Elektronik Devre Tasarımı BDT2. Elektronik Devre Tasarımı. Ders 01. ŞENYURT / 1

Transkript

1 Elektronik Devre Tasarımı Ders / 1

2 / 2

3 Printed Circuit Boards (PCB) Baskılı Devre Kartı / 3

4 Baskılı Devre Kartına Giriş Baskılı kablolama kartları olarak da bilinir ların ortalarında Avusturyalı Paul Eisler tarafından keşfedilmiştir. Elektronik endüstrisinin bel kemiğidir. Yılda milyon dolardan daha fazla küresel ticareti vardır. Yıllık üretilen milyonlarca metre karedir. / 4

5 Baskılı Devre Kartına Giriş Bakır yollar yüzey üzerinde basılı Sert yüzey Gümüş görünüm ama bakır turuncudur. Bütün yüzey üzerinde yeşil reçine / 5

6 PCB nin Türleri Çok katmanlı, Tek taraflı kaplı olmayan delikler, İki taraflı kaplanmış delikler, İki taraflı kaplanmamış delikler. / 6

7 Temel Malzeme Pcb oluşturmak için kullanılan lamineler Yüzey: reçine ve kuvvetlendirilmiş donatı İletken (bakır) folyo Bakır yollar ve pad lar bakır aşındırılarak oluşturulmaktadır. Delikler delinerek yapılır. Lamineler tek katmanlı levhalar için yalnızca bir tarafı bakır folyodur. Çok katmanlı kartlar birkaç ince iki taraflı lamine ile birlikte birleştirilerek oluşturulmaktadır. / 7

8 Yüzeyler Mekanik karakteristik a) Bileşenleri destekleyecek ve mekanik baskılara dayanacak kadar yeterince serttir. b) Delmek için uygundur. c) Laminasyon sorunlarından zarar görmez. Kimyasal karakteristikler a) Kaplanabilme yeteneği b) Aşırı nem emmez. c) Alev geciktiriciliği Isıl karakteristikler a) Isı yayılımı b) Düşük ısıl genleşme c) Lehimleme sırasında ısı dayanma yeteneği d) Isı döngü dayanıklılığı Elektriksel karakterislikler a) Yüksek frekanslarda düşük dielektrik sabiti ve düşük kayıplar b) Yüksek kırılma gerilimi / 8

9 Yüzeyler için malzemeler Lamine yüzeyler iki malzeme tarafından oluşmuştur. a) Reçine sistem b) Kuvvetlendirilmiş donatı Dokuma cam elyafı Reçine türleri Bakalit, polyester, epoksi, polimid Kuvvetlendirilmiş donatı türleri Pamuk kâğıt, dokuma cam elyafı, mat cam, aramid fiber, genleştirilmiş teflon Lamine yüzeyler için kullanılan iki sınıflandırma sistemi NEMA ve IPC-4101 dir. En çok kullanılan dokuma cam elyaf ve epoksi reçineden oluşmuş NEMA FR4 dür. Bakalit / 9

10 Termal karakteristikler Tg ye ulaşıldığında CTE önemli bir şekilde artar. İşlem sıcaklığı Tg her zaman Tg altında tutulmalıdır. Yüksek bir Tg ile reçine sistemleri Genellikle zor ve düşük Tg sistemlerine göre daha kırılgan olduğundan her zaman iyi bir alternatif değildir. / 10

11 Bakır folyo Bakır folyo farklı kalınlıklarda olabilir. Yüksek kalınlıklar güçlü bakır yolla için gereklidir. Normal kalınlıklar onlarda mikron düzeyindedir. Kalınlıklar ayrıca kare ayak başına bakırın ağırlığı (ons)olarak ifade edilir. 1/2ons 18mikrometre 1ons 35mikrometre 2ons 70mikrometre Bakır olağan malzemedir. Tek alternatif değildir. Alüminyum ve nikel de mümkündür. / 11

12 Lamine karakteristikleri IPC 4101 standardına uyan lamine tanımı Kontrol noktaları Lamine kalınlığı Tg (standart C, ortalama 150 C, yüksek >170 C) Isıl direnç lehimlerken (özellikle kurşunsuz süreçler) ısıl döngü için dayanıklılık (yüksek güvenirlik). Isıl genleşme katsayısı Dielektrik sabiti Yüksek frekanslarda kayıplar / 12

13 Trace Track (Bakır Yollar) Bakır yollar için tavsiye edilen bir boyut yoktur. Bakır yolların boyutu tasarımın elektriksel gereksinimlerine bağlıdır. Her tasarım kart üzerinde bakır yollar arasındaki değişebilen elektriksel gereksinim farklı ayarları için olacaktır. Büyük bakır yollar düşük DC direnç, düşük endüktans, üretim için aşındırmada ucuz ve kolay olacaktır. Bakır yolların boyutu üretim kapasitesine bağlı olarak değişir. Devre tasarımı sırasında bakır yolların ne kadar genişlikte olacağı bakır yol genişlik analizi ile belirlenebilir. / 13

14 Trace Track (Bakır Yollar) Bakır yolların mümkün olduğu kadar en kısa yoldan tamamlanması gerekmektedir. İyi bağlantı (solda) İyi bağlantı (solda) Kötü bağlantı (sağda) Kötü bağlantı (sağda) / 14

15 Pad THT Delikli montaj için pad ler SMD Yüzey montaj için tipik pad ler / 15

16 Bakır yol genişlikleri Bakır genişlikler için arada bir denge vardır. Gerekli yoğunluk PCB üretim teknolojisinin sınırları Ağlardan geçen akım Tipik asgari genişlikler Düşük yoğunluklu el işi PCB:15mil Orta yoğunluklu, düşük maliyetli PCB: 12-6mikron Yüksek yoğunluklu PCB: 3milden az İnce bir bakır yoldan geçen yüksek akımlar nedeni ile sorunlara sebep olabilir. Sıcaklık artışı ve eğimler Gerilim kayıpları Bakır yol genişlikleri ve kesit alanları / 16

17 Bakır yol genişlikleri / 17

18 Isı yükselmesine karşın bakır yol alanı / 18

19 Via Bir PCB katmandan diğerine bakır yolları işaretleri yönlendirmek için kullanılan elemanlardır. Delik içi kaplamalı olarak uygulanırlar. Delik montaj pad larının birinden çok daha küçük matkap boyutu vardır. 12mil veya 30mil veya daha fazlasına karşılık daha azdır / 19

20 Çok katmanlı Via türleri Geleneksel Via, Kör Via, Gömülü Via / 20

21 Yalıtım Yalıtım iki sebepten dolayı gereklidir. Bakır aşındırma işleminin teknolojik sınırlamaları Dielektrik kırılmadan kaçınmak için Bakır yollar ve pad lar arasındaki gereken yalıtım genellikle en küçük bakır yol boyutu (fotolitografik sınırlamalar) ile aynıdır. Her zaman PCB üreticisine başvurun. Dielektrik kırılma genellikle yüksek gerilim kullanılmadıkça bir sorun değildir (örneğin 220 volt). FR4 elektrik dayanımı 1250 V/mil Havanın elektrik dayanımı 76 V/mil (30 kv/cm). Güvenlik sınırını her zaman ekleyin(örneğin büyüklüğün bir katı). / 21

22 Delme Sınırlamaları Bir via etrafındaki dairesel halka derme kaymaları nedeni ile en küçük boyutta olmalıdır. Delikli pad lar iyi bir lehim alanını garanti altına almak için büyük daire halkaları olmalıdır. Dairesel halkaların en küçük gereken boyutu hizalamadaki artan zorluklar yüzünden iç tabaka için genellikle daha büyüktür. / 22

23 Mikrovia Mekanik olarak bölünmüş vialar için boyut sınırı genellikle 8 le 10mikrondur. En küçük vialar mikrovia olarak isimlendirilir ve tipik olarak lazer ile kesip alarak oluşturulur. 6 mil çapında veya daha az elde edilebilir. Yüksek yoğunluklu mikrovialar sadece kör vialar için mevcuttur. / 23

24 Clearance Bütün kartlarda en önemli gereksinim elektriksel boşluklardır. Clearance; bakır yollar ile padlar arasında veya bakır yollar arasında bırakılması gereken minimum boşluk miktarıdır. Gereğinden daha küçük boşluk miktarı kısa devrelere sebep olacağı gibi, aynı zamanda üretim aşamasında da zorluklarla karşılaşılmasına neden olur. / 24

25 Chamfer (Köşelerin ovalleştirilmesi) Bakır yollar yerleştirildikten sonra bakır yolların fiziksel olarak daha güçlü olmasını sağlamak için yapılan işlemdir. Teardrops (Gözyaşı damlaları) Bütün padlar veya vialara bakır yolların bağlantı yerlerinde daha yumuşak geçişler sağlamak için yapılan işlemdir. Padlar ve vialarda daha güçlü bağlantı yapılmasını sağlamaktadır. / 25

26 Netlist (Ağ Listesi) Devre şemasında elemanlar arasındaki bağlantı iletkenleri net (ağ) olarak isimlendirilir. Ağlar ile PCB bileşenlerinin (component) otomatik kablolanması (Auto Route), Tasarım Kural Kontrolü (Design Rule Check) yapılması, eleman bağlantılarının görüntülenmesi mümkündür. Çizilen devre şemasının PCB tasarım programına aktarılması için Component list ve Netlist dosyaları program tarafından oluşturulmaktadır. / 26

27 Rats Nest PCB tasarım programına transfer edilen tasarlanmış devrede bulunan elemanların pinleri arasındaki bağlantıları gösteren geçici gösterilen çizgilerdir. Netlist dosyasından gelen bilgiler ile oluşturulur. PCB tasarımı yapılırken Trace (bakır yol) çizildiğinde program tarafından otomatik olarak ortadan kaldırılır. / 27

28 SolderMask (Lehim maskesi) veya direnç Bakır yollar ve pad lerin aşındırılması tamamlandıktan sonra lehim maskesi veya direnç denilen özel bir reçine ile bakır kaplanır. Lehim maskesinin üç amacı vardır. Lehim sırasında yakın bakır yollar arasında kısa devreleri önlemek için Bakır yolla ve vialara çevre koruması sağlamak için Elektriksel yalıtımı artırır(örneğin nem oluşumunu önler). Genellikle yeşil bir polimerdir. Ama diğer renklerde mevcuttur. / 28

29 Pad lar ve Lehim Maskesi Lehim maskesi tanımlı pad Lehim maskesiz tanımlı pad Lehim maskesi dokusunda bakır aşındırıldığında yüksek bir hassasiyete genellikle gerek olduğu için lehim maskesiz tanımlı pad lar tercih edilmektedir. Ayrıca lehim maskesi açıklığı tarafından sınırlı değildir ve lehim serbestçe akar. / 29

30 Silk Screen (Serigrafi Baskı) Lehim maskesi üzerinde basılan metinler serigrafi olarak anılır. Tipik boyutlar 100 mil uzunluğunda, 10 mil genişliğinde Üreticinize başvurun. Bakır ve lehim maskesi metinleri yazmak için kullanılır. Önemli Metinler Bakır pad lar ve vialar üzerine değil, lehim maskesi üzerine yalnızca yazılacaktır. / 30

31 Polygon (Çokgenler) Çokgenler PCB lerin çoğunda genellikle bulunmaktadır. Bakır yollar ve padler etrafını dolaşan arzu edilen bir bakır alan ile çokgenler otomatik olarak doldurulur. Bunlar toprak alanları boyunca uzandığı için çok faydalıdır. Çokgenler bakır yollar ve padlerin tamamı yerleştirildikten sonra doldurulmalıdır. Düz çokgenler ve desenli çokgenler olarak sınıflandırılabilir. / 31

32 Copper Area (Bakır alanlar) Bakır alanlar ağlar çevresinde zemin düzlemleri sağlamak (elektriksel özellikleri iyileştirmek) ve ayrıca ısısal giderici olarak hareket ederler. Bakır alanlar enerji ağlarını taşımada geniş bakır yollar olarak kullanılabilir. / 32

33 Isıl kabartmalar Bakır alanları ile sorun onların mükemmel termal giderici olabilecek olmasıdır. Lehim sırasında çok fazla ısı harcanmış olduğundan, bu nedenle kuru eklemler gibi bazı sorunlar ortaya çıkabilir. Bu sorunlardan kaçınmak için, pad veya bakır alan yaratmayan bütün düzleme ısıl kabartmalar üzerinden bağlanır. / 33

34 Emniyet işaretleri Bu PCB montaj sürecini kolaylaştırmak için hizalama markalarıdır. Küresel işaretler, kart başına en az üç Yerel işaretler, ince adımlı bileşenler başına iki / 34

35 Üretim Akışı: Çift Katman (1) Film üretimi: Bir foto çizici, katman başına bir film kullanarak, kullanılan ışığa bağlı olarak pozitif ya da negatif olabilir. / 35

36 Üretim Akışı: Çift Katman (2) Hammadde Kesme: Endüstri standardı kalınlığında, bakır kaplı, iki taraf Paneller birçok kartı karşılamak için makaslanacaktır. / 36

37 Üretim Akışı: Çift Katman (3) Delikleri delme: NC makineler ve karpit matkap kullanma. / 37

38 Üretim Akışı: Çift Katman (4) Elektriksiz Bakır: delik varil ince bakır yatakları uygulayın Katalizör olarak Paladyum dayalı Karmaşık tepkime: Tipik olarak 1 mikron bakır, elektrolitik teknikleri kullanılarak 10 ~ 15 mikron için sonradan arttırılması gerekli olan bu teknik ile elde edilir. / 38

39 Üretim Akışı: Çift Katman (5) Görüntü uygulama: panele ışığa duyarlı film (dayanıklı plaka) uygulayın. Panele maruz bırakmak için ışık kaynağı ve film kullanın. Panelden seçilmiş alanları geliştirme. / 39

40 Üretim Akışı: Çift Katman (6) Desen plaka: delikler ve bakır yollar üzerindeki alanlarda bakır inşa etmek için elektrokimyasal süreç. Yüzeye kalay uygulayın. Elektrolitik bakır Biriken bakırın genişliği elektrolitik bakır kullanılarak artırılır. Anodun bakırı katoda (kart) geçer. Temelde, bakır sülfat ve sülfürik asit ve diğer katkı maddeleri ihtiva eden Elektrolitik su çözeltisi Biriken metalin ağırlığı aşağıdaki formülle verilir: W = ( I t A ) / ( n F ) I akım, t zaman, A metalin atom numarası, n katılan elektronların sayısı, F Faraday ın sabiti (96485 C/mol) Tam olarak elektrolitik bakır gerçekleştirmek üzere bir iletken folyo oluşturmak için grafit kaplamaya dayalı elektrolitik işlemler günümüzde çok yaygın vardır. / 40

41 Üretim Akışı: Çift Katman (7) Şerit ve aşındırma: kuru filmi kaldırın, sonra bakırı aşındırmaya maruz bırakın. Kalay bakır devreyi aşındırmada korur. Aşındırma süreci En klasik işlem demir klorür kullanmaktır. FeCl 3 + Cu FeCl 2 + CuCl FeCl 3 + CuCl FeCl 2 + CuCl 2 CuCl 2 + Cu 2 CuCl Günümüzde endüstriyel işlemlerde amonyak temelli aşındırıcılar kullanılmaktadır. Cu + Cu[NH 3 ] Cu[NH 3 ] 2+ 2Cu[NH 3 ] NH NH 3 + ½ O 2 4Cu[NH 3 ] H 2 O / 41

42 Üretim Akışı: Çift Katman (8) Lehimleme maskesi: Lehim padlari dışındaki bütün karta lehim maskesi alanı uygulayın. / 42

43 Üretim Akışı: Çift Katman (9) Lehim katı: Lehim tankına daldırarak pad lere lehim uygulayın. Tanktan (HASL) kaldırıldığı zaman sıcak hava bıçakları lehimi dengeler. / 43

44 Üretim Akışı: Çift Katman (9) Kalay ve lehim maskesi hakkında ayrıntılar Aşındırmadan önce bu işlem süresince bakırı korumak için bakır üzerine kalay eklenir. Elektrolitik ve elektriksiz işlemler uygulanabilir. Saf bakır üzerine lehim maskesi (SMOBC) Lehim maskesi eklemeden önce kimyasal etki kullanılarak kalay kaldırılır. Lehim maskesinde çatlaklara yol açan lehimleme süresince kalayın erimemesi bir sorundur. Son olarak bir kaplama malzemesi lehimlenebilirliği sağlamak için saf bakır üzerine eklenir. Kalay kurşun Altın Saf kalay veya kalay gümüş / 44

45 Üretim Akışı: Çift Katman (10) İsimlendirme: Serigrafi baskı işlemi kullanarak işaretleme beyaz kağıt uygulayın. Son olarak, NC gereç kullanılarak kartının çevresini kesin. / 45

46 Çok Katmanlı Üretim 8-katmanlı PCB oluşturmak için, dört ince önkazınmış PCB'lere birlikte dizilir. Katmanlar arası malzeme öndolgu olarak adlandırılır. Bileşimi PCB yüzeye benzerdir: reçine artı cam elyafı Lamineler basınç ve sıcaklık kullanılarak birleştirilir. Ayrıca, bir vakum odası kullanılabilir. İşlemin geri kalanı (delme, dış tabaka işleme) 2- katmanlı PCB gibi devam ediyor. / 46

47 Presleme Süreci / 47

48 Dört katmanlı yapı örneği / 48

49 Altı katmanlı yapı örneği / 49

50 Elektriksel test: evrensel ızgara Kart tamamlandıktan sonra kısa devre olmaması ve bütün ağların bağlanmasını sağlamak için bir elektriksel test yapılmalıdır. Çivi yatağı (evrensel ızgara) makineleri: Tek yoğunlukta 100 mil - Çift: 70 mil / 50

51 Elektriksel test: uçan prob Yüksek yoğunluklu devreler için alternatif doğru bir şekilde bütün devre üzerine yerleştirilmiş olan iki veya daha fazla problu bir makine olmasıdır. Elle test ile aynı algoritma: ağın her pad ini problayın ve sürekliliğini doğrulayın / 51

52 Esnek PCB ler Kameralarda, mobil telefonlarda, esnek bağlantılarda (optik sürücüler, yazıcılar gibi) kullanılır. / 52

53 Kaynak Sergio Lopez-Buedo Universidad Autonoma de Madrid / 53