Uudella älyelektroniikalla ja sulautetuilla mikroprosessoreilla voidaan toteuttaa entistä paremmin toimivia laitteita ja entistä pienempinä. Silti uudetkin laitteet rakentuvat yhdestä tai useammasta piirilevystä, joihin tarvittavat komponentit on juotettu ja kaapeloitu.

• Osa1. Tutki ja selvitä markkinoista piiri- ja ohjelmistovalintoihin, julkaistu 28.2.2023 (LINKKI)
• Osa 2. Kohti protoa piireistä moduuleihin ja ohjelmointiin (LINKKI)
• Osa 3. Kotelointi, laitekokoonpano ja sertifioinnit, julkaistu 8.5.2023 (LINKKI)
• Nykyelektroniikan suunnittelukoulu tulostettava e-dokumenttina, osat 1-3, pdf- ja issuu-muodossa TULOSSA!

Uuden elektroniikkalaitteen kehitysprojektissa tehdään usein protoja liittämällä ensiksi valmiita tai puolivalmiita laitepalikoita toisiinsa johdoilla ilman piirilevyä. Jossakin vaiheessa tullaan silti aina pisteeseen että on suunniteltava laitteelle lopullisempi piirilevy, joka pitää sisällään myös komponenttien väliset johtimet.

Komponentit ovat sinällään enemmän tai vähemmän yleiskäyttöisiä. Toisin sanoen, tiettyä mikropiiriä, vastusta, kondensaattoria jne. voi käyttää melkein missä tahansa laitteessa. Piirilevy taas on yksinomaan räätälöity tietylle laitteelle eikä sitä voi muualla käyttää. Jos projektissa vaikka aluksi on kasattu protoja liittämällä palikoita toisiinsa ulkoisilla johdoilla ilman piirilevyä, tullaan lopulta aina pisteeseen että on suunniteltava laitteelle oma ainutkertainen piirilevy.

Tätä silmällä pitäen on syytä tietää perusasiat piirilevyistä eli miten niitä voidaan suunnitella, millaisin ohjelmin ja myös valmistaa. Aiempiin vuosikymmeniin nähden piirilevyjen tuottaminen on helpottunut, sillä tarjolla on runsaasti netin läpi toimivia piirilevy-yrityksiä. Niiltä voi tilata joko yksittäisiä piirilevyjä todellisen tason protolaitteiden kokoamiseen, mutta myös aikanaan myös lopullisiin tuotteisiinkin.  Myös suomalaiset piirilevyvalmistajat ovat mukana ja varsinkin esikoisimmissa, esimerkiksi RF-alueen piirikorteissa kannattaa suosia suomalaisia tai ainakin pohjoismaisia toimittajia.

Piirilevyjen perusmateriaalit

Ensimmäisissä piirilevyissä – tosi hyvin kauan sitten – piirilevymateriaalina toimi fenolihartsilla kyllästetty paperi. Ne tunnettiin kaupallisella nimellä “pertinax”.  Onneksi nykyisin ylivoimaisesti yleisin piirilevymateriaali on FR-4, joka koostuu epoksihartsilla kyllästetystä lasikuitukankaasta. FR-4 toimii useimmissa sovelluksissa, mutta tietyissä tapauksissa voi tarvetta olla muihinkin ratkaisuihin.

Tässä on taustatietoa erikoisimpiin sovelluksiin ja F4:n soveltuvuuteen:

• Suurtaajuuspiireille FR-4-materiaalin käyttökelpoinen taajuusalue on 7 GHz ja yli 10 GHz taajuuksilla vähähäviöisemmät materiaalit ovat yleensä tarpeen. Sellaisia valmistaa esimerkiksi amerikkalainen Rogers.
• Tehoelektroniikassa tehotiheyden (häviöteho/laitteen tilavuus) kasvaessa jäähdytys on yhä tärkeämpää. Ja koska FR-4 johtaa sinällään varsin huonosti lämpöä, Tarjolla on myös piirilevyjä, joiden ytimessä on alumiini- tai kuparilevy jäähdytyksen tehostamiseksi.
• Taipuisat piirilevyt ovat entistä useammin tarpeen. Koska FR-4 on täysin jäykkä ja taipumaton materiaali, voidaan yksiköiden väliset liitännät ja johdotukset toteuttaa polyamidipohjaisilla taipuisilla piirilevyillä. Yleistä muun muassa järjestelmäkameroissa, joissa elektroniikka tyypillisesti joudutaan sijoittamaan kapeisiin rakoihin eri osien väliin eikä yhden levyn jäykkä ratkaisu juurikaan ole mahdollinen.

Monikerrospiirilevyt ja rakenteet

Perinteisillä piirilevyillä komponenttien väliset liitännät on toteutettu piirilevyn pinnassa kulkevilla kuparifolioilla. Levyllä voi olla kaksi pintaa, joista molempia voidaan käyttää johtovetoihin. Pinnalla kulkevat foliot eivät saa koskettaa toisiaan eikä ylittää toisiaan, joten johdot voivat kulkea pinnalta toiselle läpivientien kautta. Läpivienti on mekaanisesti tai muulla tavoin porattu reikä, jonka sisäpinta on päällystetty kuparilla.

Koska elektroniikkalaitteiden kokoa on haluttu pienentää koko ajan niin se on vaikuttanut myös piirilevyjen rakenteisiin. Toimintoja on saatu pakattua piireille entistä enemmän, mutta samalla ne ovat tuoneet uusia vaatimuksia piirilevyille.  Tässä muutamia ratkaisuja, joilla piirilevyn kokoa on saatu pienemmäksi:

• Johdinvetojen minimileveys ja minimietäisyys toisistaan ja muista elementeistä.
• Mitä enemmän kerroksia, sitä tiheämmin komponentit voi pakata. Koskee erityisesti “monijalkaisia” piirejä, esim. BGA-kotelossa voi olla lähes tuhat “jalkaa” (oikeammin tinapalloa).
• Valmistajasta riippuen piirilevyllä voi olla useita kymmeniä johdotuskerroksia.
• Läpiviennit: viime kädessä ratkaiseva seikka, ohuemmilla läpivienneillä jää enemmän tilaa johdinvedoille.
• Erikoisläpiviennit kuten sokeat, umpinaiset ja osittaiset antavat vieläkin enemmän tilaa johdotukselle.
• Vieläkin enemmän tilaa johdotukselle saadaan erityisillä läpivienneillä:
  • Sokea läpivienti (blind via) on reikä joka alkaa ulkopinnasta mutta päättyy johonkin sisäkerrokseen eikä mene koko levyn läpi.
  • Haudattu läpivienti (buried via). Ne ovat sisäkerrosten välisiä läpivientejä, jotka eivät vie tilaa ulkopinnoilla
  • Mikroläpivienti (microvia), jossa pienikokoinen sokea läpivienti yhdistää vain yhden kerroksen molemmat pinnat.

Piirilevysuunnittelun työkalut

Piirilevyjen suunnitteluun käytetään Windows-, Linux- tai MacOS-tietokoneissa toimivia ohjelmistoja, joita on tarjolla useita kymmeniä kokonaan ilmaisista kymmenien tuhansien erikoisohjelmistoihin. Myös niiden ominaisuudet vaihtelevat hinnan mukaan , mutta ei aivan yhtä suoraviivaisesti. Rahalla saa, mutta ilmainen työkalukin voi olla jopa parempi kuin maksullinen.

Markkinoiden maksullisissa piirilevyjen työkaluohjelmistojen valmistajista erottuu tietty, neljän tuotteen ammattilaissarja: PADS, OrCAD, Cadence ja Altium. Lisäksi listaan voidaan liittää myös Zuken Cadstar. Lisäksi laajoissa pääosin isojen yritysten käyttämissä elektroniikan suunnittelujärjestelmissä, esimerkiksi Mentor (nykyisin Siemens) on piirisuunnittelun lisäksi myös piirilevyjen suunnitteluosuudet.

Ilmaiset piirilevysuunnittelutyökalut ovat mielenkiintoisia, joita kannattaa myös miettiä ainakin pk-sektorin yrityksissä. Silti kannattaa muistaa, ettei ilmaisia lounaita tunnetusti ole. Esimerkiksi elektroniikan komponentit jakeluyritykset sponsoroivat tai tarjoavat piirilevyjen työkaluohjelmia. Näitä ovat esimerkiksi DesignSpark, jota markkinoi komponenttijakelija RS Components. Toinen on on kiinalainen piirilevysuunnittelutyökalu EasyEDA, joka suosittelee piirejä LCSC luettelosta. Erikoisuutena se jopa tarjoaa piirilevyn valmistuksen ja prototyypin kokoonpanon kiinalaisen JLCPCB:n avulla.

Poikkeuksen ilmaistyökalujen tarjonnassa tekee KiCAD, joka on kokonaan riippumaton komponenttivalmistajista ja jakelijoista. Ohjelmaa kehittää vapaaehtoinen asiantuntijajoukko eri puolilla maailmaa. Työ on aktiivista ja päivityksiä julkaistaan usein. Lisäksi KiCAD sisältää monia ominaisuuksia, joita yleensä on vain maksullisissa työkaluissa, esimerkiksi suurtaajuuspiirien toteuttamistuki. Lisäksi sillä on netissä käyttäjien ylläpitämä neuvontapalvelu ja verkossa 600 sivuinen oppikirja KiCAD like a Pro ja videokurssi.

Piirilevyn suunnittelusäännöt

Ennen piirilevysuunnitteluun ryhtymistä tulee selvittää monia tärkeitä asioita, jotta suunniteltava piirilevy olisi myös valmistettavissa. Esimerkiksi piirilevyn suunnittelusäännöt löytyvät yleensä piirilevyvalmistajan dokumenteista tai valitun piirilevy-valmistajan nettisivuilta.  Niissä on enimmäkseen kyse johdinvetojen minimileveyksistä ja minimietäisyyksistä toisiin johtimiin, läpivienteihin ja muihin elementteihin.

Oman piirilevyn suunnittelu aloitetaan aina laatimalla työkalussa piirikaavio, josta ilmenee kaikki komponentit ja niiden väliset johtimet. Tämä on laitteen rakenteellinen kuvaus, joka sinällään kertoo hyvin vähän laitteen toiminnasta muun muassa siksi että toiminnalliset yksityiskohdat määritellään mikro-ohjaimen ohjelmistossa. Tämä puoli taas ei mitenkään ilmene piirikaaviosta.

Piirikaaviossa jokaista komponenttia vastaa graafinen symbooli eli kuvio, jäänne ajalta ennen tietokoneita, jolloin piirustukset piirrettiin käsin piirustuspöydällä viivoittimella, tussilla ja muulla sellaisella. Amerikkalainen standardisointiorganisaatio JEDEC kehittää ja ylläpitää edelleen suurta joukkoa elektroniikan valmistukseen liittyviä standardeja kuten piirikaavioiden symbolit, passiivikomponenttien (esim. vastukset ja kondensaattorit) ja mikropiirien ja muiden puolijohdekomponenttien mekaaniset kotelot.

Piirikaaviosymbolin lisäksi kullekin komponentille on määriteltävä piirilevykuva (footprint), jossa on ainakin komponentin ääriviiva ja komponentin reiät, mikäli kyseessä on reikiin asennettava komponentti. Sellaisia ovat tyypillisesti liittimet ja releet kun taas pintaliitoskomponentit juotetaan suoraan piirilevyn pinnassa olevaan kuvioon, jossa on kuparitäplä jokaista “jalkaa” tai muunlaista liitäntäpistettä varten.

Hyvän piirilevytyökalun mukana tulee lisäksi enemmän tai vähemmän kattava kirjasto jossa on valmiina komponenttien määritelmiä. Mutta olkoon kirjasto kuinka laaja hyvänsä, eteen tulee aina tilanteita että halutaan käyttää komponenttia, jota kirjastosta ei löydy. Piirilevytyökaluissa on toiminnot uusien komponenttien määrittelemiseksi, mutta niiden käyttö voi olla työlästä ja virhealtista. Jos komponenttien määrittelyissä on virheitä, on jokseenkin varma että proto ei toimi ja syyn selvittäminen voi olla hyvin, hyvin hankalaa.

Onneksi netistä löytyy parikin sivustoa kuten SnapEDA ja Component SearchEngine, joilta voi hakea veloituksetta hakea komponenttien määrittelyjä monen eri piirilevytyökalun hyväksymässä formaatissa. Elektroniikassa tehdään erittäin paljon standardisointityötä, mutta juuri piirilevyjen suunnittelutyökaluissa standardointi on aivan olematonta. Esimerkiksi yhdellä työkalulla laadittua piirikaaviota ei voi lukea millään muulla työkalulla, muutamaa poikkeusta lukuunottamatta. Esimerkiksi KiCAD osaa lukea harrastajien keskuudessa hyvin suositun Eagle-työkalun tiedostoja.

Protojen kokoonpanopalvelut – myös verkosta 

Kaiken suunnittelun jälkeen saavutaan aina lopulta tilanteeseen, jossa proton fyysinen rakenne pitäisi tavalla tai toisella toteuttaa. Elektroniikkaprotoissa kyse on pääasiassa kolmesta työvaiheesta:

• Piirilevyn valmistus erillisenä prosessina
• Ladonta eli komponenttien sijoittaminen asianmukaisille paikoilleen piirilevyllä
• Juottaminen, jolla komponentit varsinaisesti kiinnitetään piirilevylle

Juottamiseen käytetään enimmäkseen pastaa, jota levitetään stensiiliä käyttäen piirilevylle ennen komponenttien latomista. Sen jälkeen koko rakennelmaa lämmitetään niin että juotospasta sulaa noin kolmensadan asteen lämpötilassa.  Haasteena on lämmittää tarpeeksi juotosta varten, mutta ei liikaa että herkimmät mikropiirit ehtivät vahingoittua. Komponenttien valmistajilla on omat ohjeensa koneellista juottamista varten.

Elektroniikkaproton kohtuuhintainen ja nopea kokoonpano on nykyään helpompaa kuin koskaan aikaisemmin. Kun muinaisina aikoina protoja rakenneltiin paljolti käsityönä jopa piirilevyä myöten, nykyään protojen kokoonpanossa käytetään samoja koneita (ladontakoneet ja juotoskoneet) kuin sarjatuotannossakin. Tämä on mahdollistanut yksittäistenkin protokappaleiden kohtuuhintaisen ja ennen muuta nopean ja luotettavan kokoonpanon.

Alle viikonkin toimitusajat ovat rutiinia monilla yrityksillä. Kokoonpanon lisäksi yritykset voivat tarjota muitakin hyödyllisiä palveluja kuten komponenttien hankintaa ja neuvontaa esimerkiksi komponenttien valinnassa.  Komponenttien saatavuudessa ja hinnoittelussa voi olla suuriakin vaihteluja.

Kaikilla kokoonpanoa tarjoavilla yrityksillä on selkeät nettisivut, joista ilmenee tarjottavien piirilevyjen tärkeimmät ominaisuudet kuten levyn tyyppi. Kaikki yritykset voivat valmistaa FR-4-tyyppisiä monikerroslevyjä. Monet yritykset osaavat myös valmistaa erikoisempiakin levyjä kuten RF-tekniikassa tarvittavia vähähäviöisiä levyjä Rogersin materiaaleista sekä taipuisia, polyamidipohjaisia levyjä ja metalliytimellä varustettuja levyjä tehoelektroniikkaa varten.

Sivustoilta voi hyvin nopeasti saada tarjoukset hinnasta ja toimitusajasta kunhan ensin lähettää tarpeelliset tiedot. Näistä tärkein on osaluettelo ja eri piirilevykerrosten ns. Gerber-tiedostot. Nämä ja monet muutkin tiedostot voi tulostaa piirilevyn suunnitteluohjelmasta. Tulostaminen voi kuitenkin olla työlästä ja virhealtista, mistä syystä joillekin yrityksille voi sellaisenaan lähettää kaiken tiedon sisältävän suunnittelutyökalun “natiivitiedoston” josta palveluyritys sitten poimii kaiken tarvitsemansa.

Ohjelmistotyökalut tarpeen

Nykyelektroniikan laitteissa alkaa olla aina mukana yksi tai useampi mikro-ohjain tai prosessoripiiri. Siksi piirilevy- ja muun elektroniikkasuunnittelun lisäksi tarvitaan ohjelmistokehitystä ja siihen tarvittavia ohjelmistotyökaluja. Siinä kirjoitetaan toiminnallinen kuvaus jollakin ohjelmointikielellä, joita ovat esimerkiksi Python, Javascript, C/C++ ja Java.

Sulautetuissa järjestelmissä ja mikro-ohjaimissa perustyökalu on sulautettu kehitysympäristö eli IDE (Integrated Development Environment). IDE on usean työkalun kokoelma, johon sisältyy ainakin editori tekstin muokkausta varten, kääntäjä joka tekee ohjelmointikielen mukaisesta koodista ajokelpoisen tiedoston. Mukana voi myös olla debuggeri ohjelman toimivuuden ja koodin virheettömyyden tarkistamiseksi. Työkalupakista voi myös löytyä versioiden hallintatyökalu ja koko joukko muitakin hyödyllisiä aputoimintoja.

Tarjolla on sangen laaja kokoelma eri valmistajien ohjelmistotyökaluja. Näissä kuten muissakin työkaluissa löytyy kaikkea täysin ilmaisista varsin kallisarvoisiin kaupallisiin tuotteisiin. Ilmaistyökaluissa käytetään useimmiten open source-periaatteella kehitettyjä GNU-työkaluja. Esimerkiksi GNU-kääntäjiä löytyy noin seitsemällekymmenelle prosessoriarkkitehtuurille, vaikka monet näistä eivät enää ole eivätkä edes koskaan ole olleet laajasti käytössä. Työkalujen käyttöliittymä pohjautuvat usein IBM:n rahoittamaan Eclipse-projektiin, jonka aikaansannokset  IBM luovutti kaikkien käytettäväksi täysin veloituksetta.

IDE-tyyppisten työkalujen lisäksi ohjelmistoja voi kehittää lähes ilman varsinaista koodausta erilaisilla graafisilla työkaluilla. Yksi tunnetuimmista on amerikkalainen NI:n LabView, joka on tarkoitettu mittausautomaatiosovelluksiin NI:n laitteistoa käyttäen. Toinen samantapainen työkalu on Matlab, joka on laaja-alaisempi ja yleiskäyttöisempi eikä sidoksissa tietyn valmistajan laitteisiin. Mainitut työkalut ovat hyvin tehokkaita, mutta oppimiskäyrä on sangen jyrkkä heti alussa ja lisenssimaksutkin ovat varsin korkeita.

FPGA-piirit tuovat joustavuutta

FPGA-piirit (Field Programmable Gate Array) ovat erityinen digitaalipiirien tyyppi jossa joustavuus ja mahdollisuus  konfiguroida sekä rakennetta että toimintaa poikkeaa tavanomaisista piireistä. Kaikista muista mikropiireistä poiketen FPGA-piireissä sisäistä rakennetta voidaan muuttaa senkin jälkeen kun piiri on valmistettu ja koteloitu.

Tarkemmin sanottuna kyse on siitä, että piirillä olevien logiikkaelementtien (portit ja kiikut) välisiä liitäntöjä voidaan muuttaa ohjelmoimalla lukuisia kytkimiä. Niitä voi olla miljoonia suurissa FPGA-piireissä. Käyttäjä ei tietenkään voi erikseen määritellä jokaisen kytkimen asentoa, se olisi aivan liian työlästä ja epähavainnollista. Sen sijaan piirit “ohjelmoidaan”  laatimalla tekstimuotoinen kuvaus joko halutusta piirin rakenteesta tai toiminnasta. Tätä varten on tarjolla erityiset kielet VHDL ja Verilog.

Toiminnallinen kuvaus voi suuresti muistuttaa tavanomaisia ohjelmointikieliä kuten C-kieltä. Tässä pitäisi kuitenkin kääntää ajatukset eri suuntaan. Kyse ei ole samasta asiasta kuin mikro-ohjaimen ohjelmointi, vaan kyse on nimenomaan rakenteen kuvauksesta, vaikka ensin laadittaisiinkin piirille toiminnallinen kuvaus. Se on aina abstraktimpi  kuin rakenteellinen kuvaus, ja siten “helpompi” käyttäjän kannalta.

Periaatteessa tietty toiminto voidaan saada aikaan monilla eri rakenteilla. Vaikka FPGA-piirille olisi aluksi kirjoitettu toiminnallinen kuvaus, täytyy se aina “kääntää” rakenteelliseksi  kuvaukseksi. Tähän tarvitaan logiikkasynteesityökalua, jota voi pitää prosessorien ohjelmoinnissa käytetyn kääntäjän vastineena. FPGA-piirien valmistajat, etunenässä Xilinx ja Intel (entinen Altera) tarjoavat osin veloituksetta työkaluja FPGA-piirien hyödyntämistä varten.

Artikkelisarjan on koonnut Krister Wikström, jolla on vuosikymmenien kokemus elektroniikan suunnittelijana. Hän on erikoistunut sulautettuihin järjestelmiin, anturiverkkoihin ja teollisen internetin sovelluksiin.

Artikkeliin liittyvät lisätietolinkit löydät osoitteesta www.uusiteknologia.fi/linkkipankki. Mukana on artikkelissa mainittujen tuotteiden valmistajiin sekä linkkejä kirjoittajan aiempia sulautetun alueen artikkeleihin Uusiteknologia.fi-lehdissä vuosina 1996-2020 (LINKKI).

ENGLISH SUMMARY: Designing modern electronics, a series of three articles

New smarter electronics and embedded microprocessor solutions enable designing even better functioning devices. They can utilize the latest IT and wireless communications solutions, which are offered as various software and hardware modules.  This new article series of offers engineers practical information and ideas for the development of new types of devices, from design to final implementation. In the first article we present the most important and fundamental tasks and choices that should be considered before starting the actual design process. We also present in list form the alternatives available for the most important design considerations.

When developing new electronic equipment, functional prototypes can be assembled quite rapidly simply by joining existing subsystems via cables and wires. But at some point it becomes necessary to produce a finished prototype suitable for mass production.  Nowadays this is easier than ever before, thanks to many companies offering PCB production and assembly services. This the main focus for the 2nd part of our electronics design course.

Aloituskuva: Shutterstock

Päivitetty