Nyomtatott áramkör

A bal oldalon egy NYÁK CAD program segítségével tervezett rajza, a jobb oldalon pedig a rajznak megfelelően elkészített panel látható

A nyomtatott áramkör (rövidítése: NYÁK, angolul Printed Circuit Board, PCB) vagy nyomtatott áramköri lap egy olyan elektronikai alkatrész, amely megoldja az egyéb elektronikai alkatrészek hordozását, ugyanakkor a közöttük és a környezettel való elektromos kapcsolatot is megvalósítja.

Segítségével egyszerűbben, rendszerezettebben össze lehet kötni az egyre sűrűsödő elektromos alkatrészeket. A bakelit (műanyag), kerámia vagy üvegszállal erősített epoxigyanta alapú lapon rézréteg található, melyből vezetősávokat, és így (a rászerelt alkatrészekkel együtt) elektromos áramkört alakítanak ki. Feladata az alkatrészek hordozása (mechanikai rögzítése, együttmozgathatósága, tárolása), hővezetés biztosítása, és stabil, állandó villamos összeköttetés megteremtése a rajta levő és készülék többi alkatrészével. Különálló alkatrésznek tekinthető, mely robusztus, olcsó, és megbízható. Sorozatban, vagy egyedileg állítják elő. Lehet 1-től akár 48 rétegű is. Elkészítése hozzáértő tervezői munkát igényel, amely NYÁK tervezésére alkalmas CAD programok segítségével is történhet. A sorozatgyártásához szükséges kezdeti beruházási költség nagy, a sorozatgyártás felfuttatása után azonban mindez megtérül, mert az egy darabra jutó gyártási költség alacsony (az alkalmazott alapanyagok ára és a rövid gyártási idő miatt). Ezzel szemben az egyedi (házi) elkészítés 1-2 rétegig aránylag alacsony beruházási költséggel megvalósítható, viszont relatíve sok időt vesz igénybe.

A kész áramkör a benne található nehézfémek, epoxigyanta, üvegszálas szövet és műanyagok miatt veszélyes hulladéknak számít, emiatt az elhasználódott vagy elavult elektromos készülékek begyűjtése és újrafelhasználása kiemelt feladat.

Az elektronikai iparban tervezése és gyártása során szabványokat használnak, amelyeket egy nemzetközi szabványosítási szervezet, az IPC (Association Connecting Electronics Industries) dolgoz ki és ellenőriz.

Kialakulásának története

Az első áramköröket a 19. század közepén, az 1850-es években készítették. Ezek még igen egyszerű szerkezetek voltak. Fa házba vagy lemezre rögzítették az áramköri elemeket, amelyeket fémszalagokkal vagy rudakkal kapcsoltak össze. A ház biztosította a mechanikus rögzítést, míg a fémszalagok a villamos kapcsolatot. Idővel a szalagokat és rudakat felváltották a kábelek, amelyeket csavarokkal rögzítettek az alkatrészekre. A fa házak helyett pedig fém szekrényeket kezdtek el alkalmazni. Technológiai korlátok miatt ezek még igen nagy áramkörök voltak. Legfőbb alkalmazási területük a távíró-, a telefon- és a rádiótechnika voltak.

A bonyolultság és funkcionalitás növekedése ill. a telefonok és a rádiók széles körű elterjedése a 20. század elején újabb igényeket vetett fel: méretcsökkentés, automatizált tömegtermelés. Fontos mérföldkő volt Albert Parker Hanson szabadalma, amelyet 1903-ban nyújtott be. Szabadalmában kidolgozta a többrétegű áramkör koncepcióját, rájött arra is, hogy a vezető sávok minél sűrűbb elhelyezése a hordozó rétegen rendkívül fontos. Gyakorlati megvalósításában paraffinnal átitatott papírra ragasztotta fel a rézből készült vezetőket. Ezeket az ősi áramköröket telefonközpontokba szánta, mert meg akarta oldani a telefonvonalak kézi kapcsolgatásának a problémáját. Fontos megjegyezni, hogy ezek a lapok alkatrészeket még nem tartalmaztak.

Kialakítás szempontjából elődjének tekinthető a forrszemes szerelés, ahol a szigetelő lapon fúrt lyukakba forrasztható (réz) csőszegecseket ütöttek, és ezekbe a furatokba ültették az alkatrészeket. A huzalozás ugyanúgy a hátoldalon történt, igaz szigetelt vezetékekkel, így itt a keresztezések is lehetségesek voltak.

Az amerikai Charles Ducas szabadalmaztatta 1925-ben az első olyan módszert, amivel szigetelt felületre vezető csíkokat lehetett felvinni. Módszerében a vezető anyagot (réz, ezüst vagy arany) maszk segítségével nyomtatással vitte fel a hordozó rétegre, majd galvanizálással rögzítette. Ebben a szabadalomban szerepelt először a nyomtatott áramkör kifejezés.

A második világháború alatt titkos kutatások során fejlesztették ki a kerámia hordozókat és az ezekre felvitt áramköröket. A kerámia hordozóra tintát vittek fel, amelyet előzőleg fém hozzáadásával vezetővé tettek. Ezeket ma hibrid áramköröknek nevezzük. A háború után a felvitel technológiáját szabványosították. A több tucat lehetséges módszerből végül hatot hagytak meg, melyből a vákuumos üledékesítést még ma is használják.

Paul Eisler 1943-ban szabadalmaztatta módszerét, amellyel lehetővé vált vezető sávok kialakítása üvegszálas erősítésű nem-vezető alapanyagra felvitt rézfólián. Emiatt sokan a nyomtatott áramkör atyjának is tartják. A módszer széles körű elterjedésére a tranzisztor feltalálásáig kellett várni. Az addig használt elektroncsövek és más alkatrészek ugyanis annyira nagyok voltak, hogy az addig széles körben alkalmazott csavaros kötések megfelelőek voltak. A tranzisztor megjelenése azonban lehetővé tette az áramkörök funkcióinak növelését a méretek drasztikus csökkentése mellett. Az alkatrészek méretének csökkenése arra késztette a gyártókat, hogy az elektromos készülékek méretét csökkentsék. Ezután kezdték el széles körben bevezetni és használni a nyomtatott áramköröket. Ezek az áramkörök még egyrétegűek voltak.

A többrétegű áramköröket és a rétegeket villamosan összekötő furatokat 1961-ben vezették be. Hatására a villamos vezető nyomvonalak egészen közel kerültek egymáshoz és az alkatrészek sűrűsége is megnőtt, új korszakot nyitva az áramkör tervezésben. Az integrált áramkörök megjelenése tovább csökkentette a méreteket. A méretek csökkentése és egyben a funkcionalitás növekedése jellemezte trend napjainkig tart.

Gyártás

Házi gyártású NYÁK

NYÁK gyártás

A szigetelő alaplemezre általában rágőzölögtetnek egy meghatározott vastagságú, kb. 30-70 mikrométer vastag vörösréz-réteget. Ezek után a lapokon meghatározott helyeken lyukakat fúrnak, melyekbe később a lapkára kerülő alkatrészek lábazatát forrasztással rögzítik, illetve a további gyártás során hasznosak többek között a pozicionálás szempontjából is.

Ez után egy speciális maratásgátló fényérzékeny lakkot hordanak fel a lemezre. A felhordás több módon is történhet:

• Fújással
• Felöntéssel, ahol a réteget hengerrel terítik, vagy forgatással, aminél a centrifugális erő hatására terül el az anyag
• Szitanyomtatással, ami a legkevesebb technikai hátteret igényli, a legegyszerűbb eljárás, viszont a leglassabb is.

Ezt a réteget a vezetőpályák rajzát tartalmazó átlátszó filmen keresztül UV-fénnyel megvilágítják, majd előhívják, mely során a fényt kapott részeknél leoldódik a lakk, és szabaddá válik a felesleges rézréteg. Ezt a rézréteget lemaratják, így alakul ki a vezetőpálya a lemezen. Majd a vezetőpályákat védő maratásgátló lakkréteget is leoldják.

A lemezre megint felvisznek egy fényérzékeny lakkréteget, ez az úgynevezett forrasztásgátló lakk, mely jellegzetesen zöld színű, de igény szerint bármilyen színű lehet. Ezt megint megvilágítják egy filmen keresztül, amely az előzőleg előállított furatoknál, a forrasztási pontok helyén nem engedi át a fényt. Majd megint előhívják a lemezt, itt a fényt nem kapott lakkréteg oldódik le. A lakkréteg polimerizációval szilárdul meg, melyet előhívás után hőkezeléssel felgyorsítanak. Így a furatok körül 1–2 mm átmérőjű területen szabaddá válik a réz. Majd erre a rézrétegre kémiai úton egy forrasztást megkönnyítő fémréteget hordanak fel, ennek anyaga többnyire ón.

A maratásgátló lakkok helyett esetenként fóliát is alkalmazhatnak, melyet laminálással visznek fel a hordozó lemezre.

Nagyüzemben, alaplapok gyártásánál csak a vezetőpályáknak megfelelő helyen rezezik fel. Ez speciális technológia, drága gyártósorok kellenek hozzá. Csak nagy számban gyártott panelek esetén éri meg, azonban a felhasznált rézmennyiség szempontjából rendkívül takarékos. Flexibilis panelek esetén is általában csak a vezetőpályát hordják fel, többnyire szitanyomtatással, speciális, magas fémtartalmú festékek használatával.

Maratás

Mivel a réz (Cu) standardelektródpotenciálja a hidrogénnél (H₂) pozitívabb, híg ásványi savak nem alkalmasak a maratásra. Forró, tömény kénsav vagy salétromsav elvileg megfelelne, azonban ez veszélyes és drága, valamint a védőréteget is megtámadhatja. Ezért redoxi-eljárásokkal szokás a maratást végezni.

A maratást leggyakrabban két eljárással végzik:

Az első eljárás során sósavas (HCl) vas(III)-kloriddal (FeCl₃) lemaratják a védetlen rézfóliát. A folyamat kémiai egyenlete a következő:

$\mathrm {2FeCl_{3}+Cu=CuCl_{2}+2FeCl_{2}} \,\!$

Ha a maratófolyadékot használat után levegőn állni hagyják, a keletkezett vas(II)-klorid (FeCl₂) a levegő oxigénjének hatására visszaalakul vas(III)-kloriddá. Ezzel a vegyszerrel a maratás lassú és a folyadék csúnya barna foltot hagy mindenen, valamint a nemesfémek kivételével szinte minden fémet megtámad.

A másik eljárás során hidrogén-peroxidos (H₂O₂) sósavat használnak. A rézfóliát a keletkező naszcens klór (Cl) támadja meg. Az eljárás veszélyesebb, mérgező klórgáz fejlődhet, valamint a vegyszer nem regenerálható, azonban gyorsabb.

Ma ezeket az eljárásokat csak a kis számban vagy házilag gyártott paneleknél használják.

Megsemmisítés, újrafelhasználás

A nyomtatott áramkörök kis mértékben a bennük lévő elektronikai alkatrészek nemesfém tartalma miatt újrahasznosítandók. Mivel mára már szinte csak ólommentes forrasztóanyagokat alkalmaznak, így tárolásuk már nem olyan veszélyes (ti. az ólom az eső révén a termőföldbe mosódott és azt károsította).

További információk

• Az IPC (Association Connecting Electronics Industries) weboldala
• NYÁK technológiával kapcsolatos fogalmak és útmutatók
• SMTnet, elektronikai tervezéssel és gyártástechnológiával foglalkozó portál
• Ingyenes NYÀK tervező CAD program villamosmérnököknek
• Online Gerber fájl nézegető
• Vezető nyomvonal ellenállás számítása online
• Nyomtatott áramkör.lap.hu - linkgyűjtemény