Obwód drukowany (PCB, ang. Printed Circuit Board) – co to jest i jakie ma zastosowanie w elektronice?

Faktem jest, iż funkcjonujemy otoczeni sprzętami elektronicznymi. Często nie zdajemy sobie sprawy, jak ogromna ich liczba definiuje naszą codzienność, iloma urządzeniami posługujemy się regularnie, na ilu polegamy, nie podważając ani ich funkcji, ani obecności w naszym życiu. Zjawisko to nie dziwi. Urządzenia elektroniczne są tłem niemal wszystkich naszych czynności. Nie mamy potrzeby zaglądania do ich środka z pytaniem z czego są zbudowane i jak działają. Jeśli jednak byśmy to uczynili, to zasadniczym elementem wśród wielu innych, który może przykuć naszą uwagę  jest obwód drukowany – nazywany także: płytką drukowaną, płytką PCB, płytką obwodu drukowanego. Stanowi on „serce” każdego urządzenia elektronicznego, bez którego nie byłby możliwe jego działanie.   

Co to jest PCB?

• Definicja

PCB obwód drukowany to płytka z materiału izolacyjnego z siecią połączeń elektrycznych (tzw. ścieżkami/mozaikami) wykonanymi z folii miedzianej (Rys.1). Mozaiki posiadają punkty lutownicze, przeznaczona do montażu podzespołów elektronicznych (np. tranzystorów, rezystorów, układów scalonych, itp.). Obwód drukowany pełni wiele funkcji: zapewnia trwałą sieć połączeń węzłów układu elektronicznego, stanowi zamocowanie dla elementów elektronicznych. Może przy tym równocześnie pełnić funkcję rozpraszania ciepła wydzielanego w komponentach. Najczęściej obwody drukowane wykonane  są w postaci arkuszy na bazie włókien szklano-epoksydowych zespojonych żywicą, które pokrywane są miedzią.

Otrzymanie właściwego układu połączeń na tak przygotowanym laminacie bazowym uzyskuje się metodą subtraktywną w procesie fotochemigrafii, gdzie zbędne powierzchnie miedziane są strawiane.

Rys. 1. Przekrój obwodu drukowanego

Początki wykorzystania płytek PCB w elektronice

Pierwsze płytki PCB wykonywano ręcznie, elementy łączone były za pomocą kabli lub kawałka drutu, który następnie montowany był na przygotowanym wcześniej podłożu. Wyprowadzenia łączące komponenty z płytką przetykano przez otwory, a następnie lutowano do powierzchni ścieżek przewodzących prąd. Taki montaż określa się mianem przewlekanego. Rozwiązanie to było mało skuteczne oraz bardzo wadliwe.

Masowa produkcja obwodów drukowanych rozpoczęła się w latach 50. XX wieku. Możliwa była dzięki pracy inżynierów z armii amerykańskiej, którzy wynaleźli automatyczny montaż elementów. Był to prawdziwy skok technologiczny, który przyspieszył seryjną produkcję elektroniki.

Rodzaje płytek PCB

Obwody drukowane konstruowane są w wariantach jedno-; dwustronnych oraz wielowarstwowych.

Jednostronne płytki PCB

Najtańszy i najprostszy rodzaj PCB, przeznaczony do nieskomplikowanych układów i urządzeń. Obwody jedno-, i dwustronne są najczęściej wykorzystane w produkcji urządzeń codziennego użytku.

Dwustronne płytki PCB

Ten typ obwodów różni się od poprzedniego układem ścieżek po obu stronach, połączonych tzw. przelotkami. Z racji zastosowań i większych wymogów odnośnie trwałości do jego produkcji stosuje się materiały FR4.

Płytka uniwersalna

Gotowy do nabycia obwód PCB, niewymagający projektowania oraz produkcji. Najpopularniejsze jego zastosowanie to amatorski montaż mniej lub bardziej złożonych urządzeń elektronicznych. Znajduje on także zastosowanie profesjonalne, szczególnie gdy zachodzi potrzeba szybkiego przetestowania fragmentu większego urządzenia.

Płytki PCB wielowarstwowe

W odróżnieniu od obwodów jedno-, i dwustronnych, konstrukcja laminatów wielowarstwowych jest bardziej złożona i ma formę stosu (ang. stack-up, build-up - rys.2) o uporządkowanej strukturze warstwowej, zwykle symetrycznej względem środka. W przekroju poprzecznym takich laminatów występują trzy elementy: folie miedziane oraz rdzenie i prepregi, które wykonane są najczęściej z laminatu FR4.

Rys. 2. Przykładowa budowa obwodu 4-warstwowego 

Gdzie wykorzystywane są obwody drukowane?

Pierwsze obwody PCB powstały w Stanach Zjednoczonych. Początkowo wykorzystywane były w kosmonautyce i branży wojskowej. Obecnie płytki drukowane używane są powszechnie, zarówno w urządzeniach codziennego użytku, takich jak: sprzęt RTV/AGD, tablety, telefony, komputery, zabawki; jak i przeróżnych sektorach przemysłu: energetyce, kolei, motoryzacji, lotnictwie, telekomunikacji, medycynie, wojsku. Masowa produkcja obwodów drukowanych zwielokrotniła możliwości wytwórcze dostawców systemów nawigacji, monitoringu, oświetlenia, aparatury kontrolno-pomiarowej, automatyki. W obecnych warunkach dostępność obwodów drukowanych jest jednym z kluczowych elementów umożliwiających rozwój wielu sektorów światowego przemysłu.