Základy elektrotechniky (VI)

VÝVOJ ELEKTROTECHNICKÝCH ZAŘÍZENÍ

Na začátku musí být definovány požadavky (elektrické parametry, rozsah provozních teplot, odolnost proti vlhku, odolnost proti otřesům, apod.), ze kterých se vychází při tvorbě blokového schématu, konkrétního zapojení, desky plošných spojů a mechanické konstrukce. Před návrhem desky se často některé (dříve nevyzkoušené) části zapojení zkouší na univerzální destičce. Funkci některých obvodů můžeme modelovat i pomocí počítače.

Poté dojde k návrhu plošného spoje, výrobě mechanických dílů a vytvoření funkčního vzorku, na kterém se zapojení odzkouší jako celek. Dále je třeba zpracovat projektovou dokumentaci, podle které se vyrobí prototyp. Ten na rozdíl od funkčního vzorku musí být shodný s budoucími výrobky. Jeho výroba ověří zároveň správnost dokumentace (pokud výrobu dělá jiný pracovník než ten, který dokumentaci vytvářel).

Při prototypových zkouškách se důkladně ověří všechny vlastnosti budoucího výrobku. Zjišťuje se odolnost proti rušení, vyzařování rušivých signálů, odolnost proti vibracím, vodě, vysokým a nízkým teplotám, apod. Později se při hromadné výrobě měří už jenom základní parametry výrobku.

Následuje výroba ověřovací série, která se provádí za stejných podmínek jako hromadná výroba. Znova se ověří správnost a úplnost dokumentace (v každé dokumentaci jsou zpočátku chyby, na každém zařízení se zpočátku provádějí změny). Hlavně se ale ověří reprodukovatelnost zapojení. Zapojení, které jsme jednou úspěšně realizovali, nemusí být ještě úplně v pořádku. Nepříznivý souběh tolerancí součástek a tolerance při nastavování parametrů mohou působit problémy.

Čím více času věnujeme těmto etapám výroby, tím méně máme problémů s vlastní výrobou a tím kvalitnější výrobek zákazník dostane. Každé zařízení, které se na trhu prodává musí být homologováno. To znamená, že státní zkušebna musí ověřit zda odpovídá bezpečnostním předpisům, zda splňuje požadavky pro elektromagnetickou kompatibilitu případně další parametry potřebné pro danou kategorii přístrojů. Elektromagnetická kompatibilita znamená, že zařízení není při svém provozu zdrojem rušení a že případné cizí rušení neovlivní jeho funkci. Příslušné požadavky pro homologaci je vhodné brát v úvahu již na začátku vývoje. Případné odstraňování nedostatků je později zbytečně nákladné (za každý pokus o homologaci se platí hodně peněz).

NÁVRH DESKY s plošnými spoji provádíme pomocí vhodného programu (EAGLE, ORCAD, apod.), který může zajistit vygenerování všech potřebných výstupních souborů. To znamená pro každou použitou součástku zajistit vytvoření plochy pro odstranění nepájivé masky (při výrobě plošného spoje), vytvoření plochy pro nanesení pájecí pasty, určení polohy a orientace součástky (partlist) a případně její hodnoty, určení souřadnic všech otvorů a jejich průměrů.

PŘEDLOHU pro výrobu plošného spoje můžeme vytvořit dvojím způsobem:

1. vytisknutím z laserové tiskárny na průhlednou folii
2. vytisknutím z kvalitní (nejlépe laserové) tiskárny na papír a následným přefotografováním na film. Předloha může být u malých desek pro lepší rozlišení vytisknuta zvětšeně a poté fotograficky zmenšena na správnou velikost (potom je třeba napsat měřítko nebo desku okótovat)

Obě výše uvedené metody jsou vhodné pro návrhy v nižších konstrukčních třídách (3), kde nepřesnosti vzniklé tiskem nejsou podstatné. Výhodou je nižší cena (pro 1 ks jednostranného plošného spoje zhruba 50 až 100 Kč/dm²). V nižších konstrukčních třídách se dají touto metodou vyrábět i dvoustranné plošné spoje bez prokovených děr.

3. vyřezáním na folii pomocí fotoplotteru na základě výstupních souborů - dražší, přesnější, nutné pro návrhy vyšších konstrukčních tříd (4 a 5) kdy spoje procházejí mezi nožičkami integrovaných obvodů. Důležitá je minimální teplotní roztažnost folie (skladovat tak, aby se nezkroutila teplem). Cena za výrobu podkladů dvoustranného plošného spoje s prokovenými otvory a s nepájivou maskou je asi 1000 až 2000 Kč/dm².

IDENTIFIKACE DESEK

Na každé desce je nápis, kterým zabraňujeme jejímu zrcadlovému vyrobení a který desku označuje. Amatéři zpravidla označují desky názvem (zdroj, zesilovač). Tento způsob přestává být při větším počtu návrhů přehledný a může vést k omylům.

Pro firmy zabývající se touto činností je vhodnější označovat jednotlivé desky kódem, ze kterého je zřejmé: která firma desku vyrobila (případně logo firmy), který konstruktér desku navrhl, do jakého zařízení (na jakou zakázku) je deska určena, o kolikátou verzi návrhu se jedná, jestli se jedná o desku základní nebo o kumul, kdy byla deska vyrobena, atd. Tento kód musí být na všech vygenerovaných vrstvách - horní strana (top), spodní strana (bottom), nepájivá maska horní strana (tStop), nepájivá maska spodní strana (bStop), vrstva pasty - síto (tCream), atd.) vně obrysu desky, u vrstvy top nebo bottom ještě navíc uvnitř obrysu (aby se deska dala identifikovat i po odstřižení). Kód desky by měl být zároveň totožný s názvem souboru desky v programu pro návrh plošných spojů.

VÝROBA PLOŠNÉHO SPOJE

K zadání profesionální výroby je zapotřebí předloha (na průhledné folii) obrazce horní a spodní strany spoje, případně pro nepájivé masky a soubor dat pro automatické vrtání děr. Každá vyráběná deska musí být opatřena rohy. Ty jsou zobrazeny ve všech vygenerovaných vrstvách. Slouží pro jejich správné sesazení při výrobě a pro správné odstřižení. Při vytváření obrazce plošného spoje (podobně jako při výrobě integrovaných obvodů) na desku naneseme rovnoměrnou vrstvu fotorezistu. Na desku položíme průhlednou folii a exponujeme ultrafialovým světlem. Na ozářených místech se fotorezist vytvrdí, aby chránil měděnou folii při leptání. Z ostatních míst se fotorezist smyje a tato místa se potom odleptají.

Zatímco při amatérské výrobě je vrtání poslední výrobní operací, u profesionální výroby je tomu naopak. Deska se nejprve pomocí souřadnicové vrtačky automaticky odvrtá. Potom se galvanicky pocínují ty oblasti, kde má měď zůstat a prokoví se otvory. Cín chrání měď při leptání v zahlubovači a vytváří zároveň pájecí plošky. Nakonec se nanese nepájivá maska.

U desek s velmi malými vzájemnými vzdálenostmi spojů je postup trochu složitější. Po leptání se vrstva cínu sundá a nanese se nepájivá maska. Na závěr se provede pocínování kontaktních ploch.

Standartně se používají dvouvrstvé plošné spoje s prokovenými otvory, jejich cena je oproti jednostranným zhruba dvou až čtyřnásobná. U vysokofrekvenčních obvodů bývá spodní strana využita jako zem. Vícevrstvé (4vrstvé) desky se vyrábějí jako dvě dvouvrstvé, které jsou nakonec k sobě slepeny. Jejich výroba je mnohem náročnější. Tím je i vyšší cena a horší (u vnitřních vrstev nulová) opravitelnost. Vnitřní vrstvy se nejčastěji používají jako zem a napájení. Použití těchto desek má význam pouze tehdy, má-li úspora místa nejvyšší prioritu.

Cuprextit, který slouží k výrobě plošných spojů, může mít různé vlastnosti. Dle požadavků na mechanickou pevnost volíme jeho tloušťku 1,5 nebo 1 mm (menší desky). Standartní tloušťka měděné folie je 35 mikrometrů. V obvodech s velkými proudy (např. zdroje) se používá větší tloušťka folie (70 μm). Naopak při návrzích spojů ve vyšších konstrukčních třídách, kde jsou malé vzdálenosti mezi spoji a malá šířka spojů, se používá cuprextit s menší tloušťkou folie 15 μm, aby mezi spoji nezůstávaly vodivé můstky. Leptání pochopitelně trvá kratší dobu, aby nedocházelo k podleptávání. Profesionální výrobce musí zajistit reprodukovatelnost a bezchybnost leptacího procesu. Ten se provádí v roztoku chloridu železitého (FeCl₃) při teplotě okolo 60 °C. (Leptání pomocí kyseliny dusičné, kyseliny chlorovodíkové a peroxidu vodíku se nepoužívá.) Potřebná doba leptání závisí na koncentraci roztoku, na teplotě a tloušťce folie a musí být určena s velkou přesností. Při výrobě desek plošných spojů ve vyšších konstrukčních třídách ji nelze ponechat náhodě. Při příliš krátké době leptání mohou mezi spoji zůstat vodivé můstky. Příliš dlouhá doba leptání zase může způsobit podleptání spojů. Na složitých deskách se případné závady špatně hledají a velmi těžko opravují. Důkladné očištění desky před začátkem výroby je samozřejmostí, stejně jako pečlivost a udržování čistoty v průběhu výroby.

Výrobců plošných spojů je na našem trhu větší počet. Jejich vybavení a tím i kvalita jejich práce a ceny se často výrazně liší. Podaří-li se konstruktérovi navrhnout desku v nižší třídě přesnosti (větší tloušťka spojů a jejich vzájemné vzdálenosti), je možné bez obav zadat výrobu desky i levnější firmě. Že deska nesmí být při oživování zdrojem problémů a nesmí být příčinou závad za provozu zařízení je snad samozřejmé. U mnoha výrobců závisí cena na požadovaném termínu zhotovení, expresní příplatky cenu zakázky značně prodraží.

Při dobré organizaci práce se v době výroby plošného spoje provádějí přípravné práce pro její osazení - nákup a příprava součástek, příprava podkladů pro osazovací automat.

OSAZOVÁNÍ DESKY

Při návrhu plošného spoje vygenerujeme současně podklad pro výrobu síta - desky ve které jsou laserovým paprskem vyřezány otvory a přes kterou se nanáší na desku s plošnými spoji pájecí pasta. Ta obsahuje většinou cín, olovo, stříbro, tavidlo a lepící složky. Nanáší se pochopitelně pouze do míst bez nepájivé masky na kontaktní plošky součástek.

SMD součástky se distribuují v kotoučích (zpravidla po 4 000 ks, rezistory, kondenzátory) nebo v tyčích (integrované obvody). Součástky se vkládají do podavačů, kterých je v každém osazovacím automatu 50 - 100. (Protože počet podavačů je omezený, měli bychom se při návrhu schématu snažit nepoužívat na jedné desce zbytečně mnoho různých typů součástek. Jinak bychom museli podavače v průběhu osazování vyměňovat.)

Z nich si je bere tzn. kybernetická "ruka" a ukládá je na desku s plošnými spoji. Pomocí vhodného software přiřadíme jednotlivým součástkám na desce správné číslo podavače. Pokud to není možné, musíme toto přiřazení zadat ručně. Každý lepší program pro kreslení schémat musí umět automaticky vytisknout rozpisku součástek seřazenou dle pořadí (např. R₁ = 680 Ω, R₂ = 4k7, R₃ = 100 kΩ ...), i dle jejich hodnot (např. 100 kΩ = R₃, R₈, R₁₀, R₁₅ ...)

Osazení jedné součástky trvá 0.1 - 1 s dle typu osazovacího automatu. Vlivem lepivých účinků pájecí pasty součástky na desce drží. Osazenou desku vložíme do pájecí pece, kterou "projíždí" rychlostí zhruba 20 cm/min. Teplota se při předehřevu postupně zvyšuje a pasta naboptná. Vlastní zapájení probíhá při teplotě zhruba 270 °C. Ihned poté následuje ochlazení, aby se součástky teplem nepoškodily.

Pokud osazujeme desku SMD součástkami z obou stran, desku otočíme a celý postup zopakujeme. Protože pájení trvá velmi krátce a spodní strana desky má nižší teplotu než horní, nemůže dojít k odletování součástek na spodní straně. Po zaletování desku umyjeme v mycím roztoku (terpentol), abychom odstranili zbytky pájecí pasty.Rozměry součástek SMD se stále zmenšují. Kvalitní technologie umožňuje používat integrované obvody s roztečí vývodů 0,635 mm a rezistory a kondenzátory o velikosti přibližně 1 x 1 mm. Technologií SMT se nyní vytvářejí téměř všechny typy součástek, včetně trimrů, konektorů, kondenzátorů a výkonových rezistorů.

Po zaletování součástek SMD zaletujeme do desky ručně zbývající součástky. Jedná se ty součástky, které se v SMD provedení nevyrábějí (velké kapacity, velké indukčnosti, rezistory pro velké výkony, některé typy integrovaných obvodů) nebo které by nevydržely ohřev při pájení (např. některé typy filtrů, krystaly). Ruční pájení je rychlejší a šetrnější, nezahřívá se při něm celá součástka najednou, teplo se odvádí pouzdrem a plošným spojem pryč. Nakonec provedeme montáž větších mechanických dílů a deska je připravena ke kontrole a k oživení.

Na každé desce bývá několik technologických otvorů (nulový bod pro souřadnicovou vrtačku, otvory pro upevnění desky vrtání a osazování), které při jejím návrhu vytvoříme dle požadavků výroby. Tyto otvory slouží k uchycení desky v průběhu výroby a při jejím osazování a jsou proto velmi důležité. Z tohoto důvodu doporučuji první návrh desky předem konzultovat s budoucím výrobcem.

Protože výroba malé i velké desky je zpravidla stejně pracná, účtují výrobci zákazníkovi určitou minimální velikost desky (1 až 2 dm²). Pro zákazníka je potom výhodnější si vytvořit z menších desek kumul - tzn složenou desku. Jednotlivé destičky jsou na něm umístěny těsně vedle sebe, nemají rohy. Na všech okrajích kumulu je asi 1 cm místa, kde jsou pomocné čáry pro stříhání nebo drážkování desky. Drážkováním se na hranách destiček zeslabí cuprextit na tloušťku 0,3 mm. Celý kumul potom můžeme i společně osadit a nakonec rozlámat (hrany se musí začistit), což je jednodušší než osazovat každou desku samostatně. Šířka drážky je 0,6 mm, což je třeba vzít v úvahu při vytváření kumulu.

Při kvalitní výrobě se osazená deska cykluje. To znamená střídání nízkých (-20 °C) a vysokých (+60 °C) teplot. Provedení 1 až 3 takových cyklů odhalí skryté závady. Pnutí materiálu při jeho smršťování a roztahování urychlí vznik poruch, které by se projevily mnohem později, pravděpodobně až u zákazníka. Cyklování začíná nízkou a končí vysokou teplotou, aby na jeho konci nebyl výrobek orosený.