Výroba DPS představuje téměř nekonečné množství kombinací

Bez desek plošných spojů by mohlo fungovat pouze velmi málo elektronických výrobků. Během své mnohaleté historie se DPS vyvinuly z jednoduché věci, kterou bylo možné vyrobit doma v kuchyni, v technický zázrak, na kterém po celém světě každodenně závisí i lidské životy. A přesto málokdo ví, jak se vlastně desky plošných spojů vyrábějí.

Pravděpodobnost

Jaká je pravděpodobnost, že elektronické zařízení obsahuje desku, která je ve všech ohledech dokonalá? Někteří lidé v oboru elektroniky si tuto otázku jistě položili sami, ale běžní uživatelé elektronických výrobků se nejspíš nikdy nezamysleli třeba nad tím, jak stále náročnější požadavky na výrobu (např. v rámci ochrany životního prostředí) mohou přivodit problém s funkčností výrobku.

Aby bylo možné matematicky určit pravděpodobnost zhotovení desky plošných spojů v perfektní kvalitě, musí se všechny výrobní postupy analyzovat do nejmenších detailů a přesně tak definovat všechny parametry, které mají na její výrobu vliv.

Představme si malou, 6vrstvou desku se 100 součástkami (25 různých typů) a sledujme její cestu od výroby až do konce životnosti.

První krok

Prvotní podoba desky vzniká již v představách vývojáře, který konvertuje počáteční nápad do finálního funkčního elektronického výrobku. Z více než 5 miliónů dostupných součástek si může vybrat ty, které se nejlépe hodí pro daný účel a navrhne jejich propojení tak, aby bylo dosaženo správné funkčnosti výrobku.

Výběr součástek vhodných pro daný účel, stejně jako výběr materiálu desky má rozhodující vliv na vzhled, komplexnost, funkčnost a spolehlivost desky Výroba DPS představuje téměř nekonečné množství kombinací plošných spojů. Podívejme se tedy na některé volby, které má vývojář před sebou:

1. Existuje mnoho různých tvarů a velikostí obrazce pájecích plošek součástky (Footprint, Landpattern atd.), které ovlivňují výsledek pájení. V našem případě předpokládáme 3 různé varianty obrazce pájecích plošek pro každý použitý typ součástky.
2. Součástky jsou k dispozici v mnoha variantách a od různých dodavatelů z celého světa. Nás zajímají hlavně varianty povrchové úpravy vývodů, které ovlivňují výsledek pájení součástek na desku. V současnosti existuje přibližně 9 různých povrchových úprav: od starých dobrých s cínem a olovem (Sn/Pb), palladiem (Pd) a ENIG (Ni/Au) až k moderním s cínem (Sn), cínem a mědí (SnCu), SAC (cín/stříbro/ měď), cínem a stříbrem (Sn/Ag), cínem a bismutem (Sn/Bi) a stříbrem (Ag). Jednotlivé druhy povrchových úprav se pak navíc ještě vyznačují rozdílnou životností a pájitelností.
3. Základní materiál desky plošných spojů sestává ideálně z materiálu FR4, ale předpisy RoHS nyní zahrnují nejen FR4, ale také FR s vysokou úrovní Tg a bezhalogenní FR4, takže máme 3 volby. Různé základní materiály mají také různé vlastnosti, které ovlivňují výslednou podobu desky.

Matematicky vyjádřeno, máme už nyní 3 × 9 × 3 = 81 možných kombinací. A to jsme vyloučili možnost mít na jedné desce dvě různé povrchové úpravy vývodů, stejně jako použití pokročilých materiálů, jako jsou např. Bismaleimide Triazine a různé typy PTFE (PolyTetra- FluoroEthylene).

Druhý krok

Když vývojový pracovník ukončí svoji práci, pošle návrháři desky rozpisku materiálu a schematické zapojení spolu s důležitými informacemi o provedení zapojení na desce. Úkolem návrháře je rozmístit na desce všechny součástky a propojit je plošnými spoji. Tato práce má rozhodující dopad na komplexnost desky v těchto oblastech:

4. Počet via otvorů a jejich parametry, zejména průměr, mají rozhodující vliv na kvalitu navržené desky. Zdaleka ne všichni výrobci mohou vyrobit desky s vysokou hustotou via otvorů, a tak si v tomto případě nastavíme 3 možné rozměry via otvorů: < 0,2 mm, 0,25 mm a > 0,3 mm.
5. Počet vrstev desky závisí na počtu vývodů na plochu, na typech pouzder součástek, ale také na zkušenostech návrháře. Běžně se navrhují 6vrstvé desky (řešení se 4 vrstvami je jistě lepší, s 8 vrstvami naopak horší).
6. Povrchová úprava desky je jeden z parametrů, o kterém se velmi často diskutuje a odborníci nejsou jednotní v tom, která ze 7 nabízených možností představuje nejlepší řešení (ENIG, ENEPIG, SnPb, SN100C, Chem Sn, Chem Ag a OSP).

Matematicky jsme nyní na 81 × 3 × 3 × 7 = 5 103 možných kombinací, přičemž ani nebereme v úvahu vliv slepých, pohřbených a HDI via otvorů, stejně jako neuvažujeme dopad různých neobvyklých povrchových úprav desky.

Třetí krok

Nyní se dostáváme k vlastní výrobě desky, což je poměrně složitý proces s mnoha různými aspekty. Stačí, když se podíváme na výrobní dokumentaci a budeme se snažit jí správně porozumět. A co teprve, když se zamyslíme nad všemi postupy potřebnými pro výrobu naší 6vrstvé desky. Nepochybně budeme udiveni, kolik kroků bude potřeba k tomu, abychom získali funkční a hlavně spolehlivou desku.

V průmyslu desek plošných spojů se používá výraz „yield“ (čili „výnosnost“). Ten vyjadřuje procentuální podíl počtu desek bez závad dodaných zákazníkům vzhledem k celkovému počtu desek zadaných do výroby. Tento podíl se pohybuje většinou kolem 93 %. Podíl nevyhovujících desek závisí na mnoha faktorech, jako jsou např.:

7. Programování strojů a procesů nutných pro výrobu.
8. Kvalita vrtání.
9. Stav vrtačky.
10. Řezací data.
11. Tolerance na filmových předlohách použitých pro výrobu.
12. Výroba vnitřních vrstev desky a optická registrace.
13. Lisování vrstev desky.
14. Pokovení chemickou mědí (více než 10 procesů).
15. Elektrolytické pomědění (více než 10 procesů).
16. Optická inspekce.
17. Nanesení nepájivé masky (4 procesy).
18. Povrchové úpravy, které zahrnují chemické i mechanické procesy.
19. Elektrické testování 2 možnými způsoby.
20. Vyjmutí desky z panelu řezáním nebo vylamováním.

Naše 6vrstvá deska projde všemi těmito kroky. Pro jednoduchost předpokládejme, že zmíněné kroky zahrnují pouze 2 různé varianty.

Matematicky máme nyní 5 103 × 2 × 2 × 2 × 2 × 2 × 2 × 2 × 2 × 2 × 2 × 2 × 2 × 2 × 2 = 41 803 776 možných kombinací.

Čtvrtý krok

Vyrobená deska může být nyní předána na osazení a také pájení, jehož procesy jsou nyní výrazně ovlivněny zavedením předpisů RoHS. Pájení včetně přípravy zahrnuje mnoho dílčích procesů s dále popsanými variantami, které mají dopad na kvalitu vyráběné desky.

21. Planžety pro nanášení pájecí pasty mohou být zhotoveny 4 různými způsoby (leptáním, leptáním s převýšením, laserem, elektrolyticky) a v různých tloušťkách.
22. Pájecí pasta bývá dodávaná z různých zdrojů a všechny mají navíc několik variant složení pájky, tavidla a velikosti částic pasty (Např. jen ve Švédsku je k dispozici více než 270 variant pájecí pasty).
23. Přetavení může být dosaženo použitím horkého vzduchu, v ochranné atmosféře nebo pájením v parách, což představuje 3 různé varianty.
24. Různé kombinace povrchové úpravy desky a vývodů součástek spolu s různým množstvím a druhy pájecí pasty si vyžadují přetavení s různými pájecími profily. Všechna výrobní zařízení mají své vlastní procesní profily, které závisí na daných podmínkách výroby. V našem případě omezíme jejich počet na 10.
25. Čištění zapájené desky se provádí stále častěji ve funkčním prostředí. Používají se k tomu různé čisticí prostředky většinou na bázi vody nebo alkoholu. Pro naše účely zahrneme jednoduše 2 možnosti – čištění desky ano nebo ne.

Matematicky už máme 41 803 776 × 4 × 270 × 3 × 10 × 2 = 2 708 884 684 800 možných kombinací.

Závěr

Nyní můžeme vzít 2 708 884 684 800 možných kombinací postupů při vývoji, návrhu a výrobě desky, z nichž mnohé ovlivňují desku negativně, a převést ho do skutečného světa elektroniky, např. ve Švédsku.

Počet desek vyrobených ve Švédsku (spolu s dovezenými) se pohybuje kolem 55–60 miliónů za rok. Otázkou je, kolik z nich bude poruchových ještě před uplynutím předpokládané doby jejich životnosti.

Předpokládejme, že 10 % všech desek vyrobených ve Švédsku je negativně ovlivněno oním „matematickým faktorem“ 2 708 884 684 800 možných kombinací. To potom znamená, že se každý rok porouchá 5,5–6 miliónů elektronických výrobků. Vezmeme-li v úvahu počet obyvatel Švédska, znamená to, že se každý Švéd v produktivním věku (16–65 let) setká v průměru s jedním porouchaným elektronickým výrobkem ročně.

Je otázkou, jestli je tento odhad správný. Nejjednodušší způsob, jak to ověřit, je vlastní zkušenost s tím, kolik elektronických zařízení nám za uplynulý rok přestalo fungovat. V mém případě to byla televize, notebook, tiskárna, mobilní a bezšňůrový telefon a lednička, tedy celkem 6 zařízení. A vzhledem k zavádění výrobních procesů bez použití olova lze předpokládat, že se poruchovost v budoucnu ještě zvýší.

Mělo by nás to znepokojovat? Zřejmě ne, vždyť my spotřebitelé jsme si již zvykli na skutečnost, že elektronické výrobky přestanou jednoho dne fungovat (zejména s blížícím se uplynutím záruční doby). Tato situace nás vede k tomu, že jsme si zvykli vyhazovat starší výrobky a kupovat nové, lepší a mnohdy také levnější.

To je sice výhodné pro nás – uživatele, ale matka příroda tím trpí. Zde je vidět, jak je těžké změnit lidské chování, které má negativní vliv na životní prostředí (avšak pozitivní na naše peněženky). Vždyť i dobře míněné předpisy RoHS paradoxně přispěly k zvýšené produkci odpadů tvořených vadnými elektronickými výrobky.

Jako zdroj užitečných informací pro předcházení problémům při výrobě a zpracování desek plošných spojů může sloužit například dokument „IPC CHECKLIST“, který vypracovala organizace IPC Europe.