Pedagogická fakulta Masarykovy univerzity Katedra technické a informační výchovy Výroba plošných spojů PaedDr. Ing. Josef Pecina, CSc. Mgr. Pavel Pecina, Ph.D. 2007
Cíl kapitoly Student: Vysvětlí, co to jsou plošné spoje a popíše z čeho se skládají. Vyjmenuje dělení desek plošných spojů. Popíše postup výroby jednostranných plošných spojů fotochemickou cestou, metodou pozitivní emulze. Vysvětlí, kdy se používají vícevrstvé plošné spoje. Popíše v jakých situacích se používají univerzální desky plošných spojů. Plošné spoje (obr. 87) vycházejí z konkrétního zapojení elektronického obvodu - elektrotechnického schématu (obr. 86). Jsou to mechanické nosiče elektronických součástek a zajišťují jejich propojení. Součástky jsou na nich připájeny. Obr. 86 Schéma jednoduchého blikače Obr. 87 Plošný spoj zkratové zkoušečky
Deska plošných spojů se skládá z nosné desky a vodivých fólií (obr. 88). Obr. 88 Řez osazenou deskou Jako materiál nosné desky se používají různé materiály: Papír, tvrzený fenolovou pryskyřicí.( dnes se již nepoužívá) Tkanina tvrzená epoxidovou pryskyřicí. Skelná tkanina tvrzená epoxidovou pryskyřicí. Polyesterová fólie. Keramika. V rozhlasové a televizní technice a u měřicích přístrojů se používá papír tvrzený fenolovou a epoxidovou pryskyřicí. Pro velmi kvalitní plošné spoje (pro počítače) se používá epoxidová skelná tkanina. Základní materiál desky je potažen jednostranně nebo oboustranně měděnou fólií. Tloušťka fólie je zpravidla 35µm nebo 70µm. Celková tloušťka desky může být 0,5 až 3,2 mm. Standardní jsou tyto tloušťky: 1 mm, 1,5mm, 1,6mm a 2mm. Velikost desek se volí podle použití. Často je používán tzv. evropský formát 100x 160 mm. Podle uspořádání vodivých cest rozdělujeme desky plošných spojů na jednostranné, oboustranné a oboustranné s prokovenými otvory (obr. 89).
Obr. 89 Typy plošných spojů 1.1. Jednostranné plošné spoje Pro amatérské potřeby a potřeby školní dílny stačí jednostranně plátovaná deska. Oboustranná deska plošných spojů se v amatérských podmínkách dá zhotovit poněkud obtížně. Pokud si budeme chtít zhotovit konstrukci s oboustranným plošným spojem, je nejjednodušším řešením si ji objednat (pokud je to možné). Mnohé firmy to nabízejí. Kontakt na ně nalezneme mnohdy přímo ve zdroji (kniha, časopis, internet a pod). Cílem této části je popsat způsob zhotovení soustavy spojů a pájecích bodů. K tomu je třeba mít připravený motiv plošného spoje obraz vodivých drah, přenesený na průsvitný papír nebo fólii. Je označován také layout (nákres, nebo struktura)(obr. 90). Ten musí být důkladně
zkontrolovaný a bez závad. Nejefektivněji a ve vyhovující kvalitě zhotovíme motiv tak, že ho naskenujeme do počítače v poměru 1:1 a vytiskneme v nejlepší kvalitě na laserové tiskárně. Obr. 90 Ukázka motivu plošného spoje Existuje několik postupů amatérské výroby plošných spojů, které jsou ověřeny a používají se. Jsou to: Kresba rychle schnoucí kapalinou. Kresba pomocí obtisků Propisot. Vyřezávání obrazce do lepicí pásky. plošné spoje odlupováním fólie. Zhotovení fotochemickou cestou (fototechnikou). My se zaměříme na postup, kterým je možné zhotovovat plošné spoje hromadně. Je to výroba plošných spojů fotochemickou cestou. Je to metoda relativně snadno realizovatelná v amatérských podmínkách. Následující text je zaměřena na metodu pozitivní emulze, která se používá častěji. K výrobě plošného spoje touto metodou potřebujeme desku s měděnou folií, na které je nanesena vrstva emulze citlivé na světlo. Ta se osvětlí přes kresbu nakreslenou na průsvitném materiálu ( přes nákres, strukturu). Deska se vyvolá podobně jako exponovaný fotopapír při výrobě fotografie. Ovrstvenné desky je možné zakoupit i zhotovit nanesením pozitivní emulze na desku s měděnou folií. Ovrstvenné desky i emulzi je možné zakoupit v obchodech s elektrosoučástkami. Ke zhotovení plošného spoje fotochemickou cestou kromě ovrstvené desky a motivu plošného spoje potřebujeme následující pomůcky: Světelný zdroj UV záření, např. UV- lampa. V nouzi toto zařízení může nahradit i horské slunce.
Hydroxid sodný (NaOH) čistý v pevném stavu (zakoupit možno v drogerii). Leptací roztok. Většinou se používá speciální leptací roztok, což je nasycený roztok chloridu železitého (zakoupit možno v obchodech s elektrosoučástkami - obr). Pájitelný lak na neosazené plošné spoje. Ten je možné jednak zakoupit, nebo také snadno zhotovit (rozpuštěním kalafuny v lihu nebo acetonu). Při zhotovení plošného spoje postupujeme následovně: Oddělíme potřebnou velikost ovrstvené desky (závisí na velikosti motivu plošného spoje). Z desky sejmeme ochrannou fólii při tlumeném denním světle, aby nedošlo k jejímu osvícení. Motiv přitiskneme správnou stranou na desku a přitiskneme silnější skleněnou deskou tak, aby těsně přiléhal k desce. Správná strana je ta, která je označena jako strana spojů. Desku osvětlíme světelným zdrojem ze vzdálenosti asi 30 cm po dobu asi 3-5 min. (s dobou osvětlování je třeba experimentovat, nám se osvědčila doba 4,5 min).uspořádání fotocitlivé vodivé vrstvy máme na obrázku (obr. 91). Osvětlenou desku vyvíjíme v louhu sodném (jednoprocentní roztok). Ten připravíme tak, že rozpustíme 7-10 gramů v jednom litru vody. Po ponoření do vývojky se osvětlená emulze začne vyvolávat. Osvětlená emulze se odplavuje v podobě načervenalých šmouh. Co bylo neosvětleno, zůstává. Doba vyvíjení je asi jedna minuta. Vodivé cesty musí být zobrazeny tmavě. Meziprostory jsou patrné jako čistá měď. S louhem sodným pracujeme v rukavicích a chráníme si zrak. Desku leptáme v leptacím roztoku. Pokud leptací roztok zahřejeme, urychlíme proces leptání. Leptání trvá tak dlouho, dokud není motiv vyleptán. Na začátku leptání vložíme desku do leptací lázně. Asi po první minutě zjistíme, zda vše probíhá dobře. Vyjmeme desku, opláchneme ji vodou a prohlédneme barvu fólie. Naleptaná fólie má jinou barvu, než chráněná místa. Na některých místech se fólie nemusí leptat nebo naopak tam mohou být poškozené spoje. Místa, která se neleptají, lze opravit proškrábnutím. Poškozené spoje je možné opravit později (např. spájením). Vyleptanou desku poznáme tak, že prosvítá na odleptaných místech. Až se odleptá veškerá přebytečná měď, desku z leptací lázně vyjmeme a důkladně opláchneme vodou. Vyleptaná deska se opláchne pod tekoucí vodu a osuší. Z desky odstraníme ochrannou vrstvu na vodivých drahách acetonem nebo lihem. Desku vysušíme, vyvrtáme otvory pro součástky a naneseme pájitelný ochranný lak a necháme zaschnout.
Obr. 91 Uspořádání fotocitlivé vodivé vrstvy pro osvětlení Při vyvíjení a leptání plošných spojů může docházet k chybám, které mohou mít různé příčiny. Možné chyby a jejich příčiny ukazuje následující přehled (Bastian, P, 2004): Chyba Deska se nedá vyvíjet. Vodivé cesty mají po vyvíjení slabý kontrast. Fotovrstva je na nežádoucích místech. Vodivé cesty jsou částečně vyleptané. Proces leptání je přiliš dlouhý. Příčina Předloha neopouští světlo, doba osvětlení je přiliž krátká, světelná zdroj má nedostatečnou ultrafialovou složku. Vývojka je opotřebovaná. Vodivé dráhy motivu nejsou zcela neprůsvitné. Doba osvětlení je příliš dlouhá. Roztok vývojky příliš koncentrovaný. Doba osvětlení je přiliž krátká. Roztok vývojky příliš slabý. Doba vyvíjení příliš krátká. Vzor není při osvětlení přitisknut těsně na desce. Deska je příliš dlouho v lázni. Deska nedostatečně vyvinuta. Je třeba obnovit roztok.
1.2. Vícevrstvé plošné spoje V některých případech dvouvrstvá deska plošných spojů není dostačující. Jsou to případy obvodů s velkým množstvím spojů nebo případy, kdy deska plošných spojů tvoří propojovací rošt konektorového pole pro desky elektroniky. V tom případě se musí vyrobit vícevrstvé desky, označované MLB (multilayer board)(obr. 92). Tyto desky se vyrábí tak, že se hotové jednovrstvé desky položí lepicími fóliemi z nevytvrzených umělých hmot a slisují. Poté se vrtají a prokovují otvory. Pro složitější desky elektroniky většinou postačují 4- vrstvé desky (ve vnitřních vrstvách bývá napájení a zem). Propojovací desky roštů jsou až 24- vrstvé. Ve výjimečných případech i více. Vícevrstvé plošné spoje nemají v domácí ani školní elektrodílně praktického využití. Učitelé i žáci by však měli vědět, že existují. Obr. 92 Vícevrstvý plošný spoj 1.3. Univerzální desky plošných spojů Univerzální desky plošných spojů jsou určeny pro pokusné konstrukce nebo v nenáročných aplikacích i pro spojové desky definitivního provedení. Obrazce jsou řešeny buď účelově pro připojení určitého typu pouzdra nebo rozmístění vývodů součástek nebo jako pravidelná síť propojovacích bodů, jejichž vzájemným propojením pájením vzniknou spojové cesty podobně jako při návrhu plošného spoje. Pájecí plošky mohou být tvarovány jako kružnice, čtverce, pásky nebo plošky s jedním nebo více otvory. Na obrázku máme příklady dezénů univerzálních desek (obr. 93). Desky se dodávají vrtané na všech propojovacích bodech nebo nevrtané.
Obr. 93 Příklady dezénů univerzálních desek Otázky a úkoly Vysvětlete, co to jsou plošné spoje a popíšte z čeho se zkládají. Jaké známe desky plošných pojů (jak dělíme desky plošných spojů)? Popíšte postup výroby jednostranných plošných spojů fotochemickou cestou, metodou pozitivní emulze. Kdy se používají vícevrstvé plošné spoje. Vysvětlete, kdy se používají univerzální desky plošných spojů. Literatura PECINA, P., PECINA, J. Elektronika (technická praktika z elektroniky). Brno: MU. 2007. ISBN 978-80-210-4279-7. TKOTZ, K A KOL. Příručka pro elektrotechnika. Praha: Sobotáles, 2002. ISBN 80-86706-00-1.