Elektronika jest dzisiaj elementem niemal wszystkich urządzeń, które obsługujemy. Właściwie to świat dzisiaj, bez płytek drukowanych, nie miałby szans funkcjonowania. Od smartfonów i komputerów personalnych, przez urządzenia AGD, a na rowerach czy już nawet okularach kończąc. Elektronika musi ewoluować i dostosowywać swój rozmiar do coraz mniejszych „obudów nośnych”, tego wymagają klienci. Wystarczy spojrzeć na ewolucję słuchawek, kiedyś ogromne, z długim i grubym przewodem, dzisiaj dwie malutkie pastylki umieszczane bezpośrednio w uchu. Jak właściwie producenci to robią? Jak to się dzieje, że ta niesamowita funkcjonalność jest zamykana w tak niewielkich opakowaniach? Na to pytanie znajdziesz odpowiedź w tym artykule!
Dlaczego elektronika jest coraz mniejsza?
Na to pytanie można tak właściwie odpowiedzieć jednym zdaniem. Bo tego wymagają klienci. Z drugiej strony, producenci nie pozostają klientom dłużni. Coraz więcej produktów zaczyna posiadać bardzo nietypowe funkcjonalności. No bo kto jeszcze piętnaście lat temu mógłby pomyśleć, że okulary przeciwsłoneczne będą kamerą? Albo, kto sobie zdaje sprawę z tego, że za chwilę będziemy mieli w skarpetkach chipy RFID, aby nam skarpetkowy potwór z pralki ich nie pożerał 😉?
Zasadniczo, chodzi o to, że świat staje się coraz dynamiczniejszy, a my chcemy robić wszystko szybciej, łatwiej, taniej, w tym momencie. To może się wydarzyć tylko i wyłącznie za pomocą wykorzystania coraz to nowocześniejszych urządzeń. Kiedyś dziennikarze do przeprowadzenia wywiadu musieli posiadać tonę sprzętu, dzisiaj potrzebujesz okularów i już.
https://www.inverse.com/
Ze względu na powyższe, na producentach elektroniki, chipów i innych komponentów branży narzucona jest ogromna presja ewolucji. Przyznam szczerze, nie jest to łatwe zadanie i podejrzewam, że doskonale zdajesz sobie z tego sprawę.
Ewolucja komponentów elektroniki
Nie chcę w tym artykule Cię zanudzać, coraz częściej dochodzą mnie słuchy że artykuły są zbyt „branżowe” i ciężko się je czyta. Dlatego chciałbym poruszyć temat ewolucji komponentów tylko po to, aby podkreślić przeskok, który nastąpił w ciągu ostatnich lat.
Po pierwsze, kiedyś komponenty – kondensatory, rezystory, warystory, mikroczipy, procesory itd.. Były super duże. Miało to wiele wad. Między innymi:
- Elektronika była ciężka
- Elektronika była duża
- Elektronika mogła „robić” mniej rzeczy ze względu na to, że posiadała mało wyposażenia
- Elektronika była droga, bo musieli ją montować ludzie
- Produkcja elektroniki była czasochłonna
No bo popatrz tylko
Przecież to, ktoś musiał wziąć, przygotować, pociąć, porozmieszczać, polutować, a na koniec w tym wszystkim się jeszcze nie pomylić. Była to praca, w której pracownicy produkcyjni musieli być naprawdę wykwalifikowanymi ludźmi.
Z czasem płytki drukowane zaczęły ewoluować, w fabrykach pojawiły się maszyny produkcyjne wyręczające ludzi, komponenty zaczęły być coraz mniejsze. Nastąpiła powolna standaryzacja podzespołów. Mimo wszystko nadal procesy były czasochłonne. Wyobraź sobie, ile musi trwać lutowanie stu komponentów na takiej płytce przez człowieka (200 połączeń do polutowania w procesie)
No dobrze, jesteśmy dzisiaj tu gdzie jesteśmy. Przeszliśmy naprawdę kawał drogi i minął szmat czasu. Co się zmieniło? A no przyjrzyj się
Źródło: Obraz autorstwa xb100 na Freepik
Jeżeli chodzi o sam produkt, zmieniło się wszystko:
- Elektronika była ciężka – jest lekka
- Elektronika była duża – jest mała
- Elektronika mogła „robić” mniej rzeczy ze względu na to, że posiadała mało wyposażenia – Elektronika może robić dużo rzeczy ponieważ posiada mnóstwo komponentów
- Elektronika była droga, bo musieli ją montować ludzie – elektronika jest tania
- Produkcja elektroniki była czasochłonna – produkcja elektroniki jest super szybka, popatrzcie tylko na to:
20 komponentów zostało ułożonych w czasie krótszym niż 2 sekundy. Fakt, na płytkach nadal występują dzisiaj duże komponenty, które muszą być tam umieszczane przez ludzi. Mimo to przeskok jest ogromny, zmniejszenie komponentów pozwoliło nam niesamowicie przyspieszyć proces. To wiąże się ze zmniejszeniem finalnej ceny produktu oraz dużo większym wachlarzem funkcji produktów.
Jak produkuje się elektronikę?
Szybko! No dobra, bez żartów. Jeżeli by tak wziąć na logikę proces produkcji elektroniki z lat 60 ubiegłego wieku i przełożyć na teraz to kolejno:
- Przygotować laminat, do którego będziemy lutować komponenty
- Przylutować komponenty
- Koniec
Jeżeli chcesz to zrobić szybko, to musisz lutować ekstremalnie szybko, ewentualnie musisz to zrobić naraz. I taką drogą poszła branża elektroniki, po pierwsze robią to szybko, po drugie robią to naraz.
Wejściem do procesu jest płytka drukowana, na nią nakłada się pastę lutowniczą. Następnie na paście lutowniczej umieszczamy komponenty SMD (Surface-mount devices – urządzenia układane powierzchniowo). Ostatnim krokiem jest zespolenie tego wszystkie w całość za pomocą rozgrzania pasty w piecu przepływowym. Po takiej obróbce mamy gotową (lub nie), płytkę PCB (Printed circuit board – płytkę obwodu drukowanego).
Flow chart tego procesu będzie wyglądał następująco:
Nakładanie pasty
Krokiem procesu rozpoczynającym produkcję elektroniki jest nałożenie pasty lutowniczej. W skład pasty wchodzą topnik oraz kulki lutu cynowego. Sam krok nakładania pasty wygląda następująco:
Płytka drukowana pozycjonowana jest pod sitem do sitodruku. Sito jest specjalnie zaprojektowanym przez konstruktora szablonem, który odzwierciedla miejsca lutowania z płytki PCB. W miejsca, gdzie powinna znaleźć się pasta na płytce, w szablonie znajdują się otwory.
Po spozycjonowaniu sito zostaje dociśnięte do płytki PCB, następnie podłużna rakla przeciąga pastę lutowniczą po sicie, przeciskając ją przez otwory. Następuje odjazd rakli oraz sita, a płytka PCB jest gotowa do przejazdu do następnego kroku procesu.
Układanie komponentów na PCB
Jeżeli jesteś psychofanem technologii, to ten proces ewidentnie byś pokochał. Wiem, bo mnie ten proces niesamowicie hipnotyzuje, popatrz tylko:
Maszyny wykonujące ten proces to bardzo skomplikowane i bardzo szybkie urządzenia. Ich działanie opiera się na bardzo precyzyjnym pobraniu mikroskopijnych komponentów za pomocą specjalnej głowicy, a następnie odpowiednim rozmieszczeniu na płytce drukowanej. Cały proces kontrolowany jest za pomocą bardzo wydajnych kamer, sprawdzają one zarówno jakość oraz rodzaj komponentów, jak i samą płytkę PCB. Jakie komponenty jesteśmy w stanie układać za pomocą tego rodzaju głowicy? A no takie:
Dość małe nieprawdaż 😉? Samo pobranie komponentów wygląda mniej więcej tak:
Następnie w równie ciekawy sposób komponenty są odkładane, całość procesu można obejrzeć na tym filmie:
Lutowanie rozpływowe
Ostatnim etapem produkcji PCB jest przejście przez piec rozpływowy – tzw. Reflow. Po nałożeniu komponentów na pastę, płytkę drukowaną należy poddać obróbce termicznej. Laminat przejeżdżając przez piec, zostaje w odpowiedni sposób rozgrzany, charakterystyka kolejnych sekcji pieca jest przedstawiona na poniższym rysunku.
Płytka, jadąc przez piec, jest stopniowo rozgrzewana, w finalnej fazie lutowania rozpływowego następuje przetop cyny i połączenie komponentów SMD z laminatem. Następnie ostatnim etapem jest chłodzenie, w którym następuje zespolenie połączeń. Każdy z etapów przejścia PCB przez piec jest bardzo istotny, a narost temperatury wynosi od 1 do 3 stopni na sekundę. Wynika to z możliwego wystąpienia naprężeń lub nawet pękania komponentów w przypadku szoku termicznego. Chłodzenie jest dość intensywne, co widać na wykresie, wynika to z tego, że struktura drobnoziarnista, która powstaje przy takim rodzaju chłodzenia, jest najbardziej efektywna.
Po schłodzeniu otrzymujemy gotową płytkę PCB, która może być już wyrobem finalnym lub może zostać poddana kolejnym fazom procesu produkcyjnego.
Czy kierunek rozwoju elektroniki jest poprawny?
Dzięki ciągłej ewolucji procesów produkcyjnych jesteśmy w stanie produkować coraz to mniejsze komponenty, które powodują, że procesy stają się coraz dokładniejsze, przez co jesteśmy w stanie produkować coraz to mniejsze komponenty. Trochę pętla nie? To naprawdę tak działa. Ciągła ewolucja, ciągłe PDCA wdrożone na produkcji sprawia, że świat staje się coraz bardziej efektywny, dzięki temu nasze życie staje się coraz łatwiejsze. Z drugiej strony, świat staje się dużo bardziej dynamiczny i wymagający, ja mając 30 lat, zaczynam się już trochę gubić w nowej technologii. Czy więc kierunek zmian jest w porządku? No cóż, jak najbardziej. Życie powinniśmy sobie ułatwiać, pamiętajcie, jak dużo dobrego robi elektronika w dziedzinie, chociażby medycyny. Nie ulega wątpliwości, że komfort życia dzisiaj jest dużo wyższy niż jeszcze kilkadziesiąt lat temu. Niewątpliwe jest również to, jak duży wpływ na to miał rozwój elektroniki.
0 komentarzy