Этапы производства печатных плат: подробное руководство по созданию надежных печатных плат

Изображения, создаваемые клиентами

Печатные платы являются основными компонентами практически всех электронных устройств, служащими связующей основой, которая соединяет резисторы, конденсаторы, чипы и другие компоненты.Путешествие от цифрового файла дизайна до функционального ПК включает в себя сложную последовательность производственных этаповКаждый из них требует точности, специализированного оборудования и строгого контроля качества.Производство простой однослойной ПКБ для хобби-проекта или сложной 40-слойной HDI-карты для аэрокосмических приложенийВ данном руководстве рассматривается каждый этап производства ПКБ, объясняются технологии, используемые в производстве,материалы, и стандарты, гарантирующие, что конечный продукт соответствует ожиданиям производительности и надежности.

Предварительное изготовление: проектирование и проектирование
Перед началом физического производства конструкция ПКБ проходит строгую технику и проверку, чтобы обеспечить производительность, производительность и экономическую эффективность.Эта предварительная фаза производства имеет решающее значение для минимизации ошибок и сокращения задержек производства.
1. Дизайн ПКБ (CAD Layout)
Инженеры используют специализированное программное обеспечение для проектирования печатных плат, такое как Altium Designer, KiCad или Mentor PADS для создания схемы.
Определите следы компонентов (физические размеры деталей).
Проведите электрические следы между компонентами, обеспечивая правильное расстояние и избегая коротких шортов.
Проектирование слойных стеков (для многослойных ПКБ), с указанием диэлектрических материалов и толщины меди.
Включить правила проектирования (например, минимальная ширина следа, размер отверстия) на основе производственных возможностей.

Основные соображения:
a. Целостность сигнала: для высокочастотных конструкций (> 1 ГГц) следы маршрутизируются, чтобы минимизировать несоответствие импеданса и перекрестный разговор.
b.Термоуправление: для рассеивания тепла от энергетических компонентов добавляются медные плоскости и тепловые каналы.
c. Механические ограничения: расположение должно соответствовать корпусу устройства, с точно расположенными отверстиями для установки и отрезками.

2. Генерация файлов Gerber
После завершения проектирования он преобразуется в файлы Gerber, стандартный формат для производства печатных плат.
Файлы слоев (следы меди, сварная маска, шелковой экран) для каждого слоя ПКБ.
Файлы для бурения (с указанием размеров отверстий и местоположения проходных путей и проходных компонентов).
Файлы сетевого списка (определение электрических соединений для тестирования).
Современные конструкции также могут включать файлы ODB ++, которые упаковывают все производственные данные в один формат для более легкой обработки.

3Проверка конструкции для изготовления (DFM)
Проверка DFM гарантирует, что конструкция может быть произведена эффективно и надежно.
Ширина/расстояние между следами: следы, более узкие, чем 3 миллиметра (0,076 мм) или с расстоянием < 3 миллиметра, могут быть непроизводимы стандартными процессами.
Размеры отверстий: отверстия меньше 0,1 мм трудно просверлить точно.
Баланс меди: Неравномерное распределение меди по слоям может вызвать искривление во время ламинирования.
Покрытие сварной маски: неадекватная сварная маска между плотно расположенными между собой подкладками увеличивает риск короткого замыкания.
Раннее решение этих вопросов позволяет сократить затраты на переработку и задержки производства.

Шаг 1: Подготовка субстрата
Субстрат образует жесткую основу ПХБ, обеспечивая механическую поддержку и электрическую изоляцию между проводящими слоями.Хотя такие материалы, как алюминий, полимид или ПТФЕ могут использоваться для специализированных применений.
Подробности процесса:
Резание: большие листы подложки (обычно 18×24×24 или 24×36×) разрезают на более мелкие панели (например, 10×12×10×12×10×12×10×12×10×12×12×10×12×12×10×12×10×10×10×10×10×10×10×10×10×10×10×10×10×10×10×10×10×10×10×10×10×10×10×10×10×10×10×10×10×10×10×10×10×10×10×10×10×10×10×10×10×10×10×10×10×10×10×10×10×10×10×10×10×10×10×10×10×10×10×10×10×10×10×10×10×10×10×10×10×10×10×10×10×10×10×10×10×10×10×10×10×10×10×10×10×10×10×10×10×10×10×10Размер панели выбирается для максимизации эффективности при условии соответствия ограничениям производственного оборудования.
Очистка: панели очищают щелочными растворами и деионизированной водой, чтобы удалить масла, пыль и загрязнители.Это обеспечивает сильное сцепление между подложкой и медными слоями, применяемыми в последующих шагах.
Сушка: панели выпекаются при температуре 100-120 °C для удаления влаги, которая может привести к деламинированию во время ламинирования.

Шаг 2: Медная облицовка
Медная облицовка связывает тонкий слой медной фольги с одной или обеих сторон субстрата, образуя основу для проводящих следов.
Подробности процесса:
Выбор фольги: толщина медной фольги варьируется от 0,5 унции (17 мкм) для тонкозвуковых конструкций до 6 унций (203 мкм) для высокопроизводительных ПКБ. Фольга может быть:
Electrodeposited (ED): Грубая поверхность для лучшей сцепления с субстратами.
Роллированный изготавливаемый (RA): гладкая поверхность для высокочастотных конструкций, уменьшающая потерю сигнала.
Ламинирование: субстрат и медная фольга слагаются и прессуются вместе в вакуумном ламинирующем пресе.
Температура: 170°C - 190°C
Давление: 20-30 kgf/cm2
Продолжительность: 60−90 минут
Этот процесс расплавляет эпоксидную смолу в FR-4, связывая ее с медной фольгой.
Проверка: на облицованных панелях проверяют наличие пузырей, морщин или неравномерного покрытия меди с помощью автоматизированной оптической инспекции (AOI).

Шаг 3: Применение и воздействие фоторезистора
Этот шаг переносит схему с файлов Гербера на медно-покрытую подложку с помощью фотолитографии.
Подробности процесса:
Фоторезистентное покрытие: на медную поверхность наносится светочувствительный полимер (фоторезистент).
Погружение: панели погружаются в жидкий фоторезист, затем вращаются, чтобы достичь равномерной толщины (10-30 мкм).
Ламинация: фоторезистент сухой пленки прокатывается на панель под давлением и теплом, что идеально подходит для высокоточных конструкций.
Предварительное выпекание: фоторезистент мягко выпекают при температуре 70°С для удаления растворителей, обеспечивая его прочное прикрепление к меди.
Экспозиция: панель выстраивается на фотомаску (прозрачный лист с схемой, напечатанной непрозрачным чернилом) и подвергается воздействию УФ-луча.Ультрафиолетовый свет затвердевает фоторезистент в областях, не покрытых маской.
Точность выравнивания: для многослойных печатных плат, штифты выравнивания и фидуциальные знаки (маленькие медные цели) обеспечивают регистрацию слоев в пределах ± 0,02 мм, что является критическим для подключений через.

Шаг 4: Разработка и вырезка
Разработка устраняет нераскрытый фоторезистент, в то время как нанесение нарезки растворяет базовую медь, оставляя желаемые следы цепи.
Подробности процесса:
Разработка: панели распыляют раствором разрабатывающего (например, карбонатом натрия), чтобы растворить нераскрытый фоторезист, выявляя медь, которая будет выгравирована.
Помывка: деионизированная вода удаляет остаточный девелопер, чтобы остановить реакцию.
Гравирование: Растворенная медь растворяется с помощью резьбового раствора.
Хлорид железа (FeCl3): используется для производства небольших партий, экономически эффективный, но менее точный.
Хлорид медь (CuCl2): предпочтителен для производства больших объемов, предлагая лучший контроль и перерабатываемость.
Этчант распыляется на панель при температуре 40-50 °C, при этом время этчинга варьируется в зависимости от толщины меди (например, 60-90 секунд для 1 унции меди).
Стриппинг: оставшийся фоторезист удаляется с помощью растворителя или щелочного раствора, оставляя чистые следы меди.
Проверка: системы AOI проверяют наличие недостаточного гравирования (слишком толстых следов), чрезмерного гравирования (слишком тонких следов) или коротких шортов между следами.

Шаг 5: Бурение
Сверлы проводятся для размещения проходных компонентов, каналов (электрические соединения между слоями) и оборудования для монтажа.
Подробности процесса:
Выбор инструмента:
Механические сверла: сверла с карбидным или бриллиантовым наконечником для отверстий ≥ 0,15 мм. Скорость вращения шпинделя варьируется от 10 000 до 50 000 оборотов в минуту для минимизации бурения.
Лазерные сверла: УФ или CO2 лазеры для микровиа (0,05 ≈ 0,15 мм) в ПКЖ HDI, предлагающие более высокую точность и меньшие размеры отверстий.
Складывание: панели складываются (обычно 5×10 панелей) для повышения эффективности, с алюминиевыми или фенольными листами между ними для уменьшения износа сверла.
Очищение отверстий: отверстия протирают абразивными подушками или обрабатывают химическими резьбой, чтобы удалить медь и подложки, которые могут вызвать короткое замыкание.
Удаление примеси: для многослойных ПХБ химическая или плазменная обработка удаляет смолу?смара? из стен отверстий, обеспечивая надежное покрытие в последующих этапах.

Шаг 6: покрытие
Покрытие покрывает стены отверстий проводящим материалом, что позволяет установить электрические соединения между слоями.
Подробности процесса:
Неэлектрическая медная покрытие: тонкий слой (0,5μm) меди откладывается на стенках отверстий и открытых участках подложки без использования электрического тока.даже в маленьких дырах.
Электропластика: электрический ток наносится для утолщения слоя меди (обычно 15-30 мкм) на следах и стенах отверстий.
Укрепляет через связи.
Увеличивает проводимость для высокомощных приложений.
Контроль толщины покрытия: плотность тока и время покрытия точно контролируются для достижения равномерной толщины по всей панели.
Оцинкованный металл (необязательно): может быть нанесен тонкий слой оцинкованного металла для защиты следов меди во время последующей обработки (например, при нанесении маски сварки).

Шаг 7: Нанесение маски сварки
Сплавная маска представляет собой защитное полимерное покрытие, нанесенное на следы меди для предотвращения сварных мостов во время сборки и защиты от окисления и повреждения окружающей среды.
Подробности процесса:
Выбор материала:
Жидкий фотообразуемый (LPI): применяется с помощью распыления или занавесного покрытия, затем отверждается ультрафиолетовым светом.
Сухая пленка: ламинирована на панели, идеально подходит для большого производства.
Воздействие и разработка: аналогично фоторезистной обработке, сварная маска подвергается воздействию УФ-луча через маску, затем разрабатывается для обнаружения медных подложки и vias.
Укрепление: панель выпекается при температуре 150-160 °C для полного укрепления сварной маски, обеспечивая химическую устойчивость и адгезию.
Цветовые варианты: зеленый цвет является стандартным (обеспечивает хорошую контрастность для осмотра), но черный, белый, красный или синий цвета могут использоваться в эстетических или функциональных целях (например, белый цвет для отражания светодиодов).

Шаг 8: Шелковая печать
Silkscreen добавляет текст, логотипы и идентификаторы компонентов на ПКБ, помогая в сборке, тестировании и устранении неполадок.
Подробности процесса:
Выбор чернил: чернила на основе эпоксида используются для долговечности, с температурной стойкостью до 260 ° C (для выживания при пайке).
Печать: Стеклон (с шелковым рисунком) выстраивается на ПКБ, а чернила сжимаются через стенцил на панель.
Процедура отверждения: чернила отверждаются при температуре 150-170°С в течение 30-60 минут, обеспечивая их прочную сцепление и устойчивость к растворителям.
Точность: выравнивание с подложками компонентов имеет решающее значение (± 0,1 мм), чтобы избежать затенения критических особенностей, таких как полярные знаки.

Шаг 9: Нанесение поверхностной отделки
Поверхностные отделки защищают открытые медные подкладки (отводы маски сварки) от окисления, обеспечивая надежную сварку во время сборки компонентов.
Общие поверхностные отделки:

Шаг 10: Электрические испытания
Каждый ПКБ проходит строгие электрические испытания, чтобы убедиться, что он соответствует спецификациям конструкции.
Ключевые тесты:
a. Испытание непрерывности: проверяет, что все следы проводят электричество, как и предусмотрено, проверяя на наличие открытий (сломанных следов).
b. Испытание сопротивления изоляции (IR): измеряется сопротивление между соседними трассами, чтобы гарантировать отсутствие короткого хода (обычно > 109Ω при 500 В).
c. Испытание Hi-Pot: применяется высокое напряжение (500-1000 В) между проводниками и заземлением для проверки повреждения изоляции, что имеет решающее значение для безопасности в высоковольтных приложениях.
d. Испытания в схеме (ICT): для сборных ПХБ, зонды проверяют значения компонентов, ориентации и соединения, обнаруживая такие проблемы, как неправильные резисторы или обратные диоды.
e. Испытания с помощью летающих зондов: автоматизированные зонды проверяют обнаженные ПКБ (до сборки компонентов) на непрерывность и короткие шорты, идеально подходят для малого объема или прототипов.

Шаг 11: Окончательный осмотр и упаковка
Последним шагом является обеспечение соответствия ПХБ стандартам качества перед отправкой заказчику.
Подробности процесса:
a.Визуальная инспекция: системы AOI и ручные проверки проверяют:
Покрытие и выравнивание паяльной маски.
Прозрачность и расположение шелкового экрана.
Однородность поверхности.
Никаких физических дефектов (грабежей, вмятин или деламинирования).
b.Исследование размеров: Координатно-измерительные машины (CMM) проверяют критические размеры (например, положения отверстий, толщину доски) в пределах ±0,05 мм.
c.Опаковка: ПХБ упаковываются в антистатические пакеты или подносы для предотвращения повреждения электростатическим разрядом (ЭСД).
Маршрутизация: маршрутизаторы с ЧПУ перерезают по заранее заданным линиям.
V-Scoring: В панель вырезана V-образная канавка, позволяющая ручное отделение с минимальным напряжением.

Сравнительный анализ: однослойное и многослойное производство ПКБ

Индустриальные стандарты, регулирующие производство ПХБ
Производство ПХБ регулируется мировыми стандартами для обеспечения качества и надежности:
a.IPC-A-600: Определяет критерии приемлемости для изготовления ПКБ, включая допустимые дефекты в меде, паяльной маске и ламинировании.
b.IPC-2221: Предоставляет стандарты проектирования для ширины следов, расстояния и размера отверстий на основе требований к току и напряжению.
c.IPC-J-STD-001: Указывает требования к сварке, обеспечивающие прочные и надежные соединения во время сборки.
d.UL 94: Испытания воспламеняемости ПХБ-материалов с такими характеристиками, как V-0 (высочайшее сопротивление), требуемые для критически важных для безопасности приложений.
e.RoHS/REACH: Ограничение опасных веществ (свинца, кадмия) и регулирование использования химических веществ, обеспечивая безопасность окружающей среды и людей.

Будущие тенденции в производстве ПХБ
Прогресс в технологиях меняет производство ПХБ:
a.Адитивное производство: 3D-печать проводящих следов и диэлектрических слоев позволяет создавать сложные, индивидуальные конструкции с уменьшением отходов материалов.
b.AI и автоматизация: машинное обучение оптимизирует пути бурения, прогнозирует сбои оборудования и улучшает точность AOI, уменьшая дефекты на 30-50%.
c.Взвязка высокой плотности (HDI): микровиации, сложенные виации и более тонкие ширины следов (≤2 миллиметра) позволяют использовать более мелкие и мощные печатные платы для приложений 5G и искусственного интеллекта.
e.Устойчивость: Водопереработка, извлечение меди из офорта и биологические субстраты (например, эпоксид на основе соевого масла) снижают воздействие на окружающую среду.

Часто задаваемые вопросы
В: Сколько времени требуется для изготовления ПХБ?
Ответ: Время выполнения различается в зависимости от сложности: однослойные печатные платы требуют 2 ‰ 5 дней, 4 ‰ 8 слоев печатных платок требуют 5 ‰ 10 дней, а HDI-карты с высоким количеством слоев (12 + слоев) могут занимать 15 ‰ 20 дней.Службы скорой помощи могут сократить эти сроки на 30-50% за премию.

Вопрос: В чем разница между производством прототипов и производством ПКБ?
Ответ: Прототипы (1100 единиц) придают приоритет скорости и гибкости, часто используя упрощенные процессы (например, ручная инспекция).с автоматизированным тестированием и оптимизированной панелизацией для снижения затрат на единицу.

В: Сколько стоит производство ПХБ?
Ответ: Стоимость зависит от количества слоев, размера и объема. 2-слойный, 10 см × 10 см PCB стоит 2 ¢ 5 за единицу в большом объеме, в то время как 8-слойная HDI-карта того же размера может стоить 20 ¢ 50 за единицу.

Вопрос: Что вызывает дефекты производства ПХБ и как их предотвратить?
Ответ: К распространенным дефектам относятся деламинирование (влажность в подложках), короткие цепи (неадекватная гравировка) и неправильно выровненные слои (плохая регистрация).субстраты для предварительного выпека для удаления влаги, автоматизированный мониторинг гравировки и системы точной выравнивания.

В: Можно ли перерабатывать ПХБ?
Ответ: Да. ПХБ содержат ценные материалы, такие как медь (15~20% по весу), золото (в поверхностной отделке) и стекловолокно.Специалисты по переработке используют механическое измельчение и химические процессы для получения этих материалов, сокращение отходов и спроса на сырье.

Вопрос: Сколько слоев может быть в ПХБ?
О: Коммерческие печатные платы обычно имеют от 1 до 40 слоев. Специализированные приложения (например, суперкомпьютеры, аэрокосмическая промышленность) используют более 60 слоев,Хотя для сохранения надежности требуются передовые методы ламинирования и бурения.

В: Как факторы окружающей среды влияют на производство ПХБ?
Ответ: Контроль температуры и влажности имеет решающее значение. Высокая влажность во время применения фоторезистора может вызвать дефекты покрытия, а колебания температуры во время ламинирования могут привести к неравномерной отвержке.Производители поддерживают климатизированные чистые помещения (20-25°C), 40~60% RH) чтобы избежать этих проблем.

Вопрос: Какова роль автоматизации в производстве ПКБ?
A: Автоматизация улучшает точность и последовательность на всех этапах: системы AOI проверяют следы с точностью ± 0,01 мм, роботизированные обработчики уменьшают контакт с человеком (минимизируют загрязнение),и программное обеспечение на базе ИИ оптимизирует пути бурения для уменьшения износа инструментаАвтоматизация также позволяет производить круглосуточно, увеличивая производительность.

Вопрос: Как гибкие печатные платы производятся по-другому, чем жесткие?
Ответ: гибкие печатные платы используют полимидные субстраты вместо FR-4, что требует специальных клеев и ламинирующих процессов для поддержания гибкости.и их поверхностные отделки (e(например, погрузочный олово) выбираются для того, чтобы выдерживать повторное изгибание.

В: Какие испытания требуются для ПХБ, используемых в критически важных для безопасности приложениях (например, медицинских изделиях)?
A: Критически важные для безопасности ПХБ подвергаются усиленным испытаниям, включая:
1Тепловой цикл: от -40°C до 85°C в течение более 1000 циклов для моделирования длительного использования.
2Испытание вибрации: вибрации 10 ‰ 2000 Гц для обеспечения сохранности соединителей и компонентов сварки.
3Рентгеновская инспекция: для проверки качества и выравнивания слоев в многослойных платах.
4Сертификации: Соответствие стандартам, таким как IPC-6012 (для жестких ПХБ) и ISO 13485 (для медицинских изделий).

Заключение
Процесс производства ПХБ - это чудо высокоточной инженерии, сочетающее химические процессы, механические операции,и продвинутая автоматизация для преобразования цифрового дизайна в функциональную плату.От подготовки субстрата до окончательного испытания каждый шаг играет решающую роль в обеспечении соответствия ПХБ электрическим, механическим и экологическим требованиям.
Понимание этих шагов имеет важное значение для инженеров, покупателей и любителей, поскольку это позволяет принимать обоснованные решения о дизайнерских компромиссах, выборе материалов и управлении затратами.Поскольку электронная техника продолжает развиваться, она становится все меньше, быстрее и более сложное производство ПХБ будет адаптироваться, благодаря инновациям в материалах, процессах и автоматизации.
Ключевой вывод: изготовление печатных пластин - это высокококоординированный процесс, где точность и контроль качества имеют первостепенное значение.вносит вклад в способность панели выполнять надежное выполнение предполагаемого приложенияПридерживаясь отраслевых стандартов и используя новые технологии, производители могут постоянно производить печатные пластинки, которые отвечают требованиям современной электроники.