Trükkplaat

Allikas: Vikipeedia
Osa 1983. aasta Sinclair ZX Spectrum emaplaadist.

Trükkplaat on elektroonikas kasutatav montaažiplaat, millele on võimalik paigaldada elektroonikakomponendid ja need elektriliselt ühendada. Tihti kasutatakse ka ingliskeelseid lühendeid PCB (printed circuit board) või PWB (printed wiring board).

Tänapäeval valmistatakse trükkplaadi alus kokkuliimitud klaasfiibrilehtedest, harvem kasutatakse tekstoliiti ja getinaksi. Alusele on peale kantud õhuke vasekiht (foolium).

Trükkplaadi paksus ja kuju sõltub selle kasutusalast. Trükkplaate võib olla ühe- ja kahepoolseid, ühe- ja mitmekihilisi. Näiteks on tavaline, et trükkplaat on loodud neljakihilisena (kaks kahepoolset trükkplaati kokku liimitud ja keskelt vajalikud väljaviigud ühendatud).

Ajalugu[muuda | redigeeri lähteteksti]

1948. aasta Motorola VT-71 7" teleri elektroonika.

Tänapäevased trükkplaaditootmise meetodid arendati välja 20. sajandi alguses. 1903. aastal kirjeldas saksa leiutaja Albert Hanson meetodit, kuidas elektroonikakomponentide vahel luua ühendusi, kasutades selleks dielektrikust plaati, millel on õhuke kiht juhtivat materjali.

Austria insener Paul Eisler leiutas 1936. aastal meetodi, mille abil kiirelt trükkplaate valmistada. 1943. aastal hakkas USA kasutama seda sama meetodit, et toota Teises maailmasõjas rakettidele suures mahus elektroonikat, mis annaks detonaatorile teada, kui sihtmärk on piisavalt lähedal [1]. 1948. aastal hakkas USA kasutama sama tehnoloogiat ka kommertstoodetes, kuid trükkplaatide laiemalt kasutusele võtmine sai alguse alles 1950ndate keskpaigas.

Enne trükkplaatide leiutamist ning tükk aega pärast seda oli kasutusel ka point-to-point (punktist punkti) kooste kasutamine. Prototüüpide valmistamisel ning väikesemahuliste tootmisliinidel kasutati ka wire wrapp või turret-plaadi meetodit.

Algusaastatel olid kõikidel elektroonikakomponentidel ühendamiseks kaks või rohkem väljaviiku ehk jalga ja selleks, et neid trükkplaadile asetada, tuli plaati puurida iga viigu jaoks auk. Komponentide jalad lükati august läbi ning joodeti tinaga kinni. Viimane lõi ühtlasi ka ühenduse augu juures oleva signaalirajaga. Selliseid komponente kutsutakse läbilaotuvateks komponentideks.

Alates 1980ndatest hakati kasutama pindmontaaži tehnoloogiat, mis tähendas, et komponentidel ei olnud enam jalgu, mis pidi minema läbi trükkplaadis olevate aukude. Komponendid joodeti otse plaadi pinnale. Tänu sellele tehnoloogiale muutusid trükkplaadid oluliselt väiksemateks ja tootmiskulud vähenesid.

Tootmine[muuda | redigeeri lähteteksti]

Materjalid[muuda | redigeeri lähteteksti]

Trükkplaadi disain arvutis (vasakul)ja disaini realiseeritud komponentidega plaat (paremal). Trükkplaat on kahepoolne, kasutatud on nii läbiaukmontaaž- kui ka pindmontaažkomponente ning plaat on kaetud rohelise jootemaskiga.
Arvutihiire trükkplaat. Komponentide külg (vasakul) ja trükitud külg (paremal).

Trükkplaadi juhtivad kihid on tavaliselt tehtud vaskfooliumist. Trükkplaadid on tüüpiliselt kaetud jootemaskiga. Jootemaski eesmärgiks on kaitsta trükkplaati jootmise eest nendes kohtades, kus seda ei soovita. Jootemaske on võimalik tavaliselt saada rohelise-, sinise-, musta-, valge- ja punasevärvilisi. Isoleerivad dielektrikutest kihid on tavaliselt lamineeritud kokku epoksüvaiguga töödeldud vahematerjalidega. Trükkplaadi isoleerivat kihti valmistatakse üsna erinevatest dielektrikutest (vastavalt sellele, millised isolatsiooni kriteeriumid plaadile kehtivad). Mõned neist on:

Trükkplaaditööstuses laialdaselt kasutatavad epoksüvaiguga töödeldud vahematerjalid dielektrikute kokku liimimiseks on:

  • FR-2;
  • FR-3 (paber ja epoksüvaik);
  • FR-4 (klaaskiud ja epoksüvaik);
  • FR-5 (klaaskiud ja epoksüvaik);
  • FR-6 (mattklaas ja polüester);
  • G-10 (klaaskiud ja epoksüvaik);
  • CEM-1 (paber ja epoksüvaik);
  • CEM-2 (paber ja epoksüvaik);
  • CEM-3 (klaaskiud ja epoksüvaik);
  • CEM-4 (klaaskiud ja epoksüvaik);
  • CEM-5 (klaaskiud ja polüester).

Soojuspaisumine on trükkplaatide juures väga oluline aspekt. Seetõttu kasutataksegi laialdaselt klaaskiudmaterjale, sest kuumenemisel on nende ruumala võrdlemisi stabiilne.

Söövitamine[muuda | redigeeri lähteteksti]

Enamik tänapäeval toodetavatest trükkplaatidest valmistatakse ostetud trükkplaadi toorikutest, sest neile on vask juba mõlemale poolele kantud. Seejärel eemaldatakse erinevaid tehnoloogiaid kasutades plaadilt liigne vask nii, et alles jääksid ainult soovitud signaalirajad.

Trükkplaatide tootmismeetodid sõltuvad peamiselt tootmismahust.

Masstootmine[muuda | redigeeri lähteteksti]

  • Siiditrükk on põhiline meetod, mida kasutatakse tööstuses.
  • Fotoilmutuse meetodit kasutatakse, kui elektriskeemis on väga peenikesed signaalirajad, mida siiditükiga ei ole võimalik saavutada.

Väikesemahuline tootmine[muuda | redigeeri lähteteksti]

Freesitud trükkplaat.

Vase eemaldamismeetod[muuda | redigeeri lähteteksti]

Vase eemaldamismeetod seisneb selles, et eemaldatakse eelnevalt täielikult vasega kaetud trükkplaadilt ebavajalik vask:

  1. Siiditrükiga trükitakse plaadile söövituskindel tint, mis kaitseb vaske soovitud kohtades. Sellele järgnev söövitamine eemaldab ebavajaliku vase.
  2. Fotoilmutuse meetod - Prinditakse läbipaistvale kilele soovitud skeemi rajad ning kasutatakse seda šabloonina fotomaskiga trükkplaadi toorikul UV-lambi all, et blokeerida vastavates kohtades UV-kiirgust. Fotomask on kiht, mis kaitseb selle all olevat vaske söövitamise eest. Kui fotomaski kiiritada UV-kiirgusega, kaotab ta oma kaitsva toime. Seejärel eemaldatakse kile. Söövitamisel kaitseb vaske fotomaski see osa, mis ei saanud UV-kiirgust. Ülejäänud vask söövitatakse. Pärast söövitamist puhastatakse ka allesjäänud rajad fotomaski kihist, mis kaitses neid söövitamise ajal.
  3. CNC freesimine - Trükkplaat pannakse arvuti juhitud (CNC) kahe või kolme teljega freespingi alla ning pisikese freesiga eemaldatakse ebavajalik vask, jättes alles ainult soovitud rajad.

Vase kasvatamismeetod[muuda | redigeeri lähteteksti]

Vase kasvatamismeetod seisneb põhimõtteliselt sellel, et vastupidiselt eemaldamismeetodile on trükkplaat algselt vasest täiesti tühi ning protsessi käigus hakatakse vaske soovitud kohtadesse ladestama ja kasvatama.

Algselt on trükkplaat kaetud fototundliku maskiga, mis ilmutatakse nii, et sinna, kuhu lõpuks vaske soovitakse, kiiratakse valgust ja vastupidi. Pärast seda kastetakse plaat lahusesse, mis tavaliselt sisaldab pallaadiumi ja muid sarnaseid aineid, mis aitavad siduda metallioone. Seejärel kantakse plaadile vask ja eemaldatakse ilmutamisel kasutatud vask, pärast mida ongi trükkplaat valmis.

Kõige levinum on aga "pooleldi kasvatav" meetod, kus enne protsessi algust on trükkplaadil juba õhuke vase kiht peal. Sarnaselt eelmise meetodiga kaetakse plaat nii, et kinni on kaetud kõik peale nende alade, kuhu lõpuks tulevad rajad ehk vask. Siis ladestatakse plaadile veel vaske, mis seob ennast plaadil juba oleva õhukese vasekihiga. Seejärel lisatakse plaadil olevatele jooteväljadele tina. Nüüd eemaldatakse plaati kattev mask ning plaat pannakse senikauaks söövitavasse lahusesse, kuni plaadilt on kadunud algselt olnud õhuke vase kiht nendest kohtadest, kuhu vaske juurde ei ladestatud.

Vase kasvatamismeetodit kastutatakse tavaliselt mitmekihiliste trükkplaatide valmistamisel.

Keemiline söövitamine[muuda | redigeeri lähteteksti]

Keemilisel söövitamisel kasutatakse tavaliselt (NH4)2S2O8 (ammooniumpersulfaat) või FeCl3 (raud(III)kloriid). Pärast aukude puurimist ladestatakse augu seintele elektrolüüsi käigus vase kiht, mis kaetakse tinaga.

Kõige levinum keemilise söövitamise meetod on plaadi lahusesse kastmine. Võrreldes masstoodangu meetoditega on söövitamine aeganõudev protsess. Et kiirendada söövitamisprotsessi, võib lahust soojendada ja segada.[2]

Söövitamisprotsessi käigus toimeaine kontsentratsioon väheneb, mistõttu protsessi efektiivsus väheneb aja möödudes.

Läbiaugumontaaž[muuda | redigeeri lähteteksti]

Läbiaukmontaaž (jalgadega) takistid
Komponentide ja radade pool

Esimesed trükkplaadid kasutasid läbiaukmontaažtehnoloogiat. Komponendid laotati plaadile nii, et nende jalad läksid läbi plaadis olevate aukude ning joodeti siis teisel pool plaati vasest raja ja plaadi külge kinni. Sellised plaadid võisid olla kas ühepoolsed, kus komponendid olid plaadi ühel pool ning rajad teisel pool, või kahepoolsed, mis olid kompaktsemad ning nii komponendid kui ka rajad olid plaadi mõlemal pool. Kahe jalaga komponentide (nt. takisti) paigaldamine käib nii, et painutatakse jalad 90 kraadi samale poole, pistetakse plaadis olevatest aukudest läbi ning painutatakse mõlemad jalad 90 kraadi vastas suunas, et suurendada mehaanilist tugevust. Seejärel joodetakse jalad plaadi külge kinni ning lõigatakse pikaks jäänud jalad lühikeseks. Jootmine käib kas käsitsi või automatiseeritult masinas. [3]

Läbiaukmontaaž asendas peaaegu täielikult varem kasutuses olnud elektroonika tehnoloogiad nagu näiteks šassiimontaaži (point-to-point). Alates 1950ndatest kuni 1980ndateni, mil kogus populaarsust pindmontaaž, olid kõik komponendid tavalises elektroonikas läbiaukmontaaži komponendid.

Läbiaukmontaaži kasutamine on kallis, sest see eeldab mitmete aukude täpselt puurimist. Augud omakorda piiravad (mitmekihilistel plaatidel kõikidel kihtidel) ala, mida saaks kasutada radade vedamiseks, sest auk läbib ning ühendab kõiki kihte. Kui hakati kasutama pindmontaažtehnoloogiat, üritati võimalikult palju komponente plaadil asendada pindmontaažkomponentidega, jättes läbiaukmontaažkomponentideks ainult sellised, millel olid mehaanilised või elektrilised piirangud.

Pindmontaaž[muuda | redigeeri lähteteksti]

Pindmontaaži komponendid: takistid, transistorid ja integraalskeem

Pindmontaaži jaoks arendati tavaliste läbiaugukomponentide asemele pindjoodetavate kontaktidega komponendid. Need uued pindjoodetavad komponendid olid odavamad ja ligi kümme korda väiksemad kui vanad läbiaugukomponendid. Kuigi mõned jalgadega passiivkomponendid on odavamad kui sama eesmärgiga pindjoodetavad komponendid nende pooljuhtmaterjali tõttu. Tänu selle sai võimalikuks luua mõõtmetelt oluliselt väiksemaid trükkplaate tihedama radade võrgustikuga. Pindmontaaž võimaldab kõrget automatiseerimistaset, vähendades tööjõu kulu ja suurendades tootlikkust.

Vaata ka[muuda | redigeeri lähteteksti]


Viited[muuda | redigeeri lähteteksti]

  1. Charles A. Harper, Electronic materials and processes handbook, Mc Graw-Hill,2003 ISBN 0-07-140214-4, pages 7.3 and 7.4
  2. R. S. Khandpur,Printed circuit boards: design, fabrication, assembly and testing, Tata-McGraw Hill, 2005 ISBN 0-07-058814-7, pages 373-378
  3. Electronic Packaging:Solder Mounting Technlogies in K.H. Buschow et al (ed), Encyclopedia of Materials:Science and Technology, Elsevier, 2001 ISBN 0-08-043152-6, pages 2708-2709