Deska s plošnými spoji ( anglicky Printed Circuit Board, PCB , neboli plošný spoj, PWB ) je dielektrická deska , na jejímž povrchu a/nebo v objemu jsou vytvořeny elektricky vodivé obvody elektronického obvodu . Deska plošných spojů je určena pro elektrické a mechanické spojování různých elektronických součástek. Elektronické součástky na desce s plošnými spoji jsou svými vývody spojeny s prvky vodivého obrazce, obvykle pájením .
Na rozdíl od povrchové montáže je na desce plošných spojů elektricky vodivý obrazec vyroben z fólie , která je celá umístěna na pevném izolačním podkladu. Deska s plošnými spoji obsahuje montážní otvory a podložky pro montáž kolíkových nebo planárních součástek. Kromě toho mají desky plošných spojů prokovy pro elektrické spojení fóliových sekcí umístěných na různých vrstvách desky. Z vnější strany je deska obvykle opatřena ochranným nátěrem („pájecí maska“) a značkami (pomocný obrázek a text dle projektové dokumentace).
Podle počtu vrstev s elektricky vodivým vzorem se desky plošných spojů dělí na:
Se zvyšující se složitostí navržených zařízení a hustotou osazení se zvyšuje počet vrstev na deskách [1] .
Podle vlastností základního materiálu :
Desky s plošnými spoji mohou mít své vlastní charakteristiky vzhledem ke svému účelu a požadavkům na speciální provozní podmínky (například rozšířený teplotní rozsah ) nebo aplikační vlastnosti (například desky pro zařízení pracující na vysokých frekvencích ).
Základem desky plošných spojů je dielektrikum , nejčastěji používanými materiály jsou sklolaminát , getinaky .
Základem desek plošných spojů může být také kovová základna potažená dielektrikem (např. eloxovaný hliník ), na dielektriku jsou naneseny dráhy měděné fólie. Takové desky s plošnými spoji se používají ve výkonové elektronice pro efektivní odvod tepla z elektronických součástek. Pro další zlepšení tepelného výkonu lze kovovou základnu desky připevnit k chladiči .
Jako materiál pro desky plošných spojů pracující v mikrovlnné oblasti a při teplotách do 260 °C se používá fluoroplast vyztužený skelnou tkaninou (např. FAF-4D) [2] a keramika . Tyto desky mají následující omezení:
Pružné desky jsou vyrobeny z polyimidových materiálů jako je Kapton .
Návrh desky probíhá ve specializovaných počítačově podporovaných konstrukčních programech . Nejznámější jsou PADS Professional , Xpedition , Altium Designer , P-CAD , OrCAD , TopoR , Specctra , Proteus , gEDA , KiCad atd. [4] Samotný proces návrhu se v ruštině často nazývá slangovým slovem wire , což znamená proces kladení vodičů.
V Rusku existují standardy pro projektovou dokumentaci desek plošných spojů v rámci Jednotného systému pro projektovou dokumentaci :
Další normy pro desky plošných spojů:
Zvažte typický postup pro návrh desky plošných spojů podle hotového schématu zapojení: [5]
Výrobci PCB se často setkávají s nezřejmými konstrukčními chybami začínajících inženýrů. Nejtypičtější chyby [7] :
Výroba PP je možná aditivní nebo subtraktivní metodou. Při aditivním způsobu se na nefoliovém materiálu vytvoří vodivý vzor pomocí chemického pomědění přes ochrannou masku, která byla předtím na materiál nanesena. Při subtraktivní metodě se na fóliovém materiálu vytvoří vodivý vzor odstraněním nepotřebných částí fólie. V moderním průmyslu se používá pouze subtraktivní metoda.
Celý proces výroby PCB lze rozdělit do čtyř fází:
Často se výrobou desek plošných spojů rozumí pouze zpracování obrobku (fóliového materiálu). Typické zpracování fóliového materiálu sestává z několika fází: vrtání prokovů, získání vzoru vodičů odstraněním přebytečné měděné fólie, pokovování otvorů, nanášení ochranných povlaků a pocínování a značení. [8] U vícevrstvých desek plošných spojů se přidává lisování finální desky z více přířezů.
Fóliový materiál - plochý list dielektrika s nalepenou měděnou fólií. Jako dielektrikum se zpravidla používá sklolaminát . Ve starém nebo velmi levném zařízení se používá textolit na látkové nebo papírové bázi, někdy označovaný jako getinax . Mikrovlnná zařízení používají polymery obsahující fluor ( fluoroplasty ). Tloušťka dielektrika je dána požadovanou mechanickou a elektrickou pevností, nejběžnější tloušťka jednovrstvých i vícevrstvých desek je cca 1,5 mm; pro vícevrstvé desky se používají tenčí dielektrické vrstvy.
Na dielektriku je na jedné nebo obou stranách nalepen souvislý list měděné fólie. Tloušťka fólie je dána proudy, pro které je deska určena. Nejpoužívanější fólie má tloušťku 18 a 35 mikronů, mnohem méně obvyklé jsou 70, 105 a 140 mikronů. Tyto hodnoty jsou založeny na standardních tloušťkách mědi v dovážených materiálech, ve kterých se tloušťka vrstvy měděné fólie počítá v uncích (oz) na čtvereční stopu . 18 mikronů odpovídá ½ oz a 35 mikronů 1 oz.
Hliníkové obvodové deskySamostatnou skupinou materiálů jsou hliníkové kovové desky plošných spojů . Hliníkové desky se často používají, když je požadováno vedení tepla povrchem desky, jako například u LED svítidel . Lze je rozdělit do dvou skupin.
První skupina - řešení v podobě hliníkového plechu s kvalitním oxidovaným povrchem, na kterém je nalepena měděná fólie . Takové desky nelze vrtat, proto se většinou vyrábějí pouze jednostranně. Zpracování takových fóliových materiálů se provádí podle tradičních technologií chemického tažení. Někdy se místo hliníku používá měď nebo ocel, laminovaná tenkým izolantem a fólií. Měď má vysokou tepelnou vodivost, nerezová deska zajišťuje odolnost proti korozi. [9]
Druhá skupina zahrnuje vytvoření vodivého obrazce přímo v základním hliníku. Za tímto účelem je hliníkový plech oxidován nejen po povrchu, ale i do celé hloubky základny podle vzoru vodivých oblastí specifikovaných fotomaskou. [10] [11]
Při výrobě desek se používají chemické, elektrolytické nebo mechanické metody k reprodukci požadovaného vodivého vzoru a také jejich kombinací.
Chemická metodaChemický způsob výroby desek plošných spojů z hotového fóliového materiálu se skládá ze dvou hlavních fází: nanesení ochranné vrstvy na fólii a leptání nechráněných oblastí chemickými metodami.
V průmyslu se ochranná vrstva nanáší fotolitografií pomocí fotorezistu citlivého na ultrafialové záření , fotomasky a zdroje ultrafialového světla. Fotorezist zcela pokryje měď fólie, načež se vzor stop z fotomasky nasvícením přenese na fotorezist. Exponovaný fotorezist se smyje, čímž se obnaží měděná fólie pro leptání, zatímco neexponovaný fotorezist je připevněn k fólii a chrání ji před leptáním.
Fotorezist může být tekutý nebo filmový. Kapalný fotorezist se aplikuje v průmyslových podmínkách, protože je citlivý na nedodržení aplikační technologie. Filmový fotorezist je oblíbený pro ručně vyráběné desky, ale je dražší. Fotomaska je UV-transparentní materiál s natištěným vzorem stopy. Po expozici je fotorezist vyvolán a fixován jako při běžném fotochemickém procesu.
V amatérských podmínkách lze ochrannou vrstvu v podobě laku nebo barvy nanést sítotiskem nebo ručně. K vytvoření leptací masky na fólii využívají radioamatéři přenos toneru z obrazu vytištěného na laserové tiskárně („ technologie laserového žehlení “).
Leptání fólie je chemický proces přeměny mědi na rozpustné sloučeniny. Nechráněná fólie se leptá nejčastěji v roztoku chloridu železitého nebo v roztoku jiných chemikálií, jako je síran měďnatý , persíran amonný , chlorid amonný, síran měďnatý, na bázi chloritanů , na bázi anhydridu chromitého [12] . Při použití chloridu železitého probíhá proces leptání desky následovně: FeCl 3 + Cu → FeCl 2 + CuCl. Typická koncentrace roztoku 400 g/l, teplota do 35 °C. Při použití persíranu amonného probíhá proces leptání desky následovně: (NH 4 ) 2 S 2 O 8 + Cu → (NH 4 ) 2 SO 4 + CuSO 4 [12] .
Po vyleptání se ochranný vzor z fólie odstraní.
Mechanická metodaMechanický způsob výroby zahrnuje použití frézovacích a gravírovacích strojů nebo jiných nástrojů pro mechanické odstranění fóliové vrstvy z určených oblastí.
Laserové gravírováníDonedávna nebylo laserové gravírování desek plošných spojů rozšířeno kvůli dobrým odrazovým vlastnostem mědi na vlnové délce nejběžnějších vysokovýkonných CO plynových laserů. V souvislosti s pokrokem v oblasti laserového inženýrství se nyní začala objevovat průmyslová prototypová zařízení založená na laserech. [13]
Oplechování otvorůPropojovací a montážní otvory lze vrtat, děrovat mechanicky (do měkkých materiálů, jako jsou getinaky) nebo vypalovat laserem (velmi tenké prokovy). Pokovování otvorů se obvykle provádí chemicky nebo vzácněji mechanicky.
Mechanické pokovení otvorů se provádí speciálními nýty, pájenými kousky drátu nebo vyplněním otvoru vodivým lepidlem (vytvrzovací pastou). Mechanická metoda je výrobně nákladná, a proto se používá velmi zřídka, obvykle ve vysoce spolehlivých kusových řešeních, speciálních silnoproudých zařízeních nebo amatérských rádiových podmínkách s kusovým provedením.
Při chemickém pokovování se do polotovaru fólie nejprve vyvrtají otvory, poté se pokovují nanášením mědi a teprve poté se fólie leptá, aby se získal tiskový vzor. Chemické pokovování otvorů je vícestupňový komplexní proces, citlivý na kvalitu činidel a soulad s technologií. V radioamatérských podmínkách se proto prakticky nepoužívá. Zjednodušeně se skládá z následujících kroků:
Vícevrstvé desky (s více než 2 vrstvami vodičů) jsou sestaveny ze svazku tenkých dvou nebo jednovrstvých desek plošných spojů vyrobených tradičním způsobem (kromě vnějších vrstev obalu - ty jsou ponechány s neporušenou fólií při tato fáze). Jsou sestaveny jako "sendvič" se speciálními těsněními ( prepregy ). Dále se provádí lisování v peci, vrtání a pokovování prokovů. Nakonec se naleptá fólie vnějších vrstev. [1] Protože se tloušťka mědi ve vnějších vrstvách zvyšuje o množství galvanicky nanesené mědi během pokovování, klade to další omezení na šířku drah a mezery mezi nimi.
Průchozí otvory v takových vícevrstvých deskách mohou být také vytvořeny před lisováním. Pokud jsou otvory vytvořeny před lisováním, je možné získat desky s tzv. „hluchými“ a „slepými“ otvory (když je otvor pouze v jedné vrstvě „sendviče“), což umožňuje zhutnění rozložení pro složité desky. Náklady na výrobu se v těchto případech výrazně zvyšují, což vyžaduje rozumný kompromis v konstrukci takových desek.
NátěrMožná krytí jsou:
Po osazení desek plošných spojů je možné aplikovat další ochranné nátěry, které chrání jak samotnou desku, tak i pájení a součástky.
ObráběníMnoho jednotlivých desek je často umístěno na jeden prázdný list. Procházejí celým procesem zpracování přířezu fólie jako jedna deska a až na závěr jsou připraveny k separaci. Pokud jsou desky obdélníkové, pak se vyfrézují neprostupné drážky, které usnadňují následné lámání desek (rytí, z anglického scribe poškrábat). Pokud jsou desky složitého tvaru, provede se průběžné frézování a ponechávají úzké můstky, aby se desky nedrolily. U desek bez pokovení se místo frézování někdy vrtá řada otvorů s malým stoupáním. V této fázi také dochází k vrtání montážních (nepokovených) otvorů.
Viz také: GOST 23665-79 Desky plošných spojů. Zpracování obrysu. Požadavky na standardní technologické postupy.
Podle typického technického procesu dochází k oddělení desek od obrobku po instalaci součástí.
Pájení je hlavní způsob montáže součástek na desky plošných spojů. Pájení lze provádět buď ručně páječkou nebo pomocí speciálně vyvinutých technologií skupinového pájení.
Instalace komponentInstalaci komponent lze provádět jak ručně, tak na speciálních automatických instalátorech. Automatická instalace snižuje možnost chyby a výrazně urychluje proces (nejlepší automatické instalace instalují několik komponent za sekundu).
Pájení vlnouHlavní metoda automatizovaného skupinového pájení pro olověné součástky. Pomocí mechanických aktivátorů se vytvoří dlouhá vlna roztavené pájky. Deska se přenese přes vlnu tak, že se vlna sotva dotkne spodní plochy desky. V tomto případě jsou vývody předinstalovaných výstupních součástek navlhčeny vlnou a připájeny k desce. Tavidlo se na desku nanáší houbičkou.
Pájení v pecíchHlavní metoda skupinového pájení plošných součástek. Na kontaktní plošky desky plošných spojů se přes šablonu nanáší speciální pájecí pasta (pájecí prášek v pastovitém tavidle ) . Poté se nainstalují rovinné komponenty. Deska s nainstalovanými součástkami je poté přivedena do speciální pece, kde se aktivuje tavidlo pájecí pasty a pájecí prášek se roztaví, aby se součástka připájela.
Pokud se taková instalace komponent provádí na obou stranách, pak je deska podrobena tomuto postupu dvakrát - samostatně pro každou stranu instalace. Těžké plošné součástky jsou osazeny na kapičkách lepidla, které zabrání jejich odpadnutí z překlopené desky při druhém pájení. Lehké součástky jsou drženy na desce povrchovým napětím pájky.
Po pájení je deska ošetřena rozpouštědly pro odstranění zbytků tavidel a jiných nečistot, nebo při použití nečisté pájecí pasty je deska okamžitě připravena na některé provozní podmínky.
DokončujePo pájení je deska plošných spojů se součástkami potažena ochrannými látkami: vodoodpudivými látkami, laky (například UR-231 ), prostředky pro ochranu otevřených kontaktů. V některých případech může být pro provoz desky v podmínkách silných vibrací deska zcela zapuštěna do směsi podobné pryži.
Pro hromadnou průmyslovou výrobu desek plošných spojů byly vyvinuty metody automatizované kontroly kvality.
Při kontrole správnosti připojení pole se kontrolují elektrické spoje, zda mezi nimi nejsou přerušení nebo zkraty.
Při kontrole kvality instalace elektronických součástek se používají metody optické kontroly . Optická kontrola kvality střihu se provádí pomocí specializovaných stojanů s videokamerami s vysokým rozlišením. Stojany jsou zabudovány do výrobní linky v následujících fázích:
Hybridní IC substráty jsou něco podobného jako keramická deska s plošnými spoji, ale obvykle používají jiné výrobní procesy:
Keramické skříně elektronických mikroobvodů a některé další komponenty jsou také vyrobeny pomocí hybridních mikroobvodových technologií.
Membránové klávesnice se často vyrábějí na filmech sítotiskem a slinováním s tavitelnými metalizovanými pastami.