Elektronik cihazların girmediği bir nokta muhtemelen kalmamıştır. Hayatımızın her noktasında kullandığımız cihazlar onlarca farklı bileşenden oluşmakta. En önemlilerinden ve arka plana atılan parçalardan biri de PCB yanı baskı devre kartı. İster bir ses kartı, isterse onlarca fonksiyona sahip bir akıllı telefon olsun, hepsi tasarımlarının merkezinde bir devre kartına sahip.
PCB’ler, elektronik bileşenler arasında elektriksel ara bağlantılar sağlamakla kalmıyor, aynı zamanda tüm bileşenleri sağlam şekilde tutarak iskelet görevi görüyor. Başka bir deyişle, ekran kartı veya anakart gibi aldığınız donanımlara şeklini veriyor.
Yıllar geçtikçe PCB üretimi daha yeni, daha hızlı ve daha karmaşık elektronik devrelerin artan taleplerine ayak uydurmak üzere gelişmeye devam etti. Bu kartların tasarım süreci ayrı bir dünya, sayısız detay barındırıyor. Biz daha yüzeysel bakarken aynı zamanda bilmeniz gereken hususların üzerinde durmaya çalışacağız.
PCB (Printed Circuit Board) Nedir?
Baskı devre kartını, bir elektrik devresinin bileşenlerini bir arada tutmak ve aralarında elektrik bağlantıları oluşturmak için kullanılan mekanik bir tabaka olarak basitçe tanımlayabiliriz. PCB’lerin sert bir kıvamda olduğunu çoğumuz biliyoruz. Elektronik bileşenler için sert bir yüzey oluşturarak destek sağlıyor, böylece tamamlanmış bir cihaz kasaya monte edilebilir hale geliyor.
Kullanım alanı o kadar yaygın ki saymakla bitmez. Telefonlar, tabletler, akıllı saatler, kablosuz şarj cihazları ve güç kaynakları dahil olmak üzere neredeyse tüm modern tüketici elektronik cihazlarında ve aksesuarlarında yer almakta. Birçok materyal ve katmandan oluşan kartlar, hem aktif hem de pasif bileşenler arasındaki akım akışını yönlendirmekten sorumlu.
Tüm PCB’ler, elektriksel olarak yalıtkan malzeme katmanları ile alternatif iletken bakır katmanlarından inşa edilmiştir. Baskı devre kartlarındaki iletken özellikler arasında bakır izler, pedler ve iletken düzlemler bulunur. Mekanik yapı, iletken katmanları arasına istiflenmiş yalıtım malzemesinden oluşur.
Ayrıntıya girecek olursak, devre kartları saf devre iletimini sağlamak için zayıf elektrik iletken özelliklerine sahip bir dielektrik çekirdek malzeme ile üretiliyor. Gerektiğinde ayrıca ekstra metal ve dielektrik katmanlar da kullanılabiliyor. Baskılı devre kartları için kullanılan standart dielektrik malzeme, FR-4 olarak bilinen dokuma fiberglas kumaş ve epoksi reçinenin aleve dayanıklı bir kompozitidir, devre için metal izler ve düzlemler ise genellikle bakırdan oluşur.
Maliyet tasarrufu, işlevsel performans (termal genleşme gibi) ve çevre dostu yaklaşım, bir PCB için malzeme seçerken dikkate alınması gereken faktörler. Üretim sırasında iç bakır katmanlar kazınırken, devre kartındaki bileşenleri bağlamak için bakır izleri bırakılıyor. Birden fazla kazınmış katman, baskılı devre kartı istiflemesi tamamlanana kadar art arda sıralanıyor. Buna “laminasyon” deniyor.
Masaüstü veya dizüstü bilgisayar anakartları en çok göz önünde olan örnek. Bildiğiniz gibi üzerinde sayamayacağınız kadar entegre devre, çip veya yuva yer alıyor. Bu bileşenler karta, kart devresine bağlı olan metal pedler üzerine lehimleniyor. Gördüğünüz kart aslında basit sert bir yapı değil, içerisinde farklı katmanlar yer alıyor. Katmanlar arasında elektriksel bağlantıyı sağlayan yollar var. Bu sayede gördüğünüz tüm bileşenler birbiriyle iletişim kurabiliyor. Her devre kartı bir, iki veya daha fazla devre katmanından oluşabiliyor.
Kart Sınıfları
Baskı devre kartları çeşitli amaçlar için kullanılıyor demiştik. PCB’lerin ayırt edici özelliklerinden biri de sınıfları. Üç ayrı sınıf varken bunlar devre kartının genel güvenilirliğini ve tasarım kalitesini gösteriyor. Birinci sınıf tüketici elektroniğine, ikinci sınıf ise yüksek güvenilirliğin önemli olduğu, ancak üst seviye kalite gerektirmeyen cihazlarda görülür. Bu cihazlar arızayı en aza indirmeye çalışır.
Sınıf 3 kartlar ise PCB’nin en titiz üretim standartlarını temsil ediyor. Basitçe söylemek gerekirse, üçüncü sınıf bir kart arızalanırsa önemli sistemler veya hayatlar kritik seviyede tehlikeye girebilir. Örnek olarak uçaklarda birçok elektronik aksam yer alıyor. Bunlardan birinin arızalanması demek, birçok canın tehlikeye atılması demek.
PCB Katmanları
Dediğimiz gibi, bir kart bir veya birden fazla katmana sahip olabilir. Tek katmanlı PCB’ler tipik olarak ev aletleri gibi basit elektronik cihazlar için kullanılırken, çok katmanlı PCB’ler bilgisayarlarımızdaki ekran kartları ve anakartlar gibi daha karmaşık donanımlar için üretiliyor. Çift katmanlı PCB’ler, tek katmanlı PCB’lere nazaran daha fazla yoğunluğa izin verebiliyor. Örnek olarak otomotiv gösterge panelleri veya LED aydınlatma gibi elektronik cihazlar için uygun. Günümüz PCB’lerinde aşağıdaki dört katman türü yer alıyor:
- Substrat: Taban veya çekirdek katman. Genellikle FR-4, fiberglas/epoksi kompozit gibi sert bir yalıtım malzemesinden oluşur. Bazı durumlarda substrat esnek bir malzemedir, genellikle plastik yapıdadır ve alan gereksinimlerini karşılamak için katlanabilir veya bükülebilir. Esnek substratlar ayrıca daha yüksek sıcaklıklara ve diğer zorlu koşullara dayanabilir. Bazı PCB’ler, hem sert hem de esnek substrat malzemelerinin bir kombinasyonundan yararlanabilir.
- İletken: Bu katman genellikle ince bir bakır levhadan yapılır. Tek taraflı (veya tek katmanlı) bir PCB’de, substrata lamine edilmiş bir iletken katman vardır. Çift taraflı (veya çift katmanlı) bir PCB’de, substratın her iki tarafında bir tane olmak üzere iki iletken katman yer alır. Çok katmanlı bir PCB, substrat ve iletken katmanlar arasında dönüşümlü olarak çalışır.
- Lehim Maskesi: İletken katman, PCB’lere yeşil rengini veren ve iletken olmayan lehim maskesi ile kaplanır. Yeşil renge çok aşinayiz lakin başka renkler de kullanılabilir. Lehim maskesi, iletken malzemede kazınmış olan alttaki izler için bir yalıtkan görevi görür. Bu maske tek taraflı bir PCB’nin altına uygulanmakta.
- Serigrafi (Seri Baskı Yapma Şekli): Bu katman, diğer tüm katmanlar eklendikten sonra PCB’ye uygulanan etiketleme sürecini ifade eder. Etiketleme, her bir bağlantı noktasının çeşitli işlevlerini belirten sayılar, harfler, semboller veya diğer bilgileri içerebilir. Etiketleme genellikle beyaz renkle yapılır, ancak başka renkler de kullanılabilir. Bilgisayarınızın kasasını açıp anakarta bakarsanız göreceksiniz.
Üzerine sayısız bileşenin eklendiği baskı devre kartları bu dört katmanın bir karışımından meydana geliyor. Karışım ve PCB düzeni kullanım amacına bağlı olarak değişiklik gösterebiliyor.
Tek katmanlı bir kartta yukarıdaki tabakalardan birer tane bulunur. Çift katmanlıda bir alt tabakayla birlikte diğer katman türlerinin her birinden iki tane yer alır. Çok katmanlı bir PCB’de düzen değişebilir, iletken ve iletken olmayan katmanların bir karışımı kullanılır. Bazen katman olarak prepreg (pre-impregnated) de kullanabilir. Prepreg, iki çekirdek katman arasına veya çekirdek ve iletken katmanlar arasına sıkıştırılmış dielektrik malzemeye verilen isim.
PCB’ler Nasıl Üretilir?
PCB üretimi, birçok kritik aşamaya sahip çok aşamalı bir süreç. Biz temel adımları kısaca el alacağız: Baskı, aşındırma, presleme, delme, serigrafi ve maskeleme.
- İlk olarak, PCB şeması bakır kaplı bir alt tabaka üzerine basılıyor.
- Daha sonra, devre için izleri ve pedleri ortaya çıkarmak için aşındırma adı verilen bir işlemle fazla bakır çıkarılıyor.
- Devamında, değişen malzeme katmanları yüksek ısı kullanılarak birbirine bastırılıyor ve kart montaj delikleri, delikli pinler ve yollar için deliniyor.
- Yüzeyi polarite, konektör adları ve şirket logoları gibi bilgilerle işaretlemek için bir serigrafi katmanı ekleniyor.
- Son olarak, oksidasyona ve lehim köprüsü oluşumuna karşı koruma sağlamak için bir lehim maskesi uygulanıyor.
Baskı Devre Kartı Bileşenleri
PCB bileşenlerini karta bağlamak üzere iki yöntemden biri kullanılıyor: Delikli veya yüzey montajlı. Delikli bileşenlerin karttaki deliklere takılan bağlantı kabloları (uçları) mevcut. Bu uçlar kartın diğer tarafına lehimlenmekte. Yüzeye monte bileşenler doğrudan kartın aynı tarafına lehimleniyor. Günümüz PCB’lerinde, montajı daha zor olmasına rağmen daha az yer kapladıkları ve daha verimli oldukları için yüzeye monte bileşenleri tercih etme eğilimi var.
PCB üzerindeki her türlü şey, bileşenler arasındaki iletişimi kolaylaştıran izler aracılığıyla birbirlerine bağlanıyor. İzler, aşındırma adı verilen bir işlemle iletken katmandan oluşturuluyor, böylece izler için gerekli olanlar haricindeki tüm bakır iletken katmandan atılabiliyor. Bir baskı devre kartı, kartın amacına bağlı olarak değişen bir dizi bileşen içerebilir. Yaygın bileşen türlerine gelecek olursak:
- Pil: PCB’nin devresine voltaj sağlar, ancak birçok PCB gücünü harici kaynaklardan alır.
- Kondansatör: Elektrik yükünü tutar ve daha sonra PCB’nin devresinde ihtiyaç duyulduğunda serbest bırakır.
- Diyot: Akımın yalnızca bir yönde akmasını sağlayarak yanlış yönde akmasını önler.
- İndüktör: Enerjiyi manyetik alan şeklinde depolar, bu da PCB’den akan elektrik akımındaki dalgalanmaları kontrol etmeye yardımcı olabilir.
- Direnç: Akımın akışına direnç oluşturarak PCB’nin devresindeki elektrik akımının akışını sınırlar veya düzenler.
- Sensör: Fiziksel ortamdan gelen titreşim, hareket, ivme veya kızılötesi ışık gibi girdileri algılar ve bu girdilere karşılık gelen bir sinyal üreterek yanıt verir.
- Anahtar (Switch): PCB’nin devresinden geçerken akımı açar veya kapatır.
- Transistör: PCB devresinden geçen elektronik sinyali yükseltir veya değiştirir.
PCB’lerin Geleceği
Modern elektroniğin bel kemiği olan PCB’ler, güç verdikleri cihazlar ve makineler küçülmeye, daha esnek ve daha güçlü olmaya devam ettikçe gelişmeye devam edecek. Şeffaf ve gerilebilir malzemelerle birlikte minyatürleştirme, PCB’lerin elektronik tasarımları çok sayıda ilginç yolla tamamlamasına olanak tanıyacak. Elektrifikasyon otomotiv ve havacılıkta inovasyonu teşvik ederken, PCB’ler daha temiz enerjinin iletişim ve navigasyon gibi sistemleri nasıl besleyebileceğini tanımlamada büyük bir rol oynayacak.
