PCB doska

Płyta drukowanych obwodów (skr. PDO, ang. printed circuit board, skr. PCB; inne nazwy patrz poniżej) to płyta złożona z nieprzewodzącego podłoża, na którym na podstawie schematu połączeń konkretnego obwodu są tworzone przewodzące połączenia, którymi są połączone poszczególne elementy elektroniczne. Służy jako nośny i konstrukcyjny element elektronicznych obwodów złożonych z wielu oddzielnych elementów elektronicznych.

Nazwy

Całkowicie występują te nazwy:

• z wyrażeniem „obwód drukowany” w nazwie: płyta drukowanych obwodów, płyta drukowanego obwodu, płyta z drukowanymi obwodami, platna drukowanych obwodów, platna drukowanego obwodu, platna z drukowanymi obwodami
• z wyrażeniem „obwód tkaninowy” w nazwie: płyta tkanionych obwodów płyta tkanionego obwodu, płyta z tkanionymi obwodami
• z wyrażeniem „obwód tkaniony” w nazwie: płyta tkanionych obwodów, płyta tkanionego obwodu, płyta z tkanionymi obwodami, platna z tkanionymi obwodami
• z wyrażeniem „obwód tkaniony i drukowany” w nazwie: płyta tkanionych i drukowanych obwodów, płyta tkanionego i drukowanego obwodu, płyta z tkanionymi i drukowanymi obwodami

Najczęściej, wydaje się, występują nazwy płyta drukowanych obwodów i płyta z drukowanymi obwodami.

Rodzaje

PDO według liczby warstw dzielimy na jednowarstwowe, dwuwarstwowe (dwustronne) i wielowarstwowe. Jednowarstwowe PDO są najprostsze, ponieważ nie wymagają przewodzących połączeń między poszczególnymi warstwami. Dwuwarstwowe PDO zawierają połączenia po obu stronach nośnego materiału, połączenia między nimi są tworzone przez przewiercone otwory (tzw. via). Wielowarstwowe PDO zawierają przewodzące warstwy również wewnątrz materiału i są produkowane przez łączenie wielu jedno- i dwuwarstwowych PDO z izolacyjnymi warstwami pośrednimi. Chociaż są technologicznie bardziej wymagające, wielowarstwowe PDO pozwalają na prostszy projekt złożonych układów elektronicznych i lepsze właściwości obwodów (np. redukcję zakłóceń).

Historia rozwoju PDO

Wykonawcą płyty drukowanych obwodów był austriacki inżynier Paul Eisler, który ją stworzył jako część odbiornika radiowego podczas pracy w Anglii. Wokół roku 1943 w USA zaczęto tę technologię stosować w dużym zakresie do produkcji odpornych radioramów używanych w II wojnie światowej. Po wojnie, w roku 1948, w USA ogłoszono wynalazek PDO w celach komercyjnych. Płyty drukowanych obwodów nie stały się jednak oczywistością w zakresie elektroniki użytkowej aż do lat 50. XX wieku, kiedy to armia Stanów Zjednoczonych opracowała proces ich automatycznej montażu. Wynalazkowi PDO poprzedzała technika podobnego charakteru, którą wynalazł brytyjski inżynier elektryczny John Adolph Sargrove (oryginalnym nazwiskiem Szabadi). Chodziło o metal nastrzyczony na izolacyjną płytkę z bakelitu. Urządzeniem wykorzystującym technologię Sargrova, pierwotnie nazwanym Electronic Circuit Making Equipment – ECME (w tłumaczeniu urządzenie do produkcji obwodów elektronicznych), można było wyprodukować 3 radioramy na minutę.

Konstrukcja

Przewodzące warstwy PDO są standardowo produkowane z cienkiej folii miedzianej (grubość kilku dziesiątek μm). Izolacyjne warstwy są kombinacją laminatu i żywicy epoksydowej (zwykle 1,5 mm). Płyty drukowanych obwodów są produkowane w trzech standardowych kolorach, a mianowicie zielony, niebieski i czerwony. W zależności od wymagań elektronicznego obwodu można wybrać z kilku dielektrycznych materiałów o różnych izolacyjnych właściwościach. Przykładem takich materiałów są: politetrafluoroetylen (teflon), papier bawełniany z fenolem FR-2, papier bawełniany z epoksydem FR-3, tkanina z włókien szklanych z epoksydem FR-5 i szklanopoliester FR-6. Najważniejszą właściwością PDO jest rozszerzalność cieplna, która określa ich wymienną stabilność. Najmniejszą rozszerzalność cieplną i tym samym najlepsze właściwości mają PDO produkowane na bazie włókien szklanych.

Obecnie PDO zawierają również proste urządzenia elektroniczne. W przypadku obecnej masowej produkcji płytek drukowanych obwodów ich cena jest bardzo niska, a ich niezawodność jest bardzo zadowalająca. Sam projekt i produkcja PDO nie jest jednak tańsza sprawa, ale stosując odpowiednie technologie producent może osiągnąć niewielki koszt produkcji w porównaniu do kosztu użytych elektronicznych komponentów. PDO mają w porównaniu do konstrukcji z połączeniami przewodowymi lub konstrukcji punkt-punkt nieskończenie wiele zalet, mimo złożoności produkcji PDO. Głównym powodem użycia PDO jest również możliwość pełnej automatyzacji produkcji urządzeń elektronicznych. W celach kontroli jakości i montażu PDO zostały ustalone standardy ogłoszone przez organizację IPC.

Projekt motywu

Motyw przewodzących ścieżek jest zazwyczaj tworzony przez specjalistyczne komputerowe CAD programy, na podstawie rysunku elektrycznego obwodu narysowanego zazwyczaj w tym samym programie. Motyw jest następnie przenoszony na przezroczystą folię, która służy jako wzór do produkcji PDO.

Przetwarzanie

Podczas produkcji dwustronnej PDO płyta jest najpierw wydrążana na maszynie frezującej sterowanej numerycznie (CNC) na podstawie zaprojektowanego motywu, następnie na wydrążone otwory nanoszona jest cienka warstwa metali chemicznymi metodami, które są następnie elektrochemicznie grubione.

Sposób produkcji przewodzących połączeń na płycie drukowanych obwodów zależy głównie od tego, czy chodzi o ich masową produkcję, czy mają być używane do konstrukcji jednego urządzenia, np. prototypu lub amatorskiego produktu.

Pierwotnie możemy podzielić technologie produkcji na dwie podstawowe. Pierwszą jest nadawanie (drukowanie) przewodzących połączeń na izolacyjną warstwę. Drugą metodą jest usunięcie części ciągłej warstwy cienkiej folii miedzianej nałożonej na izolacyjnym podłożu. W dzisiejszych czasach częściej wykorzystywana jest druga z wymienionych metod. Motyw ścieżek jest przenoszony na PDO fotolitograficzną metodą: PDO jest pokryta fotorezystem, jest ekspozycja światłem UV przez folię z motywem, przy czym oczywiście dba się o pokrycie z wydrążonymi otworami i o pokrycie obu stron, fotorezyst jest rozwinięty i następnie odkryte fragmenty folii miedzianej są odlewanie. Po usunięciu resztek fotorezisty przewodzące powierzchnie miedziane są pokryte (cyną lub złotem), aby zapobiec utlenieniu miedzi, co by utrudniło lub uniemożliwiło późniejszy montaż (lutowanie) komponentów. Następnie nanosi się i formuje tzw. maskę niepłukową, która pokrywa miejsca, które nie będą lutowane i zapobiega dostępowi lutu do tych miejsc. Na końcu PDO może być drukowana sieciowo pomocnymi tekstami i rysunkami, które pomagają przy montażowaniu płyty i naprawianiu obwodu.

Drugą możliwością tworzenia maski jest druk sieciowy, który używa odpornych atramentów, aby chronić wymagane przewodzące połączenia przed odlewanie. Druk sieciowy można zastosować również przy metodzie nanoszenia przewodzących połączeń na elastyczne izolacyjne podłoże, co jest wykorzystywane głównie przy produkcji elastycznych PDO lub ruchomych przewodów.

Inną metodą jest frezowanie, którym usuwamy niepotrzebną część folii miedzianej nałożonej na izolacyjnym podłożu. W tym sposobie produkcji nie trzeba pokrywać płyty maską. Właściwym oprogramowaniem tworzymy obraz płyty drukowanej (maskę) i za pomocą urządzenia frezującego podobnego do plotera (CNC urządzenie) niepotrzebna miedź z płyty jest systematycznie frezowana.

Cechy szczególne

Elastyczne PDO nie mają jako nośną warstwę elastyczną, ale sztywną folię plastikową. Często są używane jako ruchomy przewód (np. do ruchomej głowicy drukującej drukarki komputerowej) lub w urządzeniach przestrzennie ograniczonych (gdzie można je kształtować nawet do małego objętości).

Dla urządzeń o wysokiej częstotliwości i fal mikrofalowych PDO są produkowane z materiałów o niższych stratach dielektrycznych na wysokich częstotliwościach, np. teflon lub syntetyczny korund (Al₂O₃).

W bardzo tanich urządzeniach elektroniki użytkowej podstawowym materiałem jest zazwyczaj laminat zawierający papier zamiast tkaniny szklanej, stosowany wyłącznie do jednostronnych PDO.