Bronvermelding: https://jeweka.nl/category/theorie-en-werkboeken Module 4 Hoofdstuk4 Paragraaf 4.3 & 4.4 Blz 245 t/m 253

Door de ontwikkeling van de elektronica en de micro-elektronica IS ROND 1950 de printplaat als gedrukte bedrading ontstaan. In 1936 heeft de Oostenrijkse ingenieur Paul Eisler de printplaten uitgevonden. Pas vanaf 1948 wordt de printplaat voor commercieel gebruik toegepast.

De Opbouw van een Printplaat

Ik beperk me verder tot de standaardprintplaat en behandel niet de technieken voor speciale printplaten.

Basismateriaal van printplaten wordt gewoonlijk voorzien van een koperlaag die met lijm aan de printplaat gehecht wordt, afhankelijk van het type printplaat (enkelzijdig, Dubbelzijdig, Multi-layer) aan één of meer kanten.

De dikte van het koper is afhankelijk van de stroom die de kopersporen op de printplaat zullen gaan voeren. Dit hangt samen met de breedte van de kopersporen op de printplaten. Voeding en massa-aansluitingen zullen bredere kopersporen hebben dan de meeste andere componentaansluitingen.

Daar waar de componenten op de printplaat gemonteerd moeten worden, zullen de sporen iets breder zijn of voorzien van soldeereilandjes (pads). De afstand tussen de printsporen dient te voldoen aan de gestelde specificaties. Geleidende printsporen dien op een bepaalde minimumafstand van elkaar te liggen in verband met doorslag.

Deze afstand hangt af van de gebruikte spanning. Bij 220 volt is deze afstand minimaal 0,8mm en bij laagspanning ongeveer 0,3mm. Parallel lopende printsporen vormen ook een capaciteit (2 geleiders gescheiden door isolatiemateriaal). Een ander belangrijk punt is de lengte en de vorm van printsporen.

Sporen dienen zo kort mogelijk te zijn, ommdat ze een weerstand gaan vormen. Bochten in de sporen dienen geleidelijk (in stappen van 45°) te zijn. Zie onderstaande afbeelding hoe het wel en niet moet!

Geen scherpe rechte hoeken in printsporen in een printplaat
Geen scherpe rechte hoeken in printsporen

In de steeds kleiner wordende elektronica speelt ook EMC (ElektroMagnetische Compatibiliteit) een belangrijke rol. Dat is de mate van ongevoeligheid voor elektromagnetische straling. Afscherming van componenten of complete printplaten kan noodzakelijk zijn.

Ook statische elektriciteit is een bron waar elektronica tegen beschermd moet worden. MOS- en CMOS-componenten zijn zeer gevoelig voor statische ontlading of elektrische velden die deze componenten kunnen beschadigen. Het behandelen van componenten al dan niet op een printplaat vraagt speciale voorzorgsmaatregelen.

De kopersporen worden meestal vertind om oxidatie van het koper tegen te gaan en de soldeerbaarheid te bevorderen. Printplaten voor toepassingen in vliegtuigen worden meestal ook voorzien van een soldeermasker. Dat is een soort laklaag (coating) die ook oxidatie en tevens kortsluiting tussen sporen onderling voorkomt.

Coating of Goldflashing printplaten

De coating voorkomt ook vochtopname door de printplaat. Tijdens het automatische soldeerproces kan zich alleen soldeer hechten aan de niet gemaskeerde delen. Dat zijn de plaatsen waar de componenten geplaatst en elektrisch verbonden worden met de print.

Het coaten van een printplaat wordt pas uitgevoerd nadat de gaten zijn geboord en door gemetalliseerd (Plated Through Hole – PTH). Door metalliseren wordt meestal bij dubbelzijdige en Multi-layer-printplaten gedaan. het bevordert de mechanische sterkte van de soldeerverbinding.

Tijdens het soldeerproces zal het soldeer door het gat heen naar de componentzijde vloeien. Desolderen in verband met reparaties vereist dan wel de juiste middelen en vaardigheid om oververhitting en beschadiging te voorkomen.

Als er hogere eisen worden gesteld aan de verbinding, dan kiest men voor goldflashing. De printsporen worden dan verguld. De printplaat zal elektrisch verbonden moeten worden met externe verbindingen.

Er kan gekozen worden voor het plaatsen van connectoren die gesoldeerd worden aan de printplaat (cardedge), (zie onderstaande afbeelding), maar er kan ook gekozen worden voor insteekprintplaten, waar aan de rand van de print uitlopers van soldeerbanen de contacten vormen.

Deze (meestal vergulde) contacten worden dan in een behuizing in een connector gedrukt. De printkaart wordt dan dikwijls voorzien van een aantal sleuven dat de keyway bepaalt, zodat prints niet onderling verwisseld en verkeerd aangesloten kunnen worden (zie onderstaande afbeelding 2).

De verschillende soorten printplaat

De verschillende soorten printplaten, hun opbouw en gebruikte componenten worden in onderstaande paragraaf besproken.

Factoren printplaatkeuze

Voordat een printplaat gekozen wordt, zal gekeken worden naar de omstandigheden waarin de printplaat moet kunnen functioneren. Ook speelt de beschikbare ruimte een rol. Tevens zal de complexiteit van de schakeling mede bepalen welke print gekozen zal worden.

Voor het vertalen van een elektronische schakeling in een printontwerp zijn speciale programma’s ontwikkeld. Dit proces zullen we verder niet bespreken.

SMD (Surface Mount Device) of Conventionele componentmontage

Een ander punt bij de printkeuze is welk soort componenten er toegepast zullen worden. De afgelopen jaren worden vooral SMD-componenten gebruikt. Zie hiervoor onderstaande afbeelding.

SMD-Componenten op een printplaat
SMD-Componenten

Dit maakt printplaten veel kleiner en goedkoper. Vooral bij grotere series kan deze door middel van automatisering van productieprocessen goedkoop geproduceerd worden; heel snel (tot bijna 10000 componenten per uur) en heel nauwkeurig (op 0,01 mm nauwkeurig).

En dat gebeurt dan volautomatisch, dus met minimale menselijke inspanning. De techniek noemen we SMT (Surface Mount Technology). De elektrische aansluitingen van SMD-componenten worden op de printsporen geplaatst die vooraf op de print zijn aangebracht. Er zijn dus geen gaten in de printplaat nodig voor de montage van de componenten.

Onder conventionele componentmontage verstaan we het toepassen van componenten waarvan de aansluitdraden / pootjes door de gaatjes in de printkaart gestoken worden. Dit kan met de hand gebeuren, maar bij grote series gebeurt dit met een bestÜckmachine (sequencer).

Deze componenten worden ook wel through hole-componenten genoemd. Van belang is dat de aansluitdraden voldoende ver door het gat steken. Vaak worden de aansluitdraden aan de soldeerzijde omgebogen om te voorkomen dat deze, zolang ze nog niet gesoldeerd zijn, eruit vallen.

De componenten, die veel warmte afgeven, worden zoveel mogelijk aan de buitenkant van de printplaat bevestigd. Weerstanden die veel warmte afgeven worden meestal verhoogd gemonteerd (zie onderstaande afbeelding). Vermogens-IC’s en versterkers kunnen aan een koelpaat (heatsink) gemonteerd zijn.

Het komt nog steeds voor dat op één printkaart zowel SMD als conventionele componenten gebruikt worden (zie onderstaande afbeelding). Niet alle componenten zijn als SMD verkrijgbaar, of kunnen slechts in grote hoeveelheden besteld worden.

Aanduidingen op pintplaat

Zodra er een ontwerp is voor de opbouw van de printplaat kan er een sporenpatroon aangebracht worden. Dit ontwikkelproces valt buiten het bestek van dit artikel. Het van belang dat er informatie op de printplaat aangebracht wordt over waar welk component gemonteerd moet worden en hoe het gemonteerd moet worden.

Printplaten worden vooraf daarom voorzien van een silkscreen. Denk aan polaire (stroomrichtinggevoelige) componenten zoasl een diode en bepaalde type condensatoren, maar ook IC’s die sechts op één manier gemonteerd mogen worden.

SMD en conventionele componenten op 1 printplaat
SMD en conventionele componenten op 1 printplaat

Typen printplaten

We onderscheiden de volgende type:

  • Enkelzijdig bedrukte printplaten;
  • Dubbelzijdig bedrukte printplaten;
  • Multi-layer-printplaten;
  • Flexibele Printplaten.

Enkelzijdig bedrukte printplaten

Een enkelzijdig bedrukte printkaart is de meest eenvoudige printkaart waar de componenten aan de nee kant en de printsporen en tevens soldeerzijde zich aan de andere kant bevinden.

De plaats waar de aansluitdraden van de componenten door de print heengaan en vast gesoldeerd worden zijn er soldeereilandjes aanwezig. Deze printplaten worden meestal toegepast voor eenvoudige schakelingen

De enkelzijdige printplaat
De enkelzijdige printplaat

Dubbelzijdig bedrukte printplaten

Voor meer ingewikkelder printplaten kiest men voor de dubbelzijdig bedrukte printplaten. Aan beide zijden zijn soldeereilandjes en kopersporen aangebracht. Toch wordt slechts één zijde gebruikt als soldeerzijde, te weten daar waar de uiteinden van de aansluitdraden van conventionele componenten uit de print steken.

SMD-componenten kunnen eventueel aan beide zijden aangebracht worden. Er kunnen doorverbindingen van de ene naar de andere zijde van de printplaat aangebracht zijn, zogenaamde VIA’s. De gaten zijn gewoonlijk door gemetalliseerd.

Dubbelzijdige printplaattype
Dubbelzijdige printplaattype

Multi-layer-printplaten

Om ruimte te besparen en voor complexe schakelingen wordt de multi-layer-printplaat gebruikt. er zijn inmiddels multi-layer-printplaten met meer dan 20 lagen. Een voorbeeld van de opbouw van de verschillende lagen is in onderstaande afbeelding te zien.

De prepreg is een kunststof versterkingsmateriaal dat samen met een hars na verhitting uithardt. Het dient tevens als isolatiemateriaal tussen koperlagen.

Opbouw van een multi-layer printplaat
Opbouw van multi-layer printplaten

Een veel gebruikte multi-layer-printplaat heeft 4 lagen. De middelste 2 lagen vormen de voeding en de massa, terwijl de buitenste lagen gebruikt worden voor het verbinden van de signalen met de componenten.

Doorverbindingen op een multi-layer
Doorverbindingen op een multi-layer

De Flexibele Printplaat

Plaatsing van componenten op traditionele printplaten is beperkt tot het tweedimensionale vlak, waardoor het vaak niet mogelijk is om in elkaar passende componenten dicht op elkaar te plaatsen. Een nieuwe methode voor geometrische indeling is onderzocht om deze beperking op te heffen.

in elkaar passende componenten kunnen nu in een driedimensionale ruimte dicht op elkaar worden geplaatst door gebruikmaking van een flexibele printplaat. Door de printplaat op een dusdanige manier te vouwen dat wordt voorzien in de geometrische eisen van alle componenten, wordt de deur naar nieuwe mogelijkheden op het gebied van micro-elektronica geopend.

Op flexibele printplaten worden normaal gesproken alleen SMD-componenten geplaatst. De geleidende kopersporen liggen op een polyimide onderlaag. Bovenop de printsporen kunne verschillende materialen gebruikt worden voor het isoleren, te weten: eveneens polyimide, coating of een andere transparante kunststoflaag.

De plaats waarde componenten verbonden worden aan de contacten op de print zijn vanzelfsprekend blank gelaten. Conventionele componenten worden dus niet op een flexprint aangebracht. Geboorde gaten verzwakken de print zodanig dat op die plaats deze stuk zal gaan (Scheuren of breken).

In de praktijk zullen flexibele printplaten meestal gecombineerd zijn met epoxy-(FR4) printplaten. De verbindingen tussen de flexprint en de epoxyprintplaat is dan meestal een rigid-flex.

Voor het productieproces worden vóór het aanbrengen van de componenten de flexprints in een frame geplaatst en daarbij ondersteund door een hard materiaal (bijvoorbeeld epoxy), anders zou de flexprint stuk gaan tijdens het bewerken door de uitgeoefende krachten erop.

Flex-rigid printplaat
Flex-rigid

Zelf met een Printplaat werken?

Wilt u zelf aan de slag gaan met printplaten. Programmeren en bouwen? Kijk dan eens naar onderstaand product. Dit product helpt u met de basiskennis van printplaten en je kan er zelf mee gaan bouwen!

Meer nieuws.

Meer weten over de opbouw van printplaten en welke verschillende soorten je kan tegenkomen? Kijk dan eens naar DIT ARTIKEL.

Bronvermelding: https://jeweka.nl/category/theorie-en-werkboeken Module 4 Hoofdstuk4 Paragraaf 4.3 & 4.4 Blz 245 t/m 253

Geef een reactie

Deze site gebruikt Akismet om spam te verminderen. Bekijk hoe je reactie-gegevens worden verwerkt.