Хэлхээний хавтан

Хэвлэмэл хэлхээний хавтан (дамжуулагч карт, хэлхээний самбар, хэвлэмэл хэлхээ- printed circuit board) гэдэг нь электрон элементүүдийг замаар холбон дамжуулах тээгч хавтанг хэлнэ. Дамжуулагч хавтан нь бараг бүх компьютер болон цахилгаан хэрэгсэлд ашиглагддаг. Дамжуулагч хавтан нь хуванцар эсвэл шилэн хуванцар шиг цахилгаан дамжуулдаггүй материалаар хийгддэг. Ихэвчлэн хавтангийн гадаргуу дээр болон хавтан доторх давхаргууд хооронд зэсээр зам болон элементийн тавыг гаргаж өгдөг. Ингэснээр цахилгаан гүйдэл гүйнэ. Цахилгаан дамжуулагч металл ашиглан хавтан дээр элементүүд холбогддог. Хавтан дээрх металлаар бүрэгдсэн зам нь нэг элементээс нөгөө элементийн хооронд цахилгааныг дамжуулдаг. Дамжуулагч хавтан нь маш олон хэсгээс бүрдэх ба тэдгээр нь хоорондоо холбогдож ажилладаг. Хамгийн нийтлэг хэлхээний хавтан нь тодорхой зүйлд зориулагдсан том хэмжээний хавтангууд жишээ нь компьютер, гар утас, суурин утас ба телевиз юм.

Түүх

Хэвлэмэл хавтанг анх 1850 онд хэрэглэж эхэлсэн. Анх металл зүсмэл модон материал эсвэл саваа модон дээр суурилан электрон элементүүдийг суурилуулан холбон ашиглаж байсан. Дараа нь металл боолт ашиглан боолтруу утсаар холбож модон хавтан дээр хүрээг металл хүрээгээр сольсон. Томас Эдисон модоор хийсэн цаасан дээр металлыг ашиглах аргыг туршсан байна. Arthur Berry 1913 онд Их Британид хэвлэмэл хавтанг хэвлэх патентыг авсан. 1925 онд АНУ-ын Charles Ducas металлаар бүрэх аргыг ашиглан дахин хөгжүүлэлт хийсэн байна. Тусгаарлагдсан гадаргуу дээр цахилгаан дамжуулах замыг шууд хэвлэж гарган (Хавтан эсвэл модоор хийсэн цаасан дээр дүрсийг тастаж хэвлэдэг) тусгай бэхээр цахилгаан дамжуулагч хийж байсан, энэ нь утас шиг дамжуулж чаддаг. Энэ аргыг “Хэвлэмэл утас” эсвэл “ Хэвлэмэл хэлхээ” гэж нэрлэдэг байсан. Дэлхийн 2-р дайны үед Eisler шинэ (proximity fuse ) тэсрэх бөмбөг нэвтрүүлсэн энэхүү зэвсгийг Америк даяар цэргийн хүчин ашиглаж эхэлсэн. Түүний энэ санаа нь 1950 онд транзистор танилцуулсан үед ашигтай болсон. Энэ үе хүртэл вакуум хоолой болон бусад төрлийн элементүүд нь маш том хэмжээтэй байсан. Транзисторыг танилцуулснаар элементүүд маш жижиг хэмжээтэй болж эхэлсэн ба үйлдвэрүүд хэвлэмэл хавтанг байж болох бага хэмжээтэй үйлдвэрлэж чадахаар болсон. Металл ялтсаар бүрэгдсэн нэвт контакт ба олон давхаргатай хэвлэмэл хавтан ашиглаж 1961 онд Америкийн Нэгдсэн улсын компани Хазелтин худалдааны төвөөр патентлагдсан байна. Нийлмэл хэлхээг (Integrated circuit) 1970 онд танилцуулсан ба хэвлэмэл хавтан үйлдвэрлэх техник, элементүүдийг угсрах үйл явц хурдассан. Өнөөдөр хэвлэмэл хавтан 50 хүртэл давхаргатай зарим хэрэглээнд ашиглахаар хэвлэгдэж байна.

Гадаргуу дээр элементийг наадаг технологи нь 1960 онд хөгжиж эхэлсэн ба 1980 онд өргөн хэрэглэж эхэлсэн.

Дизайн загварчлал

Эхэндээ хэвлэмэл хавтанг mylar ялтас дээр гар аргаар фото маск үүсгэх хэлбэрээр бүтээж байсан. Ихэвчлэн 2оос 3 удаагийн оролдлогоор зөв хэмжээ гарж ирдэг байсан байна. Эхлээд схем диаграмаа гаргаад дараа нь хөл тавуудаа mylar дээр байрлуулаад хөлүүдээ замаар холбох дарааллаар явдаг байсан. Харин орчин үед хэвлэмэл хавтанг дараах ерөнхий үе шаттайгаар бүтээдэг болсон. Хэвлэмэл хавтангийн схем шийдэл болон загварчлалыг бэлтгэх олон төрлийн том жижиг хэмжээний програм хангамж болон tool-үүд гарч ирсэн. Жишээлбэл:

Altium Designer
Mentor Graphics
Orcad
Eagle
Proteus
Zenit PCB
Tiny CAD
Osmond PCB
Design Spark PCB
Easy EDA
KiCad гэх мэт.

Эдгээр програм хангамжууд нь өөр хоорондоо түвшингээрээ ялгаатай. Илүү нарийн мэргэжлийн түвшний бөгөөд инженерүүд, хэвлэмэл хавтангийн загварчлал гаргадаг хувь хүмүүс дараах програм хангамжуудыг голцуу хэрэглэдэг юм. Үүнд:

Altium Designer
Cadence Orcad
Mentor graphics
Eagle

PCB-ийн ангилал (Classification of Printed Circuit Boards)

PCB ихэвчлэн хоёрдмол утгатай байдаг янз бүрийн шинж чанаруудаар нь ангилж болно. Уламжлалт аргаар бол хэрэглээ ба програмчлалынх нь дагуу өргөн хэрэглээний, мэргэжлийн түвшний, найдвартай ажиллагааны хавтан гэж гурав ангилдаг байсан.

Өргөн хэрэглээний хавтан (Consumer board)

Өргөн хэрэглээний хавтан нь радио, телевиз, хямд хэмжилтийн төхөөрөмжүүд гэх мэт өргөн хэрэглээний бүтээгдэхүүнд хэрэглэгддэг. Эдгээр төрлийн хавтангууд нь зардлаа бага байлгахын тулд илүү хямд үнэтэй үйлдвэрлэлийн зориулалттай зөвшөөрөгдсөн эд ангиуд болон үндсэн материалыг хэрэглэдэг байсан. Хамгийн гол нь сайн тогтвортой цахилгаан шинж чанарыг бүрдүүлж чаддаггүй.

Мэргэжлийн түвшний хавтангууд (Professional boards)

Мэргэжлийн түвшний хавтангууд нь хяналт сайтай угсралтын техникийг хэрэглэсэн, илүү хатуу чанга цахилгаан болон орчны үзүүлэлтүүдийг бий болгохын тулд сайн чанарын материалаар хийгддэг байсан.

Найдвартай ажиллагааны хавтан (Higher reliability boards)

Голчлон стратегийн програмд хэрэглэдэг найдвартай ажиллагааны хавтан нь маш хатуу хяналттай үйлдвэрийн процессууд болон өндөр чанарын материал хэрэглэсэн учраас хамгийн сайн цахилгаан шинж чанарыг гаргаж чадаж байна гэж үзэж байсан. Дээрх ангилалуудыг магадгүй 20 эсвэл 30 жилийн өмнө хэрэглэж байсан байх. Харин одоо үед өргөн хэрэглээний болон мэргэжлийн түвшний зах зээлийн хоорондын ялгаа байхгүй болсон. Ихэнх компакт диск, видео камер эсвэл камер гэх мэт өргөн хэрэглээний бүтээгдэхүүнүүд нь персональ компьютертой адил мэргэжлийн түвшний тоног төхөөрөмжөөс ч илүү төвөгтэй найдвартай байдлыг шаарддаг болсон. Гадаргууд суурилуулдаг технологийн давуу тал болон хамгийн хямд бүтээгдэхүүнд хэрэглэгддэг хавтангуудад байдаг автоматжуулсан угсралтын техникийн хөгжил зэрэг нь механикийн маш нарийн тогтвортой байдлыг бий болгох ёстой.

Суурь буюу нимгэн хавтан (Board Mounting Techniques)

Энэ нь зэс утастай холбогдсон бүхий л хэсгүүд болон зэсээр бүрхэгдсэн талбайг бүхэлд нь механик үйлчлэлээр хангадаг. Схемийн цахилгаан дамжуулах шинж чанар нь суурь материалын цахилгаан тусгаарлагч шинжээс хамаардаг тул зохих ёсоор хянаж байх ёстой. Дамжуулагч нь зөвхөн бүрэлдэхүүн хэсгүүдийн цахилгаан холболтыг хийгээд зогсохгүй бусад ижил түвшинд байгаа завсрын цэгүүдийг ч мөн адил холбодог.

Бүрэн болсон хавтан бүрэлдэхүүн хэсгүүдийг бүхий л шаардлагатай цахилгаантай холбож механик үйлчлэлээр нь хангах үед энэ нь үндсэндээ PCB болсон гэсэн үг. Хэвлэмэл гэдэг нь маш чухал. Учир нь дамжуулах талбайн процесс нь ихэвчлэн бичвэр эсвэл зураг хэвлэхэд түгээмэл хэрэглэдэг хэвлэх процесстой адил зарчмаар явагддаг.

Хэвлэмэл хавтангийн характеристикууд

Электроникийн салбарын хэвлэмэл хавтангийн зураг төсөл, угсралт, чанарын хяналтын ихэнхи нь IPC байгууллагаас гаргасан стандартыг дагана.

Нэвт нүхний технологи (Through Hole technology)

Via буюу давхаргуудыг холбох нүхнүүдийн 3 төрөл

Анхны хэвлэмэл хавтангууд нэвт нүхэн технологийг ашигласан байдаг. Энэ нь тухайн хэвлэмэл хавтан дээр хөлтэй элементүүдийг нэвт зоогдох байдлаар гагнасан байдлыг хэлнэ. Нэг талт (single sided), 2 талт (double sided) аль аль талд нь элементүүдийг гагнах боломжтой юм.

Surface-mount technology SMD

SMD технологи нь 1960аад онд бий болж 1980-аад оноос эрчээ авсан ба 1990-ээд оны дунд гэхэд өргөнөөр ашигладаг болсон байна. Through hole технологиос ялгаатай нь элементүүдийг хавтан дээр нь наах байдлаар гагнадаг. SMD төрлийн элементүүд нь зоодог элементийн эсрэг буюу өөрөөр хэлбэл хавтангийн нэг талд гагнах боломжтой өөрөөр хэлбэл зоох бус наадаг технологи юм.

SMD технологиор элементүүд гагнагдсан хэвлэмэл хавтангийн хэсэг. (SMD эсэргүүцэлүүд, конденсаторууд болон Integrated Circuits)

Ялтас (Lamineta)

Ялтаснуудыг жигд зузаантай хэсгийг боловсруулахын тулд резинэн цаас эсвэл даавуун давхаргыг өндөр температур болон даралтын доор боловсруулж гаргаж авдаг. Хэмжээ нь 1.2мм - 2.4 мм урт өргөнтэй байдаг. Төрөл бүрийн даавууны сүлжмэл, даавууны зузаан, резиний агуулга зэргийг цахилгаан дамжуулдаггүй эцсийн зузаанд хүргэхийн тулд хэрэглэдэг. Хүснэгтэд стандарт ялтасны зузааныг харуулав.

IPC Давхаргын дугаар	Зузаан /инч/	Зузаан /мм/
L1	0.002	0.05
L2	0.004	0.10
L3	0.006	0.15
L4	0.008	0.20
L5	0.010	0.25
L6	0.012	0.30
L7	0.016	0.40
L8	0.020	0.50
L9	0.028	0.70
L10	0.035	0.90
L11	0.043	1.10
L12	0.055	1.40
L13	0.059	1.50
L14	0.075	1.90
L15	0.090	2.30
L16	0.122	3.10

Импеданс (Impedance)

Импеданс гэдэг нь Өндөр нам дохионы оролт гаралтын хоорондох эсэргүүцлэлд хамаарсан утга. Зам ойртох тусам импеданс өөрчлөгдөнө. Мөн хэвлэмэл хавтангийн зузаан, материалаас шалтгаалж бүрэн бус эсэргүүцэл өөрчлөгдөнө. Сигналууд дээр тодорхойлогдсон импедансийн зөвшөөрөгдөх утгуудыг дараах хүснэгтэд харуулав.

Сигналын бүлэг	Импеданс	Layout нарийвчлал
Тодорхойлогдоогүй бүх сигналууд	50 ом	10%
PCI ба DFF сигналууд	50 ом	10%
USB ба DFF сигналууд	90 ом	10%
Diff сигнал: LVDS, SATA, HDMI, MIPI (CSI,LDSI), MLB, Физик интеграл схемээс Ethernet connector хүртэлх	100 ом	10%