Kretskort: så mye ansvar, så liten respekt

Trykte kretskort er bokstavelig talt grunnlaget for elektroniske produkter og systemer. De kobler sammen og «knytter sammen» titalls, hundrevis og til og med tusenvis av aktive og passive komponenter med bittesmå kontaktflater (loddepunkter) og hårtynne spor, samtidig som de gir fysisk støtte, monteringsfliker, koblingsarrangementer og mer. De blir ofte referert til som kretskort (PCB-er) eller PC-kort, og det ble forsøkt noen år tilbake av IPC, en sentral bransjestandard-organisasjon som tidligere ble kalt Institute for Interconnecting and Packaging Electronic Circuits, å gi dem nytt navn som trykte ledningskort eller PWB-er (printed wiring boards); men den navneendringen slo aldri an.

Men klart, det er ingen grunn til å fortelle publikum om den uunnværlige rollen til trykte kretskort (PCB-er), samt deres allsidighet og kapasiteter. Likevel i mange diskusjoner blir de tilfeldig ansett for å være bare en enkel, om enn viktig, passiv komponent uten store problemer; det er en misvisende forenkling.

Kretskortets interessante historie

Det har vært en interessant reise for disse kortene. Da de opprinnelig ble utviklet for rundt 50 år siden, vurderte mange utviklere dem både som nødvendige og som en hodepine. De var nødvendige for å erstatte bruken av punkt-til-punkt ledninger og lodding for hånd, en manuell teknikk som ikke lenger kunne støtte tettheten og produksjonstiden som er nødvendig for produkter som farge-TV med 100+ vakuumrør. En av de ledende TV-leverandørene de gang skrøt faktisk av at TV-ene deres var håndlaget av håndverkere, i stedet for å bruke et anonymt kretskort. Vi vet hvordan den markedsføringshistorien ender.

De første kretskortene var ensidige og laget av fenol eller bakelitt, i stedet for vår moderne glassepoksykompositt; de hadde heller stansede enn borede hull for hullmonteringskomponenter og kontaktledninger,samt de ble fremdeles loddet for hånd (figur 1). Linjebredder var i størrelsesorden 3 til 6 millimeter (mm).

Figur 1: Grunnleggende ensidige fenolkort for hullmontering, lignende denne, var de første mest brukte versjonene av kretskort-konseptet. (Bildekilde: TheEngineeringProjects.com)

Påliteligheten til disse tidlige kortene var marginal på grunn av de-laminering av plettering, toleranseproblemer og inkonsekvens i lodding. Men som de sier, feil var ikke et alternativ, siden kretskort tilbød den eneste levedyktige tilnærmingen til å håndtere et høyere antall komponenter, IC-pakker, mindre komponenter, høyere antall pinner og til slutt komponenter for overflatemontering. Dagens kretskort har mange avanserte størrelsesordener sammenlignet med de tidligere modellene når man tar med parametre for ytelse og kapasitet.

Interessant nok brukes ensidige fenolkort i noen forbrukerapparater for nesten alle komponentene; jumperkabler på oversiden brukt, slik at et meget rimelig, ensidig kort kan benyttes (figur 2).

Figur 2: Dette fenoliske kretskortet fra en mikrobølgeovn fra 2010 inneholder strømforsyningen (lav- og høyspenning), omformer, strømenheter og mye av resten av kretsløpet; legg merke til bruken av jumperkabler på oversiden for å tilrettelegge for et ensidig kort med lav pris. (Bildekilde: Low Price Mart)

Presisjonen på multi-tasking for et kretskort

Til tross for den dagligdagse måten vi ofte snakker om dem på, er dagens kretskort presisjonskomponenter konstruerte på høyt nivå. Det forventes at kretskort kan være mye, mye mer enn bare å fungere som komponentbærer og sammenkoblingsplattform. Noen oppgaver kretskort:

1. De fører strøm og jording i sine eksponerte lag hvis det er et tosidig kretskort.
2. I flerlagskort, slik som den vanlige firelagsversjonen, gir det ene indre laget strømfordeling for en eller flere skinner, og det andre ivedige laget gir jordingsfunksjoner; ledende baner for tilgang til vertikal samtrafikk (vias – forkortelse for vertical interconnect access) kobler disse lagene etter behov.
3. Kobberet rundt eller i nærheten av en varm komponent fungerer som en varmeavleder, eller som en termisk leder for å lede varmen bort til en diskret kjøleribbe.
4. Kobberet på kretskortet kan konfigureres til å fungere som en RF-overføringsledning, filter, isolator eller sirkulator ved bruk av båndbølgeleder (stripline)- eller mikrobåndleder (mikrostrip)-topologier.
5. Kretskortet kan også utformes til å være en antenne, ofte som en multibånd-antenne, i stedet for en enkeltbånd-antenne.
6. RF passive enheter – kondensatorer og induktorer – kan også konstrueres ved bruk av passende kobbermønster.
7. Presis dimensjonerte spor kan fungere som lavverdige motstander (flere milliohm) for å måle strømstrømmen av IR-fallet over sporet.
8. Kobberet kan også gi en beskyttelsesring rundt følsomme, analoge sensorinnganger til operasjonsforsterkere (op-amper).
9. Kortets kobber kan gi EMC-skjerming for å forhindre at hendelser det RF påvirker kretser eller hjelpe med dempende utslipp fra brettet.
10. Kortet kan være innstikkontakten for både stive og fleksible pinner som terminerer individuelle ledninger i et ledningsnett.

Hvis det ikke er nok, er det en ny rolle som er lagt til på listen: å fungere som paringskontakt for en flatkabel-IDC (insulation displacement connector – isolasjonsforskyvningskontakt) fra Würth Elektronik. I stedet for det standard paret IDC-er, en som hann med pinnekontakter (pinner) og den andre som hunn med stikkontakter, bruker Würth kortet som paringskontakt for hann-IDC-en.

Merk at dette ikke er første gang ledninger er koblet direkte til et kort. I mange år ble individuelle faste eller fleksible pinner presset inn i belagte (pletterte) hull i et kretskort. Men disse pinnene kan ikke fjernes uten å skade pinnen og kortet, så de var kun en engangs-innsetting. Derimot kan Würths REDFIT IDC SKEDD-kontakt familie tilkobles og frakobles opptil ti ganger ved å bruke den spesifiserte størrelsen og pletteringen av kretskorthullet, opptil 25 ganger med avslappede toleranser.

Figur 3: Würths REDFIT IDC SKEDD-kontaktfamilie eliminerer behovet for en IDC-stikkontakt for å pare seg sammen med hann-IDC-en (pin) og flatkabel, den sparer dermed kostnader, forenkler materialliste (BOM) og reduserer overganger fra ledning til kontakt, samt potensielle kilder til problemer. (Bildekilde: Würth Elektronik)

Hva blir det neste, for det enkle og undervurderte kretskortet? Det ser ut som om det mye brukte FR-4 epoksyglassunderlaget ikke lenger vil være så dominerende som det er nå. De iboende egenskapene kommer til kort fra de strenge kravene til multigigahertz-design (GHz), hvor subtile elektriske og materialfaktorer som dielektrisk konstant, dielektrisk konstant (e_r), tapsfaktor (tδ), fuktabsorpsjon og andre faktorer er kritiske. Ikke bare må disse tallene samsvare med behovene til GHz-design, de må ha svært lave temperaturkoeffisienter, eller tempcos, det har ikke FR-4. Selv de mekaniske og dimensjonale temperaturkoeffisientene får større betydning da jevnlige minuttskift påvirker elektronisk ytelse ved disse frekvensene.

Neste gang noen avfeier kretskortet som «ikke så farlig», ikke fall for den holdningen eller misoppfatningen. Suksessen til et prosjekt avhenger like mye av det kortet, som på noen annen komponent. Evnen til å maksimere funksjonene, produsere et flerlags kort etter utrolig tette spesifikasjoner, laste det og lodde det ordentlig, påvirker direkte grunnleggende ytelse, feilprosent og pålitelighet i praksis.

Referanser:

1 – Wikipedia, «FR-4» https://en.wikipedia.org/wiki/FR-4

2 – Wikipedia, «Printed circuit board» (kretskort – PCB) https://en.wikipedia.org/wiki/Printed_circuit_board#Materials

3 – Wikipedia, «Via (elektronikk)» https://en.wikipedia.org/wiki/Via_(electronics)

4 - SEEED Studio, «Printed Circuit Board (kretskort (PCB)) Materialtyper and Comparison» https://www.seeedstudio.com/blog/2017/03/23/pcb-material/

5 - Al Wright, Epec LLC., «PCB Vias – Alt du trenger å vite» https://blog.epectec.com/pcb-vias-everything-you-need-to-know

6 – John W. Schultz, Compass Technology Group, «En ny dielektrisk analysator for rask måling av mikrobølgeunderlag opp til 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., «Karakterisering av kretsmaterialer ved mmbølgefrekvenser» https://www.microwavejournal.com/articles/32237-characterizing-circuit-materials-at-mmwave-frequencies?v=preview

8 – Rogers Corp., «Laminatmaterialer øker samtidig μ og ε, reduserer antennestørrelsen» https://www.microwavejournal.com/articles/32056-laminate-materials-simultaneously-increase-mu-and-epsilon-reducing-antenna-size