PCB nasıl yapılır?

PCB (Printed Circuit Board) veya baskılı devre kartı, entegre devre ile birlikte günümüzün en önemli elektronik elemanlarından biridir. Bu plakalar, dirençler, kapasitörler, transistörler, diyotlar, IC’ler vb. gibi bileşenlerin geri kalanını yerleştirmek ve bunları yüzeye monte etmek için temel oluşturur.

Ve bu devrelerin nasıl yapıldığını merak ediyorsanız, bu yazıda adım adım anlatılan tüm süreci öğrenebileceksiniz.

PCB veya baskılı devre nedir?

PCB’ler olarak da bilinen baskılı devre kartları, telefonlar, ev aletleri ve tıbbi cihazlar gibi çoğu elektronik cihazda kullanılan elektronik kartlardır. Baskılı devre kartları, genellikle bakır olmak üzere oldukça iletken bir malzeme üzerine lamine edilmiş, substrat adı verilen düz bir yalıtım malzemesi parçasından oluşur. Bazı panolar, bir cihazın diğer özellikleri etrafında bükülmeyi gerektiren benzersiz durumlarda ve koşullarda kullanılmalarına izin veren esnek malzemelerden yapılmıştır. Tek taraflı PCB’lerin aksine, çift taraflı PCB’ler bakır iletkenleri kartın her iki tarafına da monte edebilir.

PCB, herhangi bir elektronik bileşenin bağlı olmadığı çıplak bir devre kartı iken, PCBA, kartın istenen bir uygulama için gerektiği gibi çalışması için gerekli tüm bileşenleri içeren eksiksiz bir montajdır. İki terim arasındaki temel fark, PCB’nin boş bir devre kartına atıfta bulunması, PCBA’nın ise kartın gerektiği gibi çalışması için gerekli tüm elektronik bileşenleri içeren bir karta atıfta bulunmasıdır.

Baskılı devre kartı (PCB), çoğu elektronik ürünün yüzeye monte bileşenlerini fiziksel olarak desteklemek ve bağlamak için bir taban plakasıdır. Baskılı devre kartları, bu bileşenler için fiziksel bir temel sağlamanın yanı sıra, iletişimlerine izin veren yollar aracılığıyla elektriksel iletkenliğe de izin verir. PCB, devre aktarımlarını olabildiğince temiz tutmak için zayıf elektriksel iletken özelliklere sahip dielektrik çekirdek malzemelerden yapılmıştır ve daha sonra gerektiğinde daha fazla metal ve dielektrik malzeme katmanıyla aralanmıştır. Devre kartları için kullanılan standart dielektrik malzeme, örgülü fiberglas kumaş ve FR-4 olarak bilinen bir epoksi reçineden oluşan yangına dayanıklı bir bileşiktir ve devreler için metal yollar ve düzlemler genellikle bakırdır.

Bu, devrelerin daha az alan kullanarak tamamlanmasına izin vererek, kartın birden fazla işlevi yerine getirmesi için boş alan sağlar, tipik olarak delikli kartların izin verdiğinden daha yüksek hızlarda ve daha hafif ağırlıklarda gerçekleşir. Delikten geçen teknoloji bileşenlerinin kullanılması, elektrik bileşenlerinin her birini kartın karşıt taraflarına yerleştirirken, yüzeye monte teknoloji bileşenlerini kullanırken hepsi aynı tarafa oturur.

Erken baskılı devre kartları, açık delik teknolojisini kullanır ve elektrik bileşenlerini, kartın bir tarafındaki deliklere teller yerleştirerek ve diğer taraftaki bakır izlerine lehimleyerek monte eder. Zamanla bileşenler çok daha küçük hale geldi ve kartın her iki tarafına bileşen yerleştirme, delikten montaja göre çok daha yaygın hale geldi. Bu nedenle çok daha yüksek devre yoğunluğu ile çok daha küçük PCB montajlarının yapılması mümkün oldu. Uygulama, bir baskılı devre kartına çok daha yüksek yoğunlukta bileşen eklemeye ve bu yoğunlukları daha güçlü cihazlar oluşturmaya imkan tanıdı. Daha ileri gelişmeler, iki veya daha fazla alt tabaka katmanının üzerine daha fazla bakır katmanının uygulandığı çift katmanlı ve çok katmanlı baskılı devre kartlarına yol açtı.

Daha sonra elektronik bileşenler baskılı devre kartlarına eklendi ve yüzeyleri kazınarak elektriğin bakırdan bir bileşenden diğerine akmasına izin verildi. Baskılı devre kartları olarak bilinen PCB’ler, kablolama ihtiyacını ortadan kaldırır. Birçok elektronik cihaz hala kablo içerse de, baskılı devre kartları daha basit ve daha verimli bir çözüm sunar.

Bunun yerine, bakır bağlantılar bir elektrik bağlantısı oluşturmak için doğrudan yalıtkan bir alt tabaka üzerine yerleştirilir ve baskılı devre kartlarının üretim süreçleri, paketleme ve elektronik ara bağlantılar için yapısal gereksinimlerle birlikte gelişmiştir.

Yüksek hızlı anahtarlama ve radyo frekansı devrelerinde, baskılı devre kartlarındaki iletkenlerin endüktansı ve kapasitansı önemli hale gelmiştir. Bu nedenle, dağıtılmış eleman filtreleri, antenler ve sigortalar gibi devre tasarımının kasıtlı bir parçası olarak kullanılabilirler ve daha ayrı bileşenlere olan ihtiyacı ortadan kaldırırlar. Bazı panolar, çalıştıkları yüksek frekanslar nedeniyle özel malzemelerden yapılırken, diğerleri endüstriyel kontrol panolarında ve diğer benzer uygulamalarda kullanılan daha yüksek güç devreleri için kalın bakır katmanlara sahiptir.

Bu plakalar, alternatif alt tabaka katmanları üzerine lamine edilmiş dört veya daha fazla bakır katmanına sahiptir. Tüm bu bileşenler, anakartın baskılı bakır devreleri aracılığıyla bağlanır. Metal pedler, elektronik bileşenlerin birbirine bağlanmasına izin vererek, kart üzerindeki devrelere yapışır.

Bazı panolar, diğer cihaz özellikleri etrafında bükülmeyi gerektiren benzersiz durumlarda ve koşullarda kullanılmalarına izin veren esnek malzemelerden yapılmıştır. Garaj kapısı açıcısında kullanılan basit tek katmanlı kartlar, akıllı saatte kullanılan altı katmanlı kartlar veya hızlı bilgisayarlarda kullanılan süper yüksek yoğunluklu, 60 katmanlı baskılı devre kartları.

PCB tasarımında tasarımcılar, şemaları kullanarak devre bileşenlerini sanal devre kartına dikkatlice yerleştirmek ve düzenlemek için özel PCB tasarım yazılımı kullanırlar. Ön uç tasarımında, ana bileşenler seçilir ve kartın özelliklerinin tasarlanabilmesi için tipik olarak birkaç ana devre şeması oluşturulur. Bu yollar, kurulu bir PCB düzenine göre baskılı devre kartlarına basılır veya kazınır.

PCBA, gerekli bileşenlerle bir baskılı devre kartı oluşturma sürecine de atıfta bulunabilir. PCB, yarı iletkenler, diyotlar, kapasitörler, dirençler ve belirli elektriksel işlevleri yerine getiren diğer bileşenler gibi farklı elektronik cihazlarla doldurulmuş bir baskılı devre kartıdır. Baskılı devre kartları bilgisayarlar, televizyonlar, oyun konsolları ve mikrodalga fırınlar gibi birçok ev eşyasının yanı sıra çeşitli tıbbi, otomotiv ve endüstriyel elektroniklere güç sağlamak için gerekli olsa da, baskılı devre kartları büyük ölçüde arka planda kalır.

Entegre devre ile farklılıklar

Baskılı devre veya PCB, önceki bölümde daha önce bahsettiğim gibi, kendisine lehimlenmiş ayrı bileşenlere sahip bir devre kartıdır. Bununla birlikte, entegre devre veya IC, bir yongadır, içine entegre edilmiş ve çok küçük boyutlarda bir dizi bileşenin bulunduğu monolitik bir yongadır.

Entegre devreler, silikon levhalar üzerinde en aza indirilmiş diyot, mikroişlemci ve transistör kombinasyonlarıdır. Entegre devre, dirençler, transistörler ve diğer bileşenleri oluşturmak için yarı iletkenler, bakır ve diğer birbirine bağlı malzemelerin karmaşık bir katmanlaşmasıdır. Bir IC veya entegre devre, tek bir çip üzerinde üretilen dirençler, transistörler ve kapasitörler gibi binlerce ila milyonlarca elektronik bileşen içerir. Tek bir entegre devre, işlem gücüne bağlı olarak, bu elektronik devrelerden binlerce ile milyonlarca arasında herhangi bir yerde bulunabilir.

IC, çalışma tezgahı olarak bir yarı iletken malzeme (okuma çipi) kullanır ve bu amaç için genellikle silikon seçilir. Entegre devrede, birkaç bileşen küçük boyutlu bir yarı iletkenin parçasıdır, bu nedenle ayrı bileşenler veya diğer bileşenler çıkarılamaz ve değiştirilemez, bu nedenle IC’nin bir bileşeni arızalanırsa, tüm IC yeni IC bileşeni ile değiştirilmelidir. Bir entegre devre (IC), ortak bir işlevi yerine getirmek için tek bir yarı iletken yonga plakası üzerinde oluşturulan ve birbirine bağlanan küçük elektronik bileşenlerin bir koleksiyonudur.

Mikroelektronik devre, mikroçip veya çip olarak da adlandırılan bir entegre devre (IC), bir birim olarak üretilen, aktif cihazların, yani transistörlerin ve diyotların ve pasif cihazların, yani kapasitörlerin ve dirençlerin aynı şekilde olduğu bir grup elektrik bileşenleridir. Aktif cihazların, özellikle bağlantıların, ince bir yarı iletken substrat (genellikle silikon) üzerine inşa edildiği, minyatürleştirilmiş bağlantıların ince bir substrat (genellikle silikon) üzerine inşa edildiği tek parça olarak üretilir. Bir IC, belirli bir işlevi veya bir dizi işlevi gerçekleştirmek için birlikte çalışan bir dizi devre, mantık kapısı, yol, transistör ve diğer bileşenlere sahip silikon içeren bir pakettir. Modern bir IC’nin yaygın bir örneği, tipik olarak karmaşık bir dijital devre oluşturmak için birbirine bağlı milyonlarca veya milyarlarca transistör, kapasitör, mantık kapısı vb. içeren bir bilgisayar işlemcisidir.

Akıllı telefonlar, tabletler ve dizüstü bilgisayarlar gibi cihazlarda kullanılan yarı iletken yongaların tümü, bir sisteme işlevlerini yerine getirmek için gerekli elektrik devresini sağlayan entegre devrelerdir. Hemen hemen tüm mevcut entegre devre yongaları, MOSFET’ler (metal-oksit-silikon alan etkili transistörler), FinFET’ler, GAAFET’ler vb. ile oluşturulmuş metal oksit-yarı iletken (MOS) entegre devrelerdir. İlk monolitik entegre devre yongalarının içinde, transistörler, dirençler veya diğer devre bileşenlerini oluşturmak için birbirine bağlanan karmaşık çok katmanlı levhalar, bakır ve diğer malzemeler vardı.

Bu işlemin sonucu, bir birim içinde oluşturulan milyonlarca küçük transistör, direnç ve iletkenden oluşan çok katmanlı bir devredir. Entegrasyon, ayrı elektronik bileşenlerden yapılanlardan çok daha küçük, daha hızlı ve daha ucuz devrelerle sonuçlanır.

Adım adım PCB üretim süreci

PCB oluşturma adımları şunlardır:

Baskılı devre veya PCB, EDA ortamları veya CAD programları kullanılarak bilgisayarda tasarlanır. Buradan, devrenin oluşturulması için sahip olması gereken yönlendirme ve katmanlara sahip düzeni veya bazı şablonları alırsınız.
Özel bir yazıcı kullanılarak bu şablonlar yazdırılır ve daha sonra aşağıdaki üretim süreçlerini gerçekleştirmek için bir model görevi görür.
Baz olarak Bakalit, FR4, fiberglas vb. olabilen bir yalıtım levhası kullanılır. Bu levha, her iki tarafta, genellikle 100 mikrondan daha az kalınlıkta olan bir bakır tabakası ile kaplanacaktır.
Panel daha sonra ışığa duyarlı bir tabaka ile lamine edilir. Bu durumda çiplerdeki gibi sıvı olmayıp, yüzeye yapışan çok ince bir filmdir.
Başka bir makinede, önceki adımlarda elde edilen şablonlardan biri, geliştirme için bir model olarak araya yerleştirilir. Daha sonra şablondan bir ışık geçirilir ve sadece bazı alanlar açığa çıkar. Bu alanlar, ışığa duyarlı katman sayesinde özelliklerini değiştirir.
Açıkta kalan film bakırı koruyacak, maruz kalmayan film kolayca yıkanacaktır. Bu, kimyasal bir soda külü banyosuna koyarak, maruz kalmayan filmin çıkarılacağı anlamına gelir.
Daha sonra, bir önceki adımda açığa çıkan bakırı çıkaracak olan ferrik klorür, hidroklorik asit vb. gibi asitlerle yıkanır ve ışığa duyarlı tabaka tarafından korunan bakır kalır. PCB’nin bağlantıları veya iletken yolları bu şekilde oluşturulur.
Sıyırma adı verilen başka bir kimyasal banyo, artık gerekli olmadığı için PCB üzerinde kalan bakırı koruyan filmin geri kalanını kaldıracaktır.
Ardından kullanılan kimyasalları ve korozyonlarını devam ettirmemeleri için su ile birkaç durulama işlemi gelir.
Bir optik test makinesi veya AOI, tasarımın doğru olduğunu ve bilgisayarda oluşturulana (düzen) karşılık geldiğini doğrulayacaktır. Bir arıza tespit ederse, kartı atar. Bir test yoluyla izlerin sürekliliğini kontrol etmek gibi bazı ekstra adımlar da olabilir.
Şimdi, bakır yüzeyi daha pürüzlü hale getiren, prepreg veya prepreg’in daha iyi yapışması için yapışmayı iyileştiren başka bir kimyasal banyo geliyor.
İstifleme olarak bilinen diğer bir adım, prepeg ve bakır yalıtım levhalarının iç içe geçmesine neden olur ve bir presin basıncı ve yüksek sıcaklık yoluyla, şimdiye kadar açıklanan aynı adımlar izlenerek oluşturulan gerekli katmanlar birleştirilir.
Bir sondaj ekibi daha sonra gerekirse gövdeye delikler açar, böylece bu delikler katmanlar arasında gömülü yollar haline gelir. Ve delikler bir sıvı kullanılarak temizlenecektir.
Elektroliz ile metalleşmeyi kolaylaştırmak için deliklere karbon uygulanır.
Şimdi varsa başka bir çift katman veya çekirdekle devam edilir ve tasarım bitene kadar bu şekilde devam eder. Anakartların yalnızca ön ve arka yüzlerinin olmadığını, çıplak gözle görülemeyen birçok katman olduğunu unutmayın.
Gerekli tüm katmanlar elde edildikten sonra dış katmanlar en sona bırakılacak ve ortadaki diğerlerinin üzerine sandviç şeklinde monte edilecektir.
Bir lazer matkap, katmanları birbirine bağlamak için mikroviyalar oluşturmak için birkaç küçük delik açacaktır. Ve tüm PCB kartından geçen delikler mekanik delme ile yapılacaktır.
Bir kez daha delikler matkap ucunun bıraktığı artıklardan temizlenir ve içlerinde karbon kullanılır. Şimdi, bakır başka bir koruyucu film tabakası ile tekrar korunmaktadır.
Bakır, elektrolitik metalizasyon yoluyla açıkta kalan izler ve delikler üzerinde biriktirilir ve bu şekilde elektriksel olarak bağlanırlar. Ardından, bir elektrolitik kalay tabakası maske görevi görecektir.
Bir kimyasal banyo, kalması gerekmeyen alanlarda kalan filmi ortadan kaldıracak ve sadece bakır veya kalması gereken izler kalacaktır. Ayrıca maske görevi gören tenekeyi de çıkaracaktır.
Daha sonra gerekli yapışma için katmana tekrar pürüzlülük sağlayacak başka bir kimyasal saldırı gerçekleştirilir.
Bir rulo, PCB plakasını renklendiren bir lehim maskesi, ışığa duyarlı ve kaynak önleyici mürekkep bırakacaktır.
Bir şablon, oyulması gereken gravür alanlarına tekrar maruz kalmaya yardımcı olacaktır ve maruz kalmayanlar ortaya çıkar ve mürekkepsiz bırakılır.
Üzerinde bulunan bileşenler hakkında bilgi almak için bileşenlerin lejandını, yani PCB yüzeyinde görünen harf ve kodları uygulama zamanı. Bunun için yüksek çözünürlüklü bir yazıcı ve özel bir mürekkep kullanılır.
Ardından metalik kaplamayı gerçekleştirmeye devam edilir.
Daha sonra kalıntıları temizlemek için deiyonize su banyosu yapılır.
Bir makine tarafından gerçekleştirilen bir elektrik testi, paletlerin sürekliliğini ve katmanlar arasında iyi bir yalıtım olup olmadığını test ederek plakanın düzgün çalıştığını doğrulayacaktır.
Şimdi bir robot yüzey bileşenlerini monte edecek ve lehimleyecektir. Ve bir operatör, iyi kaynaklar olup olmadığını bir mikroskop aracılığıyla kontrol edecek veya düzeltilmesi gerekiyorsa elle rötuş yapacak.
Ardından, tüm PCB’yi test eden tam bir test yapılacaktır. Ve %100 çalıştığında, genellikle silikon, poliüretan, akrilik, epoksi vb. bir korozyon koruma tabakası sunulur.
Ürün artık paketlenmeye hazırdır ve üretim süreci tamamlanmıştır.