PCB

Działalnością w sferze projektowania PCB w naszym kole zajumją się:

Krzysztof Sielewicz (k.sielewicz@stud.elka.pw.edu.pl)
Tomasz Janicki (tomasz.janicki.tj@gmail.com)
Możesz i Ty :)

Jeśli jesteś zainteresowana/y naszymi projektami lub współpracą kliknij tu. Jeśli interesują Ciebie informacje szczegółowe (linki zewnętrzne) kliknik na kącik linków. Czytaj dalej jeśli chcesz się zapoznać z tematyką PCB.

Wstęp

PCB (ang. Printed Circuit Board) - Obwód Drukowany. Przykładem PCB jest płyta główna Twojego komputera lub karta grafiki. PCB składa się z:

Podłoża (laminatu) na którym wytwarza się połączenia elektryczne. Połączenia wytwarza się poprzez naniesienie (jeśli jej nie ma) lub wytrawienie (jeśli już jest) warstwy przewodzącej (np. miedzi, złota lub srebra) - wytwarza się tzw. mozaikę (lub w żargonie inżynierkism "ścieżki" i "kontury").
Pól lutowniczych dla elementów montowanych na warstwach zewnętrznych płyty takich jak: złącza, rezystory, cewki, kondensatory (czyli dla tzw. elementów pasywnych) oraz tranzystorów i innych wszelakich układów scalonych (czyli dla tzw. elementów aktywnych),
Otworów, spełniających zadania jako: mocowania, przelotki, pozycjonowanie (złączy i dużych układów scalonych).
Opcjonalnie wytwarza się wew. PCB (między warstwami laminatu) tzw. wbudowane elementy.
Opcjonalnie PCB pokrywa się maską lutowniczą (solder mask), która chroni zew. warstwy przewodnika przed wpływami środowiska (przed zanieczyszczeniami, utlenianianiem, zwilżaniem), izoluje elektrycznie (ale nie ekranuje), oraz poprawia jakosć procesu lutowania tak, by cyna nie rozplywala sie wzdluz scieżek a pozsotawala tylko na padach - stad w zasadzie nazwa tej warstwy.

Podłoże

Podłoże może składać się z wielu warstw (tak jak na tym rysunku) i materiałów o różnych parametrach elektrycznych i mechanicznych takich jak: względna przenikalność elektryczna, względna przenikalność magnetyczna, grubość, sztywność, odporność termiczna, oraz rozszerzalność temperaturowa - wplywa ona m.in. na niezawodność urządzeń profesjonalnych. Wiecej parametrów można odczytać z not katalogowych laminatów - takich jak ta.

Materiały dzieli się typowo na prepregi oraz rdzenie. Rdzeń jest materiałem, który z obu stron pokryty jest warstwą przewodzącą. Prepreg jest materiałem wkładanym między rdzenie lub innymi słowy między warstwy przewodzące. Prepreg służy jako wypełniacz, usztywniacz oraz ostatecznie jako materiał wiążący rdzenie ze sobą. Ponadto między warstwy aplikuje się (czasem) kleje lub żywice. Dodatkowo w wielu dostępnych obecnie technologiach możliwe jest wytworzenie warstwy przewodzącej na powierzchni prepregu. Warstwy laminatu poddaje się precyzyjnemu pozycjonowaniu, obórbce termicznej oraz prasowaniu, tworząc jedną litą całość.

Warstwy przewodzące oraz otwory

Efektem finalnym projektu w narzędziu typu CAD (takim jak Altium) jest wytworzenie plików produkcyjnych (Gerber'ów, opis otworów oraz rozmieszczenie komponentów), które opsiują mozaikę dla każdej z warstw przewodzących laminatu, rozmieszczenie i średnice otowrów oraz rozmieszczenie komponentów. Jeżeli spojrzymy na przykładową mozaikę, zuważymy interpretację graficzną dla pewnej warstwy. Intencją projektanta może być wytworzenie/zostawienie wartwy przewodzącej w miejscu gdzie na projekcie:

występuje kolor - jest to tzw. technika pozytywowa,
koloru brak - jest to tzw. technika negatywowa.

Obie techniki są przydatne podczas projektowania i w dobrym narzędziu CAD definuje się technikę dla każdej z warstw. Występowanie obu technik w obecnym czasie jest tylko dla wygody projektanta. Dawniej isniały technologie wytwarzania, przy których projektant był zmuszony do korzystania z jednej z nich. Dziś wybrana technika nie ma wpływu na wytworzenie PCB i typowo korzysta się z pozytywowej dla tworzenia "ścieżek" i "konturów", a z negatywowej dla tworzenia "płaszczyzn" zasilania.

Wytwarzana mozaika, jak i również otwory i przelotki, muszą spełniać wymogi producenta PCB, a ściślej wymogi dla technologii wykonywania jaką zadany producent posiada. Są to ograniczenia dla projektanta, które musi bezwzględnie spełnić aby jego projekt mógł zostać poprawnie wyprodukowany. Najważniejszymi paramterami każdej technoligii są: minimalna średnica otoworu, minimalna średnica padu na około otworu, minimalna odległość między otoworami, minimalna szerokość "ścieżki", minimalny odstęp między "ścieżkami", minimalne ekspansja maski lutowniczej. Poza tymi podstawowymi może istnieć wiele innych. Tutaj można przeczytać więcej o wymaganiach dla jednej z oferowanych technoligii w Polsce.

Wytwarzanie

(Film, prezentacja1, prezentacja2). Wytworzone pliki produkcyjne wysyła się do producenta. Tam inżynierzy CAM sprawdzają czy wysłany projket jest możliwy do wykonania w oferowanym przez zadanego producenta procesie technologcznym. Jeśli projekt nie spełnia zadanych reguł projekt jest wstrzymywany, a projektant jest informowany o problemach. Zdolni inżynierzy CAM są w stanie zazwyczaj poprawić projekt - muszą jednak znać intencje projektanta, stąd poprawnie opisany projekt zazwyczaj ułatiwa wszystkim prace.

Pliki produkcyjne zawierają informację o otoworach i mozaice na każdej z warstw. Z tych informacji wytwarza się pliki sterujące maszynami procesu technologicznego. Typowy process wytwarzania pojedynczej warstwy PCB w uproszczeniu może wyglądać następująco (istnieje wiele innych metod):

W pierwszym etapie inżynier CAM ustawia (pozycjonuje, obraca) nasz projekt tak by optymalnie wykorzystać powierzchnie laminatu, który u producenta nie jest jeszcze pocięty na małe płytki. Zachodzi tzw. panelizacja, która jest szczególnie ważna przy wielkoseryjnych produckajach, gdyż znacząco wpływa na koszta. Projektant może uwzględnić wymagane wymiary podczas projektowania tak, aby optymalnie dawało się wykorzystać powierchnie laminatu przy panelizacji.
Kolejnym etapem (już po oczyszczaniu materiałów i po naniesieniu warstw przewodnika) jest wywiercenie otworów. Otwory są wiercone wiertłami, a nawet wypalane laserem. Materiały z wykonanymi odwiertami poddaje się processom chemicznym, które pozwąlą na metalizację otworów (w przypadku gdy otwór ma przewodzić prąd).
Następnie płytki pokrywa się emulsją światłoczułą, która jeśli poddana naświetleniu zmienia swoje chemiczno-fizyczne właściwości. W zależności od użytej emulsji może ona stwardnieć i stać się trudno wytrawialna przez kwasy lub zupełnie odwrotnie.
Na bazie Gerberów określjących mozaikę wytwarza się tzw. "kliszę" lub inaczej maskę. Kliszę centruję się względem specjalnie dodanych znaków po czym płytkę naświetla się. Klisza staje się swoistą maską dla świała, które pada na odpowiedni typ emulsji i typowo utwardza ją w miescju wsytępowania ścieżek elektryczych.
Naświetloną płytkę "wywołuję" się poprzez kąpięl w odopowiednuch odczynnikach (np. kwasach). W miescju gdzie emulsja została utwardzona trawienie przewodnika nie zachodzi i powstaje (a w zasadzie zostaje) ścieżka.
Wytworzone warstwy centruję się względem siebie i prasuje, tworząc litą całość.

Obecnie na rynku oferowana techonologia daje możliwości rodem z projektowania układów scalonych. Jeśli jesteś zainteresowana/y poznaniem zagadnien z technologii PCB zajrzyj do kącika linków. Jeśli jesteś zinateresowana/y listą znanych nam producentów PCB zajrzyj tu.

Ostanim etapem produkcji samego PBC są testy elektryczne. Jest to zazwyczaj opcjonalna usługa (płatna). Testy wykonywnae są testerami igłowymi: ruchomymi lub specjalnie przygotowanymi do prudukcji wielkoseryjnych. Test polega na szukaniu zwarć i rozwarć w obowdzie drukownym poprzez pomiar wykonywnay przez podłączanie igieł do odkrytych pól lutowniczych. Dostarczana producentowi jest lista połączeń na płycie. Połączenia mogą być też wygenerowane/odgadnięte z plików produkcyjnych. Zwarcia szukane są również pomiędzy losowo wybranymi połączeniami, które zwarć powinny nie mieć. W skomplikowanych projektach nie sposób w sensownym czasie sprawdzić połączeń każdego z każdym, tzn. pomimo testów elektrycznych istnieje prawdopodobieństwo nie wykrycia błędu.

Montaż

Montaż sam w sobie nie jest etapem produkcji PCB, ale jest przedostatnim etapem produkcji projektu - ostatnim jest uruchamianie (tudzież testy funkcjonalne). Montaż polega na ułożeniu elementów na płycie oraz ich przylutowaniu (lub zamocowaniu jeśli nie jest to element, który należy przylutować). Układanie lub lutowanie elementów może przebigać:

Ręcznie - jak jest w przypadku elementów kłopotliwych takich jak złącza lub elementy niedostosowane do "pick & place".
Automatycznie dla elementów powierzchniowych SMD/SMT - elementy nakładane są na pola lutownicze przez maszyny wyposażone w przyssawki do łapania elementów. Elementy umieszczane są na pola lutownicze, na które wcześniej naniesiono pastę lutowniczą poprzez dyspensery lub poprzez przeciśniecie pasty przez wcześniej przygotowany szablon. Następnie płyty z ustawionymi już elementami są umieszczane na linii przechodzącej przez piec, gdzie przechodzą przez specjalnie dobrany profil temperaturowy (ciekawy efekt podgrzewania, oraz inny efekt podgrzewania, oraz ten sam efekt).
Automatycznie dla elementów przewlekanych (THT) - elementy przewlekane są układane ręcznie w otwory na płycie. Następnie elementy poddaje się lutowaniu na fali (gorąca fala cyny dotyka nożek elementów przewleknaych) lub zanurza się je w gorącej cynie.

Jeśli jesteś zainteresowana/y listą firm realizujących montaż PCB, to zerknij tu.

Jeśli prezentowane informacje to zbyt mało, wówczas zachęcamy do przeglądniecia następujących zewnętrznych stron z ogólnymi informacjami:

Nasza działalność

Obecnie w kole naukowym w ramach specjalności związanej z PCB tworzone są projekty płytek FMC, komputerów przemysłowych (na których uruchamiamy systemy wbudowane) oraz płytki zawierające czujniki z interfejsami RF (takim jak Bluetooth czy WIFI).

Nasze projekty skupiają się głównie na wykorzystaniu zaawansowanych układów cyfrowych takich jak mikro-procesory (uP), procesory sygnałowe, układy programowalnej logiki (FPGA, CPLD). Projektujemy złożone systemy elektroniczne, szybkie analogowe front-endy, komputery przemysłowe, karty typu add-on: PCIe, FMC, PCI, VME, uTCA, urządzenia wyposażone w interfesjy RF (BT, WIFI, Zigbee), kamery przemysłowe i astronomiczne, a nawet studneckie projekty typu low-cost ;).

Jeśli jesteś osobą ciekawską i chcesz zobaczyć jak to wszystko działa lub też chcesz się wdrożyć w tematy PCB, ale nie bardzo wiesz jak i gdzie zacząć, to zachęcamy do odwiedzenia nas na 6 piętrze - pokój 603B. Możesz też napisać e-mail do wymienionych osób. Możesz też zapisać się na nasz "tutorial" dot. projektowania PCB na przykładzie projektowania w Altiumie.

Osoby posidające już umijętności zapraszamy do dołączenia do koła w celu realizacji bardziej zaawansowanych projektów, które przy odrobinie wysiłku mogą stać się nie tylko dobrą zabawą, ale również waszą pracą dyplomową!

Montaż PCB

Produkcja PCB

Kącik linków

Technologia HDI

HDI e-book

Google Plus One

PCB