A tervezés során szükséges lehet arra figyelünk, hogy az egyes alkatrészeket egymáshoz képest hogyan helyezzük el, vagy arra, hogy a dobozolását megkönnyítő furatokat helyezzünk el a panelon, bonyolultabb esetben pedig például arra, hogy az áramkörben előforduló vezetők elegendő keresztmetszettel rendelkezzenek, hogy elkerüljük a nagy áramok okozta túlmelegedést. De akár komoly mérnöki munkát végzünk vagy csak hobbiból tervezzük a következő audió erősítőnk NYÁK-ját, vajon tudjuk-e, hogy pontosan hogyan is épül fel a nyomtatott áramkör, és milyen lehetőségek állnak rendelkezésre a tervezés és kivitelezés során? A következőkben egy SO8-DIP8 adapter NYÁK 3D modeljén mutatjuk be a kétoldalas NYÁK rétegeit, anyagait, alapvető méreteit, tulajdonságait.
A hordozó anyag (középső réteg) – a speciális esetektől eltekintve, mint pl. az alumínium alapú NYÁK-ok – általában valamilyen szövet vagy üvegszál rétegekből áll, amelyeket hőre keményedő gyantával ragasztanak össze, majd melegen préselik.
A végleges vastagság függ a rétegek számától, a szövésmintától, a gyanta tartalomtól és a préselés paramétereitől. Az általános esetben használt nyomtatott áramkörök hordozói 1,5mm vastagságúak, és 13 szövetrétegből állnak. Attól függően, hogy milyen anyagok alkotják a hordozót, különböző típusok léteznek, melyek FR, CEM vagy G jelöléssel kezdődnek. A ma leggyakrabban használt alapanyag az FR-4 típus, amely közismertebb nevén az ”üvegszálas NYÁK”.
Érdemes megjegyezni, hogy más típusok anyagai is tartalmaznak üvegszálat és epoxigyantát, de eltérő arányban, így azok villamos (pl. dielektromos állandó) és mechanikai tulajdonságaikban is különböznek az FR-4 anyagtól.
A NYÁK gyártás kezdetekor a hordozó anyag egyik vagy mindkét oldalát összefüggő vörösréz réteg borítja, melynek vastagsága általános esetben 18µm (0,018mm), de találkozhatunk ettől vastagabb (35µm, 70µm) kivitellel is.
A rézfólia vastagsága főleg akkor válik fontos paraméterré, ha az adott vezetőrészt nem jeltovábbításra, hanem teljesítmény átvitelre vagy szokatlanul magas hőmérsékleten (100°C felett) kívánjuk használni. A vezetősávok szélességének méretezéséről itt írunk bővebben.
A NYÁK gyártás a fúrással, illetve azon részek (pl. hosszlyukak, egyéb alakzatok) marásával kezdődik, amelyeket galvanizálni kell majd.
Ha kétoldalas NYÁK készül, akkor a következő lépés a furatok galvanizálása. A furatgalvanizálást csak ezen a ponton lehet elvégezni, amikor még a NYÁK mindkét oldalán összefüggő rézfólia van, hiszen ez tudja biztosítani az folytonos vezetést a galvánfürdőben.
Gyakori tévhit, hogy a furatok egyesével is galvanizálhatók a NYÁK gyártás legvégén, de az igazság az, hogy ebben a lépésben az összes furat galvanizált lesz a panelon.
Az eljárás során a furatok felületére (és a rézfóliák teljes felületére) egy kb. 20-25µm vastagságú rézréteg kerül, amely segítségével villamos összeköttetések létesíthetők a panel két oldala között. Ha egy ilyen galvanizált furatot kimondottan a két oldal közötti villamos összeköttetés létesítésére használunk, akkor ezeket “via“-knak hívjuk.
A rézgalvanizálás után egy fotoreziszt réteg kerül a rézfelületekre, amely a végleges rajzolatok negatívja.
Ezután a szabadon levő rézfelületekre (beleértve a galvanizált furatokat is) ónt kell galvanizálni. A fotoreziszt réteg eltávolítása után kémiai úton, lúgos maratással lehet kialakítani a két oldalon a végleges rajzolatot. A lúgos maratásra azért van szükség, mert a galvánón ellenáll a lúgnak, és azokon a felületeken, ahol ón van, a lúg nem marja le a rezet. Tehát az ón egyfajta védőbevonatként viselkedik.
Ezt az ónréteget pl. savas maratással kell eltávolítani, különben a NYÁK nem lesz alkalmas szelektív felületkezelési eljárások használatára.
Amennyiben szükséges, a kimart rajzolatot ezután lehet bevonatolni arannyal vagy ezüsttel, de ez a lépés általában a forrasztásgátló lakkréteg felvitele után történik (szelektív aranyozás, ezüstözés).
Ezek szerepe a korrózióvédelem, az ólommentes bevonat megvalósítása, vagy a villamos ellenállás csökkentése. Vastagságuk a rézfóliával szemben már csak 1-2µm szokott lenni. Általános tévhit még a szakmabeliek körében is, hogy a legjobb vezető az arany (Au), őt követi az ezüst (Ag), majd a réz (Cu).
Ennek ellenére a valóság az, hogy a legjobb vezető az ezüst, őt követi a réz, majd az arany. Logikus lehet a kérdés, hogy mi értelme van rézből készíteni a vezetősávokat, ha az ezüst jobb vezető a réznél, illetve mi értelme aranyozni a paneleket, ha az rosszabb vezető, mint a réz?
Az arany használatának magyarázata az, hogy a korróziónak sokkal jobban ellenáll, mint a réz vagy az ezüst. Ezért bevett szokás a nyomtatott áramkörből kialakított csatlakozórészeket aranyozni (pl. a számítógép alaplapjába helyezhető RAM-ok, és különféle kártyák), így a kiváló kontaktus akár évtizedeken keresztül biztosítható lesz. A különböző audió és videó, illetve egyéb csatlakozókat is ebből az okból bevonatolják arannyal. Az arany “rossz” vezetőképessége nem befolyásolja jelentősen a csatlakozás átmeneti ellenállását, hiszen csak 1-2µm vastagságú réteget képez a 35µm vastag rézfóliához képest. (Az arany és a réz közé még egy kb 5um vastag nikkel réteget is szükséges galvanizálni, mert közvetlenül egymásra rosszul tapadnak.)
Ha a rézfólia helyett ezüstfólia lenne a NYÁK-on, akkor kb. 6-szoros különbség jelentkezne az előállítási árban. Az ezüstözésnek általában a nagyfrekvenciás áramköröknél van szerepe, ahol a skin-hatás miatt az áram a frekvenciával arányosan mindinkább a vezetősáv felületén folyik. Az ezüstözéssel javítható a vezetősáv vezetőképessége (a felületen, azaz pont ott, ahol szükség van rá), így kisebb helyet igényel a konstrukció megvalósítása. További előnye, hogy az aranyhoz hasonlóan ólommentes bevonatot képez, de beforrasztás nélkül néhány hónapig őrzi meg a felületi minőségét, forraszthatóságát.
Ha a NYÁK szelektív felületkezeléssel kell, hogy készüljön, akkor a teljes felület aranyozása vagy ezüstözése helyett a következő réteg a forrasztásgátló lakk lesz, vagy másnéven lötstop. A gyakorlatban ez majdnem tetszőleges színben kivitelezhető, de a legáltalánosabb a zöld színű. Ez adja a nyomtatott áramkörök jellegzetes megjelenését. A zöld szín előnyös továbbá a beültetés automatizált ellenőrzése során (AOI – Automated Optical Inspection), mert általánosságban ez tér el leginkább az alkatrészek színétől, és rengeteg régebbi AOI gépnek nehézséget okoz a pl. fehér vagy fekete NYÁK-on levő alkatrészek ellenőrzése.
A forrasztásgátló lakkréteg után a panel egy ólmot tartalmazó vagy ólommentes (környezetvédelem) ónbevonatot kap, amelyet általában HASL (Hot Air Solder Leveling – tüziónozás) eljárással készítenek el. Ennek során a panelt egy forró ónfürdőbe merítik, így az ón kiválóan megtapad azokon a rézfelületeken, ahol nincsen forrasztásgátló lakkréteg, majd a fürdőből kivéve forró levegőt fújó légborotvákkal lefújják a felesleges ónt a NYÁK-ról. Ennél az eljárásnál általában a panel egyik oldalán kicsit több ón marad, mint a másikon, ami esztétikailag első ránézésre zavaró lehet, de ez sok esetben megkönnyíti a forrasztást, és utána már nem is látható. A tüziónozás mellett jó minőségű bevonatot ad a kémiai aranyozás vagy OSP (Organic Solderability Preservative – átlátszó szerves bevonat) is.
Az utolsó rétegek pedig a pozíciónyomatok, amik az alkatrészek helyének azonosítását könnyítik meg a beültetés, az ellenőrzés és a javítás során. A feliratok hosszú élettartamúak és mechanikalag is strapatbíróak, mert általában UV fényre keményedő festékkel készülnek, akárcsak a forrasztásgátló lakk.
Hozzászólások