Piirilevyt ja piirilevyn valmistus

Piirilevy yhdistää elektroniikan komponentteja toisiinsa sähköä johtavalla materiaalilla hallitussa ympäristössä. Yhdistämällä komponentteja sähkövirralla luodaan virtapiiri, joiden avulla voidaan rakentaa elektronisia laitteita. Piirilevy itsessään on yleensä vain tuotteen osa. Kuluttaja ei esimerkiksi mikroaaltouunia ostaessaan näe mikroaaltouunin piirilevyä koko tuotteen elinkaaren aikana. Silti piirilevy on välttämätön osa mikroaaltouunin toimintaa.

Nykyaikana piirilevy on yksinkertaisimmillaan epoksista ja kuparista koostuva levy. Piirilevyjä käytetään, koska ne pienentävät huomattavasti tuotteen elektroniikan viemää tilaa, verrattuna siihen että jokaisen yksittäisen komponentin välille vedettäisiin erillinen johto. Piirilevyt vähentävät virtapiirissä tapahtuvia vikoja, sillä johdot voivat helposti kietoutua toisiinsa ja aiheuttaa oikosulkuja. Piirilevylle on myös helpompi tehdä vianmääritystä, sillä levyn kuparipolut eivät voi sotkeutua.
Elektroniikassa on vakiintunut tietynlaisten piirilevyjen käyttö. Monimutkaisten piirilevyjen tilaaminen on helpottunut valmistustekniikan kehityksen johdosta.

Piirilevyn esimerkkiosia ja tuotteita

Piirilevyjä valmistetaan erilaisiin tarkoituksiin. Prototyyppejä varten käytetään Breadboard- tai Stripboard-piirilevyjä. Niitä ei käytetä kaupallisissa tuotteissa, koska ne vievät paljon tilaa eivätkä sovi suureen tuotantomäärään. Kaupallisissa tuotteissa käytetään Printed Circuit Board -piirilevyjä (PCB). PCB:t ovat kupari- ja epoksikerroksista koostuvia levyjä.

PCB:en lisäksi on olemassa vähemmän käytettyjä Flexible PCB -piirilevyjä (FCB), jotka on valmistettu taipuvalle kalvolle. FCB-piirilevyjä käytetään erikoissovelluksissa kuten piirilevyjen välisissä yhteyksissä. Piirilevytyyppejä on myös mahdollista yhdistää, jolloin saadaan Rigid-Flexible PCB -piirilevyjä, jossa on PCB-piirilevyjä liitettynä toisiinsa FCB-piirilevyillä.

Piirilevyn valmistus menetelmänä

Piirilevyt suunnitellaan CAD-ohjelmalla. CAD-ohjelmalla luodaan piirilevykuva, joka osoittaa mihin kohtaan levyä tulee sähkönjohdetta ja mihin eristettä. Tämän lisäksi CAD-ohjelmalla voidaan tehdä materiaalilista eli BOM (Bill of Materials), joka osoittaa mitä komponentteja piirilevyyn asennetaan.

Valmistusprosessi aloitetaan levystä, jossa on kerros kuparia ja epoksia. Kuparikerroksesta poistetaan materiaalia valitulla valmistusmenetelmällä, kunnes kupari vastaa piirilevykuvan suunnitelmaa. Yleinen tapa kuparin poistoon on valotusmenetelmä, jossa kuparikerros käsitellään UV-herkällä lakalla, valotetaan piirilevykuvan läpi ja syövytetään. Kuparitasosta jää syövytyksen jälkeen jäljelle vain haluttu materiaali.

Piirilevyyn porataan reiät komponenteille ja mahdollista kiinnitystä varten. Porattu levy pintakäsitellään ruostumisen estämiseksi. Pintakäsittelyn jälkeen piirilevy on valmis ja siihen voidaan lisätä vaadittavat komponentit. Komponentit kolvataan piirilevyyn kiinni.

Tekniset tiedot ja vertailu

Ylimääräinen kupari voidaan poistaa piirilevystä syövyttämällä, jyrsimällä tai laserilla. Jyrsiminen ja laser sopivat paremmin pieneen tuotantoon. Nykyaikaiset PCB-tehtaat käyttävät syövyttämistä, koska sillä voidaan valmistaa suuria eriä.

Tämän lisäksi pintakäsittely vaikuttaa piirilevyjen laatuun. EU-alueella kiinnitetään huomiota pintakäsittelyn lyijyttömyyteen. EU on asettanut WEEE-direktiivin, jonka tavoitteena on ohjata elektroniikkaa helpommin kierrätettävään suuntaan. Jos elektroniikka toteuttaa direktiivin vaatimukset siitä käytetään nimitystä RoHS-yhteensopiva. Erilaisia pintakäsittelyjä ovat HASL, OSP, ENIG, Immersion Tin ja Immersion Silver. Piirilevyjen pintakäsittelyjä on vertailtu alla olevassa taulukossa.

Piirilevyn paksuus vaikuttaa piirilevyn vaatimaan tilaan. Piirilevyn paksuus voi aiheuttaa sähköteknisiä ongelmia tietyissä sovelluksissa. Ohuemmat piirilevyt ovat kalliimpia kuin paksut piirilevyt.

Piirilevyn kuparin paksuutta säädetään piirilevyssä esiintyvien virtojen suuruuden mukaan. Kuparin määrän kasvattaminen luonnollisesti lisää piirilevyn hintaa. Piirilevyihin voi tilata liittimiä, vaihtaa epoksin väriä tai lisätä piirisuunnittelun kannalta tärkeitä ominaisuuksia, jotka kasvattavat piirilevyn hintaa.

Piirilevyjen valmistus suunnittelun kannalta

Sähkösuunnitteluun käytettäviä CAD-ohjelmia ovat esimerkiksi Eagle tai KiCAD. Onnistunut suunnitteluprosessi on tärkeä piirilevyn valmistuksen kannalta. Jos piirilevyn suunnittelussa on asetettu esimerkiksi kuparipolut liian lähelle toisiaan, ne voivat olla kytkettynä toisiinsa vielä piirilevyn syövytyksen jälkeen. Piirilevyn suunnittelussa otetaan huomioon mitkä komponentit tulee kytkeä toisiinsa, joten suunnittelija tietää jo valmiiksi minkälainen virtapiiri ollaan rakentamassa. CAD-ohjelmassa luodaan piirustus eli kytkentäkaavio siitä miten komponentit halutaan yhdistää toisiinsa.

CAD-ohjelma vaatii tiedon siitä minkälaiset ”jalanjäljet” komponenteilla on, eli minkälaisen tilan ja kytkennän ne vaativat piirilevyltä. Komponenttien valmistajat ovat voineet tehdä jalanjälki-tiedostot jo valmiiksi, mutta tarpeen vaatiessa suunnittelija luo tiedostot itse. Komponenttien jalanjäljet asetetaan piirilevykuvalle ja ohjelman sisällä yhdistetään oikeat komponenttien jalanjäljet kuparipoluilla siten että kytkentäkaavion virtapiiri toteutuu. Kuparipolkujen vetäminen piirilevyyn on kaikista työläin ja virhealttein työvaihe. Kuparipolut eivät saa koskettaa toisiaan, jonka takia monimutkaiset virtapiirit joudutaan suunnittelemaan monitasoisina piirilevyinä, jossa kytkennät on toteutettu monella eri kuparitasolla.

Piirilevyjen suunnittelun jälkeen CAD-ohjelma generoi Gerber-tiedoston, jossa on eriteltynä kaikki piirilevyn valmistamiseen tarvittavat tasot. Tiedosto pitää sisällään kuparitasot, mahdolliset piirrokset, porausreiät ja kerrosten väliset yhteydet. Jos piirilevystä valmistetaan omatekoisesti prototyyppi, saadaan gerber-tiedostosta kuparitasot omana kuvatiedostona, jota voidaan käyttää piirilevyn UV-valoituksessa. Gerber-tiedoston lisäksi ohjelma generoi BOM-tiedoston, jossa on lista kaikista virtapiiriin lisättävistä komponenteista.

Gerber- ja BOM-tiedostot ovat tiedostomuotoja joita voidaan käyttää tilattaessa ulkomaiselta valmistajalta piirilevyjä. Gerber-, BOM-tiedoston ja kytkentäkaavion avulla tehtaat osaavat ostaa oikeat komponentit, valmistaa piirilevyn ja koota piirilevyn. Valmistajilla on kuitenkin omanlaiset spesifikaatiot polkujen välimatkasta, porareikien koosta ja muista parametreista, joten ennen kuin piirilevyjä tilataan, tai aletaan suunnittelemaan, on tärkeää varmistaa että piirilevy noudattaa valmistajan vaatimuksia.

Piirilevyjen vaatimukset ja rajoitteet

Piirilevyjen vedenkestävyyttä voidaan lisätä upottamalla valmis piirilevy epoksiin tai johonkin toiseen eristeeseen, jolloin vesi ei pääse aiheuttamaan oikosulkua polkujen välissä. Osa piirilevyvalmistajista tarjoaa vettä hylkiviä pinnoitteita.

Piirilevyt lämpiävät kun virta kulkee komponenttien läpi, jolloin voidaan valmistaa polut suuremmalla kuparimäärällä ja käyttää epoksia/vastaavaa materiaalia piirilevyn rungossa, joka kestää lämmönnousun. Useimmat piirilevyt käyttävät FR-4 epoksia jonka maksimilämpötila, missä se säilyttää sähköiset ominaisuudet, on n. 100°C. Tämä ei kuitenkaan tuotteen käytettävyyden kannalta ole hyvä asia, jonka takia piirilevyyn suunnitellaan lämpönieluja.

Piirilevyn tekniset rajoitteet ja toleranssit

Piirilevyjen suunnittelussa on tärkeää valita polkujen paksuus, läpiviennit ja etäisyydet siten, että ne on mahdollisimman helppo valmistaa. Polkuja ei voida pienentää loputtomiin, koska kuparia suojaava lakka voi päästää syövyttävää ainetta kuparille, jolloin polut syöpyvät rikki.

Piirilevyn ulkonäkö

Piirilevyjä voidaan valmistaa useissa eri värivaihtoehdoissa. Vihreä piirilevy on kuitenkin kaikista suosituin, koska sitä käytetään massatuotannossa. Vihreä on myös ihmissilmälle näkyvin väri päivänvalossa, jonka takia vihreät piirilevyt on kaikista helpoin huomata.

Piirilevyyn voidaan valmistuksen jälkeen tulostaa musteella ohjeita ja merkintöjä komponenttien kiinnitystä varten. Merkintöihin voi lisätä myös esimerkiksi logon.

Piirilevyn jatkokehitelmien mahdollisuudet ja rajoitteet

Piirilevyihin liittyvää kehitystä ovat esimerkiksi yhä pienemmät piirilevyihin integroitavat kamerat, taivuteltavat piirilevyt ja biohajoavat piirilevyt. Yleinen trendi on tehdä piirilevyistä pienempiä ja energiatehokkaampia.

Piirilevyihin integroitavat kamerat ovat kasvattaneet suosiota älypuhelimien yleistymisen ja kehityksen myötä. Tulevaisuudessa piirilevyihin integroitavat kamerat ovat entistä pienempiä ja parempia. Pienet kamerat mahdollistavat uusien tuotteiden kehityksen esimerkiksi yhdistämällä konenäköä ja kameroita.

Taivuteltavat piirilevyt ovat kehittyvä teknologia, joita on kuitenkin saatavilla myös harrastelijakäyttöön. Taivuteltavien piirilevyjen kehitys luo uusia mahdollisuuksia esimerkiksi puettavassa elektroniikassa.

Uudet piirilevymateriaalit voivat tulevaisuudessa olla täysin biohajoavia. Hajonnut elektroniikka aiheuttaa ongelmia jätteenkäsittelyssä, joten ratkaisu ongelmaan voisi olla luontoystävällisempi piirilevy, joka on helpompi kierrättää.

Jatkokäsittelyt ja menetelmät

Valmiille piirilevyille on mahdollista saada pintakäsittelyjä, jotka lisäävät piirilevyn kestävyyttä ankarissa ympäristöissä. Erilaisia pintakäsittelyjä ovat akryyli, uretaani, epoksi ja silikoni. Pinnoitteita käytetään vaativissa ympäristöissä kuten avaruusteollisuudessa tai lentokoneteollisuudessa.

Piirilevy voidaan myös vuorata täysin silikoni- tai epoksimassaan, jolloin piirilevyä ei voi nähdä, mutta vesi ei pääse kosketuksiin piirilevyn kanssa. Menetelmä estää epäpuhtauksien pääsyn piirilevyyn, mutta samalla estää piirilevyn huoltotoimenpiteet, koska se on peitetty massalla.

Piirilevyn kestävyys tai soveltuvuus eri olosuhteissa ja ympäristöissä

Piirilevyjä voidaan käyttää korkeissa lämpötiloissa, jos viilentäminen otetaan huomioon piirilevyn suunnittelussa. Lämmönkestävyys voidaan varmistaa käyttämällä paljon kuparia piirilevyn poluissa tai asentamalla lämpönieluja, jotka viilentävät elektroniikkaa piirilevyssä. Avaruusteknologiassa käytetään piirilevyjä, jotka on suunniteltu kestämään jopa 500 millikelvinin eli -272,65°C lämpötiloja. Näissä äärimäisissä sovelluksissa on käytetty kuparin kanssa alumiinia sähkönjohtavuuden varmistamiseksi. Piirilevy on mahdollista käsitellä myös eri pinnoitteilla tai vuorata kokonaan massaan, jolloin sen vedenkestävyys paranee. Menetelmää voidaan käyttää esimerkiksi veneissä ja RC-elektroniikassa.

Piirrosmerkinnät ja määrittely

Piirilevy suunnitellaan perustuen kytkentäkaavioon. Kytkentäkaavio ilmaisee miten komponentit tulee yhdistää toisiinsa. Piirilevyn valmistuksen kytkentäkaavio ei riitä, vaan piirilevyä varten tulee suunnitella piirilevykuva. Piirilevykuva on yleensä mustavalkoinen kuva, joka piirretään perustuen kytkentäkaavioon. Piirilevykuvan perusteella voidaan valmistaa piirilevy. Piirilevykuva pelkästään ei ole tarpeeksi, jos halutaan tuottaa piirilevyjä tehtaissa. Tässä tapauksessa on luotava Gerber-tiedosto, joka pitää sisällään tiedon myös esimerkiksi porausreistä ja mahdollisista muista kuparitasoista.

Yleisesti piirilevyvalmistajat antavat kuvauksen miten he haluavat saada piirilevytiedostot. Gerber-tiedoston avulla valmistaja osaa valmistaa suunnitellun piirilevyn. Gerber-tiedoston lisäksi voidaan tuottaa BOM-tiedosto piirilevyssä esiintyvistä komponenteista. BOM-tiedoston ja kytkentäkaavion avulla valmistaja osaa valita oikeat komponentit ja liittää ne piirilevyyn. Talulukossa alla on esimerkki piirilevyvalmistajan kuvauksesta, miten he haluavat saada piirilevytiedostot.

Tärkein standardi piirilevyjen kannalta on IPC-A-600, joka on Association Connecting Electronics Industries -kauppaliiton valmistama standardi. Standardi pitää sisällään laatuvaatimuksia piirilevyille. Piirilevytehdas voi olla myös ISO-9001 standardoitu, joka tarkoittaa, että tehdas noudattaa tekemänsä laatukirjan mukaista työnkulkua.

Esimerkki merkinnöistä

Virtapiirien suunnittelussa käytetään kytkentäkaavioita, joissa komponentit voidaan merkitä standardien mukaisesti. Näitä standerdeja ovat esimerkiksi IEC 60617, ANSI Y32.2-1975 ja IEEE Std 91/91a. Merkeissä on variaatiota riippuen sähkötekniikan alasta, jolle ollaan kytkentäkaaviota suunnittelemassa. Kytkentäkaavio auttaa komponenttien asettelussa piirilevyyn.