Zirkuitu inprimatu

Elektronikan, "zirkuitu inprimatuko plaka" (ingelesez printed circuit board, PCB) deritzo oinarri ez eroale baten gainean ijeztutako material eroalezko gainazalari, zeina bidez, pistaz edo busez osatuta egoten baita. Zirkuitu inprimatua erabiltzen da, batetik, osagai elektronikoen multzo bat pista eroaleen bitartez elektrikoki konektatzeko, eta, bestetik, osagai horiek oinarriaren bidez mekanikoki eusteko. Pistak, oro har, kobrezkoak izan ohi dira; oinarria, berriz, beira-zuntz indartuzko erretxinaz, Pertinaxez, zeramikaz, plastikoz, tefloiz edo polimeroz (bakelitaz eta halakoez) fabrikatzen da normalean.

Zeluloidez eta margo eroalez ere fabrikatzen dira zenbait plaka, elkarren artean mugimendua duten atalak konektatzeko material malguak erabili behar direnean. Halaxe saihesten dira kobrearen egitura kristalinoa aldatzean gertatzen diren arazoak, aldaketa horiek hauskor bihurtzen baitituzte kableetako eta plaketako eroaleak.

PCBen produkzioa eta osagaien muntaketa automatizatu egin daitezke. Hala, masako ekoizpena egiten denean, muntaketa automatizatua merkeagoa eta fidagarriagoa da beste muntaketa-aukera batzuen aldean (adibidez: wire-wrap, gaur egun gutxi erabilia). Beste testuinguru batzuetan, ordea, PCBak ez dira oso aukera ona, eskuzko mihiztaketan oinarritutako prototipoak eraikitzeko adibidez. Izan ere, behin muntaketa egindakoan, oso zaila da ezer moldatzea eta, gainera, osagaiak soldatzeak ahalegin handia eskatzen du. Era berean, uharte eta barra eroaledun plakak ere fabrikatzen dira prototipoentzat, eta horietako batzuk Protoboard formatuan egiten dira.

IPC (Institute for Printed Circuits) erakundeak estandar multzo bat sortu du zirkuitu inprimatuen diseinua, mihiztadura eta kalitate-kontrola arautzeko, eta IPC-2220 familia da industria horretan ezagunenetarikoa. Beste erakunde batzuek ere sortu dituzte antzeko estandarrak, besteak beste, Amerikar Estandar Nazionalen Institutuak (ANSI, American National Standards Institute), Nazioarteko Batzorde Elektroteknikoak (IEC, International Engineering Consortium), Industria Elektronikoen Aliantzak (EIA, Electronic Industries Alliance), eta Joint Electron Device Engineering Councilek (JEDEC).

Historia 

Paul Eisler (1907-1995) ingeniari austriarra kontsideratzen da zirkuitu inprimatuaren asmatzailea, Ingalaterran lanean zebilela zirkuitu inprimatu bat fabrikatu baitzuen irrati baterako, 1936 inguruan. Gutxi gora behera 1943an, Estatu Batuetan teknologia hau eskala handian erabiltzen hasi ziren irrati sendoak fabrikatzeko, Bigarren Mundu Gerran erabiltzeko asmoz. Gerraren ondoren, 1948an, AEBk asmakizuna liberatu zuen erabilera komertzialerako. Estatu Batuetako Armadak auto-mihiztadura prozesua garatu zuenean, hasi ziren zirkuitu inprimatuak ezagun egiten kontsumo elektronikan, 1950eko hamarkada erdialdetik aurrera.

Zirkuitu inprimatuen aurretik (eta hauen asmakuntzaren ondorengo urteetan), puntuz puntuko konexioa zen erabiliena. Hala ere, prototipoetarako, edo kantitate txikiko ekoizpenerako, wire-wrap metodoa efizienteagoa zen.

Jatorriz, osagai elektroniko bakoitzak zenbait milimetroko luzera zuten kobrezko edo letoizko pinak zituzten, eta zirkuitu inprimatuak osagai bakoitzaren pin bakoitzarentzat zulo bana zituen. Osagaien pinak zuloetatik sartu eta pistetara soldatzen ziren. Mihiztadura metodo honi alderik aldeko zulo edo through-hole esaten zaio. 1949an, United States Army Signal Corps-eko Moe Abramsonek eta Stanilus F. Dankok auto-mihiztadura prozesua garatu zuten, non osagaien pinak interkonexio-patroidun kobrezko lamina batean sartu eta zirkuitu inprimatuaren pistetara soldatzen ziren. Txartelen laminazio- eta grabaketa-tekniken garapenarekin batera, prozedura honek aurrera egin zuen gaur egun zirkuitu inprimatuak fabrikatzeko prozesu estandarrean. Soldadura automatikoki egin daiteke uhin bidezko soldadura makina batean, txartela urtutako soldadura jariakinetik pasaz.

Konposizio fisikoa 

Zirkuitu inprimatu gehienak batetik hamaseira bitarteko kapa eroaleez osatuta daude, haien artean ijeztutako material isolatzaile (substratu) kapen bidez bereizita eta eutsita. Normalean, PCB batek dituen kapa kopurua bideratu nahi diren seinale kopuruaren araberakoa da.

Kapak bide izeneko zuloen bidez konektatu daitezke. Zirkuituaren kapa bakoitza konektatzeko, fabrikatzaileak prozesu kimiko baten bitartez, kobre kimiko kapa fin bat jarri dezake panelaren ageriko gainazal guztietan, baita zuloaren paretetan ere, horrela kobre puruzko oinarri metaliko bat eratuz. Bestela, errematxe txikiak ere erabili daitezke. Dentsitate handiko zirkuituek "bide itsuak" izan ditzakete, zeinak, txartelaren alde batetik ikus daitezkeen bakarrik. Bestalde, txartelaren kanpoaldetik ikusezinak diren bideak egon daitezke, "lurperatutako bideak" deritzenak.

Substratuak 
Kostu baxuko kontsumo elektronikan erabilitako zirkuitu inprimatuen substratuak, fenol-erretxinaz bustitako paperez egiten dira (izen komertziala, Pertinax). Kostu baxuko materiala da, mekanizatzen erraza eta indartutako beira zuntzez egindako substratuek baino higadura txikiagoa gauzatzen dute erremintetan.

Industria eta kostu altuko kontsumo elektronikan zirkuitu inprimatuetarako erabiltzen diren substratuak FR-4 izeneko material batez egiten dira normalean. Material hau, suaren kontrako erretxina epoxiko batez bustitako beira-zuntzez osatuta dago. Mekanizatu daitezke, baina beira urratzailea dela medio, tungsteno karburoz egindako erremintak erabili behar dira bolumen handiko ekoizpenetan. Beira-zuntzaren indartzeagatik, Pertinax-ak baino makurdurarekiko 5 aldiz erresistentzia handiagoa du, baina kostu altuagoan.

Potentzia altuko frekuentzietako irrati-zirkuituetako zirkuitu inprimatuak egiteko erabiltzen diren substratuak konstante dielektriko (permitibitate) baxua duten plastikoak dira. Esaterako, poliamida, poliestireno eta gurutzatutako poliestirenoa. Ezaugarri mekaniko xumeagoak dituzte, baina kasurako onargarriak dira, duten jardun elektriko bikainagatik.

Hutsean edo zero grabitatean erabiltzen diren zirkuitu inprimatuak, espazio-ontzi batean adibidez, ezin dutenez konbekzio bidezko hozketarik izan, askotan kobre edo aluminiozko nukleo mardul bat dute osagai elektronikoen beroa disipatzeko.

Txartel guztietan ez dira material zurrunak erabiltzen. Badira batzuk malgu izateko diseinatuta daudenak, poliamidazko DuPont's Kapton film eta bestelakoak erabiliz. Txartel mota hau sortzen zaila da, baina erabilera asko ditu. Batzuetan malguak dira lekua aurrezteko (kamera eta aurikularretako zirkuitu inprimatuak ia beti zirkuitu malguak dira, leku mugatuan tolesteko gai izateko). Bestetan, zirkuituaren atal malgua beste gailu baterako kable edo konexio higikor gisa erabiltzen da. Azken erabilera honen adibide bat da injekzio bidezko tinta inprimatzaile baten burua konektatzen duen kablea.

Substratuaren oinarrizko ezaugarriak

Mekanikoak 

 Osagaiak eusteko nahikoa zurrunak.
 Zulatzen erraza.
 Ijezteko arazorik gabea.

Kimikoak 

 Zulagailuen metalizazioa.
 Ez du hezetasun gehiegi xurgatzen.

Termikoak 

 Ongi disipatzen du beroa.
 Ez hausteko, hedapen termiko koefiziente baxua.
 Soldatzean beroa jasateko gai da.
 Tenperatura ziklo ezberdinak jasateko gai da.

Elektrikoak 

 Konstante dielektriko baxua, galera gutxi izateko.
 Zurruntasun dielektriko (hauste puntu dielektrikoa) altua.

Diseinua 
Normalean ingeniari (elektriko nahiz elektroniko) batek zirkuitua diseinatzen du eta espezialista batek zirkuitu inprimatua. Diseinatzaileak zirkuitu inprimatu bat diseinatzeko orduan arau mordo bati kasu egin behar dio, zuzentasunez funtzionatzeaz gain fabrikatzen merkea izan dadin.

Diseinu elektronikoaren automatizazio 
Zirkuitu inprimatuen diseinatzaileek askotan diseinu elektronikoaren automatizaziorako programak erabiltzen dituzte, osagaiak kokatu eta elkar konektatzeko. Honelako programek diseinuarekin erlazionatutako informazioa gordetzen dute, edizioa errazten dute eta gainera zeregin errepikakorrak automatizatu ditzakete.

Lehen etapa, eskema nodo zerrenda batean bilakatzea litzateke. Nodo zerrenda zirkuituko nodo eta pinen zerrenda bat da, non osagaien pinak konektatzen diren. Normalean, programa bera arduratzen da zerrenda osatzeaz.

Hurrengo urratsa, osagai bakoitzaren posizioa zehaztea da. Hau egiteko modurik errazena zutabe eta errenkadaz osatutako sareta bat zehaztea da, osagaiak non kokatu beharko liratekeen jakiteko. Ondoren, programak osagai bakoitzaren 1 pinari saretako posizio bat ezartzen dio. Orokorrean, operadoreak posizionamendu automatikorako errutina erabili dezake txartelaren zonalde batzuk zehazterakoan. Adibidez, elikatze-iturriaren azpi-zirkuituarekin erlazionatutako atalak elikatze konektoretik gertu jar daitezke. Bestalde, osagaiak eskuz kokatu daitezke, zirkuituaren jarduera optimizatzeko edo sistemaren diseinu mekanikoak behar dituen osagaiak jartzeko.

Jarraian, programak txartelerako behar diren pin guztien zerrenda osatua egiten du, osagai bakoitzari lotutako footprint-en liburutegi baten txantiloia erabiliz. Footprint bakoitza gailu bakoitzaren pinen mapa bat da. Liburutegiekin, footprint-ak behin marrazten dira, eta ondoren mota horretako gailu guztietan txertatu daiteke.

Ondoren, programak nodoen zerrenda eta pinen zerrenda konbinatzen ditu, pinen zerrendako koordenatu fisikoak nodoen zerrendara transferituz. Nodoen zerrenda izenaren arabera ordenatzen da.

Kobrezko pisten luzera murrizteko sistema batzuek diseinua optimizatu dezakete, atal eta ate logikoen posizioak trukatuz. Gainera, sistema batzuek automatikoki antzematen dituzte gailuen elikadura pinak, eta pistak sortzen dituzte gertuen dagoen elikadura planora.

Sistema batzuek "diseinu arauen egiaztapena" deiturikoa dute, konektibitate elektrikoa eta atal ezberdinen arteko bereizketa, bateragarritasun elektromagnetikoa, manufakturarako arauak, txartelen mihiztadura eta proba, bero fluxua eta bestelako akats motak balioztatzeko.

Serigrafia, soldadura-maskara eta soldatzeko orearentzako txantiloia, askotan geruza osagarri gisa diseinatzen dira.

Manufaktura

Patroiak 
Zirkuitu inprimatuetarako txartel gehienak substratu osoari kobrezko kapa bat itsatsiz egiten dira, batzuetan bi aurpegietan. Ondoren, beharrezkoa ez den kobrea kentzen da aldi baterako maskara bat erabiliz, diseinuko kobrezko pistak agerian utziz. Zirkuitu gutxi batzuk fabrikatzen dira pistak substratura gehituz. Zirkuitu inprimatu batzuek pistadun kapak dituzte haien barnealdean. Hauei geruza askoko zirkuitu inprimatuak deritze. Modu bereizian tratatutako txartel meheak aglomeratuz egiten dira. Behin txartela fabrikatu denean, osagai elektronikoak txartelera soldatzen dira.

Zirkuitu inprimatuen diseinurako programa informatikoak 

 ExpressPCB
 OrCAD(en)
 Proteus Design Suite
 Cadence Allegro
 EasyEDA
 KiCad
 Altium
 Livewire
 PCBWiz
 DesignSpark PCB
 EAGLE
 gEDA

Erreferentziak

Kanpo estekak 
 Cómo fabricar circuitos impresos - Cómo hacer fácilmente circuitos impresos.
 Tutoriales en Robotic-Lab - Como hacer de forma casera y económica circuitos impresos.
 Como fabricar tus propios PCB - Un tutorial paso a paso con fotografías sobre como construir circuitos impresos en casa.
 Calculadoras de la impedancia del PCB
 Mando de garaje Información adicional acerca de los usos de los circuitos impresos.

Elektronika
Ingeniaritza elektrikoa
Ingeniaritza elektronikoa
Elektronikaren ekoizpena