Prototypování plošných spojů. Technologie „ruční" výroby PCB nejsou vyhrazeny pouze pro amatéry – používají je i profesionálové a malé výrobní podniky, a to zejména k prototypování plošných spojů.
Nabídka TME je určena jak velkým podnikům, tak menším výrobním nebo servisním podnikům, ale i žákům, studentům a dokonce i kutilům. Všechny tyto skupiny jistě ocení široký výběr univerzálních PCB desek, laminátů a dalších produktů pro prototypování elektronických zařízení.
V tomto článku se věnujeme následujícím tématům:
• Výroba obvodů pomocí CNC frézek
• Tradiční leptání PCB
• Výhody světlocitlivých laminátů a metody fotopřenosu
• Použití univerzálních prototypových desek
• Kontaktní desky ve výuce a profesních aplikacích
Měděné lamináty
Jednotlivé plošné spoje se vyrábějí pomocí laminátů, tedy plastových desek (obvykle sklo-epoxidových), které jsou z výroby potaženy homogenní vrstvou mědi. Cesty, pájecí pole a další součásti PCB se vytvářejí odstraněním vodivé vrstvy – chemicky nebo mechanicky. První technologie je takzvané leptání (o něm za chvíli), druhá předpokládá použití CNC stroje. V druhém případě digitálně řízená frézka odstraní měď tak, aby na povrchu laminátu zůstal počítačem připravený obraz PCB. Pro takové obrábění je zapotřebí materiál se správnými rozměry – optimální volbou je silnější laminát, protože zajistí toleranci z hlediska hloubky frézování a navíc si zachová mechanickou pevnost (i při oboustranném obrábění). Výrobky dostupné v katalogu TME mají tloušťku až 2,4 mm, takže zákazníci si jistě najdou výrobky, které budou vyhovovat jejich potřebám.
Výroba plošného spoje pomocí CNC frézky.
„Klasické" leptání
K leptání PCB se využívají chemické reakce. Jednou z nejoblíbenějších metod je oxidace mědi pomocí persíranu sodného. Před ponořením do roztoku se na destičku nanese obraz vyráběného spoje pomocí nerozpustné látky, která chrání kovové části před kontaktem s leptacím prostředkem.
Jednostranné pokrytí Oboustranné pokrytí Lamináty bez mědi
Setkáváme se s několika technologiemi nanášení ochranných povlaků. Ve zcela amatérských podmínkách se používá přenos toneru z laserového tisku. Někdy (u nejjednodušších obvodů) také stačí nakreslit cesty ručně pomocí speciálního pera. Obě metody mohou přinést uspokojivé výsledky, ale jejich přesnost je omezená. Pro tyto práce lze použít jakýkoli laminát (třeba i 0,6 mm), je však nutné dbát na tloušťku měděné vrstvy (k dispozici jsou výrobky, u nichž se tato hodnota pohybuje od 18 µm do 105 µm). Čím robustnější je kovová vrstva, tím delší je proces leptání a při delším ponoření do roztoku může dojít k poškození („poleptání") nejmenších částí obrazu, například úzkých cest.
„Fotopřenos"
Elektronické součástky jsou čím dál menší a některé prvky jsou někdy k dispozici pouze v SMD pouzdrech. V dnešní době již nejen výrobci elektronických zařízení, ale i naprostí amatéři cítí potřebu vyrábět přesné obvody s tolerancemi řádově desítek, ne-li několika mikrometrů. Proto roste obliba fotopřenosové technologie, která umožňuje dosáhnout téměř profesionálních výsledků – avšak bez použití specializovaného strojního vybavení.
Fólií chráněný laminát pokrytý světlocitlivým lakem.
Fotopřenos se nevztahuje na metodu výroby PCB (cesty jsou vytvářeny leptáním, jak je popsáno výše), ale na technologii nanášení ochranné vrstvy na laminát. Nejprve se měď pokryje světlocitlivou látkou (lakem) vytvrzenou ultrafialovým (UV) světlem. Takto připravená plocha se pokryje průhlednou fólií, na kterou se vytiskne negativní obraz obvodu (doporučuje se jej co nejvíce začernit), a nechá se exponovat. Na nepotištěných místech se krycí metalizovaná vrstva laku vytvrdí, zatímco z ostatních částí se po ponoření do vývojky vypláchne (vývojky jsou k dispozici v naší nabídce chemických přípravků, např. UNI-DEV-22G). Od tohoto okamžiku je postup stejný jako výše popsaný: deska se ponoří do oxidačního roztoku, který odstraní měď z laminátu (s výjimkou míst chráněných lakem). Ochranná vrstva se poté smyje izopropylalkoholem nebo acetonem.
Jedním ze způsobů, jak získat světlocitlivou vrstvu na PCB, je vytvořit si ji sami, existují k tomu speciální prostředky. Z katalogu TME je však možné zakoupit také hotové lamináty, na které je světlocitlivá látka nanesena strojově. Tyto výrobky umožňují dosáhnout nejlepších a opakovatelných výsledků (díky homogennímu pokrytí lakem s přísně kontrolovanou koncentrací). Povlak je chráněn před působením světla odlupovací fólií, takže výrobky lze dlouhodobě dlouhodobě skladovat a před použitím také mechanicky opracovat. Tyto desky jsou k dispozici v mnoha formátech: od 100×50 mm do 300×210 mm, tedy v plném rozměru listu A4.
Důležité vlastnosti laminátů
Je třeba poznamenat, že sortiment laminátů je velmi rozmanitý. Kromě rozměrů až 610×457 mm a jednostranných a oboustranných měděných variant, jsou k dispozici i specializovanější výrobky. Přestože je většina desek vyrobena s použitím FR4 (nehořlavá kombinace epoxidové pryskyřice a skleněných vláken), vybrané výrobky jsou připraveny pro vysoce výkonné obvody a lepší odvod tepla – obsahují hliníkovou vrstvu. Sortiment zahrnuje také lamináty bez mědi, používané jako izolační, konstrukční materiály a materiály pro výrobu nestandardních obvodů.
Univerzální a prototypové desky
Lamináty se používají v konečné fázi prototypování, např. k testování navrženého obvodu. Někdy se používají k výrobě jednoho nebo více kusů zařízení – například pokud se jedná o obvod vyráběný na zakázku s velmi přesně určenou funkčností. Zatímco při plánování obvodů, soukromém vytváření návrhů nebo testování konstrukčních řešení lze fázi výroby PCB zcela vyloučit.
Univerzální desky Jednostranné desky Oboustranné desky SMD adaptéry
Univerzální PCB desky jsou lamináty, na kterých byly vytvořeny jednoduché cesty (nebo jen pájecí pole) a vyvrtány otvory ve standardním rastru (většinou 2,54 mm). Umožňují připevnit a připájet elektronické součástky a usnadnit zhotovení obvodu. V případě desek s řadami propojených polí se cesty řežou nožem nebo vystružují – v případě PCB, na nichž jsou pouze otvory a pájecí pole, se spoje vytvářejí přemostěním pájkou.
Vzhledem k tomu, že tyto typy desek jsou ze své podstaty pravidelně perforované a často také zhotovené z tvrdého papíru (a ne FR4), jejich velikost lze upravit podle potřeb řezáním a lámáním, což výrazně urychluje práci. Je však třeba zde poznamenat, že univerzální desky jsou k dispozici v široké škále velikostí, často se strojově zhotovenými upevňovacími otvory, takže je velmi pravděpodobné, že jejich obrábění nebude vůbec nutné.
Deska sloužící jako adaptér, určená pro práci s různými obvody SMD.
Speciálním typem prototypových desek jsou multiadaptéry, na kterých jsou umístěna pole pro montáž komponent se specifickým pouzdrem. Usnadňují mimo jiné prototypování s použitím komponent pro povrchovou montáž, zejména integrovaných obvodů s více vývody, jako jsou například multiplexery, ovladače či mikrokontroléry. Jsou vyrobeny tak, že každé SMT pole je připojeno alespoň k jednomu otvoru THT, ke kterému lze snadno připájet vodiče nebo kolíkový konektor.
Prototypování s kontaktními deskami
Nejrychlejší způsob předvádění a prototypování obvodů nabízejí kontaktní desky. Jedná se o plochá těla vyrobená z plastu. Na horní straně mají otvory uspořádané se standardní roztečí 2,54 mm, které jsou přizpůsobené pro osazování typických THT prvků. Pod otvory jsou podélné kovové kontakty, které zajišťují spojení mezi všemi body v jednotlivých řadách (každá řada má samostatnou sadu kontaktů). Pole rozmístěná po stranách desky zůstávají kompaktní po celé délce sloupce, protože jsou navržena tak, aby fungovala jako napájecí dráhy sdílené více komponenty. Takové uspořádání umožňuje vytvářet obvody (i složité) bez použití nástrojů. Postačí jen THT komponenty a propojovací kabely. Některé výrobky jsou dodávány v sadě s takovými konektory.
Sada kontaktních desek se sadou propojovacích kabelů.
V nabídce TME je široký výběr kontaktních desek – od nejmenších (100 polí) až po rozsáhlé modely (3200 polí) umístěné na vyvážené stíněné základně a s otvory určenými pro montáž banánků (což usnadňuje připojení napájení. Tyto druhy výrobků jsou skvělým vzdělávacím doplňkem, který umožní volně experimentovat s elektronikou. Oblíbili si je však i profesionálové – např. k provedení rychlého testu konstrukčního řešení nebo k vytvoření dočasného náhradního obvodu. Kromě různých velikostí mohou desky také vyniknout barvami. Vybrané modely jsou navíc modulární, takže je lze spojovat do větších ploch.