Ce este un cablaj imprimat ?

Bine te-am găsit !

Fie că eşti doar curios de electronică, fie că vrei să ajungi în faza în care îţi propui să proiectezi/construieşti montaje electronice, mai devreme sau mai târziu sigur vei avea de a face cu cablaje imprimate (sau cu Printed Circuit Boards – PCB, aşa cum sunt ele cunoscute în limba engleză). Din acest motiv, în acest articol îmi propun să fac o introducere în acest subiect şi să aduc răspunsuri simple la următoarele întrebări:

• Ce este un cablaj imprimat ?
• Cum se proiectează un cablaj imprimat ?
• Cum se face un cablaj imprimat ?

Ce este un cablaj imprimat ?

Cablajul imprimat este pentru un montaj electronic ceea ce este şasiul pentru o maşină sau scheletul osos pentru corpul tău. Aşadar un cablaj imprimat este o componentă care pe de o parte susţine mecanic componentele electronice (care altfel s-ar împrăştia haotic prin aparatul respectiv), iar pe de cealaltă parte realizează cea mai mare parte din conexiunile electrice dintre componente.

Cablajul imprimat este construit dintr-o placă realizată dintr-un material bun izolator electric, cum ar fi textolit, sticlo-textolit, ceramică, materiale plastice etc. În funcţie de tipul componentelor folosite vei întâlni cablaje imprimate through hole, cu componente SMD şi mixte.

Cablaje imprimate through hole. În acest caz, la fabricarea unui montaj electronic (a unei plăci cu componente ca cea din figura 1), în cablajul imprimat se fac găuri prin care bornele componentelor pot trece prin cablajul imprimat astfel încât corpurile componentelor sunt plasate pe o faţă a cablajului imprimat.

Figura 1. Cablaj imprimat cu componente through hole

Capetele bornelor acestor componente ajung pe cealaltă faţă a cablajului imprimat, unde sunt lipite de nişte foiţe metalice numite trasee de cablaj imprimat (vezi figura 2). Denumirea de through hole, aşa cum sugerează şi traducerea mot-a-mot din engleză (adică “prin gaură”), arată faptul că piesele sunt plasate pe o parte a cablajului imprimat iar conectarea cu restul circuitului se face pe cealaltă parte a acestuia.

Figura 2. Trasee de cablaj imprimat

Ca regulă generală, componentele through hole sunt componente care pot disipa o cantitate mai mare de căldură decât componentele SMD (de care voi vorbi mai jos). În acelaşi timp, o componentă through hole poate avea o greutate considerabilă, iar faptul că terminalele ei sunt trecute prin cablajul imprimat le asigură o fixare mecanică foarte rigidă şi solidă.

Cablaje imprimate cu componente SMD (surface mounted devices). În caz că imaginea din figura 3 nu este suficient de explicită, un cablaj imprimat cu componete SMD conţine componente care au atât conexiunile electrice cât şi fixarea mecanică pe aceeaşi faţă a cablajului imprimat. Componentele SMD sunt componente foarte fine, foarte uşoare şi care lucrează cu puteri electrice foarte mici; de aceea este sunt gândite pentru a fi lipite direct pe traseele de cablaj imprimat, acestea asigurând şi funcţia de fixare mecanica a lor. Marele avantaj al componentelor SMD este faptul că, fiind atât de mici, permit reducerea considerabilă a dimensiunilor cablajului imprimat.

Figura 3. Cablaj imprimat cu componente SMD

Cablaje imprimat mixte. În cazul acestora se întâlnesc atât componente through-hole cât şi componente SMD. Aş putea spune că sunt cele mai frecvente, în principal pentru că permit lucrul cu puteri mari (prin folosirea componentelor through hole) dar şi reducerea dimensiunilor cablajului imprimat (pentru că unde nu este nevoie de componente solide, se pot folosi fără probleme SMD-uri). Ca regulă generală, şi în acest caz componentele through hole se montează doar pe o singură faţă, în timp ce componentele SMD pot fi montate pe ambele feţe.

Figura 4. Cablaj imprimat mixt (cu componente through hole şi SMD)

După cum cred că ai dedus deja de mai sus, traseele de cablaj imprimat pot fi trasate pe ambele feţe ale unui cablaj imprimat, caz în care spunem că avem un cablaj imprimat double layer (sau dublu strat). Recent însă am aflat că, cei drept mai rar, există şi cablaje imprimate cu mai mult de două straturi (4, 6 sau chiar 8). Acestea se realizează practic prin suprapunerea mai multor plăci normale de cablaj imprimat, plăci care pe fiecare faţă au trasee corespunzătoare. Legătura dintre trasee aflate pe layer-e (straturi) diferite se face prin găuri cu pereţi metalizaţi – acestea străpung cablajul imprimat în zonele în care traseele care le dorim unite se află exact unul deasupra celuilalt şi realizează contactul electric dintre acestea prin intermediul metalului depus pe pereţii găurii.

Cum se proiectează un cablaj imprimat ?

A proiecta un cablaj imprimat înseamnă a stabili layout-ul cablajului imprimat respectiv, adică a stabili pe unde vor trece traseele cablajului imprimat astfel încât acesta să reuşească să conecteze componentele electronice exact ca în schema electrică. Ţi se pare dificil ? Nu ţi se pare, chiar este vorba de o muncă delicată şi migăloasă. De ce ? Păi pentru că un cablaj imprimat nu trebuie doar să conecteze componentele electronice conform schemei, ci trebuie să ţină seama de câteva lucruri în plus pentru a nu permite apariţia unor fenomene care pot afecta parţial sau chiar total buna funcţionare a montajului electronic respectiv. M-am întins deja destul de mult, aşa că despre acele lucruri voi vorbi pe larg într-un alt articol.

Acum câteva decenii, layout-ul cablajului se proiecta manual, pe hârtie. Îţi dai seama cât păr se smulgea când, dacă vedeai că (iar) trebuie să modifici un traseu, trebuia să le desenezi din nou pe toate celelalte. Din fericire astăzi există calculatoare şi soft-uri bine făcute pentru acest scop. După părerea mea, cele mai faine sunt: Orcad, Eagle şi DIP Trace. Acestea sunt pe bani dar cel puţin la unele poti găsi şi variante trial sau shareware. Dacă vrei unul 100% gratuit, îţi recomand cu căldura Express PCB.

Cum se face un cablaj imprimat ?

Un cablaj imprimat brut, pe care încă nu au fost create traseele de cablaj, este o placă realizată dintr-un material izolator care are lipită o foiţă de metal (în general cupru) pe una sau pe ambele feţe. Fie că este vorba de un cablaj imprimat single-layer sau de unul multi-layer, metodele de fabricaţie se împart în două mari categorii: corodare chimică şi frezare mecanică.

Corodarea chimică, presupune expunerea cablajului imprimat la acţiunea unei substranţe corozive (de exemplu clorura ferică, acid clorhidric, azotic etc.). Substanţa corozivă reacţionează chimic cu foiţa metalică lipită pe cablajul imprimat, transformând-o în oxid şi lăsând în urmă doar partea bună izolatoare electric a cablajului imprimat. Pentru a nu pierde şi traseele de cablaj imprimat, acestea, înainte de etapa de corodare sunt acoperite cu o substanţă protectoare care le apară de acţiunea substanţei corozive. Cu alte cuvinte, în această metodă de fabricaţie:

– primul pas constă în desenarea layout-ului viitorului cablaj imprimat folosind ca “tuş” o substanţă protectoare din punct de vedere chimic;

– în a doua etapă, cablajul imprimat este scufundat într-un vas care conţine o substanţă corozivă, care va îndepărta doar zonele metalice neprotejate;

– ultima etapă constă în scoaterea cablajului imprimat din substanţa corozivă, spălarea şi uscarea acestuia şi îndepărtarea substanţei protectoare. După această fază, tot ce mai avem de făcut este realizarea găurilor din cablaj şi lipirea componentelor electronice.

Este destul de naşpa să stai să pictezi manual trasee de cablaj imprimat şi chiar de-a dreptul îngrozitor când trebuie să le faci şi subţiri şi foarte apropiate. De aceea, de-a lungul timpului s-au căutat metode care au încercat să facă transpunerea layout-ului pe cablajul imprimat cât mai comodă. Cele mai la modă în zilele noaste sunt metoda fotochimică şi metoda transpunerii tonerului.

Frezare mecanică. În acest caz îndepărtarea de pe cablajul imprimat a zonelor metalice de care nu avem nevoie se face prin frezare mecanică folosind maşini cu comandă numerică (CNC-uri). Este o metodă foarte rapidă şi precisă însă utilajele necesare cam sperie buzunarul. Cu toate acestea am auzit de oameni care încercau să-şi construiască propriul lor CNC. Oricum ar fi, metoda nu este rentabilă decât dacă ai de gând să produci un produs electronic în serie sau să-ţi deschizi o firmă care execută cablaje imprimate la comandă.

Acestea ar fi lucrurile de bază pe care trebuie să le ştii despre cablajele imprimate. Vrei să afli mai multe ? Spune-mi ce anume şi în viitor voi încerca să te ajut.

P.S. dacă nu vrei sau nu ai timp să-ţi faci singur cablajele imprimate, aruncă un ochi la Electra şi la Mikado,

Dacă ţi-a plăcut acest articol, distribuie-l mai departe în grupul tău de prieteni !

Cu bine,

Ciprian.