Plošný spoj se v elektronice používá pro mechanické připevnění a elektrické propojení elektronických součástek.

Pro plošný spoj se také používá výrazů DPS (deska plošného spoje), nebo z angličtiny PCB (printed circuit board).

Součástky jsou propojeny vodivými cestami vytvořenými nejčastěji leptáním měděných folií plátovaných (nalepených) na izolační laminátové desce. Součástky jsou na DPS připájeny za své vývody cínovou pájkou.

Klasické součástky mají vývody ve formě drátů nebo kolíčků. Ty se po vytvarování prostrčí otvory v DPS a na opačné straně připájí ke spojům, vytvořených vrstvou mědi. Při sériové výrobě se velmi často používá technologie povrchové montáže SMT (Surfaces Mounted Technology). Součástky pro povrchovou montáž se označují zkratkou SMD (Surface Mounted Devices) a mají na svém povrchu kontaktní plošky, za které se připájí na stejnou stranu DPS, na které jsou osazeny. Desku tedy není třeba vrtat a u oboustranné DPS je možné osazení součástkami z obou stran. K osazování i pájení se používá automatů.

Některé součástky mají desítky i stovky vývodů a nebylo by je možné dobře propojit na jednoduché desce plošných spojů. Proto byly vyvinuty dvoustranné DPS, které mají vodivý obrazec z obou stran a následně i vícevrstvé DPS. Vícevrstvé DPS vznikají slepením několika tenkých oboustranných DPS. U dvou nebo vícevrstvých DPS se musí prokovovat průchody mezi vrstvami. DPS se běžně opatřují nepájivou maskou. To je poloprůhledná izolační vrstva typicky zelené barvy. Nechává odkryté jen pájecí plošky, zbytek vodivých cest zakrývá a zlepšuje tak izolační vlastnosti desky, současně brání poškození vodivých cest. Pro orientaci při kontrole, opravách nebo nastavování se na nepájivou masku často tiskne servisní potisk. Vyznačuje umístění součástek a jejich označení dle elektrického schematu. Pro zlepšení pájitelnosti jsou pájecí plošky cínovány, případně stříbřeny.

Historie

První použitelné desky plošných spojů se objevily roku 1943 ve Velké Británii, desky s prokovenými otvory pak v roce 1961. Do té doby byla výroba mnohem náročnější. Součástky byly daleko větší a těžší než dnes, polovodiče ještě nebyly známy a používalo se elektronek, které vydávaly velké množství tepla a spotřebovaly spoustu energie. Důležité tedy bylo zajistit jejich pevné mechanické upevnění na plechové šasi. Součástky se pájely na pájecí očka nebo propojovaly pomocí vodičů (drátů). Anodové napětí elektronek bylo kolem 300 V, proto bylo nutné dodržet dostatečné izolační vzdálenosti.

Následující obrázky ukazují zapojení součástek v rozhlasovém přijímači Talisman, vyráběném v letech 1946 až 1951 a reedici legendárního dvacetiwattového zesilovače Marshall 2061X, vyráběného od roku 1965.

Návrh DPS

Rozměry

Rozteč vývodů součástek i jejich další rozměry jsou uváděny v milimetrech (mm) nebo palcích (") a jejich násobcích.
1" = 2,54 cm
1 mil = 0,001" = 0,025 mm
1 mm = 39,37 milu

Třídy přesnosti

Třídy přesnosti definují parametry základních rozměrů na plošném spoji, jako je například minimální šířka spojů, izolační vzdálenost, minimální průměr vrtaného otvoru a minimální rozměr pájecí vrtané plošky.

Na obrázku jsou uvedeny rozměry pro třídy 1 až 4, které možné zhotovit v amatérských nebo poloprofesionálních podmínkách. Vyšší třídy přesnosti již vyžadují profesionální vybavení a technologické postupy.

Příklad technologických možností v šesté třídě:
Spoje: min. 0,20 mm (8 mil)
Mezery: min. 0,20 mm (8 mil)
Otvor: min. 0,40 mm (16 mil)

Protože "ruční" návrh plošných spojů by byl u složitějších obvodů extrémně časově náročný, používají se pro návrh systémy CAE (Common Application Environment), usnadňující jejich návrh. Vývojář nejprve vytvoří schéma zapojení ze kterého se vygeneruje seznam spojů (netlist). Jiný program (autorouter) může na základě tohoto netlistu vytvořit předlohu pro výrobu DPS.

1. Schéma zapojení

Při kreslení je třeba dodržovat základní zásady:

• Vstupy nebo vstupní obvody jsou vlevo a výstupy nebo výstupní obvody vpravo.
• Napájení se kreslí tak, že kladné napětí s nejvyšší hodnotou je nahoře a záporné dole.
• Napájení není třeba kreslit u logických obvodů nebo operačních zesilovačů. Je však třeba zajistit propojení napájecích vývodů s příslušným napětím (např. Vcc).
• Nulovou úroveň (zem, kostra, GND) je možné kreslit s použitím odpovídající značky. U takto označených vývodů se automaticky předpokládá jejich propojení.
• Vzhled všech součástek musí odpovídat příslušné normě, v Evropě je to DIN, v USA ANSI. České normy jsou harmonizovány tak, aby se shodovaly s evropskými.
• Součástky se kreslí jen v poloze horizontální nebo vertikální, nikdy ne šikmo.
• Všechny součástky musí být označeny tak, aby nemohlo dojít k jejich záměně (např. rezistor je označen R1 a ve schématu se nesmí nacházet jiná součástka s tímto označením).
• Důležitá je také hodnota součástky (např. 33k u rezistoru hodnoty 33 kΩ).
• Spoje, které se jen kříží (bez propojení) kreslete bez tečky na rozdíl od spojů, které jsou propojeny.
• Schémata obsahují také textové údaje (název zapojení, upřesňující popis prvků, poznámky, apod.)

Schémata lze samozřejmě kreslit ručně, mnohem jednodušší je však využít některý ze specializovaných programů (např. ProfiCAD, Formica, Eagle, Multisim, DipTrace apod.). Ty často obsahují také další možnosti jako je návrh plošných spojů nebo simulace funkce. Pro nekomerční (domácí) použití je možné s určitými omezeními výše uvedené programy využít. Výhodou je to, že obsahují již připravené schématické značky, takže odpadá jejich kreslení.
Návrh schématu spočívá ve vyvolávání schematických značek z knihoven, jejich umísťování na pracovní ploše monitoru a propojování jejich vývodu.

Vkládat lze:

• Součástky - schématická značka, která má přiřazeno nějaké pouzdro a fyzicky existuje na plošném spoji. Každá součástka musí mít jedinečné (neopakující se) označení (R1), hodnotu (33 k) a pouzdro (R100).
• Symboly - pomocná značka přímo neexistující na plošném spoji, bez níž by ale nebylo schéma funkční, například značka napájení.
• Vodiče - spojují jednotlivé vývody součástek. K dispozici jsou také sběrnice, které umožňují propojení více vývodů.
• Mechanické prvky - ořezové značky, obrysy desky, upevňovací šrouby, apod.
• Popisy (texty) - označují svorky, konektory, ovládací prvky, polaritu a zejména název zapojení ke kterému deska patří.

Ukázka prostředí editoru schémat programu Fomica:

Výstupem návrhu schématu muže být obrázek, tisk na tiskárně, seznam použitých součástek a dále celá řada souborů dat různých formátů, umožňujících další zpracování.

Ukázka rozpisky součástek generované programem Formica:

2. Netlist

Je popis zapojení schématu včetně uvedení vlastností a popisových položek v určitém formátu. V programu Formica se jedná o textový soubor s příponou pnl. Tvoří důležitý spojovací článek mezi editorem schémat editorem spojů.

3. Návrh DPS

Bez použití počítače

Tento postup je vhodný pro začátečníky, kteří se tak seznámí se základy návrhu DPS, pro velmi jednoduchá zapojení, nebo pro rychlé ověření funkce obvodu.

Při návrhu vycházejte ze schématu zapojení. Potřebovat budete také katalog součástek, kde jsou uvedeny velikosti pouzder s rozmístěním vývodů, nebo součástky, které jsou v zapojení použity. Kreslete na milimetrový nebo alespoň čtverečkovaný papír, který vám práci usnadní. Pokuste se rozmístit součástky tak, aby byly rovnoběžně s okraji desky, rovnoměrně vyplňovaly plochu desky a spoje byly co nejkratší. Nezapomeňte na vhodný typ svorkovnic pro vstupy a výstupy a také na upevňovací otvory, kterými DPS připevníte.

Návrh v prostředí programu Formica

Poznámka:

Dávejte si pozor na to, navrhujete-li DPS z pohledu součástek nebo spojů. Strany jsou navzájem zrcadlově obrácené a uděláte-li při zhotovení desky chybu, je výsledkem zmetek!
Součástky s více vývody (např. integrované obvody) pak nelze do desky zapájet jinak než ze strany spojů.

Postup v programu Formica

• Po spuštění editoru plošných spojů (LAYOUT) je třeba nejprve načíst netlist. Objeví-li se chybová hlášení, musíte před pokračováním v návrhu chyby opravit.
• Po načtení netlistu se všechny použité součástky (jejich pouzdra) zobrazí v dolní části obrazovky.
• Nyní je třeba rozmístit součástky na plochu budoucí DPS a dodržet konstrukční požadavky - tvar a rozměr desky, umístění konektorů, upevňovacích otvorů, ovládacích prvků, apod.
• Dalším krokem je kreslení spojů mezi vývody. Využít můžete také autorouter.
• Dbát musíte na obecné požadavky, jakými jsou například dostatečná šířka spojů, kterými prochází větší proud, omezení parazitních kapacit a indukčností, dodržení izolačních vzdáleností, apod.
• Nezapomeňte na ořezové značky určující rozměr DPS, upevňovací otvory a popis, který komě identifikace zařízení slouží také ke správné orientaci při dalším zpracování (fotocesta).
• Na závěr proveďte kontrolu zkratů a nezapojených vývodů (viz obrázky).
• V závislosti na dalším zpracování vygenerujte příslušné výstupní soubory nebo jen vytiskněte osazovací plán a masku.

Vrstvy a jejich využití

Programy pro návrh plošných spojů umožňují pracovat v mnoha vrstvách, určených pro různé účely (například vrstvy spojů, obrysů součástek, nepájivých masek, servisního potisku atd.). Do vrstev se vkládají různé typy objektu (pájecí plošky, spoje, texty, obrysy součástek, obrysy plošného spoje, apod.).

Program Formica v 4.4 disponuje celkem 24 vrstvami. Jsou barevně odlišeny a v rámci konfigurace lze jejich parametry (barva, viditelnost, apod.) měnit.

U jednostranného plošného spoje jsou hlavní vrstvy

• Layer 9 A (červená) - strana spojů (měď)
• Layer 21 (šedá) - popis součástek
• Layer 23 (šedá) - obrys součástek