Desky s plošnými spoji (PCB) umožňují moderní technologii propojením komponent s pečlivě navrženými měděnými cestami. Od základních gadgetů, jako jsou kalkulačky, až po pokročilé letecké systémy, umožňují moderní technologie.
Bod 3. Základní vrstvy desky plošných spojů
Bod 4. Vysvětlení pracovního postupu návrhu PCB
Bod 5. Materiály používané při výrobě desek plošných spojů
CC10. Bezpečnostní pokyny pro manipulaci s PCB
Kapitola 11. Aplikace desek plošných spojů napříč průmyslovými odvětvími
Č. 12. Závěr
Č. 13. Často kladené dotazy [FAQ]
Co jsou desky s plošnými spoji (PCB)?
Desky plošných spojů (PCB) jsou podporou moderní elektroniky. Jsou vyrobeny ze skleněných vláken, epoxidu nebo laminátů a mají měděné cesty, které spojují komponenty, jako jsou rezistory, tranzistory a integrované obvody. Slovo "tištěné" pochází z procesu zobrazování, kde návrhové soubory Gerber definují měděné vzory. Od jednoduchých hodinek a kalkulaček až po letecké a telekomunikační systémy, PCB umožňují technologii napříč všemi průmyslovými odvětvími.
Různé typy desek plošných spojů
Desky s plošnými spoji (PCB) se dodávají v několika typech, z nichž každý je navržen tak, aby splňoval specifické strukturální a výkonnostní potřeby.
• Jednostranné desky plošných spojů používají měděné stopy pouze na jedné straně desky. Jsou jednoduché, levné a dobře se hodí pro základní elektroniku, jako jsou kalkulačky a malé napájecí zdroje, kde není ohrožena hustota obvodů.
• Oboustranné desky plošných spojů mají měděné vrstvy na obou stranách, přičemž průchody spojují horní a spodní stopy. Tato struktura umožňuje složitější směrování a větší hustotu komponent, díky čemuž jsou běžné v zesilovačích, ovladačích a různých průmyslových zařízeních.
• Vícevrstvé desky plošných spojů se skládají z několika měděných a dielektrických vrstev laminovaných dohromady. Podporují vysokou hustotu obvodů, lepší integritu signálu a kompaktní design, díky čemuž jsou užitečné v pokročilých aplikacích, jako jsou servery, komunikační zařízení 5G a lékařské systémy.
• Pevné desky plošných spojů jsou postaveny na pevném substrátu FR-4, který odolává ohýbání a vibracím. Díky své odolnosti jsou standardem v noteboocích, automobilech a domácích spotřebičích.
• Flexibilní (Flex) desky plošných spojů jsou vyrobeny z polyimidových nebo PEEK materiálů, což jim umožňuje ohýbat se nebo skládat. Díky své lehké a kompaktní povaze jsou ideální pro nositelnou elektroniku, digitální fotoaparáty a lékařské implantáty tam, kde je omezený prostor.
• Rigid-Flex PCB kombinují tuhé a flexibilní sekce v jedné desce. Tento hybridní přístup šetří místo, snižuje počet konektorů a zvyšuje spolehlivost, což je činí cennými v leteckých systémech, obranných zařízeních a miniaturizované spotřební elektronice.
Základní vrstvy desky plošných spojů
Deska s plošnými spoji (PCB) se skládá z několika klíčových vrstev, z nichž každá plní specifickou funkci pro zajištění odolnosti, výkonu a použitelnosti.
• Substrát – Jedná se o základní materiál desky plošných spojů, obvykle vyrobený ze skleněných vláken FR-4 nebo polyimidu. Poskytuje mechanickou pevnost a stabilitu a působí jako základ, který podporuje všechny ostatní vrstvy.
• Měděná vrstva – Tato vrstva umístěná na substrátu tvoří vodivé cesty, které přenášejí elektrické signály a proud mezi součástmi. V závislosti na typu desky může existovat jedna nebo více měděných vrstev.
• Pájecí maska – Ochranný povlak nanesený na měděné stopy, pájecí maska zabraňuje oxidaci, snižuje riziko zkratu a zajišťuje tok pájky pouze tam, kde je to potřeba při montáži.
• Sítotisk – nejvyšší vrstva obsahující tištěné značky, jako jsou štítky součástí, indikátory polarity a čísla dílů. Pomáhá s montáží, odstraňováním problémů a údržbou tím, že poskytuje jasné vizuální pokyny.
Vysvětlení pracovního postupu návrhu PCB
Proces návrhu PCB (Printed Circuit Board) začíná vývojem konceptu a vytvořením blokového diagramu, kde inženýři definují celkovou funkci obvodu a nastiňují, jak budou jednotlivé části interagovat. Tato fáze pomáhá vizualizovat architekturu systému a naplánovat návrh před zahájením jakékoli podrobné práce.
Následuje schematický návrh, který zahrnuje nakreslení elektrických spojů mezi komponentami. Je definován symbol každé součástky a její vztah k ostatním, což tvoří kompletní schéma elektronického obvodu, které slouží jako plán pro desku plošných spojů.
Jakmile je schéma připraveno, začíná fáze vytváření footprintu a umístění komponenty. V tomto kroku je každé elektronické součásti přiřazena fyzická stopa představující její skutečnou velikost a rozložení pinů. Konstruktéři umisťují tyto komponenty na rozvržení PCB způsobem, který optimalizuje prostor, elektrický výkon a vyrobitelnost.
Proces se poté přesune k návrhu skládání, kde inženýři definují počet vrstev, typy materiálů a tloušťky desky plošných spojů. Tento krok je rozhodující pro správu integrity signálu, řízení impedance a elektromagnetické kompatibility – zejména u vysokorychlostních nebo vícevrstvých konstrukcí.
Dále se provedou analýzy DRC (Design Rule Check) a DFM/DFA (Design for Manufacturing/Design for Assembly). DRC zajišťuje, že uspořádání PCB dodržuje pravidla elektrického a mechanického návrhu, zatímco analýzy DFM a DFA kontrolují, zda lze návrh efektivně vyrobit a sestavit bez chyb nebo výrobních problémů.
Jakmile je návrh ověřen, následuje krok generování produkčního souboru. Návrháři zde vytvářejí standardní výrobní soubory, jako jsou formáty Gerber nebo IPC-2581, a generují BOM (Bill of Materials), který uvádí všechny komponenty potřebné pro výrobu.
Nakonec je proces zakončen výrobou a montáží desek plošných spojů. Deska plošných spojů je vyrobena podle konstrukčních specifikací, komponenty jsou namontovány a sestavená deska je testována, aby byla zajištěna správná funkčnost.
Materiály používané při výrobě desek plošných spojů
Při výrobě desek plošných spojů se vybírají různé materiály na základě výkonu, nákladů a požadavků na aplikaci.
• FR-4 – Nejpoužívanější substrát, vyrobený ze skelných vláken vyztužených epoxidovou pryskyřicí. Nabízí dobrou mechanickou pevnost, elektrickou izolaci a cenovou dostupnost, takže je vhodný pro většinu spotřební elektroniky a zařízení pro všeobecné použití.
• Polyimid – Pružný a žáruvzdorný materiál, který udržuje stabilitu při tepelném namáhání. Díky své odolnosti a schopnosti ohýbat se je ideální pro letecké, automobilové a flexibilní aplikace PCB, kde je vyžadována spolehlivost v náročných podmínkách.
• Měděná fólie – Tloušťka měděné fólie, která se používá jako vodivé vrstvy, se může pohybovat od 1/2 oz do 4 uncí na čtvereční stopu. Silnější měď podporuje vyšší proudové zatížení, takže je užitečná pro výkonovou elektroniku, ovladače motorů a obvody s vysokými proudovými požadavky.
• Rogers / Vysokofrekvenční lamináty – Specializované lamináty s nízkou dielektrickou konstantou (Dk) a nízkým rozptylovým faktorem (Df). Tyto materiály zajišťují integritu a stabilitu signálu při vysokých frekvencích, takže jsou užitečné pro RF návrhy, komunikační systémy 5G a radarové aplikace.
Proces výroby PCB
Krok 1 – Návrh rozvržení CAD
Proces začíná přípravou návrhu DPS pomocí softwaru CAD/EDA. To definuje stohování desky, trasování, umístění prostřednictvím umístění a stopy komponent. Výstupní soubory (Gerber, vrtací soubory, BOM) slouží jako plán pro výrobu.
Krok 2 - Tisk filmu (zobrazování)
Každá vrstva PCB je převedena na fotomasku s vysokým rozlišením. Tyto filmy představují měděné vzory, pájecí masku a vrstvy sítotisku, které řídí pozdější kroky, jako je leptání a tisk.
Krok 3 - Leptání mědi
Laminát potažený mědí je potažen fotorezistem a vystaven UV záření přes fotomasku. Po vývoji je nechráněná měď chemicky vyleptána, takže požadované stopy obvodu zůstávají nedotčeny.
Krok 4 - Zarovnání vrstev a laminace
U vícevrstvých desek jsou jednotlivá leptaná jádra naskládána s deskami prepregu (sklolaminát impregnovaný pryskyřicí). Teplo a tlak v laminačním lisu spojují vrstvy do pevné struktury. Optické cíle a rentgenové registrační systémy zajišťují přesné zarovnání vrstev.
Krok 5 - Přesné vrtání
Vysokorychlostní CNC nebo laserové vrtačky vytvářejí otvory pro průchody, součásti s průchozími otvory a mechanické prvky. Tolerance jsou v mikronech, aby byla zajištěna spolehlivá konektivita.
Krok 6 - Pomědění pro průchody
Vyvrtané otvory jsou chemicky vyčištěny a galvanicky pokoveny mědí. To vytváří vodivé stěny válců uvnitř průchodů a vytváří elektrické spojení mezi vrstvami PCB.
Krok 7 - Aplikace pájecí masky
Na desce je potažena tekutá fotoobrazitelná (LPI) pájecí maska. Vystavení UV záření a jeho vývoj otevírá pouze oblasti podložek, zatímco zbytek je zakryt, aby izoloval stopy a zabránilo přemostění pájky.
Krok 8 - Sítotisk
Referenční označení, značky polarity, loga a montážní štítky jsou vytištěny na povrch desky pomocí epoxidového inkoustu nebo digitálního tisku, což usnadňuje montáž a kontrolu.
Krok 9 - Aplikace povrchové úpravy
Pro ochranu odkrytých měděných podložek a zlepšení pájitelnosti se používají povrchové úpravy. Mezi běžné možnosti patří:
• HASL (Hot Air Solder Leveling) – cín/olověný nebo bezolovnatý pájecí povlak
• ENIG (Electroless Nickel Immersion Gold) – plochá, spolehlivá povrchová úprava pro komponenty s jemnou roztečí
• OSP (Organic Solderability Preservative) – ekologická, nákladově efektivní varianta
Krok 10 - Elektrické testování (E-test)
Automatizované testery létajících sond nebo nehtů kontrolují přerušené obvody, zkraty a správné připojení k síti, čímž zajišťují elektrický výkon odpovídající návrhu.
Krok 11 – Závěrečná kontrola a kontrola kvality
Automatizovaná optická kontrola (AOI), rentgenové zobrazování a ruční kontroly potvrzují zarovnání podložky, kvalitu otvorů, integritu pájecí masky a rozměrovou přesnost. Pouze desky splňující přísné standardy IPC jsou schváleny k přepravě.
Výroba vícevrstvých desek plošných spojů a úvahy o HDI
Výroba vícevrstvých desek plošných spojů zahrnuje větší složitost než jednovrstvé nebo dvouvrstvé desky, protože je vyžadováno přesné vyrovnání a pokročilé metody propojení.
• Slepé a zakopané průchody – Tyto průchody spojují vybrané vrstvy, aniž by procházely celou deskou. Uvolňují povrchový prostor a zlepšují hustotu vedení, což pomáhá v kompaktních a vysoce funkčních konstrukcích.
• HDI (High-Density Interconnect) – Technologie HDI využívá mikroprůchody, jemnější šířky stop a tenčí dielektrika k dosažení velmi vysoké hustoty propojení. Díky tomu je užitečný pro chytré telefony, tablety, nositelná zařízení a systémy 5G, kde je nutností miniaturizace a vysokorychlostní přenos signálu.
• Rentgenové navádění vrtání – Aby byla zajištěna přesnost během vrtání, rentgenové registrační systémy vyrovnávají vnitřní vrstvy s extrémní přesností. Tento krok zabraňuje nesprávnému soutisku, zvyšuje spolehlivost a podporuje úzké tolerance vyžadované pokročilými vícevrstvými konstrukcemi.
Přehled procesů montáže PCB
Jakmile jsou desky plošných spojů vyrobeny, jsou na ně namontovány komponenty pomocí dobře definovaných montážních procesů.
• Technologie povrchové montáže (SMT) – Součástky se umisťují přímo na podložky potažené pájecí pastou na povrchu desky. Tato metoda podporuje vysokou hustotu komponent a je standardem pro moderní kompaktní elektroniku.
• Montáž průchozích otvorů – Vodiče komponent se vkládají do vyvrtaných otvorů a pájejí, čímž se vytvářejí silné mechanické vazby. Běžně se používá pro konektory, napájecí komponenty a desky vyžadující vysokou odolnost.
• Pájení přetavením – Po umístění součástek SMD deska prochází přetavovací pecí, kde řízené zahřívání roztaví pájecí pastu a vytvoří spolehlivé spoje. Tento proces se používá pro automatizovanou velkosériovou výrobu.
• Pájení vlnou – Desky se součástmi s průchozími otvory procházejí vlnou roztavené pájky, která spojuje více spojů současně. Je efektivní pro velkosériovou výrobu desek se smíšenou technologií.
Bezpečnostní pokyny pro manipulaci s PCB
Správná manipulace s PCB je nutná k ochraně desek i lidí, kteří s nimi pracují.
• ESD ochrana – Statická elektřina může snadno poškodit citlivé součásti. Používejte řemínky na zápěstí, antistatické podložky a vhodné úložné vaky, abyste zabránili elektrostatickému výboji během manipulace a montáže.
• Opatření při vysokém napětí – Desky plošných spojů v napájecích systémech mohou ukládat nebezpečnou energii do kondenzátorů. Vždy vybíjejte kondenzátory bezpečně, pracujte s izolovanými nástroji a v případě potřeby dodržujte postupy blokování/označování.
• Osobní ochranné prostředky (OOP) – Noste rukavice, brýle a masky na ochranu před výpary z pájky, prachem ze skleněných vláken a zbytky chemikálií. Tím se snižuje riziko expozice během pájení a přípravy desky.
• Ochrana proti vlhkosti – Desky plošných spojů mohou absorbovat vlhkost, což může způsobit vady, jako je delaminace během pájení. Skladujte desky ve vakuově uzavřených obalech nebo suchých skříních, abyste zachovali spolehlivost.
• Tepelná bezpečnost – Desky a pájené spoje zůstávají po přetavení nebo ručním pájení horké. Nechte dostatečnou dobu chlazení a při manipulaci s čerstvě pájenými sestavami používejte tepelně odolné rukavice.
Aplikace desek plošných spojů napříč průmyslovými odvětvími
Desky plošných spojů jsou jádrem téměř každé moderní technologie, přičemž aplikace pokrývají různá průmyslová odvětví.
• Spotřební elektronika – Desky plošných spojů, které se nacházejí v chytrých telefonech, televizorech, noteboocích a herních konzolích, umožňují kompaktní design, vysoký výkon a spolehlivé připojení pro každodenní zařízení.
• Automobilový průmysl – Moderní vozidla spoléhají na desky plošných spojů pro řídicí jednotky motorů, systémy správy baterií elektromobilů, infotainment a pokročilé senzory, které podporují bezpečnost a automatizaci.
• Lékařství – Vysoce spolehlivé desky plošných spojů napájejí zařízení, jako jsou kardiostimulátory, nositelná zařízení pro pacienty, přístroje MRI a diagnostická zařízení, kde je životně důležitá přesnost a bezpečnost.
• Průmyslové – Desky plošných spojů, které se používají v robotice, průmyslové automatizaci, motorových pohonech a výkonových měničích, poskytují odolnost a účinnost v náročných prostředích.
Letectví a obrana – Specializované desky plošných spojů jsou integrovány do avioniky, radarových systémů, satelitů a obranné elektroniky, kde je vyžadována odolnost, miniaturizace a spolehlivost v extrémních podmínkách.
• Telekomunikace – PCB pohánějí infrastrukturu, jako jsou základnové stanice 5G, datové servery a síťový hardware, podporující vysokorychlostní komunikaci a globální konektivitu
Závěr
Desky plošných spojů jsou mnohem víc než jen nosiče obvodů; Jsou základem inovací v elektronice. Zkoumáním jejich struktur, výrobních metod a průmyslových aplikací získáváme jasnější pohled na to, jak se technologie vyvíjí. S novými trendy, jako jsou optické desky, ekologické substráty a design řízený umělou inteligencí, slibuje budoucnost technologie PCB vyšší účinnost, miniaturizaci a udržitelnost.
Často kladené dotazy [FAQ]
Jak dlouho PCB obvykle vydrží?
Většina desek plošných spojů vydrží 10–20 let, v závislosti na kvalitě návrhu, materiálech a podmínkách prostředí. Špičkové desky s ochrannými povlaky a tepelným managementem často překračují tento rozsah v průmyslovém nebo leteckém použití.
Co způsobuje selhání PCB nejčastěji?
Mezi běžné příčiny patří přehřátí, absorpce vlhkosti, elektrostatický výboj (ESD), špatné pájené spoje a poškození stop. Preventivní design a ochranné nátěry tato rizika výrazně snižují.
Lze PCB recyklovat nebo znovu použít?
Ano. PCB lze recyklovat za účelem získání mědi, zlata a dalších kovů. Objevují se ekologické recyklační procesy, ale opětovné použití celých desek plošných spojů je vzácné kvůli opotřebení součástí a vyvíjející se technologii.
Jak testujete PCB před použitím?
Desky plošných spojů jsou testovány kontrolami průchodnosti, testy izolačního odporu a automatizovanou optickou kontrolou (AOI). Testery létajících sond nebo nehtů ověřují správné připojení a detekují zkraty před montáží.
Jaká průmyslová odvětví potřebují vysoce spolehlivé desky plošných spojů?
Letecký průmysl, obrana, automobilový průmysl a lékařský sektor vyžadují vysoce spolehlivé desky plošných spojů. Tyto desky jsou navrženy s přísnějšími tolerancemi, robustními materiály a přísným dodržováním norem IPC, aby byl zajištěn výkon v nebezpečných prostředích.