Plošné spoje - obecné informace

Plošný spoj (také deska plošných spojů, zkráceně DPS, v angličtině PCB, Printed Circuit Board nebo rigid PCB) se v elektronice používá pro mechanické připevnění a současně pro elektrické propojení elektronických součástek. Součástky jsou propojeny vodivými cestami, spoji (traces) vytvořenými leptáním z měděných folií nalepených na izolační laminátové desce, nejčastěji typu FR4 (skelný laminát, plátovaný měděnou folií). Mezi spoji tak vznikají izolační mezerey (spaces). Samotné součástky (components) jsou na DPS připájeny (soldered, assembled) za své vývody cínovou pájkou (solder). Klasická provedení součástek mají vývody ve formě drátů nebo kolíčků. Ty se obvykle prostrčí otvory v DPS a na opačné straně, než byla součástka, se připájely k spojům, vytvořených vrstvou mědi. V místech pájení součástek se nechávají v mědi rozšířené plošky (pads). V současnosti se při sériové výrobě používá velmi často technologie povrchové montáže (SMT). Součástky pro povrchovou montáž (SMD) mají na svém povrchu kontaktní plošky, za které se připájí na stejnou stranu DPS, na které jsou osazeny. To umožní i osazení desek součástkami z obou stran. Takové součástky je zapotřebí před pájením (děje se tak zahřátím v peci (oven)) fixovat pájecí pastou (solder paste).

Protože současné součástky mají desítky i stovky vývodů, nebylo by je možné dobře propojit na jednoduché desce plošných spojů (single-layer PCB). Proto byly vyvinuty oboustranné DPS (double-layer PCB), které mají vodivý obrazec z obou stran a následně vícevrstvé DPS (multi-layer PCB). Vícevrstvé DPS vznikají slepením několika tenkých oboustranných DPS. U dvou- nebo vícevrstvých DPS se musí vatvářet průchody mezi vrstvami pomocí tzv. prokovených děr (PTH, Platted Through Holes). DPS se běžně opatřují nepájivou maskou (solder mask). To je poloprůhledná izolační vrstva většinou zelené barvy. Nechává odkryté jen pájecí plošky, zbytek vodivých cest zakrývá a zlepšuje tak izolační vlastnosti desky, současně brání poškození vodivých cest. Pro orientaci při kontrole, opravách nebo nastavování se na nepájivou masku často tiskne servisní potisk (legend printing). Vyznačuje umístění součástek a jejich označení dle elektrického schematu.

Protože ruční návrh plošných spojů by byl u složitějších obvodů extrémně časově náročný, přičemž by snadno mohlo docházet k chybám dále prodražujícím vývoj, používají se pro návrh systémy CAE, usnadňující vývoj. Systémy generují elektronická data, která lze lehce přenášet pomocí počítačových sítí a internetu a která navržený plošný spoj beze zbytku definují. Data bývají generována v ustálených formátech, z nichž nejpoužívanější je Gerber RS 274X a Eagle.

Základní materiál pro výrobu DPS

Základním materiálem pro výrobu DPS je nejčastěji laminát (Prepreg, P.P.) ze skelné tkaniny sycený epoxidovou pryskyřicí. Z jedné nebo obou stran je nalepena měděná folie většinou o tloušťce 17 nebo 35 mikrometrů, pro náročnější účely se používají i větší tloušťky. Tloušťka laminátu bývá od 0,1 mm do 2,5 mm, zřídka větší. Složení nemusí být vždy skelná tkanina v epoxidu. Pro jednodušší výrobky (jako je spotřební elektronika) existují lamináty se základní vrstvou ze speciálního papíru nebo mohou být ze skelné tkaniny pouze vnější vrstvy, mezi nimi je netkaná textilie. Pro vysokofrekvenční obvody se užívá laminát na bázi teflonu. Tloušťka měděné folie je odvozena z její hmotnosti v amerických mírách. Podle této hmotnosti se také kdysi tloušťka označovala: 17 mikrometrů je tzv jednouncová měď (jedna čtvereční stopa váží jednu unci), 35 mikrometrů je dvouuncová měď.

Označení materiálů pro plošné spoje

FR1 Papír nasycený fenolovou pryskyřicí - laciný druh
FR2 Papír nasycený fenolovou pryskyřicí - standardní provedení
FR3 Papír nasycený epoxidovou pryskyřicí
FR4 Tkanina ze skelných vláken sycená epoxidovou pryskyřicí - nejběžnější druh
FR5 Tkanina ze skelných vláken sycená epoxidovou pryskyřicí - zvláště tepelně odolný druh

Pružné a ohebné plošné spoje (flexible PCB, flex PCB, elastic PCB)

V poslední době nabízí výrobci i plošné spoje, které lze mechanicky kroutit a ohýbat:

K výrobě pružných spojů (flex PCB) se používí tzv. pružných kompozitů, např. materiál DuPont Kapton s měděnou fólií na jedné nebo obou stranách. Tloušťka materiálu bývá obvykle 0,1 mm, tloušťka mědi 35 nebo 18 µm.

Vlastnosti pružného plošného spoje:

Nelze jej prokovit.
Snáší zkroucení do role průměru 10 mm a opakovaný ohyb o 180o
Pří pájení je nutno postupovat velmi opatrně - může dojít k uvolnění mědi od podložky.

Pro ohebné plošné spoje (elastic PCB) může být použit i materiál FR4 tloušťky 0,1 mm, nebo jiné speciální materiály.

Vlastnosti ohebného plošného spoje:

Materál lze prokovit.
Ohebné plošné mají vyšší mechanickou pevnost a vyšší tepelnou odolnost než materiály pro pružné plošné spoje, ale nelze je zkroutit, pouze ohýbat
Snáší opakovaný ohyb do 90o na poloměru 50 mm
Lze na ně aplikovat nepájivou masku

Plošné spoje na hliníku nebo s hliníkovým jádrem (Al PCB, PCB on Aluminum)

Plošné spoje v kombinaci s hliníkovou deskou (buď jednostranně připlátované k hliníkové podložce, nebo oboustranné s hliníkovým jádrem) využívají hliníku k odvodu tepla (provozní teplota je až 150°C, tedy těsně pod hranicí teploty tavení pájky) a zároveň jsou mechanicky velmi odolné. Lze je osazovat SMD i klasickými součástkami (desky mohou být v oboustranném provedení i prokovené). Oblasti využití:

osvětlovací technika (především chlazení LED s vysokou svítivostí)
výroba automobilů (automotive) – mechanicky i tepelně namáhaná elektronika
senzory a automatizační technika (odolnost vůči vibracím a vysokým teplotám)

Výroba desek plošných spojů

Základní kroky při výrobě plošných spojů jsou:

Vyvrtání otvorů
Očištění povrchu měděné folie odmaštěním a obroušením
Zakrytí motivu plošného spoje (vodivých cest a plošek, které mají na plošném spoji zůstat) leptuvzdornou vrstvou
- V amatérských podmínkách se k zakrytí motivu plošného spoje používají rychleschnoucí laky nanášené ručně. Existují i předem připravené přířezy základního materiálu pokryté světlocitlivou vrstvou, ale v amatérských podmínkách bývá problém s dostatečným osvitem.
- V počátcích průmyslové výroby plošných spojů se leptuvzdorná vrstva nanášela sítotiskem. Odtud také starší název plošných spojů: "Tištěné spoje" (v angličtině se stále běžně používá výraz PCB = Printed Circuit Board)
- Současná průmyslová výroba plošných spojů používá fotolitografické techniky
Odleptání nepotřebné mědi (v amatérských podmínkách chloridem železitým)
Odstranění leptuvzdorné vrstvy
Nanesení krycích a ochranných vrstev
Mechanické opracování desky do výsledného tvaru (formatting)
- Frézováním (CNC) se zhotovují kruhové otvory o průměru větším než 6mm a nekruhové otvory a výřezy. Provádí se většinou na stejném stroji (souřadnicové vrtačce (drilling machine)) a při stejném upnutí jako vrtání. U jednostranných plošných spojů se otvory dříve zhotovovaly vystřihováním na výstředníkových lisech (punching). Vzhledem k nákladům na zhotovení razníku a nebezpečí poškození povrchu se od této metody upouští.
- o Stříháním (cutting) na padacích nůžkách se ostřihují rovné vnější hrany, pokud vyhovuje přesnost dosažitelná touto metodou.
- Řezáním kotoučovou pilou (sawing) se docílí přesnějšího opracování rovných hran.
- Drážkováním (V-grooving, V-scoring) se dělí desky menších rozměrů, které se mají hromadně osazovat. Princip této techniky je v proříznutí úzké drážky do spodní i horní strany desky protiběžnými kotouči. Ponechá se pouze tenká spojovací vrstva. Osazené, zapájené a někdy i oživené desky se rozlámou jako tabulka čokolády.

Běžně se pro snížení ceny kombinuje frézování složitých tvarů s některou jednodušší technologií zhotovení rovných řezů.

Panelizace, přířez (Paneling)

Obzvláště menší plošné spoje se z důvodů snadnějšího osazování (assembling) dodávají v tzv. panelech (panels), tj. v několikanásobných přiřezech. Ty mívají pro snadnější uchycení technologické okraje (rails, technological margins). Aby se panel mohl po osazení snadno rozlámat na jednotlivé desky, jsou jednotlivé kusy mezi sebou buď drážkovány (V-groove), nebo se dodávají s tzv. můstky (bridge, breakoff), kdy je každá deska obfrézována a vzniklá štěrbina je na několika místech přerušena úzkým přemostěním. Deska se tak dá lehce vylomit. Aby byla výtěžnost výroby co největší, bývají mezi deskami v panelu povoleny i vadné kusy, které výrobce označí mechanicky vyrytím kříže (X-out, cross out), který je znamením, že se daný kus nemá osazovat. Pokud zákazník požaduje panely s pouze bezchybnými deskami plošných spojů, musí na to předem upozornit (no X-outs, no cross outs).

Slovníček anglických pojmů

Blind Hole (slepá díra )	díra ve vícevrstvé desce plošných spojů, která není průchozí, ale spojuje jednu z povrchových (outward) vrstev s jednou z vnitřních (inward) vrstev desky Je vidět pouze z jedné strany desky.
Buried Hole (vnořená díra)	díra spojující dvě vnitřní vrstvy vícevrstvé desky. Není vidět.
B/B holes	slepé a vnořené díry
Fundicial mark	naváděcí značka
Countersink	zahloubení
Chamfer	úkos (u přímého konektoru)
P.P. (Prepreg)	laminát
Warpage, Bowing	prohnutí desky
HAL, HASL (Hot Air (Solder) Level)	cínovaní s využitím proudu horkého vzduchu pro stejnoměrné nanesení cínu
Immersion Gold, Tin (Soft Gold, Tin)	chemické (měkké) zlato, cín
Electrolytic Gold (Hard Gold)	elektrolyticky nanášené zlato, tvrdé zlato
PTH (Platted Through Holes)	prokovené díry
NPTH (Not Platted Through Holes)	neprokovené díry
Annual ring	mezikruží
RoHS (Restriction of the use of Hazardeous Substances)	direktiva zakazující použití nebezpečných látek (např. olova – Lead) v elektrických a elektronických výrobcích
Lead Free, Pb free	bez použití olova, bezolovnatý
UL (Underwrites Laboratories Inc.)	nezávislá organizace, která testuje materiály a výrobky a pokud splňují zavedené standardy, vydává o nich certifikáty