Oreo-Konstruktion: Verstecken Sie Ihre Komponenten in der Leiterplatte

In den letzten Monaten ist die Möglichkeit, Komponenten innerhalb einer Leiterplatte zu verstecken, in den Fokus des Interesses gerückt. Wir könnten dies auf die aufkeimende Badgelife-Bewegung zurückführen, bei der Ingenieure wunderschöne elektronische Kunstwerke schaffen. Wir können dieses Interesse auch auf Bloombergs Big Hack zurückführen, bei dem Jordan Robertson und Michael Riley behaupteten, Apple sei das Ziel chinesischer Spionage mithilfe von in ein Motherboard eingebetteten Komponenten. Die Big-Hack-Geschichte hatte Erfolg, aber bisher sind keine Beweise für die Existenz dieses Hacks ans Licht gekommen, und die beteiligten Unternehmen und Regierungen haben allesamt dementiert, dass es so etwas gibt.

Allerdings ist das Einbetten von Komponenten in eine Leiterplatte ein interessantes Diskussionsthema, und dank der sinkenden Preise für die Herstellung von Leiterplatten (das gesamte Projekt kostete 15 US-Dollar für die Leiterplatten) ist es nun auch für Bastler möglich, mit dieser Technik zu experimentieren.

Aber zunächst ist es wichtig zu definieren, was „stopfende Komponenten in einem Stück Glasfaser“ eigentlich heißt. Bei meinen Recherchen stoße ich immer wieder auf den Begriff „eingebettete Komponenten“, der völlig unverständlich ist und ein wirklich schrecklicher Name ist, weil „eingebettet“ etwas völlig anderes bedeutet. Man kann eine PCB-Herstellungstechnik nicht „eingebettete Komponenten“ nennen und erwarten, dass die Leute sie im Internet finden. In Ermangelung eines besseren Begriffs nenne ich diese „Oreo-Konstruktion“, weil ich eine Vorliebe für „stuf“ habe und weil sie einen Namen haben muss. Wir nennen es jetzt alle „Oreo-Konstruktion“, weil das Zeug in der Mitte liegt. So machen Sie es mit Standard-PCB-Designtools und billigen chinesischen Platinenhäusern.

Die unmittelbare Inspiration für diesen Build stammt von Designer2k2 und einem Flat-Pack-Weihnachtsschmuck. Bei diesem Projekt wurden Kronenstifte und eine Reihe von Löchern verwendet, um SMD-Teile an der Seite einer Leiterplatte statt an der Ober- oder Unterseite zu befestigen. Während das Anlöten elektronischer Komponenten an die Seite einer Leiterplatte etwas neu ist, ist die Montage elektronischer Komponenten an der Seite einer Leiterplatte nichts Neues. Lumen Electronic Jewelry produziert einen PCB-„Herz“-Pin (rechts) mit einem Kondensator und einem USB-Anschluss, der in einer Aussparung in der Frässchicht einer PCB montiert ist. Ebenso wurde bei anderen PCB-Projekten – hauptsächlich PCB-Visitenkarten – mit der Montage anderer Komponenten in einer Aussparung in der Frässchicht experimentiert. Ich habe Halter für Knopfzellenbatterien gesehen, die Leiterplattenausschnitte mit zwei „Laschen“ verwenden, die eine Batterie zwischen Glasfaser aufnehmen.

Die Idee, Komponenten in einen Stapel aus Glasfaser und Kupfer einzubetten, ist etwas, was wir in der Welt der kleinen Bastler wirklich noch nie gesehen haben, aber es ist machbar. Eingebettete Komponenten – da ist wieder dieser nicht zu verstehende Begriff – können in sehr teuren Produkten verbaut werden. Die Gründe dafür reichen von der Einsparung von physischem Platz über eine bessere EMI-Abschirmung bis hin zur Erschwerung der Rückentwicklung. Hierbei handelt es sich um eine Technik für Militär- und Luftfahrtkomponenten, bei der der Preis keine Rolle spielt.

Platinen für Militär- und Luft- und Raumfahrtanwendungen sind eine Sache, aber im vergangenen Jahr gab es eine erhebliche Diskussion über eingebettete Komponenten, wenn auch aus völlig falschen Gründen. Bloombergs Big Hack war eine Geschichte über an Apple und Amazon gelieferte Supermicro-Motherboards, die über zusätzliche Komponenten verfügten, die chinesischen Hackern eine Hintertür verschafften. Diese Geschichte wurde vielfach kritisiert, Apple und Amazon haben vehement bestritten, kompromittierte Motherboards gefunden zu haben, und ich erwarte jeden Tag, dass Supermicro eine Verleumdungsklage einreicht. Diese Geschichte löste jedoch viele Diskussionen darüber aus, wie ein solcher Hack passieren konnte. Die Top-Köpfe des Twitterverses glauben, dass dies durch die Einbettung eines kleinen Mikrocontrollers in die Leiterplatte des Motherboards zwischen dem Baseboard-Management-Controller und seinem Flash-Speicher erreicht werden könnte. Dieser kleine Mikrocontroller, der zwischen ein paar Leiterplattenschichten steckt, könnte theoretisch ein paar Teile des BMC-Flashs verändern, um Angreifern eine Hintertür zu bieten, und Trammel Hudson hielt im CCC einen interessanten Vortrag, in dem er die Theorie der Funktionsweise dieses fiktiven Hacks diskutierte. Es liegt im Bereich des Möglichen, aber Smart Money sagt, dass dies bei Supermicro-Motherboards, die an Amazon oder Google geliefert wurden, nicht passiert ist. In jedem Fall würde eine Röntgenuntersuchung oder sogar ein Flying-Probe-Test zeigen, dass sich „eingebettete Komponenten“ in der Leiterplatte befinden.

Für diesen Aufbau habe ich diese Techniken etwas erweitert, indem ich die Schichten der Leiterplatten mechanisch mit Lot verbunden habe. Dies wurde zuvor von Voja Antonic und seiner Arbeit beim Bau von Gehäusen aus FR4 durchgeführt. Sein Ansatz bestand darin, einen Streifen aus blankem Kupfer um den Umfang jeder Seite des Gehäuses zu legen. Durch die Montage dieser Seiten des Gehäuses im richtigen Winkel ist das Verlöten der beiden flachen Leiterplattenebenen in eine dreidimensionale Form so einfach wie das Führen eines Lötkolbens über das freiliegende Kupfer am Umfang.

Jede Leiterplatte im Stapel weist entlang des Umfangs freiliegendes Kupfer auf. Durch das Auftragen von Lötpaste und das Zusammenklemmen der Platinen werden diese für das Reflow-Löten vorbereitet.

Als Klemmmethode habe ich Kaptonband verwendet, da es der Hitze des Ofens problemlos standhält. Nach dem Backen brauchen Sie nur noch Schleifpapier, um die Kanten zu säubern.

Die Schaltung für diesen Aufbau ist ein Gitarrenpedal. Genauer gesagt handelt es sich um eine geringfügige Modifikation eines Dallas Rangemaster, wobei der eigentliche Schaltplan von Fuzz Central (dem RangeBlaster) übernommen wurde. Es gibt mehrere Gründe, diese PCB-Technik in Form eines Gitarrenpedals zu demonstrieren und insbesondere eine Rangemaster-Schaltung zu verwenden.

Insbesondere die Rangemaster-Schaltung wurde gewählt, da es sich um eine sehr einfache Schaltung handelt. Es ist nur ein einziger Germaniumtransistor und eine Handvoll Widerstände und Kappen. Meine Entscheidung, einen Rangemaster-Schaltkreis in eine Leiterplatte einzubauen, hängt einfach von der Anzahl der Komponenten ab. Es ist die einfachste Schaltung, die etwas bewirkt. Was die Demonstration dieser Technik an einem Gitarrenpedal angeht, habe ich weitaus düsterere Gründe. Der Markt für Gitarrenpedale macht noch weniger Sinn als der audiophile Markt. Wenn Sie sich eine Schaltung ausdenken und sie mit Epoxidharz beschichten, haben Sie gerade ein Tausend-Dollar-Pedal gebaut. Nein, das ist kein Witz. Ich nutze einfach die Leichtgläubigkeit der Verbraucher mit einem interessanten Herstellungsprozess aus.

Die Basis der Schaltung entspricht genau dem, was man von einem Gitarrenpedal erwarten würde: Es gibt einen 3PDT-Fußschalter, ein Paar 1/4″-Buchsen, eine 2,1-mm-DC-Buchse (Mitte negativ, weil Boss) und einen standardmäßigen Potentiometer für die Leiterplattenmontage 10k, Audio-Taper. Der aktive Teil der Schaltung ist ein Vintage-OC44-Transistor in einem TO-5-Gehäuse. Dies sind die einzigen Komponenten, die auf der fertigen Leiterplatte sichtbar sind.

Diese Leiterplatte wurde zunächst konstruiert, indem die Durchgangslochkomponenten an logischen Stellen angeordnet wurden und dann die oberflächenmontierten Komponenten an sinnvollen Stellen platziert wurden. Auch dies ist eine äußerst einfache Schaltung mit weniger als einem Dutzend Teilen im Schaltplan. Sobald dies erledigt war, musste nur noch die Leiterplatte in eine neue Datei kopiert und Ausschnitte um die Teile herum hinzugefügt werden. Dieses Board wurde in Eagle erstellt, was mir die Möglichkeit gab, dem Board viele Ebenen hinzuzufügen, die dann zum CAM-Manager hinzugefügt werden konnten, um die Gerbers zu erstellen.

Der eigentliche „Trick“ bei dieser Technik besteht darin, Komponenten innerhalb eines PCB-Aufbaus einzukapseln. Während dies mit einer Standard-Leiterplattendicke von 1,6 mm pro Schicht möglich ist (für eine vollständige Verkapselung sind drei Schichten erforderlich, was zu einer Enddicke von 4,8 mm führt), habe ich für die obere und untere Schicht 0,6 mm dicke Leiterplatten verwendet. Dies führte zu einer Enddicke von 2,8 mm. Dies ist dünn genug, dass das zusammengebaute Teil in Ihrem Kopf nicht als Stapel von Leiterplatten wahrgenommen wird. Es ist dünn genug, dass man leicht glauben könnte, dass es sich nur um eine normale Leiterplatte handelt.

Es ist einfach, eine Leiterplatte zu erstellen, und wenn Sie wissen, was Ihr Platinenhaus kann, ist es einfach, interne Ausschnitte auf einer Platine zu erstellen. An den bisherigen tausend Wörtern ist absolut nichts Neues. Der Trick bei der Oreo-Konstruktion besteht darin, die Schichten mechanisch miteinander zu verbinden. Dies ließe sich mit Klebstoffen und Harzen bewerkstelligen, aber ich orientierte mich an Vojas Arbeit und beschloss, Lötmittel zu verwenden, um eine Leiterplattenschicht mit einer anderen zu verbinden. Dies wurde durch eine Kupferleitung um den Umfang herum erreicht, die von jeglichen Erdungsebenen oder Gussstücken getrennt war.

Der Montageprozess ist so einfach wie das Bestücken und Löten der unteren Platine mit oberflächenmontierten Bauteilen, vorzugsweise mit bleifreier Lotpaste. Dann wird bleihaltige Lotpaste auf die Umfangsbahnen aufgetragen, die Platinen werden zusammengeklemmt und die gesamte Baugruppe wird in den Reflow-Ofen geworfen. Danach geht es nur noch darum, die Durchgangslochkomponenten zu bestücken.

Es gibt noch andere Ideen, die ich in Betracht gezogen habe, um diese verschiedenen Leiterplatten miteinander zu verbinden. Ich könnte sie mit Durchkontaktierungen und Durchgangslöchern „zusammennähen“, indem ich kleine Drahtstücke verwende, um sie auszurichten und jede Schicht mechanisch mit Lötzinn zu verbinden.

Sie können zwar Kondensatoren, Widerstände und Mikrocontroller in einen Leiterplattenstapel einbetten, es gibt jedoch Einschränkungen. In erster Linie erfordert die Rangemaster-Klonschaltung 47-μF-Kondensatoren. Dieser Wert ist für kleine SMD-Kappen viel zu groß, und die (physikalisch) kleinsten Kappen, die ich mit diesem Wert finden kann, sind in der Größenordnung von 10 mm dick. Sofern Sie keine Platine mit einer Dicke von einem halben Zoll wünschen, sind diese Kappen viel zu groß. Die Problemumgehung für dieses Problem besteht darin, viele Obergrenzen parallel hinzuzufügen.

Dies führt zu einem weiteren Problem. Die ursprüngliche Schaltung verwendete Elektrolytkondensatoren, keine kleinen Keramikkondensatoren. Da ich Arrays aus Keramikkappen verwende, ist die tatsächliche Kapazität geringer als die Summe aller Kapazitäten im Array. MLCC-Kondensatoren sollten bei Vorspannung herabgestuft werden (was der Fall ist, wenn sie als Bypass-Kondensator verwendet werden) und der von mir „konstruierte“ Kondensator hat in der Schaltung nicht den richtigen Wert. Ja, die Kapazität von Keramikkondensatoren hängt von ihrer Spannung ab, aber Sie können dies umgehen, indem Sie einfach noch mehr Kondensatoren hinzufügen.

Darüber hinaus kann kein Projekt, das diese Technik verwendet, große Teile verwenden. Wenn Sie ein Projekt mit einem kleinen Boost-Netzteil haben, haben Sie wahrscheinlich eine relativ große Induktivität. Induktivitäten mit einer ausreichenden Nennleistung für ein leistungsstarkes Netzteil sind zu hoch, um in eine einzelne FR4-Schicht eingebettet zu werden. Das Gleiche gilt für Komponenten, die hohe Leistungen verarbeiten, da sie in der Regel körperlich groß sind und Wärme ableiten müssen. Letzteres stellt ein Problem für eine Komponente dar, die effektiv in einem Glasfasergehäuse eingeschlossen ist.

Trotz der Probleme ist dies eine interessante Technik zur Leiterplattenherstellung. In Kombination mit den sinkenden Preisen für maßgeschneiderte Leiterplatten – die Leiterplatten für dieses gesamte Projekt kosten insgesamt weniger als 15 US-Dollar – erwarte ich, dass viele Leiterplattenhandwerker diese Technik aufgreifen werden.

Dieses Projekt war nur eine Demonstration dessen, was mit der Oreo-Konstruktion möglich ist, aber angesichts der enormen Fortschritte bei künstlerischen Leiterplatten ist dies keineswegs die Grenze dessen, was möglich ist. Da wir uns jetzt im goldenen Zeitalter der umgekehrt montierten LEDs befinden, ist es möglich, den Treiber und die LEDs einer riesigen Matrix in Glasfaser einzukapseln. Mit der Oreo-Konstruktion könnte eine gesamte Leiterplatte im ausgeschalteten Zustand nur ein Glasfaserblock und im eingeschalteten Zustand ein leuchtendes Rechteck sein.

Wenn Sie sich fragen, wie dieses Oreo-Konstruktionsgitarrenpedal klingt, dann ist es ein Rangemaster-Höhenverstärker. Brian Mays Gitarrenarbeit für Queen wäre das beliebteste Beispiel, aber Brian May ist etwas zu einzigartig, um wirklich ein Gefühl dafür zu bekommen, wie das klingt. Ein besseres Beispiel wäre Tony Iommi von Black Sabbath, etwas aus den ersten beiden Zeppelin-Alben, oder Clapton auf dem Blues Breakers-Album. Das ist zwar viel klangliches Terrain, aber dies ist eine bessere Demo eines Rangemasters als alles, was ich produzieren könnte. Auf jeden Fall bestand die Idee dahinter darin, die einfachste Schaltung, die möglich ist, in eine Leiterplatte einzubauen, und nicht, irgendetwas Ausgefallenes zu machen. Ein Rangemaster besteht aus einem Transistor, also habe ich ihn gebaut.