Printplaten: zó belangrijk, maar zó ondergewaardeerd

Printplaten zijn letterlijk de basis van elektronische producten en systemen. Ze verbinden en ‘bedraden’ tientallen, honderden en zelfs duizenden actieve en passieve componenten met kleine eilandjes en dunne sporen, terwijl ze ook fysieke ondersteuning, bevestigingslipjes, aansluitmogelijkheden en nog veel meer bieden. Printplaten worden vaak PCB’s of pc-kaarten genoemd en een paar jaar geleden heeft het IPC, een belangrijke organisatie die normen opstelt (voorheen het Institute for Interconnecting and Packaging Electronic Circuits), geprobeerd om ze ‘printed wiring boards’ of PWB’s te noemen, maar daar zijn ze nooit in geslaagd.

We hoeven onze lezers niet te vertellen hoe belangrijk de rol van printplaten is en hoe veelzijdig en breed inzetbaar ze zijn. Maar in veel gesprekken worden ze terloops beschouwd als een onbeduidend, zij het essentieel, passief onderdeel, maar dat is een gesimplificeerde misvatting.

De interessante geschiedenis van de printplaat

Printplaten hebben een interessante ontwikkeling achter de rug. Toen zij zo’n 50 jaar geleden voor het eerst werden gebruikt, werden ze door veel ontwerpers gezien als een noodzakelijk kwaad. Ze vervingen het gebruik van point-to-point bedrading en handmatig solderen, een techniek die niet langer aan de vraag naar producten zoals kleurentelevisies, met hun 100+ vacuümbuizen, kon voldoen. Niettemin ging een belangrijke TV-verkoper in die tijd prat op het feit dat hun televisies met de hand gemaakt werden door vakmensen, in plaats van door middel van een anonieme printplaat. We weten allemaal wat er van dat marketingverhaal overgebleven is.

De eerste printplaten waren enkelzijdig en gemaakt van fenol of bakeliet, in plaats van onze moderne glasvezel-epoxy composiet. De gaatjes voor de componenten en draden werden geponst in plaats van geboord en ze werden nog steeds met de hand gesoldeerd (Afbeelding 1). De spoorbreedte varieerde van 3 tot 6 millimeter (mm).

Afbeelding 1: Eenvoudige, eenzijdige ‘through-hole’ printplaten zoals deze waren gemaakt van fenol en waren de eerste veelgebruikte versies van printplaten. (Bron afbeelding: TheEngineeringProjects.com)

De betrouwbaarheid van deze jeugdige printplaten was marginaal vanwege delaminatie van de coating, problemen met tolerantie en inconsistenties in solderen. Maar zoals ze zeggen, was falen geen optie, aangezien het gebruik van printplaten de enige haalbare methode was om de grote aantallen componenten, IC’s, kleinere componenten en meer pennen aan te kunnen. Bovendien konden ze componenten voor oppervlaktemontage van voldoende steun voorzien. De huidige printplaten zijn vergeleken met die eerste printplaten vele malen verbeterd wat betreft prestaties en mogelijkheden.

Het interessante is dat enkelzijdige fenolprintplaten nog steeds in sommige consumentenapparaten worden gebruikt met nagenoeg alle componenten. Dankzij draadjumpers die aan de bovenkant worden ingevoegd kan een zeer goedkope, enkelzijdige kaart worden gebruikt (Afbeelding 2).

Afbeelding 2: Deze fenolprintplaat uit een magnetronoven van 2010 bevat de voeding (lage en hoge spanning), transformator, schakelcomponenten en veel van de overige schakeling. Let vooral op het gebruik van jumpers aan de bovenkant waardoor een goedkope enkelzijdige printplaat kan worden gebruikt. (Bron afbeelding: Low Price Mart)

De multitasking precisie van een printplaat

Ondanks de nonchalante manier waarop we vaak over printplaten praten, zijn de huidige exemplaren zeer nauwkeurig ontworpen precisie-onderdelen. Er wordt zoveel van ze verwacht, veel meer dan alleen maar componentdrager en verbindingsplatform. Een aantal taken zijn:

1. Ze geleiden stroom via de blootliggende lagen als het een simpele tweezijdige printplaat is.
2. In meerlaagse kaarten, zoals de veelgebruikte vierlaagse printplaat, levert één binnenlaag de stroom voor een of meer rails en zorgt de andere binnenlaag voor aardefuncties. Deze lagen worden zo nodig verbonden met behulp van geleidende via’s (afkorting van ‘vertical interconnect access’ en geschreven met kleine letters).
3. Het koper rond of nabij een heet component werkt als een koellichaam of als een thermische geleider om de warmte weg te leiden naar een discrete afvoer.
4. Het koper van de printplaat kan worden geconfigureerd als een RF-transmissielijn, filter, isolator of circulator met behulp van striplijn of microstriptopologieën.
5. De printplaat kan ook worden ontworpen als een antenne, vaak met multibandindeling, in plaats van een antenne met een enkele band.
6. Passieve RF-componenten, zoals condensators en spoelen, kunnen ook worden geconstrueerd met behulp van geschikte koperpatronen.
7. Nauwkeurig gedimensioneerde sporen kunnen als weerstanden met een lage waarde (meerdere milliohm) fungeren voor het meten van stroom d.m.v. de IR-daling over het spoor.
8. Het koper kan ook als beschermring dienen rond gevoelige, low-level analoge sensoringangen naar opamps.
9. Ook kan het koper van de printplaat als EMC-afscherming dienen om te voorkomen dat inkomende RF de schakelingen beïnvloedt en om emissies van de printplaat te verzwakken.
10. De inschuifconnector voor zowel soliede als flexibele pennen die afzonderlijke draden in een kabelboom afsluiten.

En alsof dat nog niet genoeg is, kunnen we een nieuwe rol aan de lijst toevoegen: als contrasteker fungeren voor een IDC-bandkabelconnector (insulation displacement connector) van Würth Elektronik. In plaats van de standaard IDC-connectors, één mannelijke met pencontacten (pennen) en een andere met vrouwelijke contacten, gebruikt de Würth de printplaat als partner voor de mannelijke IDC.

Merk op dat dit niet de eerste keer is dat draden rechtstreeks op een printplaat worden aangesloten. Al jaren worden afzonderlijke massieve of flexibele pennen in doorgemetaliseerde gaten in een printplaat geduwd. Maar deze pennen kunnen niet worden verwijderd zonder de pen en de printplaat te beschadigen en zijn dus slechts eenmalig. In tegenstelling kunnen de REDFIT IDC SKEDD-connectors van Würth tot tien keer ingestoken en verwijderd worden bij gespecificeerde holesize en coating, en wel tot 25 keer bij lagere toleranties.

Afbeelding 3: Dankzij de REDFIT IDC SKEDD connectors van Würth heeft de IDC-connector geen mannelijke (pen) IDC en bandkabel meer nodig. Dit bespaart kosten, vereenvoudigt de stuklijst en vermindert het aantal draad-connector-overgangen en dus potentiële problemen. (Bron afbeelding: Würth Elektronik)

Hoe ziet de toekomst van de alledaagse en ondergewaardeerde printplaat eruit? Het lijkt erop dat het veelgebruikte FR-4 epoxy-glassubstraat niet zo dominant blijft als het nu is. De inherente kenmerken van deze techniek komen niet tegemoet aan de strenge eisen van multi-gigahertz (GHz) ontwerpen, waarbij subtiele elektrische en materiaalfactoren zoals diëlektrische constante (e_r), verliesfactor (tδ), vochtabsorptie etc. van cruciaal belang zijn. Deze moeten niet alleen aan de behoeften van GHz-ontwerpen voldoen, maar ook zeer lage temperatuurcoëfficiënten, oftewel tempco’s hebben. Iets wat FR-4 niet heeft. Bovendien worden de mechanische en dimensionele tempco’s nog belangrijker omdat zelfs minieme verschuivingen elektronische prestaties bij deze frequenties beïnvloeden.

De volgende keer dat iemand zegt dat de printplaat niets bijzonders is, val dan niet voor die mentaliteit of misvatting. Het succes van een project hangt net zoveel af van de printplaat als van andere componenten. De mogelijkheid om de functies te maximaliseren, een meerlagige kaart te produceren met ongelooflijk strenge specificaties, componenten te kunnen plaatsen en goed te kunnen solderen, heeft direct invloed op de basisprestaties, het uitval/afkeurpercentage en de betrouwbaarheid in de praktijk.

Referenties (Engelstalig):

1 – Wikipedia, “FR-4” https://en.wikipedia.org/wiki/FR-4

2 – Wikipedia, “Printed circuit board” https://en.wikipedia.org/wiki/Printed_circuit_board#Materials

3 – Wikipedia, “Via (electronics)” https://en.wikipedia.org/wiki/Via_(electronics)

4 – SEEED Studio, “Printed Circuit Board (PCB) Material Types and Comparison” https://www.seeedstudio.com/blog/2017/03/23/pcb-material/

5 – Al Wright, Epec LLC., “PCB Vias - Everything You Need To Know” https://blog.epectec.com/pcb-vias-everything-you-need-to-know

6 – John W. Schultz, Compass Technology Group, “A New Dielectric Analyzer for Rapid Measurement of Microwave Substrates up to 6 GHz” https://compasstech.com/wp-content/uploads/2019/02/A-New-Dielectric-Analyzer-for-Rapid-Measurement-of-Microwave-Substrates-up-to-6-GHz.pdf

7 – Rogers Corp., “Characterizing Circuit Materials at mmWave Frequencies” https://www.microwavejournal.com/articles/32237-characterizing-circuit-materials-at-mmwave-frequencies?v=preview

8 – Rogers Corp., “Laminate Materials Simultaneously Increase μ and ε, Reducing Antenna Size” https://www.microwavejournal.com/articles/32056-laminate-materials-simultaneously-increase-mu-and-epsilon-reducing-antenna-size