Projekt: ODBORNÝ VÝCVIK VE 3. TISÍCILETÍ Téma: MEII - 1.2 VÝROBA DPS RUKOU Obor: Mechanik elektronik Ročník: 2. Zpracoval(a): Jiří Kolář Střední průmyslová škola Uherský Brod, 2010 Projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky
Obsah 1. Plošný spoj, úvod do problematiky...3 1.1 Materiály plošných spojů...3 1.2 Základní materiály DPS...4 1.3 Rozdělení DPS...6 2. Výroba DPS rukou...7 Použitá literatura...11
1. PLOŠNÝ SPOJ, ÚVOD DO PROBLEMATIKY Plošné spoje vycházejí z konkrétního zapojení elektronického obvodu schématu. Jsou to mechanické nosiče elektronických součástek a zajišťují jejich propojení. Součástky jsou na desku plošného spoje připájeny. Deska s plošnými spoji (DPS) je výsledná deska obsahující plošné vodiče, pájecí body a další prvky vodivého obrazce, určená pro montáž součástek i mechanických dílů. Součástky jsou montovány z jedné nebo z obou stran. Plní funkci nosného prvku součástek tzn. mechanickou, zajišťuje odvod ztrátového tepla, funguje jako elektrický i optický propojovací prvek mezi součástkami a systémy. Obr. 1 Ukázka DPS DPS musí být spolehlivé a cenově dostupné a musí vyhovovat elektrickým, mechanickým, tepelným, chemickým, klimatickým a optickým požadavkům. Funkce i spolehlivost DPS je ovlivněna materiálem a technologií výrobního procesu. 1.1 MATERIÁLY PLOŠNÝCH SPOJŮ Jako nosné elektroizolační podložky plošných spojů se používají dielektrické materiály. Rozdělujeme je na organické, anorganické nebo kombinované bázi (tvořené organickým substrátem s kovovým jádrem). Výztuž určuje mechanické vlastnosti DPS (pevnost v tlaku, tahu, ohybu), rozměrovou stálost v daném teplotním rozsahu, výrazně ovlivňuje elektrické, chemické a teplotní charakteristiky. Tvoří kostru laminátu. Druhy výztuže: skleněné vlákno, tvrzený papír, aramidové vlákno, křemenné vlákno, uhlíkové vlákno.
Pojivo zrovnoměrňuje působení vnějších vlivů na výztuž, chrání ji před mechanickým poškozením a účinky chemikálií. Pojiva jsou na polymerní bázi. Pro neohebné montážní a propojovací struktury se používají termosety (reaktoplastové pryskyřice), pro ohebné materiály se používají termoplasty. Pojivo musí mít výborné dielektrické vlastnosti s malou hodnotou relativní permitivity a ztrátového činitele. Podle tuhosti dělíme plošné spoje na neohebné a ohebné (flexibilní). Vodivá měděná fólie je zpravidla naplátovaná na nosné podložce, a to jednostranně nebo oboustranně. Tloušťka fólie je zpravidla 35mm nebo 70mm. Celková tloušťka desky může být 0,5 až 3,2 mm. Standardní jsou tyto tloušťky jsou 1 mm, 1,5mm, 1,6mm a 2mm. 1.2 ZÁKLADNÍ MATERIÁLY DPS Neohebné základní materiály: FR-2 fenol formaldehydová pryskyřice + celulózový papír, nehořlavý. Používají se zejména na jednovrstvé DPS, dvouvrstvé DPS s pokovením otvorů na bázi stříbrných past. Dobře se vrtá a opracovává. Jeho nevýhodou je velká navlhavost a malá odolnost vůči elektrickému oblouku. FR-3 epoxidová pryskyřice + tvrzený papír. Používá se pro náročnější aplikace, má lepší elektrické, mechanické, chemické a teplotní vlastnosti. FR-4 epoxidová pryskyřice + skleněná tkanina. Používá se zejména v měřicí, regulační technice, počítače. Nevýhodou je horší mechanické opracování a dvakrát vyšší cena než u FR-2. CEM-1 výztuž papír a skelná tkanina, pojivo epoxidová pryskyřice. Použití pro spotřební elektroniku. Pro velmi náročné aplikace se používají anorganické základní materiály, nejčastěji to jsou keramické materiály korundová a beryliová keramika. Ohebné základní materiály: PET (polyetylentereftalát) klávesnice PEN (polyethylennaftalát) klávesnice PI (polyamid) vodivé propojení DPS
Ohebné plošné spoje byly původně navrženy jako náhrada za tradiční drátové kabeláže tam, kde bylo potřeba propojit více dvojic bodů. Při použití ohebných nebo tradičních spojení, je nutné zvážit několik faktorů. Pokud aplikace vyžaduje vysokou Obr. 2 Ohebná DPS hustotu vodičů, dynamickou (nepřetržitou) mechanickou ohebnost, kontaktní plochy pro analogové nebo digitální zařízení a vysokou spolehlivost v čase, pak je flexibilní spojení tou nejlepší volbou. Vyrábí se čtyři základní typy ohebných spojů: jednostranný, dvoustranný, vícevrstvý a kombinace pevného s pohyblivým. V současné době se pásů ohebných spojů využívá v analogovém i digitálním zařízení, které obsahují kombinace vícevrstvých, pohyblivých a pevných obvodů, čím dál ve větší míře. Výhody ohebných spojů: Úspora hmotnosti a místa. Snadné dodržení požadované impedance. Možno využít i pro tepelná zařízení. Umožňuje dodržení jednotných elektrických charakteristik pro vysokorychlostní obvody. Ohebnost umožňující snazší instalaci a servis. Vysoká spolehlivost a zejména reprodukovatelnost. Vyloučení konektorů. Omezení montážních nákladů. Nevýhody ohebných spojů: Aplikace s propojeními na dlouhé vzdálenosti. Obvody přenášející vysoké napětí. Nedostatek zkušených výrobců.
1.3 ROZDĚLENÍ DPS Jednostranné - vodivá měděné fólie je naplátovaná na nosné podložce z jedné strany. Oboustranné - vodivá měděná fólie je naplátovaná na nosné podložce z obou stran s pokovenými nebo nepokovenými otvory. Obr. 3 Typy DPS Vícevrstvé (multiplayers board) - Tyto desky se vyrábí tak, že se hotové jednovrstvé desky položí lepicími fóliemi z nevytvrzených umělých hmot a slisují. Propojovací desky roštů jsou až 24 vrstvé. Ve vnitřních vrstvách bývá napájení a zem. Obr. 4 Pokovený otvor Univerzální - jsou určeny pro pokusné konstrukce nebo v nenáročných aplikacích k ověření funkce zařízení. Dodávají se vrtané na všech propojovacích bodech nebo nevrtané. Obr. 5 Univerzální DPS
2. VÝROBA DPS RUKOU Připravení předlohy motivu DPS pro výrobu. Motiv DPS se navrhne rukou nebo na počítači. Obr. 6 Počítačový návrh DPS zrcadlově otočený Obr. 7 Ruční návrh DPS zrcadlově otočený Rozměry navržené DPS se narýsují na surovou cuprextitovou desku. Cuprextitová deska se přesně ustřihne na pákových nůžkách. Ostré hrany a rohy se ojehlí pomocí smirkového papíru a pilníku. Na cuprextitovou desku se přiloží zrcadlově otočený motiv plošného spoje. Zrcadlově otočený motiv plošného spoje se získá z návrhu plošného spoje otočením návrhu plošného spoje za pomoci protisvětla. Zdrojem protisvětla může být okno, žárovka pod skleněnou deskou nebo pomocí propíjivého fixu. Motiv plošného spoje se upraví tak, že na užších stranách se přesně zastřihne na určený rozměr a na širších stranách se ponechá delší proužek papíru. Motiv se na cuprextitovou desku
přesně vystředí a pomocí izolační pásky se motiv plošného spoje přichytí ke cuprextitové desce za ponechané proužky papíru ze spodní strany cuprextitové desky na delších stranách. Obr. 8 Přiložení motivu plošného spoje na cuprextit Kladívkem důlčíkem a ostrým se vyznačí terčíky pájecích plošek pro součástky. Cuprextitová deska se musí řádně očistit od oxidů mědi a mastnoty. Obr. 9 Odůlčíkovaný cuprextit Hrubé mechanické odstraní jemným nečistoty se smirkovým papírem. Měděnka a mastnota se odstraní jemnou brusnou pastou (např. čistícím práškem na nádobí). Pak se cuprextitová deska pod vodou omyje, osuší a na závěr odmastí (aceton, líh). Obr. 10 Překreslený motiv plošného spoje na cuprextitu rukou pomocí fixu
Přípravky pro čištění a odmaštění jsou zdraví škodlivé, proto je nutné dodržovat bezpečnost práce a návod k použití s těmito přípravky. Je vhodné se takto připravené cuprextitové desky rukama co nejméně dotýkat, aby se znovu nezamastila. Na připravenou cuprextitovou desku, tzn. ojehlenou, odůlčíkovanou, vyčištěnou a odmaštěnou, se přenese motiv plošného spoje. Motiv se nejdříve na cuprextitovou desku překreslí tužkou. Při kreslení se musí dodržet všechny pravidla pro kreslení a návrh plošných spojů. Po nakreslení plošných spojů tužkou podle pravítka, se spoje obtáhnou lihovým fixem nebo kreslícím perem naplněným leptuvzdornou kapalinou. Obr. 11 Kreslicí pero DPS se vyleptá. Pro leptání DPS se používají roztoky, které rozpustí nezakrytou fólii mědi. Jsou to chlorid železitý roztok je stálý a vyčerpává se pouze leptáním. Leptání lze urychlit zahřátím a mícháním roztoku. Velké a oboustranné DPS je vhodné leptat v leptacích přístrojích s probubláváním vzduchu a ohřevem roztoku. Malé DPS se leptají položením DPS motivem na hladinu chloridu železitého tak, aby nevznikla pod DPS vzduchová bublina. Dalším je kyselina chlorovodíková (solná) s peroxidem vodíku, nebo v kyselina dusičná roztoky nejsou stálé a připravují se vždy čerstvé. DPS se pokládá do roztoku kyseliny motivem nahoru. POZOR - Přípravky pro leptání jsou žíravé a zdraví škodlivé, proto je nutné dodržovat bezpečnost práce a návod k použití s těmito přípravky. Při práci s leptacími roztoky se musí pracovat v dobře větraném prostředí a vyvarovat se potřísnění oděvu, těla a očí. Po vyleptání DPS se provede opláchnutí ve vodě a kontrola odleptání. Hotová DPS se vyvrtá na stolní stojanové vysoko rychlostní vrtačce, nebo ruční vrtačkou upevněnou ve stojanu. Pro většinu součástek postačí vyvrtat dírky o průměru 0,7mm 1mm. Pak se DPS očistí od ochranné vrstvy laku a natře se roztokem kalafuny rozpuštěné v lihu. Roztok kalafuny rozpuštěné v lihu slouží jako pájecí a ochranný lak.
Po zapájení součástek a odstřižení vývodů se provede opětovné čištění DPS od zbytků tavidla a DPS se znovu natře kalafunou rozpuštěnou v lihu, která bude vývody součástek a povrch plošných spojů chránit před oxidací. Obr. 12 Hotová DPS
POUŽITÁ LITERATURA 1. PECINA, P., PECINA, J.: Elektronika (technická praktika z elektroniky). Brno: MU. 2007. ISBN 978-80-210-4279-7. 2. TKOTZ, K. A KOL.: Příručka pro elektrotechnika. Praha: Sobotáles, 2002. ISBN 80-86706-00-1. 3. STARÝ, J., ŠANDERA, J., KAHLE, P.: Plošné spoje a povrchová montáž. Skriptum VUT- FEKT, PC-DIR 1999. 4. DLOUHÝ, J., ARENDÁŠ, V.: Materiály a technologie. 2001. 5. http://hw.cz/produkty/obecne-produkty/art1485-co-jsou-ohebne-plosne-spoje-a-k cemu-se-hodi.html