Elektroniska enheter och maskiner driver den moderna världen. Oavsett om det är en enhet som tyst övervakar organ eller en smartphone med en oändlig ström av meddelanden, innehåller alla ett kretskort i hjärtat av deras design.
Under åren har tillverkningen av tryckta kretskort fortsatt att växa för att hålla jämna steg med de ökande kraven på nyare, snabbare och mer komplexa elektroniska kretsar. Diskussioner om processerna som är involverade i att utforma och designa ett kretskort skulle kunna fylla ett bibliotek, men här kommer vi att ge en introduktion på ytnivå av grunderna.
Vad är ett kretskort?
Ett kretskort är en stel struktur som innehåller elektriska kretsar som består av inbäddade metallytor som kallas spår och större metallområden som kallas plan. Komponenter löds fast på kortet på metallkuddar, som är anslutna till kortets kretsar. Detta gör att komponenter kan kopplas samman. Ett kort kan bestå av ett, två eller flera lager av kretsar.
Kretskort är byggda med ett dielektriskt kärnmaterial med dåliga elektriska ledningsegenskaper för att säkerställa ren kretsöverföring och mellanliggande med extra lager av metall och dielektrikum efter behov. Det dielektriska standardmaterialet som används för kretskort är en flamsäker komposit av vävt glasfibertyg och epoxiharts, känt som FR-4, medan metallspåren och -planen för kretsarna vanligtvis består av koppar.
Typer av kretskort
I allmänhet kan brädor kategoriseras i en av tre kategorier: styva, flexibla eller metallkärna-plattor.
Styva plattor är ofta den stora majoriteten av kretskort som en designer kommer att stöta på, där skivans layout är inrymd i ett styvt substrat skapat av en hög värme- och trycklamineringsprocess. Det vanliga materialet för dessa skivor är FR-4, men beroende på designens speciella behov kan detta modifieras för att framhäva eller på annat sätt förbättra vissa egenskaper hos skivan.
Flexibla plattor är sammansatta av ett mindre styvt material som möjliggör mycket större avböjning. Materialet påminner taktilt om en filmrulle, och skivans tjocklek är vanligtvis mycket mindre än en vanlig styv skiva. Även om de redan har sett en viss användning, finns det hopp om att flexibla brädor kommer att inleda nästa steg av bärbar teknologi och ta bort de nuvarande plana begränsningarna som är inneboende för stela skivenheter.
Metal-core kretskort är något av en utlöpare av stela kretskortdesigner, med en ökad förmåga att avleda värme genom hela kortet för att skydda känsliga kretsar. Denna stil kan vara ett alternativ för högströmsdesigner för att förhindra termiskt slitage och fel.
Överallt där kontrollerad elektromagnetism finns, bildar kretskort infrastrukturen för att underhålla den. Naturligtvis kommer kretskort inte bara fram ur ingenting – deras design och tillverkning är ett stort ingenjörsuppdrag för sig själv.
Kretskortet som förändrade världen
Före 1936 kopplades elektroniska kretsar ”punkt-till-punkt” på ett chassi (ofta en trälåda). Varje komponent kopplades till de andra med koppartråd som en del av en lång, arbetskrävande process. Kretskortet förändrade allt det. Detta kunde tryckas i stora antal med maskiner, vilket påskyndade produktionen avsevärt och gjorde dem billiga nog att använda i alla möjliga produkter.
De första kretskorten användes för radioapparater och andra militära tillämpningar. Efter andra världskrigets slut hittade de sin väg in i industrin och i slutändan den nya marknaden för hemelektronik.
Idag kan kretskort hittas överallt, från PC-moderkort och minnesstickor till mobila enheter och kontroller i hushållsapparater. Som grund för modern elektronik finns tryckta kretskort i medicinsk utrustning som skanningsutrustning och digitala mätapparater.
De används i tillverkning av maskiner, från switchar och kontroller till övervakningsutrustning – och till och med maskinerna som används för att designa och tillverka fler kretskort. Från hemelektronik och hushållsapparater till bil- och flygtillämpningar är det omöjligt att föreställa sig den moderna världen utan kretskort.
Olika typer av kretskort
Den mest grundläggande typen av kretskort är den ursprungliga enskiktskortet som, som namnet antyder, innebär att man monterar ett lager koppar på ett underlag. Senare utveckling ledde till dubbellager och flerlagers kretskort, som såg flera kopparlager applicerade på två eller flera substratlager. Detta gjorde det möjligt att lägga till en mycket högre densitet av komponenter till kretskortet och använda dem för att skapa kraftfullare enheter. Medan flerskiktsskivor försvårade underhållet, blev de snart så billiga att tillverka att det nu ofta är mer kostnadseffektivt att byta ut en hel skiva än att reparera den.
Idag är det vanligaste substratet FR-4 glasepoxi, även om nya material har dykt upp i takt med att kretskortens popularitet har ökat. Exempel på kretskortskonfigurationer inkluderar stela kretskort, flexibla kretskort, rigid-flex kretskort och högfrekventa kretskort. De olika konfigurationerna använder ofta olika substrat.
Tillämpningar av tryckta kretskort
Aluminium används huvudsakligen i skivor som kallas isolerade metallsubstrat (IMS) eller kretskort med aluminiumbaksida. Dessa kort används ofta i applikationer där värmeavledning är viktig, såsom i strömbrytare eller LED-system. Ett alternativ är att använda ett mer standardiserat substrat och ett så kallat tungt kopparskikt. Att öka tjockleken på kopparn till mer än tre uns per kvadratfot förbättrar avsevärt värmeavledningen, och kretsen kan hantera högre strömmar.
Ett kretskort är ofta av en styv konstruktion, men om flexibilitet krävs (t.ex. i en bärbar enhet) kan kopparskiktet monteras på material som Pyralux-folie eller Kapton, ett flexibelt material som också är motståndskraftigt mot höga temperaturer. Faktum är att det nu finns nästan lika många substratmaterial som det finns användningsområden för kretskort.
Typer av brädor
Om du letar efter ett kretskort för ditt nästa projekt, det finns så många alternativ att välja mellan. Det finns flexibla kretskort, styva, enskiktskort och flerskiktskort. Samt olika material som en FR4 som är ett glasepoxilaminat eller en CEM.
Flexibla kretskort
Dessa är gjorda av silikon eller polyimid och kan böjas över skarpa hörn utan att gå sönder.
De finns i två olika typer: den styva-flexibla typen, som är en kombination av både styva och flexibla kretskort, och den vikbara typen, som kan vikas på mitten utan att gå sönder.
Enskikts- och flerskiktskort
Skivtjockleken varierar också, med vissa brädor har bara ett lager medan andra kan ha så många som 16 lager. Ju fler lager en bräda har med varandra, desto mer komplex blir brädet.
Men med den komplexiteten kommer mer funktionalitet. Enkellagerskivor används för enkla enheter medan flerlagerskivor används i mer komplexa enheter.
Fördelarna med kretskort
Det finns många fördelar med att använda kretskort. Det första är att de tillåter produkter att vara mindre och mer bärbara.
Kretsarna på ett kretskort kan ta mycket mindre plats än de enskilda komponenterna själva, så du får en mycket mindre produkt i slutändan. Detta gör det också lättare att sätta ihop olika delar av din krets och dirigera spår där du behöver dem.
Därefter är de mycket hållbara och långvariga. De kan ta mycket skada som värme, fukt eller till och med fysisk kraft utan att gå isär. Detta gör dem idealiska för användning i områden som är farliga för elektronik – som under motorhuven på en bil där de utsätts för saker som olja och vatten.
Att låta korten stå emot dessa element är avgörande för att säkerställa att de fortsätter att fungera korrekt, särskilt om det är något kritiskt som bromssystem.
För det tredje är de extremt säkra. Kretsarna på ett kretskort är inkapslade så att det är nästan omöjligt att röra två kontakter samtidigt med din bara hud. Detta eliminerar risken för att du får en elektrisk stöt från din enhet.
För det fjärde är kretskort mycket effektiva och ekonomiska. De gör det möjligt att tillverka enheter med färre komponenter, vilket i sin tur sparar kostnader, både för dig själv och ditt företag.
Slutligen är kretskort lätta att reparera och återvinna. Om en komponent på kortet går sönder är det vanligtvis mycket lättare att fixa än om det fanns någon annanstans i kretsen. Och när skivan så småningom når slutet av sin livslängd kan den återvinnas utan några negativa miljöeffekter.
De håller enheterna svala
En annan viktig funktion hos kretskort är deras kylningsförmåga. Alla delar av en krets genererar värme, och detta kan orsaka skada på din enhet om den lämnas okontrollerad. Metallskikten på ett kretskort avleder och leder bort värme från komponenterna som producerar det.
Detta förhindrar sedan överhettning och håller din enhet igång smidigt så länge som möjligt. Överhettning är en av de största orsakerna till elektronikfel, så genom att hålla dem svala ökar du livslängden på din produkt.
Men samtidigt som de håller saker svala, gör de det också svårare att effektivt överföra värme från insidan av din enhet. Detta beror på att metallskikten fungerar som en isolator och förhindrar värmen från att försvinna utåt.
Det finns sätt att kringgå detta, som genom termiska vias (förbinda två eller flera metallskikt med ett ledande material) men det är inte alltid ett alternativ.
Utan kretskort skulle våra enheter inte kunna fungera. De är viktiga för att koppla ihop olika komponenter och möjliggöra kommunikation mellan dem. Dessutom hjälper kretskort till att skydda dessa komponenter från skador och störningar.
I en värld där allt blir mer och mer elektroniskt är det viktigt att ha en komponent som kretskort som kan hålla jämna steg med efterfrågan.
Så nästa gång du använder din telefon eller dator, ta en sekund för att uppskatta den dolda kretskortet som gör allt möjligt!
