Deska s plošnými spoji -Printed circuit board

PCB DVD přehrávače. DPS lze vyrobit i v jiných barvách.
Část počítačové desky Sinclair ZX Spectrum z roku 1984 , PCB, zobrazující vodivé stopy, prokovy (cesty skrz otvory k druhému povrchu) a některé elektronické součástky namontované pomocí montáže skrz otvory

Deska s plošnými spoji ( PCB ; také deska s plošnými spoji nebo PWB ) je médium používané v elektrotechnice a elektrotechnice ke vzájemnému kontrolovanému spojování elektronických součástek . Má podobu laminované sendvičové struktury vodivých a izolačních vrstev: každá z vodivých vrstev je navržena s uměleckým vzorem stop, rovin a dalších prvků (podobných drátům na rovném povrchu) vyleptaných z jedné nebo více vrstev fólie. měď laminovaná na a/nebo mezi vrstvami listů nevodivého substrátu. Elektrické součástky mohou být připevněny k vodivým podložkám na vnějších vrstvách ve tvaru navrženém tak, aby přijaly vývody součástky, obecně pomocí pájení , jak pro elektrické spojení, tak pro mechanické připevnění k ní. Další výrobní proces přidává prokovy : pokovené průchozí otvory, které umožňují propojení mezi vrstvami.

Desky s plošnými spoji se používají téměř ve všech elektronických produktech. Alternativy k PCB zahrnují drátěný obal a konstrukci point-to-point , oba kdysi populární, ale nyní zřídka používané. Desky plošných spojů vyžadují dodatečné konstrukční úsilí k uspořádání obvodu, ale výroba a montáž mohou být automatizovány. Software pro automatizaci elektronického návrhu je k dispozici pro většinu práce s rozvržením. Hromadná výroba obvodů s plošnými spoji je levnější a rychlejší než u jiných způsobů zapojení, protože součástky se montují a propojují v jedné operaci. Velké množství desek plošných spojů lze vyrobit současně a rozložení je třeba provést pouze jednou. Desky plošných spojů lze také vyrábět ručně v malých množstvích se sníženými výhodami.

Desky plošných spojů mohou být jednostranné (jedna vrstva mědi), oboustranné (dvě vrstvy mědi na obou stranách jedné vrstvy substrátu) nebo vícevrstvé (vnější a vnitřní vrstvy mědi, střídající se s vrstvami substrátu). Vícevrstvé desky plošných spojů umožňují mnohem vyšší hustotu součástek, protože stopy obvodů na vnitřních vrstvách by jinak zabíraly povrchový prostor mezi součástkami. Nárůst popularity vícevrstvých desek plošných spojů s více než dvěma, a zejména s více než čtyřmi měděnými plochami, byl souběžný s přijetím technologie povrchové montáže . Vícevrstvé PCB však činí opravu, analýzu a modifikaci pole mnohem obtížnější a obvykle nepraktickou.

Světový trh s holými PCB přesáhl v roce 2014 60,2 miliardy USD a odhaduje se, že do roku 2024 dosáhne 79 miliard USD.

Dějiny

Předchůdci

Příklad ručně kreslených leptaných stop na DPS

Před vývojem desek s plošnými spoji byly elektrické a elektronické obvody zapojeny point-to-point na šasi. Typicky byl podvozek plechový rám nebo pánev, někdy s dřevěným dnem. Komponenty byly připevněny k šasi, obvykle pomocí izolátorů, když byl spojovací bod na šasi kovový, a poté byly jejich vodiče spojeny přímo nebo pomocí propojovacích drátů pájením nebo někdy pomocí krimpovacích konektorů, oček drátových konektorů na šroubových svorkách nebo jinými způsoby . . Obvody byly velké, objemné, těžké a relativně křehké (i když nepočítáme s rozbitnými skleněnými obaly elektronek, které byly často součástí obvodů), výroba byla náročná na práci, takže výrobky byly drahé.

Vývoj metod používaných v moderních deskách plošných spojů začal počátkem 20. století. V roce 1903 popsal německý vynálezce Albert Hanson ploché fóliové vodiče laminované na izolační desku ve více vrstvách. Thomas Edison experimentoval s chemickými metodami pokovování vodičů na lněný papír v roce 1904. Arthur Berry v roce 1913 patentoval metodu tisku a leptání ve Spojeném království a ve Spojených státech Max Schoop  [ de ] získal patent na nanášení kovu plamenem. deska přes vzorovanou masku. Charles Ducas v roce 1925 patentoval metodu galvanického pokovování obvodových vzorů.

Před vynálezem tištěných obvodů a podobným duchem bylo zařízení na výrobu elektronických obvodů (ECME) Johna Sargrovea z let 1936–1947, které nastříkalo kov na bakelitovou plastovou desku. ECME by mohla vyrobit tři rádiové desky za minutu.

Rané PCB

Proximity fuze Mark 53 výrobní řada 1944
PCB jako návrh na počítači (vlevo) a realizovaný jako sestava desky osazená součástkami (vpravo). Deska je oboustranná, s průchozím pokovením, zeleným pájecím odporem a bílou legendou. Byly použity komponenty pro povrchovou montáž i průchozí otvory.

Rakouský inženýr Paul Eisler vynalezl tištěný obvod jako součást rádia při práci ve Velké Británii kolem roku 1936. V roce 1941 byl vícevrstvý tištěný obvod použit v německých námořních dolech s magnetickým vlivem .

Kolem roku 1943 začaly USA používat technologii ve velkém měřítku k výrobě blízkost rozněcovačů pro použití ve druhé světové válce. Takové zápalnice vyžadovaly elektronický obvod, který by vydržel střelbu ze zbraně a mohl být vyroben ve velkém množství. Centralab Division of Globe Union předložila návrh, který splňoval požadavky: keramická deska by byla potištěna sítotiskem metalickou barvou pro vodiče a uhlíkovým materiálem pro rezistory , s keramickými diskovými kondenzátory a subminiaturními elektronkami připájenými na místě. Tato technika se ukázala jako životaschopná a výsledný patent na proces, který byl klasifikován americkou armádou, byl přidělen společnosti Globe Union. Teprve v roce 1984 udělil Institut elektrických a elektronických inženýrů (IEEE) Harrymu W. Rubinsteinovi cenu Cledo Brunetti Award za rané klíčové příspěvky k vývoji tištěných součástek a vodičů na společném izolačním substrátu. Rubinstein byl v roce 1984 oceněn svou alma mater, University of Wisconsin-Madison , za jeho inovace v technologii tištěných elektronických obvodů a výrobě kondenzátorů. Tento vynález také představuje krok ve vývoji technologie integrovaných obvodů , protože na keramickém substrátu byly vyrobeny nejen kabely, ale také pasivní součástky.

Poválečný vývoj

V roce 1948 USA uvolnily vynález pro komerční využití. Tištěné obvody se staly samozřejmostí ve spotřební elektronice až v polovině 50. let 20. století poté, co armáda Spojených států vyvinula proces Auto-Sembly . Přibližně ve stejnou dobu ve Spojeném království prováděl podobnou práci Geoffrey Dummer , tehdy v RRDE .

Společnost Motorola byla prvním lídrem v zavádění tohoto procesu do spotřební elektroniky a v srpnu 1952 oznámila přijetí „pokovených obvodů“ v domácích rádiích po šesti letech výzkumu a investici 1 milion dolarů. Motorola brzy začala používat svůj termín chráněný ochrannou známkou pro proces, PLAcir, ve svých spotřebitelských rádiových reklamách. Hallicrafters vydala svůj první „foto-lept“ produkt s tištěnými obvody, radiobudík, dne 1. listopadu 1952.

I když se desky s obvody staly dostupnými, metoda konstrukce šasi point-to-point zůstala běžně používaná v průmyslu (jako jsou televizory a hi-fi soupravy) přinejmenším do konce 60. let. Desky s plošnými spoji byly zavedeny za účelem snížení velikosti, hmotnosti a nákladů na části obvodů. V roce 1960 mohl být malý spotřebitelský rádiový přijímač postaven se všemi jeho obvody na jedné desce s obvody, ale televizor by pravděpodobně obsahoval jednu nebo více desek s obvody.

Původně měla každá elektronická součástka vodiče a deska plošných spojů měla vyvrtané otvory pro každý vodič každé součásti. Vývody součástek byly poté vloženy skrz otvory a připájeny ke stopám měděné desky plošných spojů. Tento způsob montáže se nazývá konstrukce s průchozími otvory . V roce 1949 Moe Abramson a Stanislaus F. Danko z armádního signálního sboru Spojených států vyvinuli proces Auto-Sembly , ve kterém byly vodiče součástí vloženy do propojovacího vzoru z měděné fólie a připájeny ponořením . Patent, který získali v roce 1956, byl přidělen americké armádě. S rozvojem technik laminace a leptání desek se tento koncept vyvinul ve standardní proces výroby desek s plošnými spoji, který se dnes používá. Pájení by mohlo být prováděno automaticky průchodem desky přes zvlnění nebo vlnu roztavené pájky ve vlnovém pájecím stroji. Avšak dráty a otvory jsou neúčinné, protože vrtání otvorů je drahé a spotřebovává vrtáky a vyčnívající dráty jsou odříznuty a vyřazeny.

Od 80. let 20. století se místo komponent s průchozími otvory stále více používají malé díly pro povrchovou montáž; to vedlo k menším deskám pro danou funkčnost a nižším výrobním nákladům, ale s určitými dalšími obtížemi při údržbě vadných desek.

V 90. letech 20. století se začalo používat vícevrstvé povrchové desky. V důsledku toho byla velikost dále minimalizována a do různých zařízení byly začleněny flexibilní i tuhé desky plošných spojů. V roce 1995 začali výrobci desek plošných spojů používat technologii mikrovia k výrobě desek plošných spojů s vysokou hustotou (HDI).

Nedávné pokroky

Nedávné pokroky ve 3D tisku znamenaly, že existuje několik nových technik při vytváření desek plošných spojů. 3D tištěnou elektroniku (PE) lze použít k tisku položek vrstvu po vrstvě a následně lze položku vytisknout tekutým inkoustem, který obsahuje elektronické funkce.

Technologie HDI (High Density Interconnect) umožňuje hustší design na PCB a tím i potenciálně menší PCB s více stopami a/nebo součástkami v dané oblasti. Díky tomu mohou být cesty mezi součástmi kratší. HDI používají slepé/zakopané průchody nebo kombinaci, která zahrnuje mikroprůchody. S vícevrstvými HDI PCB může být zesíleno propojení několika průchodů naskládaných na sebe (skládaných průchodů namísto jednoho hluboko zakopaného průchodu), čímž se zvýší spolehlivost za všech podmínek. Nejběžnějšími aplikacemi technologie HDI jsou komponenty počítačů a mobilních telefonů, stejně jako lékařské vybavení a vojenské komunikační vybavení. 4vrstvá HDI mikrovia PCB je kvalitou ekvivalentní 8vrstvá PCB s průchozími otvory, takže technologie HDI může snížit náklady.

Složení

Základní deska plošných spojů se skládá z plochého listu izolačního materiálu a vrstvy měděné fólie laminované na substrát. Chemické leptání rozděluje měď do samostatných vodivých linií nazývaných dráhy nebo obvodové stopy , podložky pro spojení, prokovy pro průchod spojení mezi vrstvami mědi a prvky, jako jsou pevné vodivé oblasti pro elektromagnetické stínění nebo jiné účely. Dráhy fungují jako dráty upevněné na místě a jsou vzájemně izolovány vzduchem a materiálem substrátu desky. Povrch desky plošných spojů může mít povlak, který chrání měď před korozí a snižuje pravděpodobnost zkratů při pájení mezi stopami nebo nežádoucího elektrického kontaktu s bludnými holými dráty. Pro svou funkci, která pomáhá předcházet pájecím zkratům, se povlak nazývá pájecí odpor nebo pájecí maska.

Vzor, který má být vyleptán do každé měděné vrstvy PCB, se nazývá „umělecké dílo“. Leptání se obvykle provádí pomocí fotorezistu , který se nanese na desku plošných spojů a poté se vystaví světlu promítanému do vzoru uměleckého díla. Rezistový materiál chrání měď před rozpuštěním v leptacím roztoku. Leptaná deska se poté vyčistí. Návrh desky plošných spojů lze hromadně reprodukovat podobným způsobem, jako lze hromadně kopírovat fotografie z filmových negativů pomocí fotografické tiskárny .

Skleněný epoxid FR-4 je nejběžnějším izolačním substrátem. Dalším podkladovým materiálem je bavlněný papír napuštěný fenolovou pryskyřicí , často žlutohnědý nebo hnědý.

Když deska plošných spojů nemá nainstalované žádné součásti, nazývá se méně nejednoznačně deska s plošnými spoji ( PWB ) nebo leptaná elektroinstalační deska . Termín „deska s plošnými spoji“ se však již nepoužívá. PCB osazená elektronickými součástkami se nazývá sestava tištěných spojů ( PCA ), sestava desky s tištěnými spoji nebo sestava PCB ( PCBA ). V neformálním použití termín „deska s plošnými spoji“ nejčastěji znamená „sestava plošných spojů“ (se součástkami). IPC preferovaný termín pro sestavenou desku je sestava obvodové karty ( CCA ) a pro sestavenou základní desku je to sestava zadní desky . „Karta“ je další široce používaný neformální termín pro „sestavu tištěných spojů“. Například rozšiřující karta .

PCB může být vytištěno s legendou identifikující součásti, testovací body nebo identifikační text. Původně se k tomuto účelu používal sítotisk , ale dnes se obvykle používají jiné, jemnější způsoby tisku. Legenda normálně neovlivňuje funkci PCBA.

Vrstvy

Deska s plošnými spoji může mít více vrstev mědi, které jsou téměř vždy uspořádány ve dvojicích. Počet vrstev a vzájemné propojení navržené mezi nimi (vias, PTH) poskytuje obecný odhad složitosti desky. Použití více vrstev umožňuje více možností směrování a lepší kontrolu integrity signálu, ale je také časově náročné a nákladné na výrobu. Podobně výběr průchodů pro desku také umožňuje jemné doladění velikosti desky, únik signálů ze složitých integrovaných obvodů, směrování a dlouhodobou spolehlivost, ale jsou úzce spojeny se složitostí výroby a náklady.

Jednou z nejjednodušších desek na výrobu je dvouvrstvá deska. Má měď na obou stranách, které se označují jako vnější vrstvy; vícevrstvé desky sendvičové další vnitřní vrstvy mědi a izolace. Po dvouvrstvých deskách plošných spojů je dalším krokem výše čtyřvrstvá. Čtyřvrstvá deska přidává výrazně více možností směrování ve vnitřních vrstvách ve srovnání s dvouvrstvou deskou a často se některá část vnitřních vrstev používá jako zemní plocha nebo napájecí rovina, aby se dosáhlo lepší integrity signálu, vyšších signálních frekvencí, nižšího EMI a lepší oddělení napájení.

U vícevrstvých desek jsou vrstvy materiálu laminovány dohromady ve střídavém sendviči: měď, substrát, měď, substrát, měď atd.; každá rovina mědi je vyleptána a jakékoli vnitřní prokovy (které se nebudou rozšiřovat na oba vnější povrchy hotové vícevrstvé desky) jsou pokoveny, než jsou vrstvy laminovány dohromady. Pouze vnější vrstvy musí být potaženy; vnitřní měděné vrstvy jsou chráněny sousedními vrstvami substrátu.

Montáž komponentů

Průchozí (vývodové) rezistory
Zařízení s průchozími otvory namontovaná na desce plošných spojů domácího počítače Commodore 64 z poloviny 80. let
Krabice vrtáků používaných k vytváření otvorů v deskách s plošnými spoji. Zatímco bity z karbidu wolframu jsou velmi tvrdé, nakonec se opotřebují nebo zlomí. Vrtání tvoří značnou část nákladů na desku plošných spojů s průchozími otvory
Součásti pro povrchovou montáž, včetně rezistorů, tranzistorů a integrovaného obvodu
PCB v počítačové myši : strana součástky (levá) a potištěná strana (pravá)

Komponenty "průchozí dírou" jsou namontovány tak, že jejich vodiče procházejí deskou a připájejí se ke stopám na druhé straně. Komponenty pro povrchovou montáž jsou připojeny svými vodiči k měděným stopám na stejné straně desky. Deska může používat oba způsoby montáže komponent. Desky plošných spojů s pouze průchozími namontovanými součástkami jsou nyní neobvyklé. Povrchová montáž se používá pro tranzistory , diody , IC čipy , odpory a kondenzátory. Montáž do průchozího otvoru lze použít pro některé velké součásti, jako jsou elektrolytické kondenzátory a konektory.

První desky plošných spojů používaly technologii průchozích děr , montáž elektronických součástek pomocí vodičů vložených skrz otvory na jedné straně desky a připájených na měděné stopy na druhé straně. Desky mohou být jednostranné, s nepokovenou stranou součástek, nebo kompaktnější oboustranné desky, se součástkami připájenými na obou stranách. Horizontální instalace dílů s průchozími otvory se dvěma axiálními vodiči (jako jsou odpory, kondenzátory a diody) se provádí ohnutím vodičů o 90 stupňů ve stejném směru a vložením součásti do desky (často ohybové vodiče umístěné na zadní straně deska v opačných směrech, aby se zlepšila mechanická pevnost součásti), pájení vodičů a oříznutí konců. Vývody mohou být pájeny buď ručně nebo pomocí vlnového pájecího stroje. Výroba průchozích děr zvyšuje cenu desky tím, že vyžaduje přesné vyvrtání mnoha děr a omezuje dostupnou oblast pro směrování signálových tras na vrstvách bezprostředně pod horní vrstvou na vícevrstvých deskách, protože otvory musí procházet všemi vrstvami do opačná strana. Jakmile se začala používat povrchová montáž, byly tam, kde to bylo možné, použity malé SMD součástky, s průchozím otvorem pouze součástek nevhodně velkých pro povrchovou montáž kvůli požadavkům na napájení nebo mechanickým omezením nebo vystavených mechanickému namáhání, které by mohlo poškodit PCB. (např. zvednutím mědi z povrchu desky).

Technologie povrchové montáže se objevila v 60. letech 20. století, nabyla na síle na počátku 80. let a začala se široce používat v polovině 90. let. Komponenty byly mechanicky přepracovány tak, aby měly malé kovové jazýčky nebo koncovky, které bylo možné připájet přímo na povrch PCB, místo aby dráty procházely otvory. Součástky se mnohem zmenšily a umístění součástek na obou stranách desky se stalo běžnějším než u montáže skrz otvory, což umožnilo mnohem menší sestavy PCB s mnohem vyšší hustotou obvodů. Povrchová montáž se dobře hodí k vysokému stupni automatizace, snižuje náklady na pracovní sílu a výrazně zvyšuje produktivitu ve srovnání s deskami plošných spojů s průchozími otvory. Komponenty lze dodat namontované na nosných páskách. Komponenty pro povrchovou montáž mohou mít přibližně jednu čtvrtinu až jednu desetinu velikosti a hmotnosti komponentů s průchozím otvorem a pasivní komponenty jsou mnohem levnější. Ceny polovodičových zařízení pro povrchovou montáž (SMD) jsou však určovány spíše samotným čipem než obalem, s malou cenovou výhodou oproti větším pouzdrům a některé součásti s drátovým zakončením, jako jsou spínací diody 1N4148 s malým signálem, jsou ve skutečnosti výrazně levnější. než ekvivalenty SMD.

Elektrické vlastnosti

Každá stopa se skládá z ploché úzké části měděné fólie, která zůstane po leptání. Jeho odpor , určený šířkou, tloušťkou a délkou, musí být dostatečně nízký pro proud, který vodič ponese. Stopy napájení a země mohou být širší než stopy signálu. U vícevrstvé desky může být jedna celá vrstva převážně z pevné mědi, aby fungovala jako zemnící plocha pro stínění a návrat napájení. Pro mikrovlnné obvody mohou být přenosová vedení uspořádána v rovinném tvaru , jako je páskový nebo mikropáskový s pečlivě kontrolovanými rozměry, aby byla zajištěna konzistentní impedance . V vysokofrekvenčních a rychlých spínacích obvodech se indukčnost a kapacita vodičů desky s plošnými spoji stávají významnými obvodovými prvky, obvykle nežádoucími; naopak, mohou být použity jako záměrná součást návrhu obvodu, jako u filtrů s distribuovanými prvky , antén a pojistek , čímž se vyhne potřebě dalších samostatných součástek. Propojovací desky s vysokou hustotou (HDI) PCB mají dráhy a/nebo prokovy o šířce nebo průměru menším než 152 mikrometrů.

Materiály

Lamináty

Lamináty se vyrábějí vytvrzováním vrstev látky nebo papíru pod tlakem a teplotou termosetovou pryskyřicí za vzniku celistvého konečného kusu jednotné tloušťky. Velikost může být až 4 x 8 stop (1,2 x 2,4 m) na šířku a délku. K dosažení požadované konečné tloušťky a dielektrických charakteristik se používají různé vazby tkaniny (nitě na palec nebo cm), tloušťka tkaniny a procento pryskyřice . Dostupné standardní tloušťky laminátu jsou uvedeny v ANSI/IPC-D-275.

Použitá tkanina nebo vláknitý materiál, pryskyřičný materiál a poměr tkaniny k pryskyřici určují typové označení laminátu (FR-4, CEM -1, G-10 atd.) a tím i vlastnosti vyrobeného laminátu. Důležitými charakteristikami jsou úroveň, do které je laminát zpomalující hoření , dielektrická konstanta ( er ), ztrátová tangenta (tan δ), pevnost v tahu , pevnost ve smyku , teplota skelného přechodu (Tg ) a Z- koeficient roztažnosti os (jak moc se tloušťka mění s teplotou).

Existuje poměrně málo různých dielektrik, které lze zvolit tak, aby poskytovaly různé izolační hodnoty v závislosti na požadavcích obvodu. Některá z těchto dielektrik jsou polytetrafluorethylen (teflon), FR-4, FR-1, CEM-1 nebo CEM-3. Dobře známé předimpregnované materiály používané v průmyslu PCB jsou FR-2 (fenolický bavlněný papír), FR-3 (bavlněný papír a epoxid), FR-4 (tkané sklo a epoxid), FR-5 (tkané sklo a epoxid) , FR-6 (matné sklo a polyester), G-10 (tkané sklo a epoxid), CEM-1 (bavlněný papír a epoxid), CEM-2 (bavlněný papír a epoxid), CEM-3 (netkané sklo a epoxid), CEM-4 (tkané sklo a epoxid), CEM-5 (tkané sklo a polyester). Tepelná roztažnost je důležitým hlediskem zejména u technologií ball grid array (BGA) a nahých matric a skleněné vlákno nabízí nejlepší rozměrovou stabilitu.

FR-4 je dnes zdaleka nejběžněji používaným materiálem. Pažba desky s neleptanou mědí se nazývá „laminát plátovaný mědí“.

Se zmenšující se velikostí prvků desky a rostoucími frekvencemi nabývají na důležitosti malé nehomogenity, jako je nerovnoměrné rozložení skelného vlákna nebo jiného plniva, změny tloušťky a bubliny v matrici pryskyřice a související místní změny v dielektrické konstantě.

Klíčové parametry substrátu

Substráty obvodových desek jsou obvykle dielektrické kompozitní materiály. Kompozity obsahují matrici (nejčastěji epoxidovou pryskyřici) a výztuž (nejčastěji tkaná, někdy netkaná, skleněná vlákna, někdy i papír), v některých případech je do pryskyřice přidáno plnivo (např. keramika; lze použít titanátovou keramiku). ke zvýšení dielektrické konstanty).

Typ výztuže definuje dvě hlavní třídy materiálů: tkané a netkané. Tkané výztuhy jsou levnější, ale vysoká dielektrická konstanta skla nemusí být příznivá pro mnoho aplikací s vyšší frekvencí. Prostorově nehomogenní struktura také zavádí místní odchylky v elektrických parametrech v důsledku různého poměru pryskyřice/sklo v různých oblastech vzoru vazby. Netkané výztuhy nebo materiály s nízkou nebo žádnou výztuží jsou dražší, ale pro některé RF/analogové aplikace jsou vhodnější.

Substráty se vyznačují několika klíčovými parametry, především termomechanickými ( teplota skelného přechodu , pevnost v tahu , pevnost ve smyku , tepelná roztažnost ), elektrickými ( dielektrická konstanta , ztrátová tangenta , dielektrické průrazné napětí , svodový proud , sledovací odpor ...) a další. (např . absorpce vlhkosti ).

Při teplotě skelného přechodu pryskyřice v kompozitu měkne a výrazně zvyšuje tepelnou roztažnost; překročení T g pak mechanicky přetíží komponenty desky - např. spoje a prokovy. Pod T g tepelná roztažnost pryskyřice zhruba odpovídá mědi a sklu, nad ní se výrazně zvyšuje. Vzhledem k tomu, že výztuž a měď omezují desku podél roviny, prakticky veškerá objemová expanze vyčnívá do tloušťky a namáhá pokovené průchozí otvory. Opakované pájení nebo jiné vystavení vyšším teplotám může způsobit poruchu pokovení, zvláště u silnějších desek; tlusté desky proto vyžadují matrici s vysokou Tg .

Použité materiály určují dielektrickou konstantu substrátu. Tato konstanta je také závislá na frekvenci, obvykle klesá s frekvencí. Protože tato konstanta určuje rychlost šíření signálu , frekvenční závislost zavádí fázové zkreslení v širokopásmových aplikacích; Zde je důležitá jak plochá dielektrická konstanta vs. frekvenční charakteristiky, jak je dosažitelné. Impedance přenosových vedení klesá s frekvencí, proto rychlejší hrany signálů odrážejí více než pomalejší.

Dielektrické průrazné napětí určuje maximální napěťový gradient, kterému může být materiál vystaven, než dojde k průrazu (vedení nebo oblouku přes dielektrikum).

Sledovací odpor určuje, jak materiál odolává vysokonapěťovým elektrickým výbojům plížícím se po povrchu desky.

Tangenta ztráty určuje, kolik elektromagnetické energie ze signálů ve vodičích je absorbováno materiálem desky. Tento faktor je důležitý pro vysoké frekvence. Nízkoztrátové materiály jsou dražší. Volba zbytečně nízkoztrátového materiálu je běžnou technickou chybou ve vysokofrekvenčním digitálním designu; zvyšuje cenu desek bez odpovídajícího přínosu. Degradaci signálu ztrátovou tangentou a dielektrickou konstantou lze snadno posoudit podle vzoru oka .

Absorpce vlhkosti nastává, když je materiál vystaven vysoké vlhkosti nebo vodě. Jak pryskyřice, tak výztuž mohou absorbovat vodu; voda může být také nasáknuta kapilárními silami dutinami v materiálech a podél výztuže. Epoxidy materiálů FR-4 nejsou příliš citlivé, s absorpcí pouze 0,15 %. Teflon má velmi nízkou absorpci 0,01%. Polyimidy a kyanátové estery na druhé straně trpí vysokou absorpcí vody. Absorbovaná voda může vést k výraznému zhoršení klíčových parametrů; zhoršuje to odpor sledování, průrazné napětí a dielektrické parametry. Relativní dielektrická konstanta vody je asi 73 ve srovnání s asi 4 pro běžné materiály desek plošných spojů. Absorbovaná vlhkost se také může odpařovat při zahřívání, jako při pájení, a způsobit praskání a delaminaci, což je stejný efekt, který je zodpovědný za poškození „popcorning“ na mokrém balení elektronických součástek. Před pájením může být vyžadováno pečlivé vypálení substrátů, aby byly vysušeny.

Běžné substráty

Často používané materiály:

  • FR-2 , fenolový papír nebo papír z fenolické bavlny, papír impregnovaný fenolformaldehydovou pryskyřicí . Běžné ve spotřební elektronice s jednostrannými deskami. Elektrické vlastnosti horší než FR-4. Špatná odolnost proti oblouku. Obecně dimenzováno do 105 °C.
  • FR-4 , tkanina ze skelných vláken impregnovaná epoxidovou pryskyřicí . Nízká nasákavost (asi do 0,15 %), dobré izolační vlastnosti, dobrá odolnost proti oblouku. Velmi časté. K dispozici je několik druhů s poněkud odlišnými vlastnostmi. Typicky dimenzováno do 130 °C.
  • Hliník nebo deska s kovovým jádrem nebo izolovaný kovový substrát (IMS), pokrytý tepelně vodivým tenkým dielektrikem - používá se pro díly vyžadující značné chlazení - výkonové spínače, LED. Skládá se z obvykle jednovrstvé, někdy dvouvrstvé tenké desky plošných spojů na bázi např. FR-4, laminované na hliníkovém plechu, běžně o tloušťce 0,8, 1, 1,5, 2 nebo 3 mm. Silnější lamináty se někdy dodávají také se silnější metalizací mědi.
  • Flexibilní substráty – mohou to být samostatné měděné fólie nebo mohou být laminovány na tenkou výztuhu, např. 50-130 µm
    • Kapton nebo UPILEX , polyimidová fólie. Používá se pro flexibilní tištěné obvody , v této podobě běžné ve spotřební elektronice s malým tvarovým faktorem nebo pro flexibilní propojení. Odolný vůči vysokým teplotám.
    • Pyralux , polyimid-fluorpolymerová kompozitní fólie. Vrstva mědi se může během pájení oddělit.

Méně často se vyskytující materiály:

  • FR-1, stejně jako FR-2, je typicky specifikován do 105 °C, některé třídy jsou dimenzovány na 130 °C. Děrovatelné při pokojové teplotě. Podobné jako karton. Špatná odolnost proti vlhkosti. Nízký obloukový odpor.
  • FR-3, bavlněný papír impregnovaný epoxidem. Typicky dimenzováno do 105 °C.
  • FR-5, tkané sklolaminát a epoxid, vysoká pevnost při vyšších teplotách, typicky specifikovaná do 170 °C.
  • FR-6, matné sklo a polyester
  • G-10, tkané sklo a epoxid - vysoký izolační odpor, nízká absorpce vlhkosti, velmi vysoká pevnost spoje. Typicky dimenzováno do 130 °C.
  • G-11, tkané sklo a epoxid - vysoká odolnost vůči rozpouštědlům, vysoká pevnost v ohybu zachování při vysokých teplotách. Typicky dimenzováno do 170 °C.
  • CEM-1, bavlněný papír a epoxid
  • CEM-2, bavlněný papír a epoxid
  • CEM-3, netkané sklo a epoxid
  • CEM-4, tkané sklo a epoxid
  • CEM-5, tkané sklo a polyester
  • PTFE , ("Teflon") - drahý, nízké dielektrické ztráty, pro vysokofrekvenční aplikace, velmi nízká absorpce vlhkosti (0,01%), mechanicky měkký. Obtížně se laminuje, zřídka se používá ve vícevrstvých aplikacích.
  • PTFE, keramický plněný - drahý, nízké dielektrické ztráty, pro vysokofrekvenční aplikace. Měnící se poměr keramika/PTFE umožňuje nastavení dielektrické konstanty a tepelné roztažnosti.
  • RF-35, skelným vláknem vyztužený keramikou plněný PTFE. Relativně levnější, dobré mechanické vlastnosti, dobré vysokofrekvenční vlastnosti.
  • Alumina , keramika. Tvrdý, křehký, velmi drahý, velmi vysoký výkon, dobrá tepelná vodivost.
  • Polyimid , vysokoteplotní polymer. Drahé, vysoce výkonné. Vyšší absorpce vody (0,4 %). Lze použít od kryogenních teplot do více než 260 °C.

Tloušťka mědi

Tloušťku mědi PCB lze specifikovat přímo nebo jako hmotnost mědi na plochu (v uncích na čtvereční stopu), což je snazší měřit. Jedna unce na čtvereční stopu je tloušťka 1,344 mil nebo 34 mikrometrů. Těžká měď je vrstva přesahující tři unce mědi na stopu 2 ​​nebo přibližně 0,0042 palce (4,2 mils, 105 μm) silná. Těžké měděné vrstvy se používají pro vysoký proud nebo pomáhají odvádět teplo.

Na běžných substrátech FR-4 je nejběžnější tloušťka 1 oz mědi na stopu 2 ​​(35 µm); Častou možností je tloušťka 2 oz (70 µm) a 0,5 oz (17,5 µm). Méně obvyklé jsou 12 a 105 µm, na některých substrátech je někdy k dispozici 9 µm. Flexibilní substráty mají obvykle tenčí metalizaci. Desky s kovovým jádrem pro zařízení s vysokým výkonem běžně používají silnější měď; Obvyklá je 35 µm, ale lze se setkat i s 140 a 400 µm.

V USA je tloušťka měděné fólie specifikována v jednotkách uncí na čtvereční stopu (oz/ft 2 ), běžně označovaných jednoduše jako unce . Běžné tloušťky jsou 1/2 oz/ft 2 (150 g/m 2 ), 1 oz/ft 2 (300 g/m 2 ), 2 oz/ft 2 (600 g/m 2 ) a 3 oz/ft 2 (900 g/m2 ) . Ty se vypracují na tloušťky 17,05 μm (0,67 tis .), 34,1 μm (1,34 tis .), 68,2 μm (2,68 tis.) a 102,3 μm (4,02 tis.). Fólie 1/2 oz/ft 2 není široce používána jako hotové měděné závaží, ale používá se pro vnější vrstvy, když pokovování průchozích otvorů zvýší konečnou hmotnost mědi Někteří výrobci PCB označují měděnou fólii 1 oz/ft 2 jako tloušťka 35 um (může být také označována jako 35 um, 35 mikronů nebo 35 mikronů).

  • 1/0 – označuje 1 oz/ft 2 mědi na jedné straně, bez mědi na druhé straně.
  • 1/1 – označuje 1 oz/ft 2 mědi na obou stranách.
  • H/0 nebo H/H – označuje 0,5 unce/ft 2 mědi na jedné nebo obou stranách.
  • 2/0 nebo 2/2 – označuje 2 oz/ft 2 mědi na jedné nebo obou stranách.

Konstrukce

Design

Deska navržená v roce 1967; široké křivky ve stopách jsou důkazem designu od ruky pomocí lepicí pásky

Výroba začíná výrobními daty generovanými počítačem podporovaným návrhem a informacemi o součástech. Výrobní data se načtou do softwaru CAM (Computer Aided Manufacturing). CAM provádí následující funkce:

  1. Zadání výrobních dat.
  2. Ověření údajů
  3. Kompenzace odchylek ve výrobních procesech (např. úprava měřítka pro kompenzaci deformací během laminace)
  4. Panelizace
  5. Výstup digitálních nástrojů (měděné vzory, vrtací pilníky, kontrola a další)

Zpočátku byly desky plošných spojů navrženy ručně vytvořením fotomasky na čirém mylarovém listu, obvykle ve dvou až čtyřnásobku skutečné velikosti. Počínaje schematickým diagramem byly na mylaru rozmístěny podložky s kolíky a poté byly vedeny stopy pro připojení podložek. Přenosy otisků běžných součástí za sucha zvýšily efektivitu. Stopy byly vytvořeny pomocí samolepicí pásky. Předtištěné nereprodukovatelné mřížky na mylaru pomáhaly při rozvržení. Hotová fotomaska ​​byla fotolitograficky reprodukována na fotorezistovém povlaku na prázdných deskách plátovaných mědí.

Moderní desky plošných spojů jsou navrženy pomocí speciálního softwaru pro rozvržení, obecně v následujících krocích:

  1. Schematické zachycení pomocí nástroje pro automatizaci elektronického návrhu ( EDA ).
  2. Rozměry karty a šablona jsou určeny na základě požadovaných obvodů a krytu desky plošných spojů.
  3. Jsou určeny polohy součástí a chladičů .
  4. Je rozhodnuto o vrstvení DPS s jednou až desítkami vrstev v závislosti na složitosti. O pozemních a energetických letadlech je rozhodnuto. Napájecí plocha je protějškem zemnící roviny a chová se jako uzemnění střídavého signálu, zatímco poskytuje stejnosměrné napájení obvodům namontovaným na desce plošných spojů. Signální propojení jsou sledována na signálových rovinách. Signální roviny mohou být na vnějších i vnitřních vrstvách. Pro optimální výkon EMI jsou vysokofrekvenční signály směrovány ve vnitřních vrstvách mezi napájecími nebo zemnícími plochami.
  5. Impedance vedení je určena pomocí tloušťky dielektrické vrstvy, tloušťky mědi a šířky stopy. V případě diferenciálních signálů je také zohledněno oddělení stop. Pro směrování signálů lze použít mikropáskové , páskové nebo dvojité páskové vedení.
  6. Komponenty jsou umístěny. Berou se v úvahu tepelné aspekty a geometrie. Vias a pozemky jsou označeny.
  7. Stopy signálu jsou směrovány . Elektronické nástroje pro automatizaci návrhu obvykle automaticky vytvářejí vůle a spojení v napájecích a zemních plochách.
  8. Data výroby se skládají ze sady souborů Gerber , vrtacího souboru a souboru typu pick-and-place.

Panelizace

Několik malých desek plošných spojů lze seskupit pro zpracování jako panel. Panel sestávající z n-krát duplikovaného designu se také nazývá n -panel , zatímco vícepanel kombinuje několik různých vzorů do jednoho panelu. Vnější nástrojový pás často obsahuje otvory pro nástroje , sadu referenčních značek panelu , testovací kupón a může obsahovat šrafované měděné lití nebo podobné vzory pro rovnoměrné rozložení mědi po celém panelu, aby se zabránilo ohýbání. Montážníci často montují komponenty na panely spíše než na jednotlivé PCB, protože je to efektivní. Panelizace může být také nezbytná pro desky s komponenty umístěnými blízko okraje desky, protože jinak by desku nebylo možné namontovat během montáže. Většina montážních dílen vyžaduje kolem desky volnou plochu alespoň 10 mm.

Panel je nakonec rozbit na jednotlivé desky plošných spojů podél perforací nebo drážek v panelu frézováním nebo řezáním. U frézovaných panelů je běžná vzdálenost mezi jednotlivými deskami 2–3 mm. Dnes se depaneling často provádí lasery, které řežou desku bez kontaktu. Laserové depanelování snižuje namáhání křehkých obvodů a zlepšuje výtěžnost jednotek bez závad.

Měděné vzorování

Prvním krokem je replikace vzoru v systému CAM výrobce na ochranné masce na vrstvách PCB z měděné fólie. Následné leptání odstraní nežádoucí měď nechráněnou maskou. (Alternativně lze vodivý inkoust nastříkat inkoustem na prázdnou (nevodivou) desku. Tato technika se také používá při výrobě hybridních obvodů .)

  1. Sítotisk používá k vytvoření ochranné masky inkousty odolné proti leptání.
  2. Fotogravírování využívá fotomasku a vývojku k selektivnímu odstranění UV citlivého fotorezistního povlaku a tím k vytvoření fotorezistní masky, která bude chránit měď pod ní. Pro požadavky s vysokým rozlišením se někdy používají techniky přímého zobrazování. Byly provedeny experimenty s tepelným odporem. Místo fotomasky lze použít laser. Toto je známé jako bezmasková litografie nebo přímé zobrazování.
  3. Frézování desek plošných spojů využívá dvou nebo tříosý systém mechanického frézování k odfrézování měděné fólie od substrátu. Frézka na desky plošných spojů (označovaná jako „prototyp desek plošných spojů“) funguje podobným způsobem jako plotr a přijímá příkazy z hostitelského softwaru, který řídí polohu frézovací hlavy v ose x, y a (pokud je to relevantní) .
  4. Laserová ablace Nastříkejte černou barvu na měděný laminát a vložte do CNC laserového plotru. Laserový rastr skenuje DPS a odstraňuje (odpařuje) barvu tam, kde není vyžadován žádný rezist. (Poznámka: laserová ablace mědi se používá zřídka a je považována za experimentální.)
  5. Laserové leptání Měď může být odstraněna přímo CNC laserem. Stejně jako výše uvedené frézování DPS se toto používá hlavně pro prototypování.
  6. EDM leptání využívá elektrický výboj k odstranění kovu ze substrátu ponořeného do dielektrické tekutiny

Zvolená metoda závisí na počtu vyráběných desek a požadovaném rozlišení.

Velký objem
  • Sítotisk – Používá se pro desky plošných spojů s většími funkcemi
  • Fotogravírování – používá se, když jsou vyžadovány jemnější prvky
Malý objem
  • Vytiskněte na průhlednou fólii a použijte jako fotografickou masku spolu s fotocitlivými deskami a poté leptejte. (Případně použijte filmový fotoplotr)
  • Laserová rezistentní ablace
  • Frézování DPS
  • Laserové leptání
Hobbyista
  • Laserem potištěný odpor: Laserový tisk na tonerový přenosový papír, přenos tepla žehličkou nebo upraveným laminátorem na holý laminát, namočení ve vodní lázni, retušování fixem a leptání.
  • Vinylová fólie a rezist, nesmývatelný fix, některé další metody. Náročné na práci, vhodné pouze pro jednotlivé desky.

Leptání

Linka na pokovování mědi PCB v procesu pokovování mědí
PCB v procesu pokovování měděným vzorem (všimněte si modrého suchého filmu
Dva způsoby zpracování používané k výrobě oboustranné PWB s pokovenými průchozími otvory

Proces, kterým jsou stopy mědi aplikovány na povrch, je po subtraktivní metodě procesu známý jako leptání , ačkoli existují také aditivní a poloaditivní metody.

Subtraktivní metody odstraňují měď ze zcela poměděné desky, aby zůstal pouze požadovaný měděný vzor. Nejjednodušší metodou, používanou pro malosériovou výrobu a často fandy, je ponorné leptání, při kterém je deska ponořena do leptacího roztoku, jako je chlorid železitý. V porovnání s metodami používanými pro hromadnou výrobu je doba leptání dlouhá. Pro urychlení rychlosti leptání lze na lázeň použít teplo a míchání. Při bublinovém leptání prochází leptací lázní vzduch, aby se roztok protřepal a urychlilo leptání. Splash leptání používá motorem poháněné pádlo k potřísnění desek leptadlem; proces se stal komerčně zastaralým, protože není tak rychlý jako sprejové leptání. Při sprejovém leptání je roztok leptadla distribuován po deskách tryskami a recirkulován čerpadly. Nastavení vzoru trysky, průtoku, teploty a složení leptadla poskytuje předvídatelné řízení rychlosti leptání a vysoké rychlosti výroby. Jak se z desek spotřebovává více mědi, leptadlo se stává nasyceným a méně účinným; různá leptadla mají různé kapacity pro měď, některá až 150 gramů mědi na litr roztoku. Při komerčním použití mohou být leptadla regenerována, aby se obnovila jejich aktivita, a rozpuštěná měď se získá a prodá. Drobné leptání vyžaduje pozornost při likvidaci použitého leptadla, které je žíravé a toxické kvůli obsahu kovů. Leptadlo odstraňuje měď ze všech povrchů nechráněných rezistem. "Podříznutí" nastane, když leptadlo napadne tenký okraj mědi pod rezistem; to může zmenšit šířku vodičů a způsobit přerušení obvodu. Aby se zabránilo podřezání, je třeba pečlivě kontrolovat dobu leptání. Kde je kovové pokovení použito jako rezist, může "přesahovat", což může způsobit zkraty mezi sousedními stopami, když jsou blízko sebe. Přesah lze po naleptání odstranit drátěným kartáčem.

V aditivních metodách je vzor galvanicky pokovován na holý substrát pomocí složitého procesu. Výhodou aditivní metody je, že je potřeba méně materiálu a vzniká méně odpadu. V plném aditivním procesu je holý laminát pokryt fotosenzitivním filmem, který je zobrazen (exponován světlu přes masku a poté vyvolán, čímž se odstraní neexponovaný film). Exponované oblasti jsou zcitlivěny v chemické lázni, která obvykle obsahuje palladium a je podobná té, která se používá pro pokovování průchozích otvorů, díky čemuž je exponovaná oblast schopná vázat kovové ionty. Laminát je poté pokoven mědí v citlivých oblastech. Po odizolování masky je deska plošných spojů hotová.

Poloaditivní je nejběžnější proces: Na desce bez vzoru je již na sobě tenká vrstva mědi. Poté se aplikuje reverzní maska. (Na rozdíl od subtraktivní procesní masky tato maska ​​odhaluje ty části substrátu, které se nakonec stanou stopami.) Další měď je pak nanesena na desku v nezamaskovaných oblastech; měď může být pokovena na jakoukoli požadovanou hmotnost. Poté se aplikuje cín-olovo nebo jiné povrchové pokovení. Maska se stáhne a krátkým leptáním se z desky odstraní nyní obnažený holý původní měděný laminát a izolují se jednotlivé stopy. Některé jednostranné desky, které mají pokovené průchozí otvory, jsou vyrobeny tímto způsobem. General Electric vyráběla spotřebitelská rádia na konci 60. let pomocí přídavných desek. Tento (polo)aditivní proces se běžně používá pro vícevrstvé desky, protože usnadňuje pokovení otvorů pro vytvoření vodivých prokovů v desce plošných spojů.

Průmyslové leptání se obvykle provádí persíranem amonným nebo chloridem železitým . U PTH (pokovené průchozí otvory) se po vyvrtání otvorů provedou další kroky bezproudového nanášení , poté se měď galvanicky pokovuje, aby se vytvořila tloušťka, desky se prosévají a pokovují cínem/olovem. Cín/olovo se stane rezistem a nechá odleptat holou měď.

Laminace

Prořízněte modul SDRAM, vícevrstvou desku plošných spojů ( namontovaná na BGA ). Všimněte si průchodu , který je viditelný jako jasně měděný pás mezi horní a spodní vrstvou desky.

Vícevrstvé desky s plošnými spoji mají uvnitř desky stopové vrstvy. Toho je dosaženo laminováním stohu materiálů v lisu působením tlaku a tepla po určitou dobu. Výsledkem je neoddělitelný produkt z jednoho kusu. Například čtyřvrstvou desku s plošnými spoji lze vyrobit tak, že se začne z oboustranného laminátu plátovaného mědí, naleptá se obvod na obou stranách, potom se laminuje na horní a spodní předimpregnovaný laminát a měděnou fólii. Poté se vrtá, pokovuje a znovu leptá, aby se získaly stopy na horní a spodní vrstvě.

Vnitřní vrstvy jsou před laminací podrobeny kompletní strojní kontrole, protože chyby nelze poté opravit. Stroje pro automatickou optickou kontrolu (AOI) porovnávají obraz desky s digitálním obrazem generovaným z původních konstrukčních dat. Stroje pro automatizované optické tvarování (AOS) pak mohou přidat chybějící měď nebo odstranit přebytečnou měď pomocí laseru, čímž se sníží počet desek plošných spojů, které je třeba vyhodit. Dráhy PCB mohou mít šířku pouhých 10 mikrometrů.

Vrtání

Očka (dutá)

Otvory skrz PCB se obvykle vrtají vrtáky vyrobenými z pevného potaženého karbidu wolframu . Potažený karbid wolframu se používá, protože deskové materiály jsou abrazivní. Bity z rychlořezné oceli by se rychle otupily, roztrhaly měď a zničily desku. Vrtání se provádí počítačem řízenými vrtacími stroji pomocí vrtacího souboru nebo souboru Excellon , který popisuje umístění a velikost každého vyvrtaného otvoru.

Otvory mohou být vodivé, galvanickým pokovováním nebo vložením dutých kovových oček, pro spojení vrstev desek. Některé vodivé otvory jsou určeny pro vložení průchozích vývodů. Jiné používané ke spojení vrstev desek se nazývají prokovy .

Jsou-li požadovány prokovy s průměrem menším než 76,2 mikrometrů, vrtání s mechanickými bity je nemožné kvůli vysoké míře opotřebení a zlomení. V tomto případě mohou být průchody vyvrtány laserem — odpařeny lasery . Laserem vrtané průchody mají obvykle horší povrchovou úpravu uvnitř otvoru. Tyto otvory se nazývají mikro prokovy a mohou mít průměr až 10 mikrometrů. Je také možné vrtáním s řízenou hloubkou , laserovým vrtáním nebo předvrtáním jednotlivých desek DPS před laminací vytvořit otvory, které spojují pouze některé měděné vrstvy, místo aby procházely celou deskou. Tyto otvory se nazývají slepé prokovy , když spojují vnitřní měděnou vrstvu s vnější vrstvou, nebo zakopané prokovy , když spojují dvě nebo více vnitřních měděných vrstev a žádné vnější vrstvy. Laserové vrtačky dokážou vyvrtat tisíce děr za sekundu a mohou používat UV nebo CO 2 lasery.

Stěny otvorů pro desky se dvěma nebo více vrstvami mohou být vodivé a poté galvanicky pokovené mědí, aby se vytvořily pokovené průchozí otvory . Tyto otvory elektricky spojují vodivé vrstvy DPS. U vícevrstvých desek, u desek se třemi nebo více vrstvami, vrtání obvykle vytváří šmouhy vysokoteplotních produktů rozkladu pojiva v laminátovém systému. Před tím, než mohou být otvory pokoveny, musí být tato šmouha odstraněna chemickým procesem odstranění šmouhy nebo plazmovým leptáním . Proces odstranění rozmazání zajišťuje dobré spojení s měděnými vrstvami, když je otvor pokovován. U vysoce spolehlivých desek se proces zvaný zpětné leptání provádí chemicky leptadlem na bázi manganistanu draselného nebo plazmovým leptáním. Zpětné leptání odstraňuje pryskyřici a skleněná vlákna, takže měděné vrstvy zasahují do otvoru a jak je otvor pokovován, stávají se integrálními s nanesenou mědí.

Pokovování a povlakování

Správný výběr pokovení nebo povrchové úpravy může být rozhodující pro výtěžnost procesu, množství přepracování, poruchovost v terénu a spolehlivost.

PCB mohou být pokoveny pájkou, cínem nebo zlatem přes nikl.

Poté, co jsou desky plošných spojů vyleptány a poté opláchnuty vodou, je aplikována pájecí maska ​​a poté je veškerá odkrytá měď potažena pájkou, niklem/zlatem nebo nějakým jiným antikorozním povlakem.

Matná pájka je obvykle tavena, aby poskytla lepší spojovací povrch pro holou měď. Úpravy, jako je benzimidazolthiol , zabraňují povrchové oxidaci holé mědi. Místa, na která budou součásti namontovány, jsou obvykle pokovená, protože neošetřená holá měď rychle oxiduje, a proto není snadno pájitelná. Tradičně byla jakákoli exponovaná měď potažena pájkou pomocí horkého vzduchu (pájení) nivelací (HASL alias HAL). Povrchová úprava HASL zabraňuje oxidaci z podkladové mědi, a tím zaručuje pájitelný povrch. Tato pájka byla slitina cínu a olova , avšak k dosažení souladu se směrnicí RoHS v EU , která omezuje použití olova, se nyní používají nové pájecí směsi . Jednou z těchto bezolovnatých sloučenin je SN100CL, složená z 99,3 % cínu, 0,7 % mědi, 0,05 % niklu a nominálně 60 ppm germania.

Je důležité použít pájku kompatibilní jak s DPS, tak s použitými díly. Příkladem je kulové mřížkové pole (BGA) využívající kuličky cínu a olova pro spoje ztrácející kuličky na holých stopách mědi nebo používající bezolovnatou pájecí pastu.

Dalšími používanými povlaky jsou organická pájecí konzervační látka (OSP), imerzní stříbro (IAg), imerzní cín (ISn), bezproudové niklové imerzní zlato (ENIG), bezproudové niklové bezproudové palladiové imerzní zlato (ENEPIG) a přímé zlacení (přes nikl) . . Okrajové konektory umístěné podél jednoho okraje některých desek jsou často poniklované a poté pozlacené pomocí ENIG. Dalším aspektem povlakování je rychlá difúze povlakového kovu do cínové pájky. Cín tvoří intermetalické látky, jako je Cu 6 Sn 5 a Ag 3 Cu, které se rozpouštějí v likvidu nebo solidu cínu (při 50 °C), odstraňují povrchový povlak nebo zanechávají dutiny.

Elektrochemická migrace (ECM) je růst vodivých kovových vláken na nebo v desce s plošnými spoji (PCB) pod vlivem předpětí stejnosměrného napětí. O stříbře, zinku a hliníku je známo, že pod vlivem elektrického pole rostou vousy . Stříbro také roste vodivými povrchovými cestami v přítomnosti halogenidů a dalších iontů, což z něj dělá špatnou volbu pro použití v elektronice. V důsledku napětí v pokoveném povrchu narostou cínu „vousy“. Pocínováním nebo pájením také rostou vousy, pouze se snižují snížením procenta cínu. Přetavení do roztavené pájky nebo cínového plechu pro zmírnění povrchového napětí snižuje výskyt whiskerů. Dalším problémem povlakování je cínový škůdce , přeměna cínu na práškový allotrop při nízké teplotě.

Aplikace pájecího odporu

Oblasti, které by neměly být pájeny, mohou být pokryty pájecím odporem (pájecí maskou). Pájecí maska ​​je to, co dává PCB jejich charakteristickou zelenou barvu, i když je k dispozici také v několika dalších barvách, jako je červená, modrá, fialová, žlutá, černá a bílá. Jeden z nejběžnějších dnes používaných pájecích odporů se nazývá "LPI" ( kapalná fotozobrazitelná pájecí maska ). Na povrch PWB se nanese fotocitlivý povlak, poté se exponuje světlu přes obrazový film pájecí masky a nakonec se vyvolá, kde jsou neexponované oblasti smyty. Suchá filmová pájecí maska ​​je podobná suchému filmu používanému k zobrazení PWB pro pokovování nebo leptání. Po nalaminování na povrch PWB se zobrazí a vyvolá jako LPI. Jednou, ale již ne běžně používaným, pro jeho nízkou přesnost a rozlišení, je sítotiskový epoxidový inkoust. Kromě odpuzování pájky poskytuje pájecí odpor také ochranu mědi před okolním prostředím, která by byla jinak vystavena.

Legenda / sítotisk

Legenda (také známá jako hedvábí nebo sítotisk ) je často vytištěna na jedné nebo obou stranách desky plošných spojů. Obsahuje označení součástek , nastavení spínačů, testovací body a další indikace užitečné při montáži, testování, servisu a někdy i používání desky plošných spojů.

Legendu lze vytisknout třemi způsoby:

  1. Sítotiskový epoxidový inkoust byl zavedenou metodou, což vedlo k alternativnímu názvu.
  2. Tekuté fotoimaging je přesnější metoda než sítotisk.
  3. Stále častěji se používá inkoustový tisk. Ink Jet může tisknout variabilní data, jedinečná pro každou jednotku PWB, jako je text nebo čárový kód se sériovým číslem .

Test na holé desce

Desky bez nainstalovaných komponent jsou obvykle testovány na „zkraty“ a „otevření“. Toto se nazývá elektrický test nebo e-test PCB . Zkrat je spojení mezi dvěma body, které by neměly být spojeny. Otevřený je chybějící spojení mezi body, které by měly být propojeny. Pro velkoobjemovou výrobu se přípravek jako "lůžko hřebíků" v tuhém jehlovém adaptéru dostane do kontaktu s mědí na desce. Upínací přípravek nebo adaptér představuje značné fixní náklady a tento způsob je ekonomický pouze pro velkoobjemovou nebo vysoce hodnotnou výrobu. Pro výrobu malých nebo středních objemů se používají zkoušečky létajících sond , kde se zkušební sondy pohybují po desce pomocí pohonu XY, aby se dostaly do kontaktu s měděnými ploškami. Není potřeba upínač, a proto jsou fixní náklady mnohem nižší. Systém CAM dá pokyn elektrickému testeru, aby podle potřeby přivedl napětí na každý kontaktní bod a zkontroloval, zda se toto napětí objevuje na příslušných kontaktních bodech a pouze na nich.

Shromáždění

PCB s testovacími propojovacími ploškami

Při montáži je holá deska osazena (nebo "vycpaná") elektronickými součástkami, aby se vytvořila funkční sestava tištěných obvodů (PCA), někdy nazývaná "shromáždění desky s tištěnými spoji" (PCBA). V technologii průchozích děr jsou vývody součástí vloženy do otvorů obklopených vodivými podložkami ; otvory drží součásti na místě. V technologii povrchové montáže (SMT) je součástka umístěna na PCB tak, že kolíky jsou zarovnány s vodivými podložkami nebo dosedají na povrchy PCB; pájecí pasta, která byla předtím nanesena na podložky, dočasně drží součástky na místě; pokud jsou komponenty pro povrchovou montáž aplikovány na obě strany desky, jsou komponenty spodní strany přilepeny k desce. V průchozím otvoru i povrchové montáži jsou pak součásti připájeny ; po ochlazení a ztuhnutí pájka trvale drží součástky na místě a elektricky je spojuje s deskou.

K připojení součástek k desce plošných spojů se používá celá řada pájecích technik. Velkoobjemová výroba se obvykle provádí pomocí zařízení typu pick-and-place a hromadného pájení vlnou pro díly s průchozím otvorem nebo přetavovací pecí pro součásti SMT a/nebo díly s průchozími otvory, ale zkušení technici jsou schopni ručně pájet velmi malé díly ( například balíčky 0201, které jsou 0,02 palce x 0,01 palce) pod mikroskopem , za použití pinzety a páječky s jemným hrotem , pro prototypy malého objemu. Selektivní pájení lze použít pro jemné součásti. Některé části SMT nelze pájet ručně, například pouzdra BGA . Všechny součásti s průchozími otvory lze ručně pájet, což je činí oblíbenými pro prototypování, kde velikost, hmotnost a použití přesných součástí, které by byly použity ve velkosériové výrobě, nejsou důležité.

Konstrukce s průchozí dírou a povrchová montáž musí být často kombinována v jedné sestavě, protože některé požadované součásti jsou dostupné pouze v balíčcích pro povrchovou montáž, zatímco jiné jsou dostupné pouze v balíčcích s průchozími otvory. Nebo, i když jsou všechny součásti dostupné v obalech s průchozími otvory, může být žádoucí využít výhod velikosti, hmotnosti a snížení nákladů, které lze získat použitím některých dostupných zařízení pro povrchovou montáž. Dalším důvodem pro použití obou metod je to, že montáž skrz díru může poskytnout potřebnou pevnost pro součásti, které pravděpodobně vydrží fyzické namáhání (jako jsou konektory, které jsou často spojovány a demovány nebo které se připojují ke kabelům, u kterých se očekává, že způsobí značné namáhání PCB a konektoru). rozhraní), zatímco součásti, u kterých se očekává, že zůstanou nedotčeny, zaberou při použití technik povrchové montáže méně místa. Další srovnání naleznete na stránce SMT .

Poté, co byla deska osazena, může být testována různými způsoby:

Pro usnadnění těchto testů mohou být desky plošných spojů navrženy s přídavnými podložkami pro dočasné připojení. Někdy musí být tyto podložky izolovány odpory. Zkouška v obvodu může také u některých součástí provádět hraniční skenování . In-circuit testovací systémy mohou být také použity k programování komponent energeticky nezávislé paměti na desce.

Při testování boundary scan testovací obvody integrované do různých integrovaných obvodů na desce tvoří dočasné spojení mezi trasami PCB, aby se ověřilo, že jsou integrované obvody správně namontovány. Testování Boundary scan vyžaduje, aby všechny IC, které mají být testovány, používaly standardní testovací konfigurační postup, z nichž nejběžnější je standard JTAG (Joint Test Action Group ). Testovací architektura JTAG poskytuje prostředky pro testování propojení mezi integrovanými obvody na desce bez použití fyzických testovacích sond, pomocí obvodů v integrovaných obvodech, které využívají samotné kolíky integrovaného obvodu jako testovací sondy. Prodejci nástrojů JTAG poskytují různé typy podnětů a sofistikované algoritmy nejen k detekci selhávajících sítí, ale také k izolaci chyb na konkrétní sítě, zařízení a kolíky.

Když desky v testu neprojdou, technici mohou vadné součásti odpájet a vyměnit, což je úkol známý jako přepracování .

Ochrana a balení

DPS určené do extrémních prostředí mají často konformní povlak , který se nanáší máčením nebo nástřikem po zapájení součástek. Nátěr zabraňuje korozi a svodovým proudům nebo zkratům v důsledku kondenzace. Nejčasnější konformní kabáty byly vosk ; moderní konformní nátěry jsou obvykle ponory ze zředěných roztoků silikonové pryže, polyuretanu, akrylu nebo epoxidu. Další technikou pro nanášení konformního povlaku je nastříkání plastu na PCB ve vakuové komoře. Hlavní nevýhodou konformních povlaků je, že údržba desky je extrémně obtížná.

Mnoho sestavených DPS je citlivých na statickou elektřinu , a proto musí být během přepravy umístěny v antistatických sáčcích . Při manipulaci s těmito deskami musí být uživatel uzemněn (uzemněn) . Nesprávné manipulační techniky mohou přenést nahromaděný statický náboj přes desku a poškodit nebo zničit součásti. Poškození nemusí bezprostředně ovlivnit funkci, ale může později vést k brzkému selhání, způsobit občasné provozní poruchy nebo způsobit zúžení rozsahu okolních a elektrických podmínek, za kterých deska funguje správně. Dokonce i holé desky jsou někdy citlivé na statickou elektřinu: stopy se staly tak jemnými, že je možné vypálit stopu (nebo změnit její vlastnosti) statickým výbojem. To platí zejména pro netradiční PCB, jako jsou MCM a mikrovlnné PCB.

Cordwood konstrukce

Modul z cordwoodu
Cordwood konstrukce byla použita v blízkosti zápalnice .

Cordwood konstrukce může ušetřit významný prostor a byla často používána s drátem-končil komponenty v aplikacích kde prostor byl na prémii (takový jako roznětky , navádění raket a systémy telemetrie) a ve vysokorychlostních počítačích , kde krátké stopy byly důležité. V konstrukci z cordwoodu byly axiálně vedené komponenty namontovány mezi dvě rovnoběžné roviny. Součástky byly buď připájeny propojovacím drátem nebo byly spojeny s ostatními součástkami tenkou niklovou páskou navařenou v pravém úhlu na vývody součástek. Aby se zabránilo zkratování různých propojovacích vrstev, byly mezi ně umístěny tenké izolační karty. Perforace nebo díry v kartách umožnily vývodům součástek vyčnívat do další propojovací vrstvy. Jednou nevýhodou tohoto systému bylo, že musely být použity speciální komponenty s obsahem niklu , aby bylo možné provádět spolehlivé propojovací svary. Rozdílná tepelná roztažnost součástky by mohla způsobit tlak na vývody součástek a stopy PCB a způsobit mechanické poškození (jak bylo vidět u několika modulů v programu Apollo). Komponenty umístěné v interiéru se navíc obtížně vyměňují. Některé verze konstrukce z cordwoodu používaly jako způsob propojení pájené jednostranné desky plošných spojů (jak je znázorněno), což umožnilo použití součástek s normálním vývodem za cenu obtížného odstranění desek nebo výměny jakékoli součásti, která není na okraji.

Před příchodem integrovaných obvodů umožňovala tato metoda nejvyšší možnou hustotu zalití součástek; protože toto, to bylo používáno množstvím prodejců počítačů včetně Control Data Corporation . Cordwood metoda konstrukce byla používána jen zřídka, jakmile PCB se rozšířily, hlavně v letectví nebo jiné extrémně vysoké hustotě elektroniky.

Typy

Oddělovací desky

Oddělovací deska může umožnit propojení dvou nekompatibilních konektorů
Tato vylamovací deska umožňuje snadný přístup ke kolíkům karty SD a zároveň umožňuje výměnu karty za provozu
Oddělovací deska umožňuje modulu (v tomto případě modulu Bluetooth) mít větší piny

Minimální PCB pro jednu součástku, která se používá pro prototypování , se nazývá breakout board . Účelem vylamovací desky je „vylomit“ vývody součástky na samostatných svorkách, aby k nim bylo možné snadno ručně připojit. Breakout desky se používají zejména pro povrchově montované komponenty nebo jakékoli komponenty s jemným stoupáním.

Pokročilé desky plošných spojů mohou obsahovat součásti zapuštěné do substrátu, jako jsou kondenzátory a integrované obvody, aby se snížilo množství prostoru zabraného součástkami na povrchu desky plošných spojů a zároveň se zlepšily elektrické vlastnosti.

Vícedrátové desky

Multiwire je patentovaná technika propojení, která využívá strojově vedených izolovaných vodičů zapuštěných do nevodivé matrice (často plastové pryskyřice). Používal se v 80. a 90. letech 20. století. Od roku 2010 byl Multiwire stále dostupný prostřednictvím Hitachi.

Vzhledem k tomu, že bylo docela snadné naskládat propojení (vodiče) do matice vkládání, tento přístup umožnil návrhářům zcela zapomenout na vedení vodičů (obvykle časově náročná operace návrhu DPS): Kdekoli konstruktér potřebuje připojení, stroj nakreslete drát v přímé linii z jednoho místa/kolíku do druhého. To vedlo k velmi krátkým dobám návrhu (žádné složité algoritmy, které by bylo možné použít i pro návrhy s vysokou hustotou), a také ke snížení přeslechů (což je horší, když vodiče vedou paralelně k sobě – což se v Multiwire téměř nikdy nestane), ačkoli cena je příliš vysoká. konkurovat levnějším technologiím PCB, když je potřeba velká množství.

Opravy v rozložení desky Multiwire lze provádět snadněji než v rozložení plošných spojů.

Použití

Desky s plošnými spoji byly použity jako alternativa k jejich typickému použití v elektronickém a biomedicínském inženýrství díky všestrannosti jejich vrstev, zejména měděné vrstvy. Vrstvy PCB byly použity k výrobě senzorů, jako jsou kapacitní tlakové senzory a akcelerometry, akční členy, jako jsou mikroventily a mikroohřívače, stejně jako platformy senzorů a aktuátorů pro Lab-on-a-chip (LoC), například k provádění polymerázového řetězce . reakce (PCR) a palivové články, abychom jmenovali alespoň některé.

Opravit

Výrobci nemusí podporovat opravy desek s plošnými spoji na úrovni součástek kvůli relativně nízkým nákladům na výměnu ve srovnání s časem a náklady na odstraňování závad na úrovni součástek. Při opravě na úrovni desky technik identifikuje desku (PCA), na které je chyba, a vymění ji. Tento posun je ekonomicky efektivní z pohledu výrobce, ale je také materiálně nehospodárný, protože obvodová deska se stovkami funkčních součástek může být vyřazena a nahrazena kvůli poruše jedné menší a levné části, jako je odpor nebo kondenzátor. Tato praxe významně přispívá k problému elektronického odpadu .

Legislativa

V mnoha zemích (včetně všech účastníků evropského jednotného trhu , Spojeného království , Turecka a Číny ) legislativa omezuje používání olova , kadmia a rtuti v elektrických zařízeních. PCB prodávané v těchto zemích proto musí používat bezolovnaté výrobní procesy a bezolovnatou pájku a připojené komponenty samy o sobě musí vyhovovat.

Bezpečnostní norma UL 796 pokrývá požadavky na bezpečnost součástí pro desky plošných spojů pro použití jako součásti v zařízeních nebo zařízeních. Testování analyzuje charakteristiky, jako je hořlavost, maximální provozní teplota , elektrické sledování, tepelná odchylka a přímá podpora elektrických částí pod napětím.

Viz také

Reference

Další čtení

externí odkazy