Kretskort: Så mycket ansvar, så lite respekt

Kretskort är bokstavligen talat fundamentet för elektroniska produkter och system. De ansluter och försörjer de tiotals, hundratals och t.o.m. tusentals aktiva och passiva komponenterna med sina små plättar (paddar) och hårsmala banor, och ger samtidigt också fysiskt stöd, monteringsöron, kontaktdonsarrangemang m.m. De benämns ofta PCBs efter engelskans "printed circuit boards". Dock gjordes för ett antal år sedan försök av IPC, en nyckelorganisation för att sätta branschstandarder som tidigare kallades Institute for Interconnecting and Packaging Electronic Circuits, att döpa om dem till "printed wiring boards" eller PWBs, men namnbytet fastnade aldrig.

Denna artikels läsekrets behöver förstås inte höra om den oumbärliga roll som kretskort spealar eller deras mångsidighet och möjligheter. I många diskussioner betraktas de dock allmänt fortfarande som bara ytterligare en enkel, måhända viktig, passiv och trivial komponent; det är en missvisande förenkling.

Den intressanta historien om kretskortet

Det har varit en intressant resa för dessa kort. När de initialt utvecklades för 50 år sedan, betraktade många konstruktörer dem som både nödvändiga och en huvudvärk. De behövdes för att ersätta bruket av punkt-till-punkt-ledningar och lödning för hand, en manuell teknik som inte längre klarade av tätheten och tillverkningstiden som krävdes för produkter som färg-tv-apparater med sina över 100 radiorör. Faktum är att en ledande tv-leverantör vid den tiden skröt med att deras apparater var handgjorda av hantverkare, istället för att använda anonyma kretskort. Vi vet hur den reklamberättelsen slutade.

De första kretskorten var enkelsidiga och gjorda av fenol eller bakelit, istället för vår moderna glas-epoxy-komposit; de hade stansade istället för borrade hål för hålmonterade komponenter och uttagsledningar; och de löddes fortfarande för hand (figur 1). Banbredderna var i storleksordningen 3 till 6 mm.

Figur 1: Enkla ensidiga, hålmonterade fenolkort, liknande detta, var de första upprepningarna av konceptet kretskort som användes i stor skala. (Bildkälla: TheEngineeringProjects.com)

Tillförlitligheten hos dessa tidiga kort var marginell till följd av delaminering av beläggningen, toleransproblem och inkonsekvent lödningskvalitet. Men som det det sägs, misslyckande är inget alternativ: kretskorten erbjöd det enda gångbara tillvägagångssättet för att hantera högre komponentantal, IC-komponenter, mindre komponenter, höga stiftantal och, slutligen, ytmonterade komponenter. Dagens kretskort har mångdubblat sin komplexitet jämfört med de tidiga varianterna i fråga om alla prestanda- och funktionsparametrar.

Intressant nog, används enkelsidiga fenolkort fortfarande i vissa konsumentapparater för att hålla nästan alla komponenter; Trådbyglingar sticks i ovanifrån så att ett mycket billigt, enkelsidigt kort kan användas. (Figur 2).

Figur 2: Detta fenolkretskort från en mikrovågsugn från 2010 innehåller strömförsörjning (låg och hög spänning), transformator, drivenheter och mycket av resten av kretsarna; notera användningen av byglingar på ovansidan för att möjliggöra användning av ett billigt enkelsidigt kort. (Bildkälla: Low Price Mart)

Multi-tasking-precisionen i ett kretskort

Trots det lediga sätt vi ofta talar om dem på, är dagens kretskort högt utvecklade precisionskomponenter. De förväntas göra väldigt mycket mer än bara fungera som komponenthållare och ihopkopplingsplattform. Bland deras uppgifter:

1. De leder effekt och jord på sitt exponerade skikt om det är ett enkelt, tvåsidigt kretskort.
2. I flerlagerkort, såsom vanliga fyralagersutföranden, sköter ett invändigt lager strömdistributionen för en eller flera spänningsnivåer och ett annat invändigt lager står för jordfunktionen; ledande "vias" (kort för "vertical interconnect access" och skrivs aldrig med versaler) kopplar ihop dessa skikt vid behov.
3. Kopparn omkring eller nära en het komponent fungerar som kylfläns, eller som en termisk kanal för att leda bort värmen till en separat kylkropp.
4. Kretskortets koppar kan konfigureras för att fungera som en RF-transmissionsledning, -filter, -isolator eller -cirkulator, med hjälp av striplines eller microstrip-topologier.
5. Kretskort kan även designas till att bli en antenn, ofta i ett multibandsantenn-arrangemang, istället för en enkelbandsantenn.
6. Passiva RF-enheter — kondensatorer och induktorer — kan också konstrueras med hjälp av lämpliga kopparmönster.
7. Exakt dimensionerade banor kan fungera som motstånd med låga värden (flera milliohm) för att mäta strömflöden med hjälp av IR-minskningen tvärs över banan.
8. Koppar kan även fungera som en skyddsring runt känsliga, analoga lågnivå-sensoringångar till operationsförstärkare.
9. Kortets koppar kan ge EMC-skärmning för att förhindra infallande RF från att påverka kretsar eller, omvänt, till att dämpa emissioner från kortet.
10. Vara ett insticksuttag för både styva och flexibla stift som terminerar enskilda ledningar i ett kabelknippe.

Om det inte är tillräckligt, finns det en ny roll som har lagts till listan: att fungera som matchande kontaktdon för en bandkabel-IDC (insulation displacement connector) från Würth Elektronik. Istället för det vanliga matchande paret med IDC:er, ett som hane med stiftkontakter (stift) och det andra som hona med uttag, använder Würth en metod med kortet som kontakt för IDC-handonet.

Notera att detta inte är första gången som ledningar har pluggats in direkt i ett kort. I många år har enskilda fasta eller flexibla stift tryckts in i pläterade hål i ett kretskort. Men dessa stift kan inte avlägsnas utan att skada stift och kort, så de har endast fungerat för engångsisättning. Som kontrast kan Würths familj av REDFIT IDC SKEDD-kontaktdon pluggas i och dras ur upp till tio gånger vid angiven kretskortshålstorlek och plätering, och upp till 25 gånger med friare toleranser.

Figur 3: Würths REDFIT IDC SKEDD-kontaktdonsfamilj eliminerar behovet av ett IDC-uttag för ihopkoppling med ett han-IDC (stift) och flatkabel, vilket sparar kostnader, förenklar materiallistan och reducerar antalet övergångar mellan ledning och kontaktdon, och därmed potentiella källor till problem. (Bildkälla: Würth Elektronik)

Vad händer härnäst med det ödmjuka och underuppskattade kretskortet? Det ser ut som om det vida använda epoxy-glas-mönsterkortet FR-4 inte längre kommer dominera som det gör idag. Dess inherenta egenskaper når inte upp till de stränga kraven i multi-GHz-konstruktioner, där subtila el- och materialfaktorer, såsom dielektrisk konstant, dielektrisk konstant (e_r), förlustfaktor (tδ), fuktabsorption och andra parametrar är kritiska. Vidare måste dessa inte bara uppfylla behoven från GHz-konstruktionerna, utan de måste också ha mycket låg temperaturkoefficient, eller tempcos, vilket FR-4 inte har. T.o.m. mekaniska och dimensionella tempcos får större betydelse, då även minimala förändringar påverkar den elektroniska prestandan vid dessa frekvenser.

Så nästa gång någon avfärdar ett kretskort som “trivialt” - fall inte för den inställningen eller missförståndet. Framgången hos ett projekt beror lika mycket på detta kort som det gör på någon annan komponent. Förmågan att maximera dess funktioner, producera ett flerskiktskort till otroliga snäva specifikationer, bestycka det och löda det ordentligt, påverkar direkt den underliggande prestandan, kassation/funktion-kvoten och tillförlitligheten i fält.

Referenser:

1 – Wikipedia, “FR-4” https://en.wikipedia.org/wiki/FR-4

2 – Wikipedia, “Printed circuit board” https://en.wikipedia.org/wiki/Printed_circuit_board#Materials

3 – Wikipedia, “Via (electronics)” https://en.wikipedia.org/wiki/Via_(electronics)

4 – SEEED Studio, “Printed Circuit Board (PCB) Material Types and Comparison” https://www.seeedstudio.com/blog/2017/03/23/pcb-material/

5 – Al Wright, Epec LLC., “PCB Vias - Everything You Need To Know” https://blog.epectec.com/pcb-vias-everything-you-need-to-know

6 – John W. Schultz, Compass Technology Group, “A New Dielectric Analyzer for Rapid Measurement of Microwave Substrates up to 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., “Characterizing Circuit Materials at mmWave Frequencies” https://www.microwavejournal.com/articles/32237-characterizing-circuit-materials-at-mmwave-frequencies?v=preview

8 – Rogers Corp., “Laminate Materials Simultaneously Increase μ and ε, Reducing Antenna Size” https://www.microwavejournal.com/articles/32056-laminate-materials-simultaneously-increase-mu-and-epsilon-reducing-antenna-size