Printplaat

Geschiedenis

Printplaten zijn ontstaan uit elektrische verbindingssystemen die in de jaren 1850 werden gebruikt. Oorspronkelijk werden metalen strips of staven gebruikt om grote elektrische componenten aan te sluiten die op houten voetstukken waren gemonteerd. Later werden de metalen strips vervangen door draden die verbonden waren met schroefklemmen, en werden de houten onderstellen vervangen door metalen frames. Hierdoor konden dingen kleiner worden gemaakt, hetgeen nodig was toen de schakelingen complexer werden met meer onderdelen. Thomas Edison testte methoden om metalen op linnenpapier te gebruiken. Arthur Berry patenteerde in 1913 een print-en-etch methode in Groot-Brittannië. In 1925 ontwikkelde Charles Ducas in de Verenigde Staten een methode waarbij gebruik werd gemaakt van galvaniseren. Hij creëerde een elektrisch pad rechtstreeks op een geïsoleerd oppervlak door via een stencil (een in een bord of papier gesneden vorm) te drukken met speciale inkt die elektriciteit kon geleiden, net zoals draden dat konden. Deze methode werd "gedrukte bedrading" of "gedrukte schakeling" genoemd.

In 1943 vroeg de Oostenrijker Paul Eisler, die in het Verenigd Koninkrijk werkte, patent aan op een methode om het geleidende patroon, of de circuits, te etsen op een laag koperfolie die was bevestigd op een harde ondergrond die geen elektriciteit geleidde. Eisler's techniek werd opgemerkt door het Amerikaanse leger en zij begonnen deze te gebruiken in nieuwe wapens, waaronder nabijheidsontstekingen in de Tweede Wereldoorlog. Zijn idee werd zeer nuttig in de jaren 1950 toen de transistor werd geïntroduceerd. Tot dan toe waren vacuümbuizen en andere componenten zo groot dat de traditionele montage- en bedradingsmethoden alles wat nodig was. Met de introductie van transistors werden de componenten echter zeer klein, en fabrikanten moesten gedrukte schakelingen gebruiken zodat de verbindingen ook klein konden zijn.

De geplateerde door-gat-technologie en het gebruik ervan in meerlaagse printplaten werden in 1961 gepatenteerd door de Amerikaanse firma Hazeltine. Dit maakte veel complexere printplaten mogelijk, met componenten die dicht bij elkaar waren geplaatst. In de jaren 1970 werden geïntegreerde schakelingen geïntroduceerd, en deze componenten werden al snel opgenomen in het ontwerp en de fabricagetechnieken van printplaten. Vandaag de dag kan de printplaat in sommige toepassingen tot 50 lagen bevatten.

Surface-mount technologie werd ontwikkeld in de jaren 1960 en werd op grote schaal gebruikt aan het eind van de jaren 1980.

Een handgemaakte printplaat

Ontwerp

De belangrijkste taak bij het ontwerpen van een printplaat is uit te zoeken waar alle componenten moeten komen. Normaal gesproken is er een ontwerp of schema dat in een printplaat wordt omgezet. Er bestaat niet zoiets als een standaard printplaat. Elke printplaat wordt ontworpen voor zijn eigen gebruik en moet de juiste afmetingen hebben om in de vereiste ruimte te passen. Ontwerpers van printplaten gebruiken computer-aided design software om de schakelingen op de printplaat te tekenen. De ruimte tussen de elektrische paden kan 1,0 mm of kleiner zijn. Ook de plaats van de gaten voor de aansluitdraden of contactpunten van de componenten wordt vastgelegd. Zodra het patroon van de schakeling is uitgetekend, wordt een negatieve afbeelding op exacte grootte afgedrukt op een doorzichtige plastic plaat. Met een negatieve afbeelding worden de gebieden die geen deel uitmaken van het schakelingpatroon zwart weergegeven en wordt het schakelingpatroon als helder weergegeven. Het metaal wordt dan verwijderd van de heldere gebieden, meestal met chemicaliën. Van dit ontwerp worden instructies gemaakt voor een computergestuurde boormachine of voor de automatische soldeerpasta die bij het fabricageproces wordt gebruikt.

Fabricage

De kaart wordt gemaakt met buitenlagen van koper. Ongewenst koper wordt verwijderd, zodat koperdraden overblijven die de elektronische componenten zullen verbinden. De componenten worden op de kaart geplaatst en maken contact met de draden.

Fotolak

Printplaten worden soms gemaakt met fotolithografie. Een bekleding, fotoresist genaamd, reageert met licht, en vervolgens worden de printplaat en de bekleding in een ontwikkelaar gelegd. Deze methode is duur per printplaat, maar in het begin erg goedkoop om op te zetten.

Zeefdruk

Er zijn echter verschillende methoden om een printplaat te maken. Sommige professioneel gemaakte printplaten gebruiken een andere methode om extra koper van de printplaat te verwijderen. Er wordt een proces gebruikt dat zeefdrukken wordt genoemd. Zeefdrukken is het strak trekken van een doek over een frame. Vervolgens wordt een afbeelding op het doek gedrukt. Dan wordt er inkt door het doek geperst. De inkt gaat niet naar de plaats waar de afbeelding op het doek is gedrukt. Het heet zeefdrukken omdat het doek gewoonlijk van zijde is. Het doek is meestal van zijde omdat het zeer kleine gaatjes heeft. Zeefdrukken wordt gebruikt om een inkt, resist genaamd, op het bord te drukken. Weerstand is een inkt die het etsmiddel weerstaat dat wordt gebruikt om de printplaat te maken. Het etsmiddel lost het koper op de printplaat op. Dit is goedkoper voor elke printplaat dan fotoresist, maar het is duurder in het begin.

Frezen

Een andere manier om een printplaat te maken is met behulp van een molen. Een molen is een boor die in vele richtingen beweegt. De boor verwijdert een kleine hoeveelheid koper telkens als hij over de printplaat beweegt. De molen verwijdert het koper rond de draden op de printplaat. Hierdoor blijft er extra koper op de printplaat achter. Bij andere methodes blijft er geen extra koper op de printplaat achter. Deze methode is goedkoper per printplaat, maar de apparatuur om ze te maken is duur. Deze methode wordt niet vaak gebruikt, omdat de andere twee methoden gemakkelijker zijn.