Piirilevyt: Niin suuri vastuu, niin vähän arvostusta

Piirilevyt ovat kirjaimellisesti elektroniikkatuotteiden ja -järjestelmien perusta. Ne yhdistävät ja “johdottavat” kymmeniä, satoja ja jopa tuhansia aktiivisia ja passiivisia komponentteja käyttäen pieniä juotoskohtia (tassuja) ja hiuksenohuita johteita, tarjoten samalla fyysisen tuen, asennuskiinnikkeet, liitinjärjestelyt ja niin edelleen. Niistä puhutaan usein nimillä PCB tai pc-levy. Muutama vuosi sitten IPC, alan merkittävä standardointiorganisaatio, aiemmalta nimeltään Institute for Interconnecting and Packaging Electronic Circuits, yritti nimetä piirilevyt uudelleen johdotuslevyiksi (PWB), mutta nimi ei koskaan saanut suosiota.

Tälle lukijakunnalle ei varmasti tarvitse kertoa miten tärkeä rooli piirilevyillä on, eikä myöskään niiden monipuolisuudesta ja ominaisuuksista. Monesti niitä pidetään keskustelussa arkisesti vain yksinkertaisena, vaikkakin tärkeänä, vähäpätöisenä passiivikomponenttina, ja tämä on harhaanjohtava yksinkertaistaminen.

Piirilevyn mielenkiintoinen historia

Näiden levyjen kehityskulku on ollut mielenkiintoinen. Kun ne alunperin kehitettiin noin 50 vuotta sitten, monet suunnittelijat pitivät niitä sekä välttämättöminä että päänvaivana. Niitä tarvittiin korvaamaan pisteestä-pisteeseen-johdotus ja käsin juottaminen, koska tällainen manuaalinen tekniikka ei pystynyt enää tukemaan suurempaa tiheyttä ja nopeampaa valmistusaikaa, jota sellaiset tuotteet kuten väritelevisio 100+ tyhjiöputkineen tarvitsivat. Itse asiassa yksi johtava TV-myyjä kehui aikanaan, että ammattimiehet tekivät heidän televisionsa käsin eikä niissä käytetty anonyymejä piirilevyjä. Tiedämme hyvin miten tämä markkinointitarina päättyi.

Ensimmäiset piirilevyt olivat yksipuolisia ja ne oli valmistettu fenolista tai bakeliitista nykyaikaisen lasiepoksikomposiitin sijasta; niissä oli lävistetyt reiät porattujen sijaan läpiasennettavia komponentteja ja kantojen johtoja varten; ja ne yhä juotettiin käsin (kuva 1). Johtimien paksuudet olivat luokkaa 3–6 millimetriä (mm).

Kuva 1: Yksinkertaiset yksipuoliset läpiasennettavat fenolilevyt, samankaltaiset kuin kuvassa, olivat piirilevykonseptin ensimmäinen laajasti käytetty iteraatio. (Kuvan lähde:TheEngineeringProjects.com)

Näiden ensimmäisten levyjen luotettavuus oli marginaalista. Tähän vaikuttivat kuoren delaminoituminen, toleranssiongelmat ja laadultaan vaihtelevat juotokset. Mutta kuten sanotaan, epäonnistuminen ei ollut vaihtoehtona, koska piirilevyt tarjosivat ainoan mahdollisen tavan käsitellä korkeampia komponenttimääriä, mikropiiripakkauksia, pienempiä komponentteja, korkeita jalkamääriä ja lopulta pintaliitoskomponentteja. Nykypäivän piirilevyt ovat jokaisella suorituskyky- ja kapasiteettiparametrilla monta kertaluokkaa parempia ensimmäisiin levyihin verrattuina.

Mikä mielenkiintoista, yksipuolisia fenolilevyjä yhä käytetään joissain kuluttajalaitteissa ja niissä on lähes kaikki niiden komponentit; yläpuolen hyppyjohdot mahdollistavat hyvin edullisten yksipuolisten levyjen käytön (kuva 2).

Kuva 2: Tämä fenolista valmistettu piirilevy vuoden 2010 mikroaaltouunista sisältää virtalähteen (matala ja korkea jännite), muuntajan, teho-ohjaimet sekä paljon muuta lopusta piiristä; huomaa hyppyjohtojen käyttö piirilevyn yläpuolella, mikä mahdollistaa edullisen yksipuolisen levyn käytön. (Kuvan lähde: Low Price Mart)

Piirilevyn tarkkaa moniajoa

Vaikka puhummekin niistä usein arkisesti, nykypäivän piirilevyt ovat teknisesti korkeatasoisia tarkkuuskomponentteja. Niiden odotetaan tekevän paljon, paljon enemmän kuin vain toimivan komponenttialustana ja yhdistävänä alustana. Niiden tehtäviin kuuluu:

1. Ne käyttävät näkyville jääviä kerroksia virralle ja maadoitukselle jos kyseessä on tavallinen kaksikerroksinen piirilevy.
2. Monikerroslevyissä, kuten tavallisissa nelikerroslevyissä, yksi sisempi kerros hoitaa virranjakelun yhdelle tai useammalle jännitetasolle ja toinen sisäkerros hoitaa maadoitustehtävät; sähköä johtavat läpiviennit yhdistävät nämä kerrokset tarpeen mukaan.
3. Kuuman komponentin ympärillä tai läheisyydessä toimii jäähdytyselementtinä tai termisenä johtimena, joka ohjaa lämmön pois erilliseen jäähdytyslevyyn.
4. Piirilevyn kupari voidaan konfiguroida toimimaan RF-siirtolinjana, suodattimena, erottimena tai kiertoelimenä käyttäen liuskajohto- tai mikroliuskajohtotopologioita.
5. Piirilevy voidaan suunnitella myös toimimaan antennina, useammin monikaista-antennina kuin yksikaistaisena antennina.
6. Sopivilla kuparimalleilla voidaan muodostaa myös RF-passiivilaitteita (kondensaattoreita ja induktoreita).
7. Tarkasti mitatut johteet voivat toimia arvoltaan alhaisina vastuksina (muutamia milliohmeja) sähkövirran mittausta varten (jännitehäviö johteessa).
8. Kupari voi myös muodostaa suojarenkaan operaatiovahvistimien herkkien ja tasoltaan alhaisten anturien analogitulojen ympärille.
9. Piirilevyn kupari voi toimia EMC-suojana ja ehkäistä RF-häiriöitä vaikuttamasta piireihin ja se voi auttaa levyn emissioiden vaimennuksessa.
10. Piirilevy voi toimia naarasliittimenä johtosarjan sekä jäykkien että joustavien johtimien terminoinnissa.

Jos tämä ei ole tarpeeksi, piirilevyjen roolilistaan on lisätty uusi rooli: toimia vastaparina IDC-kuitunauhakaapelille, valmistaja Würth Elektronik. Tavallisen IDC-vastinkappaleen sijasta, missä yksi on uros nastakontakteilla (tapit) ja toinen naaras kannoilla, Würthin menetelmässä piirilevyä käytetään IDC-uroksen vastinkappaleena.

Huomaa, että tämä ei ole ensimmäinen kerta kun johdot on kytketty suoraan levyyn. Useiden vuosien ajan yksittäiset jäykät tai joustavat nastat on työnnetty piirilevyn pinnoitettuihin reikiin. Näitä ei kuitenkaan voida poistaa vaurioittamatta nastaa ja levyä, joten voitiin työntää paikoilleen vain kerran. Sitä vastoin Würthin REDFIT IDC SKEDD -liitinperhe voidaan yhdistää ja irrottaa jopa kymmeniä kertoja käyttäen erityistä piirilevyreiän mitoitusta ja pinnoitusta, ja jopa 25 kertaa löysemmillä toleransseilla.

Kuva 3: Würthin REDFIT IDC SKEDD -liitinperhe eliminoi IDC-naarasliittimen tarpeen liitännän muodostamiseksi IDC-urosliittimen (tappi) ja litteän kaapelin kanssa. Tämä säästää aikaa, yksinkertaistaa BOM-osalistaa ja vähentää johdosta-liittimeen siirtymiä ja mahdollisia ongelmalähteitä. (Kuvan lähde: Würth Elektronik)

Mitä seuraavaksi vaatimattomalle ja aliarvostetulle piirilevylle? Näyttää siltä, että yleisesti käytetty FR-4-epoksi-lasi-substraatti ei jatka yhtä dominoivana kuin se tällä hetkellä on. Sen sisäiset ominaisuudet eivät täytä multi-gigahertsi (GHz) -suunnitelmien korkeampia vaatimuksia, joissa hienovaraiset sähköiset ja materiaalitekijät kuten dielektrinen vakio (e_r), häviötekijä (tδ), kosteuden absorbointi ja muut tekijät ovat kriittisiä. Paitsi että näiden numeroiden on vastattava GHz-suunnitelmien vaatimuksia, niillä on oltava hyvin alhaiset lämpötilakertoimet (tempco), mitä FR-4-materiaalilla ei ole. Jopa mekaanisilla ja dimensionaalisilla tempco-kertoimilla on merkitystä koska näillä taajuuksilla pienetkin muutokset vaikuttavat sähköiseen suorituskykyyn.

Seuraavan kerran kun joku jättää piirilevyn huomiotta “vähäpätöisenä”, älä omaksu tätä asennetta ja harhaluuloa. Projektin menestyminen riippuu yhtä paljon piirilevystä kuin mistä tahansa muusta komponentista. Levyn toimintojen maksimointi, minikerroslevyn valmistaminen äärimmäisten vaatimusten mukaisesti, komponenttien lataaminen ja sen kunnollinen juottaminen vaikuttavat suoraan sen perussuorituskykyyn, hylkäys/romutussuhteeseen sekä luotettavuuteen kentällä.

Referenssit:

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