Jak se vyrábí deska s plošnými spoji?

Deska s plošnými spoji je tenká deska vyrobená z dielektrického materiálu. Obsahuje obvody, kterými protéká proud. Navíc je lze umístit jak na přední část, tak i dovnitř výrobku.

Hlavním úkolem, který deska plní, je spojit všechny elektronické prvky zařízení do jedné sítě. K tomu jsou na koncích destičky místa pro připájení všech vývodů směřujících k ostatním součástkám.

Typy desek plošných spojů

Desky se liší aplikací, teplotou, kterou snesou, a počtem vrstev.

Podle počtu vrstev se rozlišují:

• jednostranná – vrstva fólie je přítomna pouze na jedné straně;
• oboustranný – na obou stranách desky je vrstva fólie;
• vícevrstvé – obsahují více než dvě vrstvy, z nichž každá má fóliový povlak.

Při výrobě elektronických zařízení mohou nastat potíže s výkonem dielektrické základny. Pokud tedy dielektrikum není příliš pevné, nebude vhodné pro gadgety s ohebným displejem. A pro použití při vysokých teplotách není vhodné dielektrikum z běžného materiálu (potřebujete žáruvzdorné suroviny).

Rostoucí řada elektronických produktů vede k vytváření inovativnějších řešení. To vedlo ke vzniku další klasifikace, založené na typu dielektrické báze. Vznikl rozdíl mezi deskami s plošnými spoji: flexibilní a tuhé.

Kromě toho existují samostatná řešení, která berou v úvahu zvláštnosti použití desek v různých odvětvích (například podle typu frekvence – vysoká nebo nízká).

Výroba DPS

Proces výroby desek zahrnuje několik fází, z nichž každá obsahuje vlastní soubor prací. V jakékoli fázi výroby se však používá profesionální vybavení a všechny postupy se provádějí v podmínkách připravených k tomu. Také před zahájením výrobní činnosti je nutné připravit veškerý materiál.

Desky plošných spojů lze vyrobit dvěma způsoby

• subtraktivní – vzor je vyroben odstraněním přebytečných částic fólie;
• přísada – do připravené masky se nanese měď (chemicky).

Pro velkosériovou výrobu se obvykle používá první způsob, který je jednodušší a cenově výhodnější.

1. Vytvoření prázdné desky

Deska je vyrobena z dielektrika potaženého fólií. Jako základ se nejčastěji používá sklolaminát. Další možností, méně oblíbenou, je textolit na papírové nebo tkané bázi.

Tloušťka se volí s ohledem na účel desky. Čím je produkt odolnější, tím silnější bude deska. Elektrická vodivost závisí také na tloušťce.

Pokud se desky vyrábějí bez odkazu na konkrétní úkol, použije se průměrná hodnota – 13-14 mm.

Obrobek se připravuje takto:

1. Nejprve se pomocí speciálního zařízení vyřízne požadovaný tvar;
2. Poté se provádí příprava listů hliníkové fólie;
3. Dále se na řezaný segment nanese povlak fólie. Tloušťka vrstvy se také volí v závislosti na účelu desky.

Existuje také kategorie desek plošných spojů vyrobených z hliníku, které se používají ve světelné technice. Jsou nezbytné pro průchod elektrického proudu celým povrchem desky.

Hliníkové desky se dodávají ve dvou typech:

• S vnější oxidací. Jedná se o pevný hliníkový plech s oxidací, po jehož okrajích je umístěna měděná fólie. Je možné použít i jiné kovy, ale pak vyžadují další vrstvu dielektrického materiálu.
• S úplnou oxidací. Vzor se nachází ve struktuře desky téměř do celé její hloubky. Přesné parametry jsou určeny elektronickou technologií s přihlédnutím ke specifikovaným charakteristikám.

Při výrobě se obvykle používá první verze hliníkových desek, které jsou jednodušší na výrobu.

2. Vytvoření vzoru pro průchod proudu

K vytvoření vzoru se používají tři hlavní metody, které lze vzájemně kombinovat:

• Chemikálie. Metoda se skládá ze dvou fází: položení masky na základnu s vrstvou fólie a odstranění přebytečných segmentů bombardováním chemickými prvky. K dokončení práce potřebujete fotorezist, zdroj UV světla a fotomasku. Fotorezist může být tekutý nebo filmový. Je to nezbytné pro zpracování celé roviny obrobku. Poté se vezme připravená šablona a design se vyřízne, zatímco se vzory osvětlují ultrafialovým světlem. Povrchy, na kterých není potřeba fólie, se následně ošetří chemickou sloučeninou a vrstva materiálu se opatrně odstraní. Na desce tak zůstane pouze elektricky vodivý obrazec.
• Mechanické. K vytvoření vzoru se používá speciální zařízení, které působí na povrch desky mechanicky. Pomocí šablony zařízení odstraní části fólie a vytvoří vzor.
• Laser. Dříve se tato metoda téměř nepoužívala kvůli vysokým odrazovým vlastnostem hliníku a mědi. Moderní laserová zařízení však dokážou vyladit vlnovou délku s velkou přesností, díky čemuž jsou vhodná pro vysoce reflexní materiály.

Nejoblíbenější způsob nanášení vzoru na desky plošných spojů je mechanický. Laserové technologie se používají méně kvůli vysoké ceně zařízení.

Vytvoření vzoru je pouze předběžnou fází přípravy polotovaru desky. Poté se provedou další čtyři postupy, po kterých produkt získá požadovaný vzhled.

3. Metalizace otvorů

K vytváření otvorů se používá mechanický nebo laserový nástroj. Laser se používá tam, kde je důležité jemné zpracování a je téměř nemožné provést zákrok kvalitativně mechanicky.

Proces nanášení kovů se provádí dvěma způsoby:

• Mechanicky. Tato metoda využívá vysoce přesnou instalaci a speciální materiál (vodivé lepidlo nebo nýty). Technologie je drahá, proto se používá pouze pro výrobu desek, které vyžadují zvýšenou přesnost.
• Chemicky. Oblíbenější metoda, při které dochází k pokovování nahromaděním částic mědi na desce.

4. Lisovací desky

Tato fáze se používá pouze pro desky, které se skládají z několika vrstev (více než jedné). Postup se provádí před pokovením, protože pak dojde k poškození povlaku tlakem.

Lisování se provádí následovně:

1. Nejprve se připraví vrstvy, které budou uprostřed, a aplikuje se vzor;
2. Desky se poté vloží do tlakové pece. Speciální prepregy fungují jako distanční prvky;
3. Poté se v desce vytvoří otvory;
4. Dále se provede metalizace;
5. Dalším krokem je leptání fóliového povlaku.

Mezilehlé otvory lze vytvořit před vložením desky do lisovací pece. To umožňuje rozšířit funkčnost desek, ale také zvyšuje jejich cenu.

5. Povlak

Jedná se o důležitý postup, protože bez něj se desky snadno mechanicky poškodí.

Způsoby vytvoření pokrytí:

• Použití laku. Ochrana plní nejen hlavní funkci, ale má také dekorativní vlastnosti. Touto metodou je dosaženo tradiční barvy DPS, zelené.
• Pomocí značek. Kombinuje dekorativnost s informační složkou. Používá se při výrobě velkých sérií desek. K nanášení povlaku se používá metoda sítotisku. Může být také použito laserové nebo inkoustové zařízení.
• Cínování vodičů. Takto se nanáší pomocná vrstva, která se nachází na hlavní vrstvě z mědi. Pro aplikaci se používá chemická metoda – používá se speciální lázeň pájky. Výhodou technologie je vysoká úroveň ochrany. Nevýhodou je tloušťka výrobku, která snižuje jeho instalační vlastnosti.
• Použití inertních kovů. Pro tyto účely se používá cín, zlato, platina nebo palladium.
• Lakované složením propouštějícím proud. Zlepšily se vodivé vlastnosti prvku.

Po instalaci desek ve výrobě lze povrch ozdobit další vrstvou, která snižuje vliv faktorů prostředí na výrobek.

6. Mechanické zpracování

Výroba desek plošných spojů v továrně zahrnuje vytvoření mnoha kopií destiček na jediném listu dielektrika. Toto plátno prochází všemi výše zmíněnými fázemi bez rozřezávání na jednotlivé komponenty. K oddělení desek dochází na konci výrobního cyklu pomocí mechanického zařízení. Samotný proces je samozřejmě automatizován.

Mechanické zpracování desek se provádí takto:

1. Prvek je frézován částečně nebo úplně (možnost závisí na tvaru výrobku). Pokud je kus obdélníkový nebo čtvercový, fréza provede řezy, které usnadní oddělení součástí. Pokud má prvek nestandardní tvar, fréza vytvoří průchozí čáry. Zároveň na některých místech zůstává materiál, takže díl zatím zůstává na místě. Pak se deska v tomto bodě odlomí.
2. Jsou vytvořeny otvory pro připevnění desky. Jejich počet a velikost se volí podle šablony použité při výrobě.
3. Oplatky se pak rozdělí na jednotlivé složky.

Všechny vlastnosti postupu jsou specifikovány v GOST 23665-79, která obsahuje základní doporučení a normy pro obrábění desek.

Tato fáze je konečnou fází výroby tiskové formy. Produkt ale ještě není připraven k použití. Poté je třeba desku doplnit o mikroobvody a otestovat.

7. Instalace komponentů

Nejčastěji je deska instalována v elektronickém zařízení metodou pájení. Ve velkosériové výrobě se používá speciální zařízení, které zjednodušuje postup.

Existují dva způsoby pájení:

• Mávat. Používá se pro vytahovací části plechů. Používanými prostředky jsou aktivátory na mechanické bázi, tvořící jeden pásek pro pájení. Instalace směřuje sadu desek nad vlnu, přičemž jejich spodní část je otočena směrem k vlně. K pájení dochází okamžitě díky předem nanesenému tavidlu.
• Pájení pomocí trouby. Nejprve je deska ošetřena speciální pastou. Dále je prvek odeslán do pece. Vlivem teploty pasty se aktivuje a zajišťuje vysoce kvalitní pájení. Pro masivní prvky se používá několik kapek pájecího lepidla.

Po pájení jsou desky ošetřeny rozpouštědly, aby se odstranily částice pájecích materiálů.

Poté se na desku nanese další roztok, který může rychle vytvrdnout (lak, vodoodpudivé látky atd.). Pokud bude deska používána při vibracích, je naplněna vysoce viskózní směsí.

8. Provádění zkoušek

Možností, jak otestovat funkčnost desky plošných spojů, je několik. Nejoblíbenějšími metodami jsou elektřina a optické zařízení.

Při použití elektřiny se posuzuje přítomnost zkratů a neporušenost celého elektrického obvodu. Optické vyhodnocení umožňuje vidět mechanické vady, pokud existují.

Při provádění optické kontroly jsou vysoko umístěné kamery umístěny:

• při vytváření vzoru na prvku a vytváření obrysu s otvory;
• při pájení, když potřebujete dodat pájecí pastu po částech;
• při připevňování dalších prvků k desce;
• na výstupu z pájecího zařízení – posuzuje se správná montáž prvků.

Optická kontrola detekuje vady, jako je deformace, nesouosost, přebytek nebo nedostatek pájecí pasty. Kvůli těmto nedostatkům může dojít k poškození držáku při vysokém zatížení.

Název plošný spoj (PCB) je variantou označení v angličtině tištěných spojů, nebo zkráceně PCB. Doslova – „deska s tištěnými elektrickými obvody“.

Co je deska s plošnými spoji

Deska s plošnými spoji je deskový konstrukční prvek používaný k instalaci elektronické komponenty a jejich vzájemné elektrické propojení. Základem desky je dielektrický materiál s vodivými prvky na povrchu a v některých případech i uvnitř.

Tato deska zajišťuje spolehlivé upevnění elektronických součástek pájením a dodatečnou fixací lepidlem nebo lakem. Pro elektrická spojení mezi součástmi se během výrobního procesu PCB obvykle vytvářejí ploché měděné vodiče nazývané stopy. Na kolejích se tvoří kontaktní podložky. Plošné elektronické součástky jsou k nim přímo připájeny. V podložkách jsou vyvrtány otvory pro pájení a připevnění součástí kolíků a vodičů.

K čemu je vlastně deska plošných spojů potřeba? Hotová deska plošných spojů s nainstalovanými součástkami je základem pro sestavení různých přístrojů a zařízení. Elektronické moduly založené na PP se dnes používají v široké škále zařízení, včetně průmyslových, vojenských, leteckých, domácích a dalších zařízení.

Od roku 1902 byly zdokonalovány typy desek plošných spojů jako konstrukční prvek elektroniky, rádia a výpočetní techniky. Tehdy byl vydán patent na první prototyp moderních PCB. V procesu dalšího rozvoje radiotechniky a elektroniky byla použita různá dielektrika a objevily se nové metody vytváření elektrických spojení.

Deska s plošnými spoji ale skutečně vznikla až po druhé světové válce, kdy rakouský vynálezce Paul Eisler začal používat techniky z tiskové technologie k tisku vzoru vodivých cest na vrstvu měděné fólie.

Podle dnes nejběžnější klasifikace se všechny DPS dělí podle principu uložení vodivé vrstvy na:

• jednostranný;
• bilaterální;
• vícevrstvý.

U jednostranných výrobků jsou měděné dráhy umístěny na jedné straně, u oboustranných výrobků – na obou. Takové desky se někdy nazývají jedno- a dvouvrstvé. Ale dvouvrstvé (dvě vrstvy fólie) je v tomto případě podmíněno, zatímco vícevrstvé jsou klasifikovány podle počtu dielektrických vrstev.

Technologicky složitější vícevrstvé desky jsou lisovány z několika vrstev dielektrika, mezi nimiž jsou umístěny vodivé dráhy. Pro komunikaci mezi elektrickými obvody na různých vrstvách se používají mezivrstvové pokovené otvory.

Podle způsobu nanášení a zajišťování stop mědi se desky dělí na desky vyrobené subtraktivními a aditivními technologiemi. Subtraktivní metoda zahrnuje odstranění přebytečných oblastí měděné fólie pomocí chemického leptání. S aditivní technologií se vodivé cesty izolované pomocí masky vytvářejí pomocí metod chemického pokovování mědi.

• Pružné desky plošných spojů znamenají jedno- a vícevrstvé vodivé dráhy na flexibilním dielektriku. Jsou žádané u určitých typů chytrých telefonů a zařízení, v robotice a dalších zařízeních s pevnými deskami nainstalovanými na pohyblivých částech.
• Speciální typy PCB se používají pro provoz v rozšířeném teplotním rozsahu, v elektrárnách a na ultravysokých frekvencích (mikrovlny). Pro každou aplikaci mají speciální požadavky.
• Desky plošných spojů na kovové bázi jsou žádané při zvýšeném vývinu tepla elektronických součástek (například plošných LED diody zvýšený jas). Jednostranná sklolaminátová deska je nalepena na hliníkový nebo měděný základ jako chladič.

Vznik nových typů přístrojů a nástrojů stimuluje vývoj nových materiálů a typů.

Z čeho jsou desky plošných spojů vyrobeny?

Jako dielektrikum pro PP se často používají sklolaminátové desky, dříve getinax. Patří sem lisované materiály, jako jsou tkaniny a papíry impregnované fenolickými nebo epoxidovými pryskyřicemi. Na jeden nebo oba povrchy dielektrika je nalisována tenká vrstva měděné fólie. Výsledné desky se nazývají fóliové desky. Vyznačují se nízkou cenou a snadnou zpracovatelností a hotové díly splňují základní požadavky na komplexní zařízení a technologii pro masové použití.

Materiál dielektrické základny desky s plošnými spoji do značné míry určuje její výkonové charakteristiky. Proto se pro použití v mikrovlnné oblasti volí keramika nebo fóliové desky na bázi fluoroplastů, které pracují i ​​při zvýšených teplotách (až +260 °C). Flexibilní PCB jsou dnes žádané pro přenosná zařízení. Jsou vyrobeny na bázi polyimidových materiálů jako flexibilní dielektrikum.

Vodivé stopy desek plošných spojů pro napájecí zdroje a další výkonovou elektroniku musí procházet zvýšenými proudy. Proto by měla být tloušťka vrstvy fólie zvýšena (70, 100, 150 nebo více mikronů).

Volba materiálu a technologie výroby desek plošných spojů do značné míry určuje spolehlivost a výkon celého zařízení. Zvláště vysoké nároky jsou kladeny na produkty třídy HDI (High Density Interconnect) používané v přenosné elektronice. Tyto desky jsou vyrobeny z vysokoteplotního laminátu ze skelných vláken FR-4. Měly by mít užší dráhy a mezery mezi nimi (75 mikronů nebo méně).

Výrobní metody

Existují různé metody a metody výroby desek plošných spojů ze skleněných vláken, keramiky, fluoroplastových desek a dalších materiálů, přičemž se berou v úvahu výrobní metody a technologie, jakož i požadavky GOST na desky plošných spojů, včetně třídy přesnosti. Nejčastěji se PP vyrábí ze sklolaminátu FR-4, který může mít různé tloušťky dielektrika a kovové fólie.

• U subtraktivního způsobu vytváření tištěných stop se přebytečné části měděné fólie obvykle odstraňují galvanickým leptáním nebo mechanickým frézováním. K výrobě vysoce přesných desek plošných spojů se používá laserové vrtání a frézování.

• Aditivní a semiaditivní metoda spočívá v nanášení drah a pomědění prokovů na čistý laminát laminát metodou chemické a galvanické depozice mědi přes ochrannou masku.

Mezi nejsložitější technologie výroby vícevrstvých desek plošných spojů patří následující metody:

• Párové lisování – metalizace otvorů mezivrstvy před sestavením balíku desek.
• Metalizace otvorů mezi vrstvami – desky se předem smontují do balíku a vylisují a následně se vyvrtají otvory pro pokovení.
• Stavba vrstvy po vrstvě je mezivrstvové spojení vodičů galvanickým nanášením mědi v otvorech mezivrstvy.
• Kombinace pokovování a vytváření mezivrstvových otvorů vrstva po vrstvě.

Výrobní kroky

Zahrnuje mnoho procesů a do značné míry závisí na požadavcích PCB a výrobní technologii. Předběžný návrh pro konkrétní zařízení se provádí na základě schématu elektrického obvodu. Zároveň je vyvinuta topologie desky včetně rozměrů a optimálního rozmístění elektronických součástek s cílem minimalizovat vodivé cesty a případně vzájemné elektromagnetické rušení. Je zvolen optimální typ, velikost a způsob výroby desky plošných spojů.

Běžnou variantou sériové a malosériové výroby desek je použití sklolaminátu s oboustrannou fólií.

Hlavní fáze takové výroby pomocí technologie galvanického leptání měděné fólie:

1. Přířezy požadované velikosti jsou vyřezány z velkých tabulí sklolaminátu požadované tloušťky a před dalším zpracováním očištěny od nečistot.
2. Na připravené desky se pomocí fotocitlivého materiálu (fotorezistu) nanese ochranný vzor vytištěných stop pomocí fotolitografie nebo sítotisku (sítotisk).
3. Leptání odkrytých měděných míst na připravených deskách se provádí ve speciálních galvanických lázních v chemicky aktivním roztoku.
4. Na desce očištěné po leptání jsou vyvrtány technologické, mezivrstvové spojovací a montážní otvory pro elektronické součástky s kolíkovými svorkami.
5. V případě potřeby jsou montážní a mezivrstvové spojovací otvory pokoveny na oboustranné fólii.
6. Aplikace ochranné pájecí masky z tepelně odolného polymerního materiálu, který chrání povrch desky před horkou taveninou cínu, která má vliv pouze na otevřené kontaktní plošky při následném pájení.
7. Hotové výrobky procházejí všemi kontrolami kvality vyžadovanými požadavky GOST a jsou zaslány zákazníkovi k instalaci elektronických součástek.

Fáze výroby desek plošných spojů na bázi pružných a fluoroplastických materiálů mají své vlastní charakteristiky. Pevné desky s kovovým podkladem se vyrábějí lisováním prefabrikovaných desek ze sklolaminátu.

Desky plošných spojů jsou nedílnou součástí moderních technologií. Fáze vytváření a výroby desek s plošnými spoji je poměrně pracný a technicky vyspělý proces, který vyžaduje řadu drahých zařízení. Jejich výrobu proto často provádějí specializované podniky a společnosti. Zákazníkům dále nabízí vypracování potřebné dokumentace, výběr optimální výrobní technologie a související služby.