Vinkkejä piirilevyjen tuntemiseen

Kun tarkastelet sähköpiiriä, huomaat, että se koostuu useista eri komponenteista. Esimerkiksi kondensaattoreita käytetään pitämään sähkövarausta piirilevyssä ja vapauttamaan se tarvittaessa. Induktorit puolestaan varastoivat energiaa magneettikenttään. Lopuksi on diodit, jotka sallivat sähkövirran kulkea vain yhteen suuntaan ja estävät väärän virtauksen aiheuttamat vahingot.

Yleiset piirilevytyypit

Piirilevyjä on kahta yleistä tyyppiä: Piirilevyt ja leipälaudat. Piirilevyjä käytetään prototyyppitarkoituksiin, ja niiden avulla voit käyttää komponentteja uudelleen. Ne eivät kuitenkaan ole yhtä jäykkiä tai täydellisiä kuin leimalevyt. Kummankin tyypin valmistaminen voi viedä paljon aikaa ja niiden hankkiminen maksaa. Leipälaudat ovat hyvä tapa testata piirejäsi ennen kuin teet niistä kokonaisen piirilevyn.

Yleisin piirilevyjen valmistukseen käytetty materiaali on FR-4. Tällä materiaalilla on hyvät eristysominaisuudet ja se kestää valokaaria. FR-4:ää on saatavana eri laatuja, joilla on erilaiset sähköiset ominaisuudet. Tyypillisesti FR-4 on mitoitettu 130 celsiusasteen lämpötilaan. Toinen piirilevytyyppi tunnetaan nimellä alumiinisydänlevy, joka usein laminoidaan FR-4:ään. Tämäntyyppistä piirilevyä käytetään elektronisissa piireissä, jotka vaativat korkeaa jäähdytystasoa.

Yhteiset komponentit

Piirilevyn yleisimmät komponentit ovat vastukset, kondensaattorit ja transistorit. Nämä laitteet varastoivat ja välittävät sähkövarausta ja samalla luovuttavat sitä lämpönä. Niitä valmistetaan erilaisista materiaaleista, ja ne on värikoodattu vastusarvon mukaan. Transistorit puolestaan siirtävät sähköenergiaa, ja niitä käytetään piirilevyissä vahvistimina. Niitä on useita eri tyyppejä, kuten bipolaarisia ja radiaalisia tyyppejä.

Piirilevyjen valmistuksessa käytetään pääasiassa kuparia ja FR-4-materiaalia. Kuparipäällysteinen laminaatti on piirilevytyyppi, jossa on kuparia, jota ei ole syövytetty. FR-4-materiaali on nykyisin yleisimmin käytetty tyyppi. Kuparipäällysteiset laminaatit ovat uudempaa kehitystä. Epähomogeenisuudet ovat yhä tärkeämpiä piirilevyjen valmistuksessa. Nämä eroavaisuudet voivat johtaa vaihteluihin piirilevyn dielektrisyysvakioissa.

Yleiset käyttötarkoitukset

Piirilevyt ovat avainasemassa monien elektronisten laitteiden, kuten tietokonenäyttöjen, tallennuslaitteiden ja televisioiden, tuotannossa. Niitä on myös viihdejärjestelmien, kuten videopelien ja DVD-soittimien, sisällä. Samoin niitä käytetään kodinkoneissa, kuten kahvinkeittimissä, mikroaaltouuneissa ja herätyskelloissa. Näiden yleisten käyttötarkoitusten lisäksi piirilevyjä käytetään myös teollisuudessa, muun muassa koneissa, jotka vaativat suurta tehoa ja altistuvat kovalle käsittelylle ja ankarille kemikaaleille.

Piirilevyillä on monia etuja perinteisiin langallisiin piireihin verrattuna. Ne ovat kevyitä, helposti korjattavia ja kustannustehokas tapa luoda ja ylläpitää monimutkaisia järjestelmiä. Niiden monipuolisuus on johtanut merkittäviin edistysaskeliin elektroniikan alalla tietokoneista lääkinnällisiin laitteisiin. Nykyään jopa autot tukeutuvat piirilevyihin, jotta ne toimisivat moitteettomasti.

Yleiset materiaalit

Painetuissa piirilevyissä käytetään monia eri materiaaleja. Esimerkiksi FR4 on yleinen laminaatti. Tämän materiaalin lasittumislämpötila (GTT) on noin 135 celsiusastetta ja CTE noin 3,8-4,6. Muissa laminaateissa käytetään polyimidiä, joka on korkean lämpötilan materiaali, jolla on suuri sähköinen lujuus. Jotkin muut materiaalit on suunniteltu erityisesti suurtaajuus- ja mikroaaltosovelluksia varten.

Kupari on yleisin piirilevyissä käytetty johtava materiaali. Tätä materiaalia käytetään pohjakerroksessa, ja se levitetään piirilevyihin tarvittavan jäykkyyden aikaansaamiseksi. Vaihtoehtoisesti pohjakerroksen tekemiseen käytetään epoksia. Niiltä puuttuu kuitenkin lasikuidun kestävyys.

Yleiset prosessit

Piirilevyjen kokoonpanossa yleisiä prosesseja ovat juottaminen, syövytys ja pintakäsittely. Pintakäsittely suojaa piirilevyä korroosiolta ja auttaa juotosprosessissa. Yksi esimerkki pintakäsittelystä on kuumailmajuotoksen tasoitus, jossa levy päällystetään juoksevalla aineella ja kastetaan sulaan juotteeseen. Tämän jälkeen käytetään kuumaa ilmaa, jolla poistetaan ylimääräinen juote levyn rei'istä ja tasoitetaan juotospinta.

Kuparipinnoituksen ensimmäisessä vaiheessa paneeli asetetaan kuparipinnoituskylpyyn, joka sisältää kuparisulfaattia ja rikkihappoa. Tämän jälkeen paneeliin kerrostetaan ohut kuparikerros. Tämän jälkeen tämä kerros suojataan tinapinnoituskylvyllä. Kun kuparikerros on kovettunut, tinattu piirilevy poistetaan tinakylvystä, joka toimii syövytysesteenä.

Yleiset valmistusongelmat

Riittämätön kuparointi voi johtaa viallisiin piirilevyihin. Kuparointi on ratkaisevan tärkeää, jotta sähkövirta kulkee piirilevyn läpi. Riittämätön kuparointi voidaan helposti havaita piirilevysuunnitteluohjelmiston tai piirilevynvalmistajan toimesta. On myös tärkeää puhdistaa reiät huolellisesti porauksen jälkeen ilmakuplien välttämiseksi.

Piirilevysuunnittelu on ensimmäinen puolustus yleisiä valmistusongelmia vastaan. Hyvän piirilevysuunnittelun avulla voidaan estää sähköstaattinen purkaus ja juotosvirheet. Tuotantoinsinöörien ja suunnittelijoiden tulisi kommunikoida keskenään ongelmien ennakoimiseksi ja suunnitelman luomiseksi ongelmien ratkaisemiseksi. Yksinkertaiset virheet voivat muuttua kalliiksi vioiksi, joten on ratkaisevan tärkeää saada paras mahdollinen suunnittelu. Lisäksi kokeneen suunnittelijan käyttäminen voi auttaa välttämään virheet, jotka saattavat jäädä huomaamatta.