη. Το FR4 είναι πολύ ανθεκτικό στη μηχανική καταπόνηση και έχει εξαιρετικές μονωτικές ιδιότητες. Το FR4 έχει υψηλή θερμική αντοχή, με μέγιστη θερμοκρασία λειτουργίας που κυμαίνεται γύρω στους 130°C έως 140°C και είναι ανθεκτικό στη φλόγα, κάτι που είναι κρίσιμο στην ασφάλεια των ηλεκτρονικών εφαρμογών.
Η παραγωγή των τυπωμένων κυκλωμάτων μπορεί να γίνει μαζικά με βιομηχανικές μεθόδους αλλά και δοκιμαστικά με ερασιτεχνική μέθοδο. Με την βιομηχανική παραγωγή παράγονται πλακέτες με μεγάλη λεπτομέρεια και ακρίβεια. Επίσης μπορούν να παραχθούν βιομηχανικά πλακέτες με πολλά χαρακτηριστικά. Μπορούμε να παράγουμε τυπωμένα κυκλώματα και ερασιτεχνικά αλλά συγκριτικά με κάποιες ατέλειες και λιγότερα χαρακτηριστικά. Παρακάτω θα παρουσιάσουμε τις μεθόδους παραγωγής, με βιομηχανικό, αλλά και με ερασιτεχνικό τρόπο.
ΙΣΤΟΡΙΑ ΤΩΝ ΤΥΠΩΜΕΝΩΝ ΚΥΚΛΩΜΑΤΩΝ
Αρχικές ανακαλύψεις (1903-1940)
1903: Ο Αυστριακός επιστήμονας Albert Hanson περιέγραψε για πρώτη φορά την ιδέα ενός τυπωμένου κυκλώματος σε ένα δίπλωμα ευρεσιτεχνίας. Πρότεινε τη χρήση επίπεδων καλωδίων, τα οποία θα μπορούσαν να τοποθετηθούν σε ένα μονωτικό υλικό για να δημιουργηθεί ένα κυκλωματικό μοτίβο.
1925: Ο Αμερικανός Charles Ducas έλαβε δίπλωμα ευρεσιτεχνίας για μια μέθοδο εκτύπωσης ηλεκτρικών κυκλωμάτων σε μια μονωτική επιφάνεια, χρησιμοποιώντας έναν αγώγιμο μελάνι.
Β΄ Παγκόσμιος Πόλεμος και Ανάπτυξη (1940-1950)
Η χρήση των τυπωμένων κυκλωμάτων αυξήθηκε σημαντικά κατά τον Β’ Παγκόσμιο Πόλεμο, όταν η ανάγκη για αξιόπιστα και μικρού μεγέθους ηλεκτρονικά κυκλώματα για στρατιωτικές εφαρμογές έγινε επιτακτική. Το 1943, ο Paul Eisler, ένας Αυστριακός μετανάστης στο Ηνωμένο Βασίλειο, ανέπτυξε την πρώτη πρακτική μέθοδο κατασκευής τυπωμένων κυκλωμάτων, χρησιμοποιώντας τεχνικές λιθογραφίας για την εκτύπωση αγώγιμων μοτίβων σε φύλλα χαλκού.
Μεταπολεμική Εξάπλωση (1950-1970)
Μετά τον πόλεμο, τα τυπωμένα κυκλώματα άρχισαν να χρησιμοποιούνται ευρύτερα στη βιομηχανία καταναλωτικών προϊόντων. Η χρήση τους στα ραδιόφωνα, τις τηλεοράσεις και άλλες ηλεκτρονικές συσκευές οδήγησε σε μαζική παραγωγή. Στη δεκαετία του 1950, αναπτύχθηκε η μέθοδος etching, που περιλάμβανε την απομάκρυνση του περιττού χαλκού από ένα υπόστρωμα για να μείνουν μόνο τα επιθυμητά αγώγιμα μοτίβα.
1980 μέχρι σήμερα
Στις δεκαετίες που ακολούθησαν, οι εξελίξεις στα υλικά και τις μεθόδους παραγωγής των τυπωμένων κυκλωμάτων οδήγησαν σε μεγαλύτερη ακρίβεια και μικρότερες διαστάσεις. Η τεχνολογία SMT (Surface Mount Technology) και η πολυστρωματική κατασκευή (multi-layer PCB) επέτρεψαν τη δημιουργία πιο πολύπλοκων και αποδοτικών κυκλωμάτων.
Σήμερα, τα τυπωμένα κυκλώματα είναι αναπόσπαστο μέρος σχεδόν κάθε ηλεκτρονικής συσκευής, από τα κινητά τηλέφωνα και τους υπολογιστές μέχρι τις συσκευές στο διάστημα και την ιατρική τεχνολογία.
ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑ ΒΙΟΜΗΧΑΝΙΚΗΣ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ PCB
Η βιομηχανική διαδικασία κατασκευής PCB είναι πολύπλοκη και απαιτεί αυστηρό έλεγχο ποιότητας σε κάθε στάδιο. Η τεχνολογία και ο εξοπλισμός που χρησιμοποιείται διασφαλίζουν ότι τα PCB πληρούν τις απαιτήσεις για ακρίβεια και αξιοπιστία, καθιστώντας τα κατάλληλα για χρήση σε σύγχρονες ηλεκτρονικές συσκευές.
1. Σχεδίαση και Προετοιμασία
Σχεδίαση του Κυκλώματος (Design): Η διαδικασία ξεκινά με τον σχεδιασμό του κυκλώματος σε λογισμικό σχεδίασης PCB (CAD software). Τα σχέδια περιλαμβάνουν τοποθέτηση εξαρτημάτων, διαδρομές σύνδεσης και στρώματα της πλακέτας.
Επιθεώρηση και Προσομοίωση: Το σχέδιο περνά από διάφορα στάδια ελέγχου και προσομοίωσης για να διασφαλιστεί ότι λειτουργεί σωστά πριν την παραγωγή.
2. Εκτύπωση του Σχεδίου στα Στρώματα του PCB
Εκτύπωση των Στρωμάτων: Τα σχέδια του κυκλώματος εκτυπώνονται σε διαφανή φιλμ. Κάθε στρώμα του PCB έχει το δικό του φιλμ, το οποίο καθοδηγεί τη διαδικασία παραγωγής.
Προετοιμασία των Υλικών: Τα υλικά που χρησιμοποιούνται για τα διάφορα στρώματα της πλακέτας συνήθως περιλαμβάνουν λεπτά φύλλα χαλκού πάνω σε μονωτικά υλικά, όπως εποξικό γυαλί (FR4).
3. Δημιουργία των Εσωτερικών Στρωμάτων
Εφαρμογή Φωτοευαίσθητου Υλικού: Η επιφάνεια των φύλλων χαλκού καλύπτεται με φωτοευαίσθητο υλικό (photoresist).
Έκθεση στις UV Ακτίνες: Τα φύλλα χαλκού με το φωτοευαίσθητο υλικό εκτίθενται σε υπεριώδη ακτινοβολία μέσω των διαφανών φιλμ, που φέρουν το σχέδιο του κυκλώματος. Το φωτοευαίσθητο υλικό κάτω από την μαύρη περιοχή του φιλμ προκαλεί στρώμα, προστατεύοντας τον χαλκό από την αποχάραξη.
Ανάπτυξη (Developing): Οι περιοχές του φωτοευαίσθητου υλικού, που εκτέθηκαν στην υπεριώδης ακτινοβολία αφαιρούνται, αποκαλύπτοντας τον χαλκό.
Αποχάραξη (Etching): Οι εκτεθειμένες περιοχές του χαλκού αφαιρούνται με χημικά, αφήνοντας μόνο τα επιθυμητά κυκλώματα.
4. Ελασματοποίηση και Πολυστρωμάτωση
Συγκόλληση Στρωμάτων (Lamination): Τα διαφορετικά στρώματα του PCB, συμπεριλαμβανομένων των εσωτερικών κυκλωμάτων που υλοποιήθηκαν σε φύλλο χαλκού, σε στρώμα του μονωτικού υλικού, συγκολλούνται υπό υψηλή πίεση και θερμοκρασία για να δημιουργηθεί μια ενιαία πλακέτα.
Δημιουργία Οπών και Επίχρυσή τους (Drilling & Plating): Τρυπάνια CNC χρησιμοποιούνται για τη δημιουργία οπών σύνδεσης μεταξύ των στρωμάτων. Οι οπές αυτές επιχρυσώνονται (με ηλεκτρολυτική επιμετάλλωση) για να διασφαλιστεί η αγωγιμότητα.
5. Εξωτερικά Στρώματα
Εφαρμογή Φωτοευαίσθητου Υλικού στα Εξωτερικά Στρώματα: Το φωτοευαίσθητο υλικό εφαρμόζεται στα εξωτερικά στρώματα και ακολουθεί παρόμοια διαδικασία με την έκθεση και ανάπτυξη όπως στα εσωτερικά στρώματα.
Αποχάραξη (Etching) και Επικάλυψη με Προστατευτικό Υλικό: Οι εκτεθειμένες περιοχές του χαλκού αποχαράσσονται, και στη συνέχεια το PCB καλύπτεται με ένα προστατευτικό στρώμα, όπως είναι το solder mask, το οποίο προστατεύει τον χαλκό και καθορίζει τις περιοχές που μπορούν να συγκολληθούν εξαρτήματα.
6. Μεταλλικές Επικαλύψεις και Τελικές Εργασίες
Επιμετάλλωση Επιφανειών (Surface Finishing): Η επιφάνεια του PCB επικαλύπτεται με υλικά όπως κασσίτερος, ασήμι ή χρυσός για να βελτιωθεί η συγκόλληση των εξαρτημάτων.
Απάλειψη Οπών και Κοπές: Οι πλακέτες κόβονται στις τελικές τους διαστάσεις και δημιουργούνται οι οπές για τα εξαρτήματα.
7. Έλεγχος και Δοκιμή
Οπτικός Έλεγχος: Η πλακέτα εξετάζεται οπτικά για ατέλειες.
Ηλεκτρικός Έλεγχος (Electrical Testing): Διεξάγονται δοκιμές για να διασφαλιστεί η συνέχεια των κυκλωμάτων και η σωστή λειτουργία του PCB.
8. Τελική Συναρμολόγηση και Παράδοση
Συναρμολόγηση των Εξαρτημάτων (Component Assembly): Σε ορισμένες περιπτώσεις, τα εξαρτήματα συγκολλιούνται στην πλακέτα (αν είναι μέρος της παραγγελίας).
Συσκευασία και Παράδοση: Το τελικό προϊόν συσκευάζεται και αποστέλλεται στον πελάτη.
ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑ ΕΡΑΣΙΤΕΧΝΙΚΗΣ ΚΑΤΑΣΚΕΥΗΣ PCBs
Η ερασιτεχνική μέθοδος κατασκευής τυπωμένων κυκλωμάτων (PCB) με χρήση υπεριωδών ακτίνων (UV light) είναι γνωστή και ως φωτογραφική μέθοδος. Αυτή η τεχνική προσφέρει μεγάλη ακρίβεια και είναι δημοφιλής μεταξύ των ερασιτεχνών για τη δημιουργία πιο σύνθετων και λεπτομερών κυκλωμάτων. Ακολουθούν τα βήματα της διαδικασίας:
Υλικά και Εργαλεία:
Πλακέτα με Φωτοευαίσθητη Επικάλυψη: Πλακέτα PCB επικαλυμμένη με φωτοευαίσθητο υλικό.
Διάφανο φιλμ ή Τransparency Film: Για την εκτύπωση του σχεδίου του κυκλώματος.
Εκτυπωτής Laser: Για την εκτύπωση του σχεδίου πάνω στο φιλμ.
UV Exposure Unit: Μηχάνημα για την έκθεση της πλακέτας στις UV ακτίνες. Μπορεί να είναι μια εμπορική μονάδα ή ένας αυτοσχέδιος θάλαμος με λάμπες UV blue light
Αναπτυκτικό διάλυμα (Developer): Διάλυμα για την εμφάνιση του φωτοευαίσθητου υλικού (συνήθως διάλυμα καυστικής σόδας δηλαδή διάλυμα υδροξειδίου του νατρίου NaOH).
Διάλυμα για Αποχάραξη (Etching Solution): Όπως ο χλωριούχος σίδηρος FeCl3.
Διάλυμα για Απομάκρυνση της Φωτοευαίσθητης Επικάλυψης: Συνήθως ισοπροπυλική αλκοόλη ή ειδικό καθαριστικό.
Γάντια και Προστατευτικά Γυαλιά: Για την προστασία από τα χημικά και την UV ακτινοβολία.
Βήματα Κατασκευής:
Σχεδίαση του Κυκλώματος:
Χρησιμοποιήστε λογισμικό σχεδίασης PCB (π.χ. KiCAD, Eagle) για να σχεδιάσετε το κύκλωμα.
Εκτυπώστε το σχέδιο σε διάφανο φιλμ (σαν τις διαφάνειες που χρησιμοποιούνται στους προτζέκτορες) με laser printer, διασφαλίζοντας ότι τα μοτίβα είναι ακριβή και ορατά.
Προετοιμασία της Πλακέτας:
Χρησιμοποιήστε πλακέτα, που το φύλλο του χαλκού, είναι καλυμμένο με φωτοευαίσθητο υλικό. Κόψτε την πλακέτα στις επιθυμητές διαστάσεις. Αφαιρέστε την μεμβράνη που καλύπτει το χαλκό, το οποίο προστατεύει το φωτοευαίσθητο υλικό από το φως.
Έκθεση στις UV Ακτίνες:
Τοποθετήστε την διαφάνεια με το σχέδιο του κυκλώματος πάνω στην πλακέτα. Βεβαιωθείτε ότι η μεμβράνη είναι σε καλή επαφή με την επιφάνεια.
Τοποθετήστε την πλακέτα κάτω από την UV blue light λάμπα, με την πλευρά του χαλκού προς την κατεύθυνση της ακτινοβολίας. Ο χρόνος έκθεσης ποικίλει, αλλά συνήθως είναι περίπου 10-15 λεπτά ανάλογα με την ένταση των UV αχτίνων και το πάχος του φωτοευαίσθητου στρώματος.
Εμφάνιση (Developing):
Μετά την έκθεση, βυθίστε την πλακέτα στο αναπτυκτικό διάλυμα καυστικής σοδας NaOH. Αυτό το διάλυμα θα αφαιρέσει το φωτοευαίσθητο υλικό από τις περιοχές που έχουν εκτεθεί στις UV ακτίνες, αποκαλύπτοντας τον χαλκό από κάτω.
Παρακολουθήστε προσεκτικά τον χρόνο της ανάπτυξης, καθώς η υπερβολική ανάπτυξη μπορεί να καταστρέψει το κύκλωμα. Ξεπλύνετε την πλακέτα με νερό μόλις εμφανιστεί πλήρως το σχέδιο.
Αποχάραξη (Etching):
Τοποθετήστε την πλακέτα στο διάλυμα αποχάραξης (etching solution) για να αφαιρέσετε τον εκτεθειμένο χαλκό, αφήνοντας μόνο τις επιθυμητές αγώγιμες διαδρομές. Το διάλυμα αποχάραξης είναι διάλυμα τριχλωριούχου σιδήρου, ένα μέρος FeCl3 σε 2 ή 3 μέρη νερό.
Ανακινείτε τη πλακέτα περιοδικά για να διασφαλίσετε ομοιόμορφη αποχάραξη. Ξεπλύνετε με νερό μόλις ολοκληρωθεί η αποχάραξη.
Καθαρισμός:
Αφαιρέστε το υπόλοιπο φωτοευαίσθητο υλικό χρησιμοποιώντας ισοπροπυλική αλκοόλη ή άλλο διάλυμα αφαίρεσης.
Ξεπλύνετε και καθαρίστε την πλακέτα για να είναι έτοιμη για συγκόλληση.
Διάτρηση και Συγκόλληση:
Χρησιμοποιήστε ένα μικρό τρυπάνι για να δημιουργήσετε οπές για τα εξαρτήματα.
Τοποθετήστε και συγκολλήστε τα εξαρτήματα στις κατάλληλες θέσεις.
Συμβουλές και Προφυλάξεις:
Να φοράτε πάντα γάντια και προστατευτικά γυαλιά κατά τη διάρκεια της διαδικασίας για να προστατευτείτε από τα χημικά και την UV ακτινοβολία.
Η ακρίβεια είναι σημαντική. Βεβαιωθείτε ότι η έκθεση είναι σωστά ρυθμισμένη και ότι η επαφή μεταξύ φιλμ και πλακέτας είναι καλή, για να αποφύγετε τυχόν ατέλειες στο τελικό κύκλωμα.
Η μέθοδος με υπεριώδη ακτινοβολία προσφέρει μεγαλύτερη ακρίβεια και καλύτερα αποτελέσματα από άλλες ερασιτεχνικές μεθόδους, καθιστώντας την ιδανική για πιο λεπτομερή κυκλώματα.