Du har måske begået den fejl at tro, at et bundkort blot er en glasfiberplade, som man stikker den meget vigtige processor ind i. I så fald er tiden inde til at genoverveje sagerne: Bundkortet er din pc’s nervesystem.

Det leverer de essentielle kommunikationsveje, der gør det muligt for resten af maskinen at passe sit arbejde, håndterer videokredsløbene og forbindelserne til eksterne enheder, og det modstår endda klodsede hænder, der prøver at hive grafikkort ud eller fedte med alle de essentielle komponenter. Som alle andre arbejdsheste passer det sit job, uden at man lægger mærke til det.

Produktionen af bundkort er en udfordring. Bevares, processorer har dele, der er så små, at man ikke kan se dem med det blotte øje, men den mængde teknologi, der er involveret, når det drejer sig om at lave bundkort, er ikke mindre imponerende. Det er en intensiv proces – og nu går vi i detaljer med den.

1. Råvarer

Som med ethvert andet stykke elektronik ender vi med at stå og stirre på et hul i jorden, når vi skal spore bundkortet tilbage til dets rødder. Eller rettere et par huller i jorden. De to vigtigste bestanddele i et trykt kredsløb er glasfiber – der leverer isolering – og kobber, der udgør de ledende stier.

Det kobber, man bruger til kortets elektriske baner, kommer fra enorme åbne miner.

For at komme tilbage til deres fødesteder skal vi altså henholdsvis til en grusgrav og en åben kobbermine. Dét at gøre sand til glas og kobbermalm til metal er processer, der er flere hundrede år gamle, men det, vi nu skal gøre ved materialerne, er alt andet end urgammelt.

2. Fremstilling af kobberbeklædt laminat

Smeltet glas bliver ekstruderet, så der dannes glasfiber, som bliver vævet, så det udgør en glasfiberplade. Denne plade bliver imprægneret med epoxy, der bliver varmet op og hærder. Resultatet kalder man »prepreg«.

Flere prepregplader bliver lagt oven på hinanden og udgør en lamineret plade med den ønskede tykkelse. Plader af kobberfolie bliver sat på begge sider af laminaten, og sandwich-en bliver anbragt i en opvarmet presse.

Her bliver hærdningen af epoxyen afsluttet, og laminaten bliver stiv og får lagene til at hænge sammen. Resultatet er en isolerende glasfiberplade med kobberfolie på begge sider: Kobberbeklædt laminat.

Den gennemgående tykkelse på et trykt kredsløb er typisk 1,6mm. Det betyder, at i et kredsløb med seks lag vil glasfiberlaminaterne være omkring 0,35mm tykke, og kobberfolien vil være omkring 0,035mm tyk. Glasfiberen er tyk nok til at give tilstrækkelig mekanisk styrke og stivhed, og kobberet leverer god elektrisk og termisk ledeevne.

3. Det uønskede kobber bliver ætset væk

Et lysfølsomt materiale, der kaldes photoresist, bliver påført begge sider af det kobberbeklædte laminat, så det helt dækker kobberlagene. Det foregår som regel ved, at tynde lag af photoresist bliver lamineret på begge sider af kortet ved hjælp af et udstyr, der minder om en almindelig lamineringsmaskine.

Nu anbringer man et gennemsigtigt mønster, der viser pcb’ets veje, på det lysfølsomme kobberbeklædte laminat, og derefter bliver det udsat for ultraviolet lys.

Man bruger ultraviolet frem for synligt lys, så man kan håndtere kortet i dagslys. Der, hvor photoresisten bliver udsat for ultraviolet lys, polymeriseres kemikalierne og danner plastic. Eftersom kortet har to kobberlag, der begge har en lysfølsom belægning, bliver denne proces foretaget to gange med forskellige mønstre på hver side.

Dernæst bliver kortet nedsænket i en kemisk opløsning, der fremkalder det latente billede. Fremkalderen skyller det ubelyste photoresist væk, og tilbage bliver kun materiale, der er blevet polymeriseret, og som svarer til det ønskede mønster.

Glasfibervæv, epoxy og kobberplader bliver kombineret og udgør kobberbeklædt laminat, som er udgangspunktet for et trykt kredsløb.

De dele af kobberfilm, der ikke er beskyttet af de polymeriserede stykker photoresist, bliver ætset væk. Ved en oxideringsreaktion bliver metallisk kobber omdannet til kobbersalt, der er vandopløseligt, og som derfor bliver skyllet væk under ætsningen. Kortet bliver ført gennem et kammer, hvor ætsemidlet sprøjtes på ved højt tryk og ved en temperatur på cirka 50 grader.

Efter ætsningen bliver kortet skyllet med et organisk opløsningsmiddel, så overskydende ætsemiddel og tilbageværende photoresist bliver fjernet. Det isolerende glasfiberkort har nu et mønster af kobberbaner på hver side, og de udgør kredsløbets indbyrdes forbindelser. Denne proces kaldes core.

Fremstillingen af en core inddrager adskillige fotografiske og kemiske processer.

Imidlertid har bundkort en konstruktion med flere lag, og de har derfor mere end to kobberlag. Derfor skal denne proces udføres adskillige gange. I tilfælde af et bundkort med seks lag kræves der to af disse cores, for at man kan opnå fire af disse lag. Det ser vi på senere.

4. Opbyg en stak

Dobbeltsidede cores bliver nu samlet som begyndelsen på et pcb med flere lag. Man bruger to cores til et kort med seks lag (hvilket er normalt for bundkort), men man kan ikke stable dem direkte oven på hinanden, for det ville betyde, at kobberbanerne oven på den nederste core ville kortslutte banerne på bunden af den øverste core.

For at forhindre det anbringer man en skive prepreg mellem dem. Man sætter også prepreg på toppen og bunden af stakken, før den bliver udsat for tryk og høj temperatur, der hærder prepreg’en og limer det hele sammen.

Når det gælder et kort med seks lag, omfatter stakken: Prepreg / core / prepreg / core / prepreg. Det betyder, at slutresultatet bliver: Glasfiber / kobber / glasfiber / kobber / glasfiber / kobber / glasfiber.

5. Nu skal hullerne bores

Nu bliver der boret huller i kortet. Først kommer monteringshullerne, der bliver brugt til mekanisk fiksering (bundkortet bliver sat fast i pc’ens kabinet). Dernæst kommer de huller, der bruges til lederne til komponenter, når de bliver loddet på kortet lidt senere. Endelig er der de bittesmå huller, der udgør Via’er (vertical interconnect access), der leverer elektriske forbindelser mellem de forskellige kobberlag.

Processen er i høj grad automatiseret, men der er stadig mennesker med i processen.

Selv om man bruger en hurtig, numerisk styret boremaskine, kan boringen være en tidskrævende proces, navnlig hvis der kræves mange forskellige hulstørrelser. Derfor plejer man at stakke kortene sammen og bore flere samtidig. Det sparer tid og penge.

6. Kobber- og tinbelægning

Galvanisering ville være et oplagt valg til at gøre Via’erne ledende, men der er et lille problem: Man kan kun galvanisere overflader, der i forvejen er ledende. For at komme uden om det bliver kortet nedsænket i forskellige kemikalier, der dækker hele dets overflade med et tyndt lag kobber. Det er en langsom metode, og den er meget dyr, men den leverer lige akkurat ledende metal nok til at galvanisere overfladen.

Det ville være frås at galvanisere hele kortet, for hovedparten af kobberet bliver siden ætset væk for at danne mønstrene på kredsløbets overflade. Man bruger i stedet photoresist. Det bliver udsat for uv-lys gennem et mønster og fremkaldt, ligesom det kobberbeklædte laminat blev det – men med en vigtig forskel.

Her bruger man en anden form for mønster, så photoresisten bliver på de områder, der ikke svarer til mønstrene på det færdige kort. Nu øger galvaniseringen kun kobberets tykkelse på områder uden det isolerende photoresist.

Til sidst bliver kortet galvaniseret med tin, der igen kun fæstner sig på de dele af kortet, der udgør mønsteret. Tinnet har tre formål: Det forhindrer kobberet i at blive anløbet; det giver en overflade, der er nemmere at lodde på end kobber; og det fungerer som buffer (efter at det tiloversblevne photoresist er blevet fjernet) i den næste proces – ætsning af det uønskede kobber.

Nu har vi et pcb med kobbermønstre på de to overflader, baner på fire interne lag og Via’er, der udgør de nødvendige forbindelser mellem de forskellige lag. For at færdiggøre det nøgne pcb bliver der påført en loddemaske og komponentidentifikation ved hjælp af silketryk.

Loddemasken dækker hele kortet der, hvor lodningen ikke skal siddes fast, når komponenterne bliver sat på plads. På den måde undgår man forbindelser mellem baner, der kunne opstå under bølgelodningen i trin 9.

Komponentidentifikationen giver en synlig markering af hver af komponenterne med deres serienumre. Det er praktisk ved manuel inspektion og vedligeholdelse af kortet.

7. Høvling, test og spørgsmål og svar

Trin 2 til 7 omfattede bearbejdelsen af en plade, der består af adskillige bundkort-pcb’er. Nu bliver de enkelte kort adskilt ved hjælp af en numerisk styret høvl, der også bruges til at lave eventuelle større huller og riller.

Kortet kommer nu igennem en »sømmadras«-tester, en automatiseret proces, der undersøger begge sider af kortet for at sikre, at elektriske baner er der, hvor de formodes at være, og at der ikke er nogen kortslutninger.

Umiddelbart før bundkortet forlader anlægget, undergår det en QA-inspektion for at sikre, at det lever op til specifikationerne, når det gælder kortets størrelse, tolerancer for monteringshuller og så videre.

8. Montering af overfladen

De første komponenter, der bliver loddet på det nøgne pcb, er overflademonteringerne. Loddepasta – en blanding af loddepulver og flux – bliver trykt på de dele af kortets overflade, hvor kontakterne til de overflademonterede komponenter (smc’er) skal loddes fast. smc’erne bliver anbragt på kortet ved hjælp af en automatisk maskine. Loddepastaens klæbrighed holder komponenterne på plads, men de er ikke endeligt fikseret, og der er ikke ordentlig elektrisk kontakt.

Automatiske maskiner placerer de overflademonterede komponenter.

Det næste trin består i reflux-lodning. Kredsløbet bliver anbragt i en reflux-ovn og varmet op ti 200 grader. Loddepastaen smelter og størkner igen, når kortet køler af. Herved opnår man gode elektriske forbindelser og en sikker fæstnelse af komponenterne.

9. Hul-komponenter

Nu bliver de større hul-komponenter monteret, ofte på et manuelt samlebånd. Det omfatter processorsoklen, slot til hukommelses- og udvidelseskort og de forskellige forbindelser såsom tastatur, mus og sokler til lydkort og grafikkort.

Komponenterne bliver sat på den øverste side af kortet, så deres pins stikker igennem til undersiden af kortet. Så kommer kortet ind i en bølgelodningsmaskine. Den indeholder en tank med smeltet loddemetal, der bliver pumpet hen over en nedsænket kant, der udløser en bølge af loddemetal.

Placering af de tunge hul-komponenter på et bundkort foregår i vid udstrækning manuelt.

Når kortet bevæger sig gennem dette apparat, kommer hver side af det i kontakt med loddebølgen. Loddemetallet klæber til de dele af kortet, der ikke har lodderesist, og danner mekaniske og elektriske forbindelser mellem komponenternes baner.

10. Afsluttende test og emballering

Til den afsluttende test bliver processor og hukommelse sat i deres sokler. Eksterne pc-komponenter såsom harddisk, cd/dvd-drev, skærm, tastatur og så videre bliver også sluttet til.

Nu er bundkortet i realiteten er komplet pc, og man foretager en komplet test, der omfatter hver eneste sokkel. Det foregår for det meste automatisk, men der er stadig mennesker involveret, for eksempel når det gælder audiokredsløb.

Alt dette bliver fulgt op af en »brænde«-test, hvor diagnosesoftware bliver kørt på bundkortet i længere tid, mens det bliver udsat for høje temperaturer og temperaturudsving.

Hvis kortet består denne test, der er udviklet til at få fejlbehæftede komponenter til at svigte, er bundkortet færdigt. Nu mangler vi blot at pakke det færdige kort i en antistatisk pose og æske, så er det parat til at indtage den bedste plads i en ny pc.

Pcb’er: Den store sammenhæng

Du ved, hvad et bundkort er, men ved du, hvordan det virker?

Et bundkort er et trykt kredsløb (pcb), og man bruger en tilsvarende produktionsmetode til stort set alle former for elektronisk udstyr. Et nøgent pcb er et isoleret kort med et ledende kobbermønster, der er trykt på det.

Mønsteret udgør pads – hvorpå komponenterne bliver loddet – og spor, der forbinder komponenterne. For at undgå, at forbindelserne berører hinanden og udløser kortslutning, bliver der trykt kobberbaner på begge sider af det isolerende kort.

I komplicerede pcb’er som dem, der er på bundkort, er der også skjulte baner. Forbindelserne består af huller, der kaldes Via’er. Et kort med mellemliggende lag kaldes et multilayer-kort og har adskillige fordele i forhold til et dobbeltsidet pcb. For det første er kortets størrelse reduceret, og for det andet kan nogle kobberlag bruges til at levere strøm til komponenterne.

Denne del af et pcb viser den overordnede konstruktion. I trin 6 er der detaljer om ledderesist, fortinning og komponentidentifikation.

Pcb’er: Den store sammenhæng

I modsætning til de mellemliggende lag, der har et indviklet mønster af tynde spor, har strømlagene tykke spor eller massive kobberplader, der giver de baner med lav modstand, som er kræves for at sikre, at komponenterne får den rigtige spænding.

Når pcb’et skal gøres til et fungerende kredsløb, skal komponenterne loddes fast til det. Komponenterne findes i to kategorier: Dem til overflademontering og dem, der monteres ved hjælp af huller. Overflademonterede komponenter er lette nok til at blive hæftet til kortet ved hjælp af lodning, og de kan sættes på begge sider af kortet.

Hul-komponenterne bliver monteret oven på kortet, og deres pins stikker gennem huller i kortet, hvor de bliver loddet til pads på kortets underside. Denne metode giver ekstra mekanisk styrke til tunge komponenter.

Sådan udvikler pc’er deres egen hjerne

Det kan lyde umuligt, men bundkort er udviklet af pc’er – der skal have et kort for at kunne fungere ...

Før man kan producere et bundkort, må man først udvikle det. Det elektroniske design (der afgør, hvilke komponenter der skal bruges, og hvordan de skal forbindes) varetages af en elektronikingeniør, men udviklingen af pcb’et (der afgør, hvor komponenterne skal sidde på kortet, og hvordan deres spor forløber) omfatter en omfattende automatisering med cad-software (computer-aided design).

Til at begynde med bruger cad-software en netliste (en oversigt over komponenterne og den måde, de er forbundet på). Først placerer softwaren komponenterne vilkårligt på kortet uden at bekymre sig om kortslutning.

Automatiske maskiner placerer de overflademonterede komponenter.

De komponenter, der skal være på bestemte steder på kortet, bliver nu flyttet manuelt. Derefter slider cad-softwaren med algoritmer, der kan levere det bedste design. Avancerede analyseværktøjer bliver nu brugt til at sikre, at den rigtige spænding er til stede, og at der ikke opstår overophedning.

Resultatet af cad-arbejdet er de mønstre, der bliver brugt i trinnene 3 og 7, plus en fil, der bliver brugt til at betjene de numerisk styrede boremaskiner i trin 5.