A NYÁK alapjairól 5 percben

Írta: Kategória: Tudásbázis Dátum: 2015-02-26 még nincs hozzászólás

 

A tervezés során szükséges lehet arra figyelünk, hogy az egyes alkatrészeket egymáshoz képest hogyan helyezzük el, vagy arra, hogy a dobozolását megkönnyítő furatokat helyezzünk el a panelon, bonyolultabb esetben pedig például arra, hogy az áramkörben előforduló vezetők elegendő keresztmetszettel rendelkezzenek, hogy elkerüljük a nagy áramok okozta túlmelegedést. De akár komoly mérnöki munkát végzünk vagy csak hobbiból tervezzük a következő audió erősítőnk NYÁK-ját, vajon tudjuk-e, hogy pontosan hogyan is épül fel a nyomtatott áramkör, és milyen lehetőségek állnak rendelkezésre a tervezés és kivitelezés során? A következőkben az áruházunkból megrendelhető SO8-DIP8 adapterünk 3D modeljén mutatjuk be a kétoldalas NYÁK rétegeit, anyagait, alapvető méreteit, tulajdonságait.

A hordozó anyag (középső réteg) – a speciális esetektől eltekintve, mint pl. az alumínium alapú NYÁK-ok – általában valamilyen szövet vagy üvegszál rétegekből áll, amelyeket hőre keményedő gyantával ragasztanak össze, majd melegen préselik.

A végleges vastagság függ a rétegek számától, a szövésmintától, a gyanta tartalomtól és a préselés paramétereitől. Az általános esetben használt nyomtatott áramkörök hordozói 1,5mm vastagságúak, és 13 szövetrétegből állnak. Attól függően, hogy milyen anyagok alkotják a hordozót, különböző típusok léteznek, melyek FR, CEM vagy G jelöléssel kezdődnek. A ma leggyakrabban használt alapanyag az FR-4 típus, amely közismertebb nevén az ”üvegszálas NYÁK”.

Érdemes megjegyezni, hogy más típusok anyagai is tartalmaznak üvegszálat és epoxigyantát, de eltérő arányban, így azok villamos (pl. dielektromos állandó) és mechanikai tulajdonságaikban is különböznek az FR-4 anyagtól.

ANYA5P_kep_1

A NYÁK gyártás kezdetekor a hordozó anyag egyik vagy mindkét oldalát összefüggő vörösréz réteg borítja, melynek vastagsága általános esetben 35µm (0,035mm), de találkozhatunk ettől vékonyabb (17,5µm) vagy vastagabb (70µm, 105µm – ezek az úgynevezett ”heavy copper” opciók) kivitellel is.

A rézfólia vastagsága főleg akkor válik fontos paraméterré, ha az adott vezetőrészt nem jeltovábbításra, hanem teljesítmény átvitelre vagy szokatlanul magas hőmérsékleten (100°C felett) kívánjuk használni. A vezetősávok szélességének méretezéséről itt írunk bővebben.

A NYÁK gyártás a fúrással, illetve azon részek (pl. hosszlyukak, egyéb alakzatok) marásával kezdődik, amelyeket galvanizálni kell majd.

Ha kétoldalas NYÁK készül, akkor a következő lépés a furatok galvanizálása. Az eljárás során a furatok felületére egy rézréteg kerül, amely segítségével villamos összeköttetések létesíthetők a panel két oldala között. Ha egy ilyen galvanizált furatot kimondottan a két oldal közötti villamos összeköttetés létesítésére használunk, akkor ezeket “via“-knak hívjuk.

A rézgalvanizálás után egy fotoreziszt réteg kerül a rézfelületekre, amely a végleges rajzolatok negatívja.

Ezután a szabadon levő rézfelületekre (beleértve a galvanizált furatokat is) ónt galvanizálunk. A fotoreziszt réteg eltávolítása után kémiai úton, lúgos maratással alakítjuk ki a két oldalon a végleges rajzolatot. A lúgos maratásra azért van szükség, mert a galvánón ellenáll a lúgnak, és azokon a felületeken, ahol ón van, a lúg nem marja le a rezet. Tehát az ón egyfajta védőbevonatként viselkedik.

Ezt az ónréteget savas maratással eltávolítjuk, különben a NYÁK nem lesz alkalmas szelektív felületkezelési eljárások használatára.

 ANYA5P_kep_2

Amennyiben szükséges, a kimart rajzolatot ezután bevonatolják arannyal vagy ezüsttel, de ez a lépés általában a forrasztásgátló lakkréteg felvitele után történik (szelektív aranyozás, ezüstözés).

Ezek szerepe a korrózióvédelem, az ólommentes bevonat megvalósítása, vagy a villamos ellenállás csökkentése. Vastagságuk a rézfóliával szemben már csak 1-2µm szokott lenni. Általános tévhit még a szakmabeliek körében is, hogy a legjobb vezető az arany (Au), őt követi az ezüst (Ag), majd a réz (Cu).

Ennek ellenére a valóság az, hogy a legjobb vezető az ezüst, őt követi a réz, majd az arany. Logikus lehet a kérdés, hogy mi értelme van rézből készíteni a vezetősávokat, ha az ezüst jobb vezető a réznél, illetve mi értelme aranyozni a paneleket, ha az rosszabb vezető, mint a réz?

Az arany használatának magyarázata az, hogy a korróziónak sokkal jobban ellenáll, mint a réz vagy az ezüst. Ezért bevett szokás a nyomtatott áramkörből kialakított csatlakozórészeket aranyozni (pl. a számítógép alaplapjába helyezhető RAM-ok, és különféle kártyák), így a kiváló kontaktus akár évtizedeken keresztül biztosítható lesz. A különböző audió és videó, illetve egyéb csatlakozókat is ebből az okból bevonatolják arannyal. Az arany “rossz” vezetőképessége nem befolyásolja jelentősen a csatlakozás átmeneti ellenállását, hiszen csak 1-2µm vastagságú réteget képez a 35µm vastag rézfóliához képest. (Az arany és a réz közé még egy kb 5um vastag nikkel réteget is szükséges galvanizálni.)

Ha a rézfólia helyett ezüstfólia lenne a NYÁK-on, akkor kb. 6-szoros különbség jelentkezne az előállítási árban. Az ezüstözésnek általában a nagyfrekvenciás áramköröknél van szerepe, ahol a skin-hatás miatt az áram a frekvenciával arányosan mindinkább a vezetősáv felületén folyik. Az ezüstözéssel javítható a vezetősáv vezetőképessége (a felületen, azaz pont ott, ahol szükség van rá), így kisebb helyet igényel a konstrukció megvalósítása. További előnye, hogy az aranyhoz hasonlóan ólommentes bevonatot képez, de beforrasztás nélkül néhány hónapig őrzi meg a felületi minőségét.

ANYA5P_kep_3

Ha a megrendelő nem kér aranyozást vagy ezüstözést, akkor a következő réteg a forrasztásgátló lakk lesz, vagy másnéven lötstop. A gyakorlatban ez tetszőleges színben kivitelezhető, de a legáltalánosabb a zöld színű. Ez adja a nyomtatott áramkörök jellegzetes megjelenését. A forrszemek és a forrasztásgátló réteg között mindig hagyunk néhány mil távolságot (ezt a legtöbb tervező szoftver automatikusan generálja), így a lötstop réteg kismértékű elcsúszás esetén sem kerül fedésbe a forrszemekkel.

ANYA5P_kep_4

A forrszemek és a lötstop réteg között mindig van néhány mil szigetelési távolság.

ANYA5P_kep_6

ANYA5P_kep_7

Ha a megrendelő nem kér aranyozást vagy ezüstözést, akkor a forrasztásgátló lakkréteg után a panel egy ólmot tartalmazó vagy ólommentes (környezetvédelem) ónbevonatot kap, amelyet általában HASL (Hot Air Solder Leveling – tüziónozás) eljárással készítenek el. Ennek során a panelt egy forró ónfürdőbe merítik, így az ón kiválóan megtapad azokon a rézfelületeken, ahol nincsen forrasztásgátló lakkréteg, majd a fürdőből kivéve forró levegőt fújó légborotvákkal lefújják a felesleges ónt a NYÁK-ról. Ennél az eljárásnál általában a panel egyik oldalán kicsit több ón marad, mint a másikon, ami esztétikailag első ránézésre zavaró lehet, de ez sok esetben megkönnyíti a forrasztást, és utána már nem is látható. A tüziónozás mellett jó minőségű bevonatot ad a kémiai ónozás is.

Az utolsó rétegek pedig a pozíciónyomatok, amik az alkatrészek helyének azonosítását könnyítik meg a beültetés, az ellenőrzés és a javítás során. A feliratok hosszú élettartamúak és mechanikalag is strapatbíróak, mert általában UV fényre keményedő tintával készülnek.

ANYA5P_kep_5

 A nyomtatott áramkör végleges megjelenése (metszet).