Wanneer je een smartphone, computer of zelfs een elektrische tandenborstel openschroeft, zie je vrijwel direct een platte, meestal groene plaat waarop tientallen kleine onderdelen zijn gemonteerd. Dit is de Printed Circuit Board, beter bekend als de PCB. Een PCB vervult twee basisfuncties: ten eerste is het een stevige mechanische ondergrond voor elektronische componenten en ten tweede verbindt het deze onderdelen elektrisch met elkaar.
Voordat de PCB is ontwikkeld, werden elektronische apparaten aan elkaar gekoppeld met losse draden. Dat was niet alleen enorm arbeidsintensief om te bouwen, maar ook zeer gevoelig voor storingen en kabelbreuken, die ook nog eens erg lastig te vinden waren. De uitvinding van de printplaat bracht hier verandering in. Door bedrading te vervangen door platte koperlijnen op een isolerend plaatje, werd elektronica compact, betrouwbaar en geschikt voor grootschalige productie.
De opbouw van een PCB
De basisopbouw van een printplaat is verrassend overzichtelijk. De kern bestaat uit een stevig, niet-geleidend substraat, meestal gemaakt van glasvezel doordrenkt met epoxyhars (bekend als FR-4). Op dit substraat wordt een flinterdunne laag koperfolie aangebracht. Om te voorkomen dat de koperen sporen oxideren of ongewild contact maken met andere metalen, wordt er een beschermende laklaag over aangebracht: het soldeermasker. Dit masker geeft de plaat zijn groene kleur, al bestaan er ook andere varianten. Ten slotte wordt er met witte inkt een opdruk aangebracht, de silkscreen, waarop symbolen en coderingen staan die laten zien waar elk onderdeel moet komen.
Het ontwerpproces van een PCB
Het maken van een PCB begint niet in de fabriek, maar op de computer van een engineer. Net zoals werktuigbouwkundigen software zoals SolidWorks gebruiken voor het ontwerpen van mechanische onderdelen, maken elektronica-ontwerpers gebruik van gespecialiseerde PCB CAD-software.
Het ontwerpproces bestaat uit twee fasen. Eerst tekent de engineer het elektrische schema. Dit is een blauwdruk waarin alle componenten (zoals weerstanden, chips en condensatoren) met elkaar zijn verbonden via logische lijnen. Zodra dit klopt, stapt de ontwerper over naar de fysieke layout. Hier krijgt elk onderdeel zijn daadwerkelijke vorm en plaatsing op de plaat. De software helpt bij het leggen van de koperen sporen tussen de componenten. Hierbij moet rekening worden gehouden met strikte regels: sporen mogen elkaar niet zomaar kruisen, moeten dik genoeg zijn voor de verwachte stroomsterkte en moeten voldoende afstand bewaren om kortsluiting te voorkomen. Als het ontwerp klaar is, genereert de software digitale productiebestanden die naar de fabriek worden gestuurd.
Het maakproces van een PCB
In de fabriek worden de digitale bestanden met behulp van chemische en mechanische processen naar tastbare hardware omgezet. Dit proces vereist extreme precisie en volgt een reeks van vaste stappen.
Het begint bij het voorbereiden van het basismateriaal. Grote platen van het FR-4 substraat, die voorzien zijn van een koperlaag aan één of beide zijden, worden op het gewenste PCB-formaat gezaagd.
Vervolgens wordt het gewenste sporenpatroon op de koperlaag overgebracht via fotolithografie. De plaat wordt bedekt met een lichtgevoelige film (photoresist). Een fotomasker van het circuitontwerp wordt over de plaat gelegd, waarna het geheel wordt belicht met UV-licht. Het UV-licht zorgt ervoor dat de film op de plekken van de koperen sporen uithardt. De niet-belichte film wordt daarna chemisch weggewassen, waardoor het ongewenste koper blootkomt te liggen.
Nu volgt de etsstap. De plaat gaat door een chemisch bad dat al het onbeschermde koper oplost. Het koper dat bedekt is door de geharde film blijft onaangetast. Na het strippen van de overgebleven beschermfilm blijven alleen de strakke koperen geleidingssporen over op het glasvezelsubstraat.
Modernere PCB’s bestaan vaak uit meerdere lagen die onder hoge druk en temperatuur op elkaar worden geperst. Om elektrische verbindingen tussen deze verschillende lagen mogelijk te maken, moeten er doorgangen worden gemaakt. High-precision CNC-boormachines of lasers boren minuscule gaatjes (vias) in de plaat. Omdat de binnenkant van een geboord gat uit niet-geleidend glasvezel bestaat, moet het gemetalliseerd worden. Via een chemisch koperbad wordt een dun laagje koper op de binnenwand van de gaatjes afgezet. Dit proces (PTH) zorgt voor een betrouwbare verbinding tussen de lagen.
Nadat de elektrische structuur klaar is, krijgt de plaat zijn afwerking. De soldeermaskerlak wordt aangebracht, belicht en ontwikkeld, zodat alleen de soldeereilanden (pads) vrij blijven. Hierna volgt de bedrukking van de witte silkscreen. Om te zorgen dat de blootliggende koperen pads niet oxideren voordat de onderdelen erop worden gesoldeerd, krijgt de plaat een beschermende oppervlaktebehandeling, zoals een dun laagje tin of goud.
Ten slotte ondergaat elke printplaat een strenge kwaliteitscontrole. Met een geautomatiseerde elektrische test (de flying-probe test) controleren bewegende testpinnen of elke verbinding stroom geleidt en er nergens een onderbreking of kortsluiting is ontstaan. Pas na goedkeuring wordt de plaat op het definitieve formaat uitgefreesd.
Het belang van de PCB
Waarom maken we gebruik van zo’n uitgebreid proces met chemische baden, UV-belichting en precisieboringen?
Ten eerste biedt een PCB een enorme maakbaarheid en herhaalbaarheid. Het digitale ontwerp kan honderdduizenden keren identiek worden geproduceerd. Elke gefabriceerde plaat heeft exact dezelfde elektrische eigenschappen, spoorlengtes en signaalgedrag, wat essentieel is voor de betrouwbaarheid ervan.
Ten tweede maakt de technologie extreme miniaturisatie mogelijk. In een compact apparaat zoals een smartwatch kunnen honderden componenten en duizenden verbindingen op een oppervlak van een paar vierkante centimeter worden geplaatst dankzij meerlaagse PCB’s.
Daarnaast spelen mechanische en thermische factoren een grote rol. Componenten die rechtstreeks op een printplaat zijn gesoldeerd, kunnen goed tegen trillingen en schokken. Ook helpt het koper op de plaat om de warmte die door krachtige microchips wordt gegenereerd efficiënt te verspreiden en af te voeren, wat de levensduur van de elektronica aanzienlijk verlengt.
De PCB zit in vrijwel alle apparaten die we dagelijks gebruiken. Van de eerste schets in CAD-software tot het chemisch etsen van kopersporen: het fabricageproces vereist een goede samenwerking tussen software-engineering, chemie en precisiemechanica.
Robert Dilber
Voor meer blogs, kijk hier