W ostatnich miesiącach przedmiotem zainteresowania autora tego projektu stała się możliwość ukrycia komponentów elektronicznych wewnątrz płytki drukowanej. Jest to technika często i od jakiegoś czasu stosowana w układach elektronicznych wysokiej gęstości, wytwarzanych przemysłowo, jednakże dopiero niedawno pojawiły się pomysły, jak przenieść to założenie na grunt produkcji bardziej hobbystycznej. Przykładem tego trendu jest rozwijający się ruch Badgelife, w którym inżynierowie tworzą piękne dzieła sztuki elektronicznej w formie identyfikatorów, które często używane są np. na konferencjach, spotkaniach hobbystów, hackathonach etc. Możemy również przypisać to zainteresowanie do doniesień z afery, w której najprawdopodobniej firmy takie, jak Apple czy Amazon padły celem chińskiego szpiegostwa poprzez użycie komponentów wbudowanych w płyty główne komputerów w chińskich fabrykach. Historia ta ma wiele niejasności, jednakże meritum jest takie, że wektorem ataku były microchipy, które producent kontraktowy osadzać miał w systemach komputerowych wewnątrz PCB lub maskując je jako elementy dyskretne... Niezależnie od tego, czy to prawda, taka koncepcja rozpala wyobraźnię.
Mając to na uwadze, osadzanie elementów wewnątrz płytek drukowanych staje się ciekawym tematem do dyskusji i rozważań projektowych. Dzięki spadającym cenom produkcji PCB (cały pokazany poniżej projekt kosztował autora 15 dolarów za płytki drukowane), hobbyści mogą teraz również eksperymentować z tą techniką.
Jednakże przed przystąpieniem do dzieła ważne jest, aby właściwie zdefiniować termin: „komponenty osadzone wewnątrz kawałka włókna szklanego”, czyli płytki drukowanej. Analizy i poszukiwania, jakie prowadził autor poniższej konstrukcji, doprowadzały go ciągle do pojęcia komponenty zakopane czy też zagrzebane (analogicznie jak przelotki mogą być zagrzebane w wielowarstwowym PCB — buried via). Niestety termin ten nie jest szczególnie przyjazny wyszukiwaniu w Google. W przypadku technologii HDI, o której więcej w kolejnej części, mówi się o elementach wbudowanych w PCB, jednakże tutaj nie można się do tego odnieść. Z uwagi na to, z braku lepszego określenia, autor używa pojęcia: „konstrukcja Oreo”, ze względu na warstwowe ułożenie (jak w ciastku Oreo). W dalszej części przedstawiono, jak osiągnąć taki efekt za pomocą standardowych narzędzi do projektowania PCB oraz niedrogich producentów płytek drukowanych z Azji.
Inspiracje i poprzednie projekty tego rodzaju
Zasadniczym bodźcem dla tego założenia był płaski ornament na choinkę. Projekt ten wykorzystał wyprowadzenia na boku PCB oraz serię otworów do montażu elementów SMD po bokach płytki drukowanej, zamiast na górze lub spodzie. Chociaż lutowanie komponentów elektronicznych po bokach PCB jest do pewnego stopnia nowatorskie, montaż elementów po bokach płytki nie jest niczym nowym. Lumen Electronic Jewelry (patrz zdjęcie po prawej) produkuje np. zawieszkę w kształcie serca z kondensatorem i portem USB umieszczonymi w wycięciu warstwy obrabianej PCB. Podobnie inne projekty z zastosowaniem płytek drukowanych, głównie wykorzystywane jako wizytówki elektroniczne, eksperymentują z montażem odmiennych komponentów w wycięciu warstwy obrabianej PCB. Przykładem tego mogą być również uchwyty na baterie guzikowe. Wykorzystuje się tu wycięcia w PCB z dwoma: „ząbkami”, które trzymają baterię pomiędzy warstwami laminatu lub w jego grubości.
Pomysł osadzania elementów w warstwach laminatu jest czymś, czego dotychczasowo nie stosowano w świecie hobbystów i produktów małoseryjnych, ale jest to wykonalne. Jest to możliwe w bardzo drogich produktach jak laminaty HDI. Powody takiej praktyki mogą obejmować oszczędność przestrzeni fizycznej, lepszą ochronę przed zakłóceniami elektromagnetycznymi (EMI) oraz utrudnienie inżynierii wstecznej. Ta technika znajduje zastosowanie w komponentach wojskowych i lotniczych, ale są to moduły, gdzie cena produkcji elektroniki w zasadzie nie jest problemem.
Płytki dla celów wojskowych i lotniczych to jedno, ale parę lat temu toczyła się spora dyskusja na temat komponentów osadzonych, o czym wspominano wyżej. Niestety wynikało to z niezbyt wesołych powodów. Sprawa tzw. Big Hack Bloomberga dotyczyła serwerowych płyt głównych firmy Supermicro, które miały być wysyłane do Apple i Amazona, a zawierały dodatkowe komponenty umożliwiające chińskim hakerom zdalny dostęp do tych maszyn. Opowieść ta spotkała się z szeroką krytyką, jakkolwiek Apple i Amazon stanowczo zaprzeczyły posiadaniu zainfekowanych płyt głównych w swoich serwerowniach. Niemniej ta historia wywołała wiele debat na temat możliwości realizacji takiego włamania. Wiodące umysły na Twitterze są zdania, że można to osiągnąć poprzez osadzenie małego mikrokontrolera wewnątrz PCB płyty głównej, między kontrolerem zarządzania bazową płytką (BMC) a jej pamięcią Flash. Ten mikrokontroler ukryty między warstwami PCB mógłby teoretycznie zmienić kilka bitów Flash BMC, otwierając hakerom backdoora. [Do dzisiaj nie udało się udowodnić, że taki atak miał realnie miejsce, ale większość analizowanych źródeł wskazuje, że zdecydowanie jest możliwy — przyp.red.].
Warstwy z płytek drukowanych
W swojej realizacji autor nieco rozszerzył tę technikę, łącząc mechanicznie warstwy PCB za pomocą lutowania. Wcześniej robił to Voja Antonic i jego prace przy budowaniu obudów z laminatu FR4, jak i wykorzystywanie go jako elementu mechanicznego. Więcej na temat jego ciekawych projektów poczytać można tutaj. Jego podejście polegało na pozostawieniu paska gołej miedzi wokół płytki z każdej strony obudowy. Dzięki zamontowaniu tych boków obudowy pod odpowiednim kątem, lutowanie dwóch płaskich płaszczyzn PCB w trójwymiarowy kształt jest bardzo proste — wystarczy przesunięcie lutownicą po odsłoniętej miedzi na obwodzie.
Każda płytka PCB w stosie ma odsłoniętą miedź wzdłuż obwodu. Po nałożeniu pasty lutowniczej i zaciśnięciu płytek można je razem zlutować.
Autor użył taśmy kaptonowej jako metody mocowania PCB, ponieważ nie będzie miała ona problemu z wytrzymaniem ciepła pieca do lutowania. Po wszystkim wystarczy papier ścierny, aby oczyścić krawędzie gotowego laminatu.
Projektowanie i konstrukcja układu
Obwód w tym projekcie to prosty efekt do gitary. Mówiąc dokładniej, jest to niewielka modyfikacja Dallas Rangemastera, z faktycznym schematem zapożyczonym z Fuzz Central (RangeBlaster). Istnieje kilka powodów, aby zademonstrować tę technikę PCB w postaci efektu gitarowego, a w szczególności użyć obwodu Rangemaster, jak wskazuje autor.
Postawiono na efekt Rangemaster, ponieważ jest to bardzo prosty układ. Posiada on tylko jeden tranzystor germanowy i garstkę rezystorów i kondensatorów. Wybór autora, jeśli chodzi o umieszczenie obwodu Rangemastera na tej nietypowej płytce drukowanej wynika po prostu z liczby komponentów; jest to najprostszy obwód, który robi coś ciekawego. Dodatkowo, zademonstrowanie tej metody na efekcie gitarowym, jak pisze autor, ma także zupełnie inny powód — rynek efektów gitarowych ma jeszcze mniej sensu niż audiofilski. „Jeśli wymyślisz obwód i pokryjesz go żywicą epoksydową, właśnie zrobiłeś efekt za tysiąc dolarów. Nie, to nie żart. Po prostu czerpię korzyści z łatwowierności konsumentów w interesującym procesie produkcyjnym” — objaśnia sam autor...
Podstawa obwodu jest dokładnie taka, jakiej można się spodziewać po efekcie gitarowym. Układ posiada przełącznik nożny 3PDT, parę gniazd jack 1/4″, gniazdo zasilania DC 2,1 mm (środkowy pin to masa, bo to standard, jaki w tym sprzęcie narzucił kiedyś Boss) i typowy potencjometr do montażu na płytce drukowanej o rezystancji 10 kΩ i charakterystyce audio (czyli logarytmicznej). Elementem aktywnym jest zabytkowy tranzystor OC44 w obudowie TO-5. To jedyne elementy widoczne na gotowej PCB.
Ta płyta drukowana została początkowo skonstruowana poprzez ułożenie komponentów przewlekłych w logicznych miejscach, a następnie umieszczenie elementów do montażu powierzchniowego w obszarach, które miały największy sens. Ponownie, jest to nadzwyczaj prosty obwód z mniej niż dziesięcioma detalami w schemacie. Po wykonaniu tego kroku wystarczyło skopiować PCB do nowego pliku i dodać wycięcia wokół komponentów. Płytka ta została zaprojektowana w programie Eagle. Dało to autorowi możliwość prostego dodania wielu warstw do PCB, które można było następnie uwzględnić w menedżerze CAM w celu utworzenia odpowiednich plików Gerber.
Prawdziwą: „sztuczką” tej techniki jest osadzanie komponentów wewnątrz układu warstw PCB. Chociaż można to zrobić przy standardowej grubości PCB wynoszącej 1,6 mm na warstwę (trzy są wymagane do pełnego osadzenia, co daje ostateczną grubość 4,8 mm), autor użył 0,6 mm dla warstw górnej i dolnej. To dało ostateczną grubość 2,8 mm. Jest to na tyle cienkie, że całość nie wydaje się od razu wieloma PCB. Można by więc uwierzyć, że to po prostu zwykła płytka drukowana. Przygotowanie PCB nie jest skomplikowane; wystarczy wiedzieć, jakie możliwości oferuje wybrana fabryka PCB. Łatwo jest również tworzyć wycięcia wewnętrzne na płycie. Nie ma tutaj absolutnie nic technicznie. Sztuczka polegająca na konstrukcji typu Oreo zamyka się w mechanicznym połączeniu warstw ze sobą. Można to zrobić za pomocą klejów czy żywic, ale zainspirowany pracą Voja, autor postanowił użyć lutowania do przyłączenia jednej PCB do drugiej. Wykonano to przy użyciu ścieżki miedzianej wokół obrysu, odłączonej od jakichkolwiek płaszczyzn masy czy innych wylewek.
Proces montażu jest prosty. Polega na wyprowadzeniu i lutowaniu komponentów montażu powierzchniowego na dolnej warstwie płytki, najlepiej z pastą lutową bez ołowiu. Następnie jest ona nakładana na ścieżki obrysu, płytki są zaciskane razem, a cała konstrukcja jest umieszczana w piecu do lutowania. Po tym wystarczy już tylko ulokować komponenty przewlekane w odpowiednich miejscach.
Aby zademonstrować omawianą w artykule technikę, autor zaprojektował płytkę drukowaną, która zawiera układy scalone
w obudowach SOIC-8 i QFN-60. Elementy te są cieńsze niż płytka dystansowa o grubości 1,6 mm.
Autor rozważał też inne pomysły, jak połączyć płytki drukowane razem. Mógł je: „przeszyć” przy użyciu przewodów i otworów przelotowych, wykorzystując małe kawałki drutu do zarówno wyrównania, jak i mechanicznego przyłączenia każdej warstwy za pomocą lutowania.
Ograniczenia tej techniki i możliwości dalszego rozwoju
Mimo że można osadzać kondensatory, rezystory i mikrokontrolery wewnątrz układu warstw PCB, istnieją pewne ograniczenia tej technologii. Przede wszystkim obwód klona Rangemastera wymaga kondensatorów o pojemności aż 47 μF. Ta wartość jest zdecydowanie zbyt duża dla niewielkich kondensatorów SMD, a najmniejsze o takiej pojemności (fizycznie) mają grubość rzędu 10 mm. Jeśli nie chcemy, żeby wynikowa płytka miała 15 mm grubości, te kondensatory są zdecydowanie za duże. Rozwiązaniem tego problemu jest dodanie wielu i połączenie ich ze sobą równolegle. To prowadzi do kolejnej zagwozdki. Oryginalny obwód używał kondensatorów elektrolitycznych, a nie małych ceramicznych. Ponieważ autor wykorzystuje te ostatnie, rzeczywista pojemność jest mniejsza niż suma pojemności wszystkich kondensatorów w układzie. Kondensatory MLCC, gdy są spolaryzowane jakimkolwiek napięciem, wykazują niższą pojemność. Ta kondensatorów ceramicznych zależy od ich napięcia polaryzacji, ale można przymknąć oko na ten mankament, po prostu dodając jeszcze więcej jednostek do układu. Tutaj jest to trochę bardziej skomplikowane — w przypadku kondensatorów filtrujących zasilanie, napięcie jest w zasadzie stałe, więc można łatwo oszacować spadek pojemności dla danego napięcia i go skompensować w układzie. Kondensatory MLCC, jako elementy toru analogowego będą bardziej problematyczne, gdyż napięcie na nich zmieniać może się w dosyć szerokim zakresie.
Aby uzyskać wymaganą pojemność w obwodzie, przy zachowaniu ograniczeń wymiarów, trzeba połączyć ze sobą wiele kondensatorów w niektórych miejscach układu.
Dodatkowo, pamiętać trzeba, że żaden projekt wykorzystujący tę technikę nie będzie mógł spożytkować dużych elementów. Jeśli projektujemy system z małym zasilaczem impulsowym, prawdopodobnie jest tam stosunkowo spora cewka indukcyjna. Cewki takie będą na ogół zbyt wysokie, aby można je było osadzić w grubości pojedynczej warstwy laminatu FR4. To samo dotyczy komponentów dużej mocy, ponieważ są one zwykle fizycznie okazałe, a dodatkowo muszą odprowadzać ciepło. Co stanowi problem dla elementu, który jest efektywnie zamknięty w pudełku z włókna szklanego.
Mimo tych problemów jest to ciekawa technika wytwarzania PCB. W połączeniu ze spadającymi cenami niestandardowych płytek PCB — te do całego projektu kosztowały łącznie mniej niż 15 dolarów — można się więc spodziewać, że wielu hobbystów wybierze tę metodę. Pokazany projekt jest tylko demonstracją tego, co jest możliwe dzięki konstrukcji Oreo, ale biorąc pod uwagę ogromny postęp w: „artystycznych” płytkach PCB, w żaden sposób nie jest to granica potencjału. Biorąc pod uwagę, że dostępnych jest wiele elementów, które mogą dodatkowo wzbogacić taką konstrukcję, na przykład diody LED montowane odwrotnie i świecące przez otwór w PCB, możliwe jest zamknięcie sterownika i diod LED dla gigantycznej matrycy wewnątrz płytki drukowanej. Dzięki konstrukcji Oreo, PCB może być tylko płaskim elementem z włókna szklanego, gdy jest wyłączona i nie prezentuje obrazu.
W drugiej części artykułu zaprezentowane zostanie, jak podobne podejście wykorzystuje się przy produkcji obwodów wysokiej gęstości (HDI). O ile powyżej opisane ujęcie można bez problemu zrealizować w warunkach hobbystycznych, to produkcja obwodów HDI jest już w pełni przemysłowym procesem.
Źródła:
https://hackaday.com/2019/01/18/oreo-construction-hiding-your-components-inside-the-pcb/
https://hackaday.com/2015/06/03/how-to-build-beautiful-enclosures-from-fr4-aka-pcbs/
https://www.patentlyapple.com/2021/02/bloomberg-revisits-their-2018-story-titled-the-big-hack-in-an-updated-report-titled-the-long-hack-how-china-exploited-a-u.html
Mając to na uwadze, osadzanie elementów wewnątrz płytek drukowanych staje się ciekawym tematem do dyskusji i rozważań projektowych. Dzięki spadającym cenom produkcji PCB (cały pokazany poniżej projekt kosztował autora 15 dolarów za płytki drukowane), hobbyści mogą teraz również eksperymentować z tą techniką.
Jednakże przed przystąpieniem do dzieła ważne jest, aby właściwie zdefiniować termin: „komponenty osadzone wewnątrz kawałka włókna szklanego”, czyli płytki drukowanej. Analizy i poszukiwania, jakie prowadził autor poniższej konstrukcji, doprowadzały go ciągle do pojęcia komponenty zakopane czy też zagrzebane (analogicznie jak przelotki mogą być zagrzebane w wielowarstwowym PCB — buried via). Niestety termin ten nie jest szczególnie przyjazny wyszukiwaniu w Google. W przypadku technologii HDI, o której więcej w kolejnej części, mówi się o elementach wbudowanych w PCB, jednakże tutaj nie można się do tego odnieść. Z uwagi na to, z braku lepszego określenia, autor używa pojęcia: „konstrukcja Oreo”, ze względu na warstwowe ułożenie (jak w ciastku Oreo). W dalszej części przedstawiono, jak osiągnąć taki efekt za pomocą standardowych narzędzi do projektowania PCB oraz niedrogich producentów płytek drukowanych z Azji.
Biżuteria elektroniczna Lumen. Należy
zwrócić uwagę na kondensator
i port USB zamontowane w wycięciu
w płytce drukowanej.
zwrócić uwagę na kondensator
i port USB zamontowane w wycięciu
w płytce drukowanej.
Zasadniczym bodźcem dla tego założenia był płaski ornament na choinkę. Projekt ten wykorzystał wyprowadzenia na boku PCB oraz serię otworów do montażu elementów SMD po bokach płytki drukowanej, zamiast na górze lub spodzie. Chociaż lutowanie komponentów elektronicznych po bokach PCB jest do pewnego stopnia nowatorskie, montaż elementów po bokach płytki nie jest niczym nowym. Lumen Electronic Jewelry (patrz zdjęcie po prawej) produkuje np. zawieszkę w kształcie serca z kondensatorem i portem USB umieszczonymi w wycięciu warstwy obrabianej PCB. Podobnie inne projekty z zastosowaniem płytek drukowanych, głównie wykorzystywane jako wizytówki elektroniczne, eksperymentują z montażem odmiennych komponentów w wycięciu warstwy obrabianej PCB. Przykładem tego mogą być również uchwyty na baterie guzikowe. Wykorzystuje się tu wycięcia w PCB z dwoma: „ząbkami”, które trzymają baterię pomiędzy warstwami laminatu lub w jego grubości.
Pomysł osadzania elementów w warstwach laminatu jest czymś, czego dotychczasowo nie stosowano w świecie hobbystów i produktów małoseryjnych, ale jest to wykonalne. Jest to możliwe w bardzo drogich produktach jak laminaty HDI. Powody takiej praktyki mogą obejmować oszczędność przestrzeni fizycznej, lepszą ochronę przed zakłóceniami elektromagnetycznymi (EMI) oraz utrudnienie inżynierii wstecznej. Ta technika znajduje zastosowanie w komponentach wojskowych i lotniczych, ale są to moduły, gdzie cena produkcji elektroniki w zasadzie nie jest problemem.
Płytki dla celów wojskowych i lotniczych to jedno, ale parę lat temu toczyła się spora dyskusja na temat komponentów osadzonych, o czym wspominano wyżej. Niestety wynikało to z niezbyt wesołych powodów. Sprawa tzw. Big Hack Bloomberga dotyczyła serwerowych płyt głównych firmy Supermicro, które miały być wysyłane do Apple i Amazona, a zawierały dodatkowe komponenty umożliwiające chińskim hakerom zdalny dostęp do tych maszyn. Opowieść ta spotkała się z szeroką krytyką, jakkolwiek Apple i Amazon stanowczo zaprzeczyły posiadaniu zainfekowanych płyt głównych w swoich serwerowniach. Niemniej ta historia wywołała wiele debat na temat możliwości realizacji takiego włamania. Wiodące umysły na Twitterze są zdania, że można to osiągnąć poprzez osadzenie małego mikrokontrolera wewnątrz PCB płyty głównej, między kontrolerem zarządzania bazową płytką (BMC) a jej pamięcią Flash. Ten mikrokontroler ukryty między warstwami PCB mógłby teoretycznie zmienić kilka bitów Flash BMC, otwierając hakerom backdoora. [Do dzisiaj nie udało się udowodnić, że taki atak miał realnie miejsce, ale większość analizowanych źródeł wskazuje, że zdecydowanie jest możliwy — przyp.red.].
Warstwy z płytek drukowanych
W swojej realizacji autor nieco rozszerzył tę technikę, łącząc mechanicznie warstwy PCB za pomocą lutowania. Wcześniej robił to Voja Antonic i jego prace przy budowaniu obudów z laminatu FR4, jak i wykorzystywanie go jako elementu mechanicznego. Więcej na temat jego ciekawych projektów poczytać można tutaj. Jego podejście polegało na pozostawieniu paska gołej miedzi wokół płytki z każdej strony obudowy. Dzięki zamontowaniu tych boków obudowy pod odpowiednim kątem, lutowanie dwóch płaskich płaszczyzn PCB w trójwymiarowy kształt jest bardzo proste — wystarczy przesunięcie lutownicą po odsłoniętej miedzi na obwodzie.
Każda płytka PCB w stosie ma odsłoniętą miedź wzdłuż obwodu. Po nałożeniu pasty lutowniczej i zaciśnięciu płytek można je razem zlutować.
Autor użył taśmy kaptonowej jako metody mocowania PCB, ponieważ nie będzie miała ona problemu z wytrzymaniem ciepła pieca do lutowania. Po wszystkim wystarczy papier ścierny, aby oczyścić krawędzie gotowego laminatu.
Projektowanie i konstrukcja układu
Gotowy projekt PCB, ścieżki nie są
dostrzegalne, ale widoczna jest warstwa
200 służąca do oznaczania wycięć.
dostrzegalne, ale widoczna jest warstwa
200 służąca do oznaczania wycięć.
Postawiono na efekt Rangemaster, ponieważ jest to bardzo prosty układ. Posiada on tylko jeden tranzystor germanowy i garstkę rezystorów i kondensatorów. Wybór autora, jeśli chodzi o umieszczenie obwodu Rangemastera na tej nietypowej płytce drukowanej wynika po prostu z liczby komponentów; jest to najprostszy obwód, który robi coś ciekawego. Dodatkowo, zademonstrowanie tej metody na efekcie gitarowym, jak pisze autor, ma także zupełnie inny powód — rynek efektów gitarowych ma jeszcze mniej sensu niż audiofilski. „Jeśli wymyślisz obwód i pokryjesz go żywicą epoksydową, właśnie zrobiłeś efekt za tysiąc dolarów. Nie, to nie żart. Po prostu czerpię korzyści z łatwowierności konsumentów w interesującym procesie produkcyjnym” — objaśnia sam autor...
Podstawa obwodu jest dokładnie taka, jakiej można się spodziewać po efekcie gitarowym. Układ posiada przełącznik nożny 3PDT, parę gniazd jack 1/4″, gniazdo zasilania DC 2,1 mm (środkowy pin to masa, bo to standard, jaki w tym sprzęcie narzucił kiedyś Boss) i typowy potencjometr do montażu na płytce drukowanej o rezystancji 10 kΩ i charakterystyce audio (czyli logarytmicznej). Elementem aktywnym jest zabytkowy tranzystor OC44 w obudowie TO-5. To jedyne elementy widoczne na gotowej PCB.
Ta płyta drukowana została początkowo skonstruowana poprzez ułożenie komponentów przewlekłych w logicznych miejscach, a następnie umieszczenie elementów do montażu powierzchniowego w obszarach, które miały największy sens. Ponownie, jest to nadzwyczaj prosty obwód z mniej niż dziesięcioma detalami w schemacie. Po wykonaniu tego kroku wystarczyło skopiować PCB do nowego pliku i dodać wycięcia wokół komponentów. Płytka ta została zaprojektowana w programie Eagle. Dało to autorowi możliwość prostego dodania wielu warstw do PCB, które można było następnie uwzględnić w menedżerze CAM w celu utworzenia odpowiednich plików Gerber.
Prawdziwą: „sztuczką” tej techniki jest osadzanie komponentów wewnątrz układu warstw PCB. Chociaż można to zrobić przy standardowej grubości PCB wynoszącej 1,6 mm na warstwę (trzy są wymagane do pełnego osadzenia, co daje ostateczną grubość 4,8 mm), autor użył 0,6 mm dla warstw górnej i dolnej. To dało ostateczną grubość 2,8 mm. Jest to na tyle cienkie, że całość nie wydaje się od razu wieloma PCB. Można by więc uwierzyć, że to po prostu zwykła płytka drukowana. Przygotowanie PCB nie jest skomplikowane; wystarczy wiedzieć, jakie możliwości oferuje wybrana fabryka PCB. Łatwo jest również tworzyć wycięcia wewnętrzne na płycie. Nie ma tutaj absolutnie nic technicznie. Sztuczka polegająca na konstrukcji typu Oreo zamyka się w mechanicznym połączeniu warstw ze sobą. Można to zrobić za pomocą klejów czy żywic, ale zainspirowany pracą Voja, autor postanowił użyć lutowania do przyłączenia jednej PCB do drugiej. Wykonano to przy użyciu ścieżki miedzianej wokół obrysu, odłączonej od jakichkolwiek płaszczyzn masy czy innych wylewek.
Proces montażu jest prosty. Polega na wyprowadzeniu i lutowaniu komponentów montażu powierzchniowego na dolnej warstwie płytki, najlepiej z pastą lutową bez ołowiu. Następnie jest ona nakładana na ścieżki obrysu, płytki są zaciskane razem, a cała konstrukcja jest umieszczana w piecu do lutowania. Po tym wystarczy już tylko ulokować komponenty przewlekane w odpowiednich miejscach.
Aby zademonstrować omawianą w artykule technikę, autor zaprojektował płytkę drukowaną, która zawiera układy scalone
w obudowach SOIC-8 i QFN-60. Elementy te są cieńsze niż płytka dystansowa o grubości 1,6 mm.
Autor rozważał też inne pomysły, jak połączyć płytki drukowane razem. Mógł je: „przeszyć” przy użyciu przewodów i otworów przelotowych, wykorzystując małe kawałki drutu do zarówno wyrównania, jak i mechanicznego przyłączenia każdej warstwy za pomocą lutowania.
Ograniczenia tej techniki i możliwości dalszego rozwoju
Mimo że można osadzać kondensatory, rezystory i mikrokontrolery wewnątrz układu warstw PCB, istnieją pewne ograniczenia tej technologii. Przede wszystkim obwód klona Rangemastera wymaga kondensatorów o pojemności aż 47 μF. Ta wartość jest zdecydowanie zbyt duża dla niewielkich kondensatorów SMD, a najmniejsze o takiej pojemności (fizycznie) mają grubość rzędu 10 mm. Jeśli nie chcemy, żeby wynikowa płytka miała 15 mm grubości, te kondensatory są zdecydowanie za duże. Rozwiązaniem tego problemu jest dodanie wielu i połączenie ich ze sobą równolegle. To prowadzi do kolejnej zagwozdki. Oryginalny obwód używał kondensatorów elektrolitycznych, a nie małych ceramicznych. Ponieważ autor wykorzystuje te ostatnie, rzeczywista pojemność jest mniejsza niż suma pojemności wszystkich kondensatorów w układzie. Kondensatory MLCC, gdy są spolaryzowane jakimkolwiek napięciem, wykazują niższą pojemność. Ta kondensatorów ceramicznych zależy od ich napięcia polaryzacji, ale można przymknąć oko na ten mankament, po prostu dodając jeszcze więcej jednostek do układu. Tutaj jest to trochę bardziej skomplikowane — w przypadku kondensatorów filtrujących zasilanie, napięcie jest w zasadzie stałe, więc można łatwo oszacować spadek pojemności dla danego napięcia i go skompensować w układzie. Kondensatory MLCC, jako elementy toru analogowego będą bardziej problematyczne, gdyż napięcie na nich zmieniać może się w dosyć szerokim zakresie.
Aby uzyskać wymaganą pojemność w obwodzie, przy zachowaniu ograniczeń wymiarów, trzeba połączyć ze sobą wiele kondensatorów w niektórych miejscach układu.
Dodatkowo, pamiętać trzeba, że żaden projekt wykorzystujący tę technikę nie będzie mógł spożytkować dużych elementów. Jeśli projektujemy system z małym zasilaczem impulsowym, prawdopodobnie jest tam stosunkowo spora cewka indukcyjna. Cewki takie będą na ogół zbyt wysokie, aby można je było osadzić w grubości pojedynczej warstwy laminatu FR4. To samo dotyczy komponentów dużej mocy, ponieważ są one zwykle fizycznie okazałe, a dodatkowo muszą odprowadzać ciepło. Co stanowi problem dla elementu, który jest efektywnie zamknięty w pudełku z włókna szklanego.
Mimo tych problemów jest to ciekawa technika wytwarzania PCB. W połączeniu ze spadającymi cenami niestandardowych płytek PCB — te do całego projektu kosztowały łącznie mniej niż 15 dolarów — można się więc spodziewać, że wielu hobbystów wybierze tę metodę. Pokazany projekt jest tylko demonstracją tego, co jest możliwe dzięki konstrukcji Oreo, ale biorąc pod uwagę ogromny postęp w: „artystycznych” płytkach PCB, w żaden sposób nie jest to granica potencjału. Biorąc pod uwagę, że dostępnych jest wiele elementów, które mogą dodatkowo wzbogacić taką konstrukcję, na przykład diody LED montowane odwrotnie i świecące przez otwór w PCB, możliwe jest zamknięcie sterownika i diod LED dla gigantycznej matrycy wewnątrz płytki drukowanej. Dzięki konstrukcji Oreo, PCB może być tylko płaskim elementem z włókna szklanego, gdy jest wyłączona i nie prezentuje obrazu.
W drugiej części artykułu zaprezentowane zostanie, jak podobne podejście wykorzystuje się przy produkcji obwodów wysokiej gęstości (HDI). O ile powyżej opisane ujęcie można bez problemu zrealizować w warunkach hobbystycznych, to produkcja obwodów HDI jest już w pełni przemysłowym procesem.
Źródła:
https://hackaday.com/2019/01/18/oreo-construction-hiding-your-components-inside-the-pcb/
https://hackaday.com/2015/06/03/how-to-build-beautiful-enclosures-from-fr4-aka-pcbs/
https://www.patentlyapple.com/2021/02/bloomberg-revisits-their-2018-story-titled-the-big-hack-in-an-updated-report-titled-the-long-hack-how-china-exploited-a-u.html
Fajne? Ranking DIY
