Co je PCB? Základní komponent moderní elektroniky.

PCB je kouzelný předmět, který má tu moc přeměnit hromadu součástek v chytrá zařízení (k tomu je ještě potřeba správné zaříkávadlo v podobě nahraného firmware). Je to zásadní vrstvená kostra, která vytváří funkční propojení mezi elektronickými součástkami.

PCB se skládá z několika vrstev, typicky využívajících kompozitní materiály – pryskyřice plněné skleněnými vlákny různé hustoty jako izolátory/mezivrstevní dielektrika, ačkoli lze použít i keramiku, teflon nebo jiné plasty.

Struktura PCB

Základní vrstva: Základní vrstva PCB je izolační materiál, který desce poskytuje mechanickou pevnost. Nejčastěji se používá sklolaminát (FR-4) pro svou cenovou dostupnost, mechanickou pevnost a teplotní stabilitu. Pro speciální aplikace lze použít keramické nebo flexibilní substráty.

Vodivé vrstvy: Měděná fólie tvoří vodivé vrstvy na povrchu nebo uvnitř desky. Tyto vrstvy jsou propojeny pokovenými průchozími otvory (VIA), které umožňují přenos signálu mezi vrstvami.

Povrchová úprava: Povrch PCB kombinuje dvě odlišné oblasti: pájitelné plošky s povrchovou úpravou (využívající zlato, stříbro nebo jiné slitiny) a nepájitelný povrch, který je obklopuje.

Nepájivá maska: Povrch PCB je pokryt nepájivou maskou, izolační vrstvou, která chrání měděné cesty před oxidací. Poskytuje základní ochranu obvodu, funkční krytí, vzhled a povrch pro budoucí potisk. Ačkoli je typicky zelená, lze použít i jiné barvy.

Potisk: Na PCB jsou natištěny popisky, symboly a označení součástek pro usnadnění montáže a diagnostiky.

Typy PCB

Jednovrstvé PCB: Specializované řešení, zvláště ve variantě s jednou vrstvou na termálním substrátu, navržené pro aplikace s vysokými výkonovými ztrátami.

Dvouvrstvé PCB: Obsahuje měď na obou stranách substrátu. Zvláště důležité v sériové výrobě a automobilových aplikacích.

Vícevrstvé PCB: Skládá se z několika měděných vrstev oddělených izolačními vrstvami. Tyto desky umožňují implementaci složitých obvodů v kompaktním formátu. Vzhledem k rostoucím požadavkům na potlačení EMI většina moderních zařízení, včetně automobilového osvětlení, nyní používá vícevrstvé desky (4 nebo více vrstev).

Flexibilní a rigidně-flexibilní PCB: Flexibilní PCB využívají materiály umožňující ohýbání a přizpůsobení tvaru. Rigidně-flexibilní PCB kombinují pevné a ohebné části, což umožňuje jejich použití v komplexních mechanických sestavách.

Výrobní proces PCB

Jak se PCB desky vyrábí?

1. Návrh: PCB je navržena pomocí CAD softwaru (např. OrCAD (náš primární nástroj), Altium Designer, Eagle, KiCAD), kde se vytváří schémata a layouty desek.
2. Leptání: Měděná fólie je pokryta fotocitlivým materiálem, exponována a vyvolána pro vytvoření vzoru cest. Následuje leptání, kde je nechráněná měď odstraněna kyselinou nebo zásadou.
3. Skládání a laminace: Nezbytné pro vícevrstvé desky, které jsou nyní standardem ve většině elektronických zařízení kvůli požadavkům EMI. I relativně jednoduchá zařízení jako automobilové osvětlení nyní běžně používají 4vrstvé PCB.
4. Vrtání a prokovení: CNC stroje vrtají otvory pro součástky, zatímco lasery vytvářejí mikropropoje (microvia). Oba typy otvorů se po pokovení stávají prokovy (VIA).
5. Pokovování: Otvory jsou pokryty mědí pro vytvoření elektrických spojení mezi vrstvami. Pro pokročilou technologii ELIC (Every Layer Interconnection) vyžaduje proces několik iterací návratem ke kroku 3 pro opakování fází skládání a pokovování.
6. Aplikace masky: Nepájivá maska je nanesena pro zajištění základní ochrany obvodu, funkčního krytí a vytvoření povrchu vhodného pro potisk.
7. Povrchová úprava: Odkrytá měď je pokryta vodivou a pájitelnou vrstvou, kterou může být zlato, stříbro nebo různé slitiny jako ENEPIG. V RF aplikacích je povrchová úprava klíčová pro finální výkonové parametry.
8. Potisk: Popisky, symboly, legendy a označení součástek jsou natištěny na PCB pro usnadnění montáže.
9. Osazení a oddělování desek: PCB desky zůstávají součástí většího panelu během procesu osazování, což umožňuje efektivnější výrobu. Samotné osazování je komplexní proces zahrnující mytí, aplikaci pájecí pasty, umístění součástek, pájení, kontroly, bondování, další kontroly a nanášení ochranné vrstvy (conformal coating). Následuje oddělování jednotlivých desek z panelu řezáním nebo lámáním a finální testování. Panelová výroba umožňuje efektivnější manipulaci a lepší využití výrobního zařízení.

Využití PCB

PCB jsou nepostradatelné ve většině moderních elektronických zařízení, od jednoduchých zařízení jako jsou hodiny nebo kalkulačky až po složité systémy (počítače, mobilní telefony, lékařská zařízení, průmyslové stroje a vojenské vybavení).

Užitečné externí zdroje

IPC - Association Connecting Electronics Industries — Mezinárodníorganizace poskytující standardy, školení a zdroje pro výrobu a design PCB.

NextPCB Blog — Blog se širokou škálou informací a návodů týkajících se návrhu a výroby PCB.

EDN Network — Web zaměřený na elektronický design. Najdete tu články, návody a novinky z oblasti elektroniky a PCB.

All About Circuits — Komunitní platforma pro inženýry a nadšence do elektroniky, Návody, články, fórum pro diskuzi.