Шаги процесса изготовления печатных плат: всестороннее руководство по строительству платок

Производство печатных плат (PCB) — это точный многоэтапный процесс, который преобразует цифровой проект в физическую платформу для электронных компонентов. От прототипирования до массового производства каждый этап — от выбора материала до окончательного тестирования — требует точности, чтобы обеспечить надежную работу печатной платы в ее предполагаемом применении. Будь то простой датчик IoT или сложная базовая станция 5G, понимание процесса изготовления является ключом к оптимизации конструкции, стоимости и производительности.

Это руководство разбивает 10 основных этапов изготовления печатных плат, выделяя ключевые технологии, проверки качества и различия между стандартными и передовыми процессами. К концу у вас будет четкая дорожная карта того, как ваш проект превращается в функциональную плату.

Основные выводы
  a. Изготовление печатных плат включает 10 критических этапов, от резки материала до окончательного тестирования, причем каждый этап влияет на производительность и стоимость.
  b. Передовые процессы (например, лазерное сверление, автоматизированный оптический контроль) повышают точность, но добавляют 10–30% к производственным затратам по сравнению со стандартными методами.
  c. Выбор материала (FR4 против Rogers) и количество слоев (2 против 16 слоев) существенно влияют на сложность изготовления и время выполнения.
  d. Проверки качества на каждом этапе снижают частоту дефектов с 10% (без проверок) до <1% (комплексное тестирование), снижая затраты на доработку на 70%.

Обзор изготовления печатных плат: от проектирования до производства
Изготовление печатных плат преобразует файл CAD (Computer-Aided Design) в физическую плату с помощью ряда процессов вычитания и сложения. Рабочий процесс варьируется в зависимости от количества слоев, материала и области применения, но следует последовательной основной последовательности. Ниже приведен общий обзор, прежде чем углубляться в детали:
1. Обзор проекта и подготовка CAM-файла
2. Резка материала
3. Формирование внутреннего слоя
4. Травление внутреннего слоя
5. Ламинирование слоев
6. Сверление
7. Гальваника
8. Формирование внешнего слоя и травление
9. Нанесение поверхностного покрытия
1. Окончательное тестирование и проверка

Шаг 1: Обзор проекта и подготовка CAM-файла
Прежде чем начнется изготовление, проект должен быть проверен и преобразован в файлы, готовые к производству.
  a. Проверка на технологичность (DFM): Инженеры проверяют конструкцию CAD, чтобы убедиться, что она соответствует производственным ограничениям (например, минимальная ширина трассы 0,1 мм, размер отверстия ≥0,2 мм). Такие проблемы, как узкое расстояние или неподдерживаемые элементы, отмечаются, чтобы избежать задержек производства.
  b. Преобразование CAM-файла: Проект преобразуется в CAM-файлы (Computer-Aided Manufacturing), которые включают данные слоев, координаты сверления и спецификации материалов. Стандартными являются такие форматы программного обеспечения, как Gerber и ODB++.
  c. Панелизация: Небольшие печатные платы группируются в более крупные панели (например, 18"×24"), чтобы максимально использовать материал и оптимизировать производство. Панелизация снижает затраты на 20–30% при больших объемах производства.
Ключевой показатель: Тщательная проверка DFM снижает доработку после изготовления на 40%.

Шаг 2: Резка материала
Базовая подложка (обычно FR4, армированный стекловолокном эпоксидный материал) разрезается до требуемого размера панели.
  a. Выбор подложки: FR4 используется для 90% печатных плат из-за стоимости и универсальности. Высокопроизводительные платы используют Rogers (для высоких частот) или металлическую основу (для терморегулирования).
  b. Процесс резки: Автоматические ножницы или лазерные резаки обрезают подложку до размеров панели (например, 12"×18") с допуском ±0,1 мм. Лазерная резка более точна (±0,05 мм), но на 20% медленнее, чем механическая резка.
  c. Удаление заусенцев: Края сглаживаются для удаления заусенцев, предотвращая повреждение оборудования на последующих этапах.

Шаг 3: Формирование внутреннего слоя
Для многослойных печатных плат внутренние слои формируются с помощью медных трасс с использованием фотолитографии.
  a. Очистка: Панели химически очищаются для удаления масла, пыли и окисления, обеспечивая надлежащую адгезию фоторезиста.
  b. Нанесение фоторезиста: Светочувствительный полимер (фоторезист) наносится методом валкового покрытия (толщина: 10–20 мкм). Жидкий фоторезист используется для мелких деталей (<0,1 мм трассы); сухая пленка для более крупных конструкций.
  c. Экспонирование: Панель подвергается воздействию ультрафиолетового света через фотошаблон (трафарет конструкции схемы). Фоторезист затвердевает (сшивается) в экспонированных областях, защищая медь под ним.
  d. Проявление: Незатвердевший фоторезист смывается химическим раствором (например, карбонатом натрия), оставляя желаемый рисунок трассы защищенным.
Передовая технология: Прямая лазерная визуализация (LDI) заменяет фотошаблоны лазерным сканированием, обеспечивая ширину трасс всего 0,025 мм для печатных плат HDI (High-Density Interconnect).

Шаг 4: Травление внутреннего слоя
Травление удаляет нежелательную медь, оставляя только сформированные трассы.
  a. Типы травителей:
     Хлорид железа: Доступный, но медленный; используется для мелкосерийного производства.
     Персульфат аммония: Быстрее, точнее; идеально подходит для крупносерийных конструкций с мелким шагом.
  b. Процесс: Панель погружается в травитель или распыляется им, который растворяет незащищенную медь. Время травления (2–5 минут) калибруется, чтобы избежать перетравливания (сужения трасс) или недотравливания (остаточной меди).
  c. Удаление резиста: Остаточный фоторезист удаляется растворителем или щелочным раствором, обнажая медные трассы.
Проверка качества: AOI (автоматизированный оптический контроль) сканирует на наличие дефектов, таких как отсутствующие трассы, короткие замыкания или недотравливание, обнаруживая 95% ошибок до ламинирования.

Шаг 5: Ламинирование слоев
Многослойные печатные платы склеиваются вместе с использованием тепла и давления.
  a. Подготовка препрега: Листы препрега (стекловолокно, пропитанное неотвержденной эпоксидной смолой) разрезаются по размеру. Препрег действует как клей и изолятор между слоями.
  b. Сборка: Внутренние слои, препрег и внешние медные фольги выравниваются с помощью установочных штифтов (допуск: ±0,05 мм). Для 16-слойных печатных плат этот шаг требует точного выравнивания, чтобы избежать несовмещения слоев.
  c. Прессование: Стопка нагревается (170–180°C) и прессуется (300–500 фунтов на квадратный дюйм) в течение 60–90 минут, отверждая препрег и склеивая слои в единую панель.
Проблема: Пузырьки воздуха между слоями вызывают расслоение. Вакуумное прессование (удаляет воздух перед отверждением) снижает этот риск на 90%.

Шаг 6: Сверление
Отверстия просверливаются для соединения слоев (переходов) и установки компонентов (сквозные отверстия).
  a. Типы сверл:
    Механические сверла: Для отверстий ≥0,2 мм; быстро, но менее точно.
    Лазерные сверла: Для микропереходов (0,05–0,2 мм); используются в печатных платах HDI.
  b. Процесс: Станки с ЧПУ следуют координатам CAM-файла, просверливая до 10 000 отверстий в час. Клювовидное сверление (прерывистое втягивание) удаляет мусор, предотвращая засорение отверстий.
  c. Удаление заусенцев: Отверстия очищаются для удаления медных заусенцев, обеспечивая надежное покрытие.

Шаг 7: Гальваника
Отверстия и внешние слои покрываются медью для создания электрических соединений между слоями.
  a. Desmear: Химические вещества (например, перманганат) удаляют эпоксидные разводы из просверленных отверстий, обеспечивая адгезию меди.
  b. Бестоковая меднение: Тонкий слой (0,5–1 мкм) меди наносится на стенки отверстий и внешние поверхности без электричества, создавая проводящую основу.
  c. Гальваническое покрытие: Панель погружается в ванну с сульфатом меди, и ток подается для утолщения меди (15–30 мкм) на трассах и стенках отверстий. Этот шаг обеспечивает низкое сопротивление (≤10 мОм) в переходах.
Дополнительная опция: Заполнение переходов (гальваническое покрытие для полного заполнения отверстий) добавляет механическую прочность, идеально подходит для применений с высокой вибрацией (автомобилестроение, аэрокосмическая промышленность).

Шаг 8: Формирование внешнего слоя и травление
Внешние слои формируются аналогично внутренним слоям, но с дополнительными шагами для паяльной маски и шелкографии.
  a. Формирование: Фоторезист наносится, экспонируется и проявляется для определения внешних трасс.
  b. Травление: Удаляется незащищенная медь, оставляя внешние трассы и площадки.
  c. Нанесение паяльной маски: Зеленый (наиболее распространенный) или цветной полимер наносится для покрытия трасс, оставляя площадки открытыми для пайки. Паяльная маска предотвращает короткие замыкания и защищает от окисления.
  d. Шелкография: Краска наносится на паяльную маску для маркировки компонентов (например, «R1», «+5V»), помогая при сборке и устранении неполадок.
Тенденция: Прозрачные паяльные маски и белая шелкография набирают популярность для печатных плат со светодиодами, улучшая рассеивание света.

Шаг 9: Нанесение поверхностного покрытия
Поверхностные покрытия защищают открытые медные площадки от окисления и обеспечивают надежную пайку.

Шаг 10: Окончательное тестирование и проверка
Готовая панель проходит тщательное тестирование для обеспечения качества.
  a. Электрический тест: Тестер с летающим щупом проверяет наличие коротких замыканий, обрывов и сопротивления во всех сетях, проверяя подключение.
  b. AOI: Камеры высокого разрешения проверяют наличие дефектов (например, несовпадение паяльной маски, отсутствие шелкографии).
  c. Рентгеновский контроль: Используется для BGA и HDI печатных плат для проверки скрытых паяных соединений и качества переходов.
  d. Тестирование импеданса: Для высокоскоростных печатных плат TDR (Time Domain Reflectometer) проверяет контролируемый импеданс (например, 50 Ом, 100 Ом), чтобы обеспечить целостность сигнала.
  e. Разделение панелей: Панель разрезается на отдельные печатные платы с использованием маршрутизации, надрезания или лазерной резки, в зависимости от конструкции.

Стандартное против передового производства: ключевые различия

Часто задаваемые вопросы
В: Сколько времени занимает изготовление печатных плат?
О: 5–7 дней для стандартных 2-слойных печатных плат; 10–14 дней для 16-слойных плат HDI. Ускоренные услуги сокращают время выполнения на 30%, но увеличивают стоимость на 50%.

В: Что вызывает дефекты при изготовлении печатных плат?
О: Общие проблемы включают несовмещение слоев (плохое ламинирование), недотравливание/перетравливание и несовмещение сверления. Строгий контроль процесса снижает дефекты до <1%.

В: Могу ли я изменить свой проект после начала изготовления?
О: Изменения после ламинирования слоев дорогостоящи (50–100% от первоначальной стоимости). Лучше всего завершить проекты на этапе DFM.

В: Сколько стоит изготовление печатных плат?
О: (5–)15 для стандартных 2-слойных печатных плат (1000 единиц); (20–)50 для передовых 16-слойных плат HDI. Материал (например, Rogers против FR4) и объем определяют цену.

В: Каково максимальное количество слоев для печатных плат?
О: Коммерческие печатные платы достигают 40+ слоев (например, суперкомпьютеры), но в большинстве приложений используется 2–16 слоев.

Заключение
Изготовление печатных плат — это процесс, ориентированный на точность, который уравновешивает сложность конструкции, материаловедение и технологию производства. От обзора проекта до окончательного тестирования каждый этап играет решающую роль в обеспечении соответствия платы электрическим, механическим требованиям и требованиям надежности.
Понимание этих шагов помогает инженерам оптимизировать проекты с точки зрения стоимости и производительности — будь то выбор ENIG вместо HASL для медицинского устройства или указание лазерного сверления для печатной платы HDI смартфона. По мере развития электроники процессы изготовления будут продолжать развиваться, обеспечивая создание меньших, более быстрых и надежных печатных плат для технологий будущего.

Сотрудничая с производителем, который уделяет первостепенное внимание проверкам качества и использует передовое оборудование, вы можете гарантировать, что ваши печатные платы будут соответствовать требованиям даже самых сложных приложений.