Jak se vyrábí deska plošných spojů: Průvodce výrobním procesem

Výroba desky plošných spojů znamená přeměnit návrh na fyzickou desku s měděnými vodiči, otvory a ochrannou povrchovou úpravou. Existují dva velmi odlišné způsoby, jak toho dosáhnout: vyrobit si ji sami doma leptáním nebo frézováním a nechat si ji vyrobit v profesionální továrně. Oba způsoby vytvoří funkční desku pro správný projekt, ale enormně se liší ve schopnostech, povrchové úpravě a spolehlivosti. Tato příručka vysvětluje, jak vyrobit desku plošných spojů oběma způsoby, co domácí metody dokážou a co nemohou a jak továrna krok za krokem desku vyrábí, abyste si mohli vybrat správnou cestu pro to, co stavíte.

Od návrhu k fyzické desce: Celkový obraz

Ať už je deska s plošnými spoji vyrobena jakkoli, začíná to stejně: návrh zachycený v softwaru EDA vytvoří sadu výrobních souborů, v podstatě soubory Gerber pro každou měděnou a maskovací vrstvu a vrtací soubor pro otvory. Výroba desky s plošnými spoji je proces realizace těchto souborů v laminátu potaženém mědí.

Základní myšlenkou je vždy definovat měď tam, kde ji chcete, a odstranit ji všude jinde, poté přidat otvory a ochranné vrstvy. Domácí metody toho dosahují pomocí chemie nebo řezacího nástroje na jednom kusu měděné desky. Továrny to dělají pomocí fotolitografie, přesného vrtání, galvanického pokovování a řady kontrolovaných chemických a tepelných kroků, kterým se domácí zařízení nemohou vyrovnat. Pochopení tohoto společného cíle usnadňuje pochopení rozdílů mezi těmito dvěma cestami.

Výroba desky plošných spojů doma

Výroba vlastními silami je uspokojivý způsob, jak rychle získat jednoduchou desku, často ještě tentýž den. Existují tři běžné přístupy.

Přenos toneru

Měděný vzor vytisknete laserovou tiskárnou na speciální papír, nažehlíte nebo nažehlíte na měděnou desku, aby se toner spojil jako leptací nátěr, a poté vyleptáte holou měď. Je to levné a vyžaduje to jen málo vybavení, ale rozlišení je omezené a výsledky se liší v závislosti na technice.

UV fotorezist

Použijete desku (nebo povlak) citlivou na UV záření, exponujete ji přes vytištěnou masku vašeho vzoru, vyvoláte ji a leptáte. To dává jemnější a opakovatelnější výsledky než tonerový přenos a je to lepší domácí metoda, když potřebujete čistší stopy.

CNC frézování (izolační frézování)

Místo chemie malý CNC stroj mechanicky odřezává měď kolem vašich stop a izoluje je. Frézování se zcela vyhýbá leptadlu a umožňuje i vrtání otvorů, ale nástroje, kontrola hloubky a šířka stopy stanovují praktická omezení.

Leptání

Chemické metody končí leptáním, rozpouštěním obnažené mědi. Běžnými leptadly jsou chlorid železitý nebo směs peroxidu vodíku a kyseliny. Leptadla jsou korozivní a vyžadují péči, větrání a správnou likvidaci, což je část kutilských prací, která vyžaduje největší opatrnost.

Meze DIY desek

Domácí metody jsou sice vhodné pro jednoduchou práci, ale narážejí na tvrdá omezení, která profesionální postup nenabízí. Stůl mezeru betonuje.

Největším praktickým omezením je nedostatek spolehlivých pokovených průchozích otvorů, což v domácích podmínkách prakticky znemožňuje výrobu vícevrstvých desek a robustních průchodů. Připočtěte k tomu absenci pájecí masky, správné povrchové úpravy a možnosti jemného opracování prvků a je jasné, proč se DIY hodí pro prototypy a učení, ale ne pro produkty. Pro cokoli, co tyto vlastnosti potřebuje, je profesionální výroba desek plošných spojů tou správnou cestou.

Jak továrna vyrábí desku plošných spojů krok za krokem

Profesionální výrobce staví desku v dlouhé posloupnosti přesných a kontrolovaných kroků. Přesný postup se liší v závislosti na počtu vrstev, ale vícevrstvá deska postupuje zhruba tímto způsobem.

1. Zobrazování vnitřní vrstvy. Vnitřní měděné vrstvy jsou potaženy fotorezistem, exponovány podle vzoru vrstev, vyvolány a leptány, čímž se definují vnitřní stopy.
2. Laminace. Vnitřní vrstvy jsou složeny z prepregu (skla impregnovaného pryskyřicí) a spojeny za tepla a tlaku do pevného vícevrstvého panelu.
3. Vrtání. Otvory pro průchody a součástky se vrtají přesně, mechanicky nebo laserem pro ty nejmenší mikroprůchody.
4. Pokovování. Vyvrtané otvory a povrchy jsou galvanicky pokoveny mědí, čímž vznikají pokovené průchozí otvory, které spojují vrstvy. Tento krok nelze replikovat vlastními silami.
5. Zobrazování a leptání vnější vrstvy. Vnější měď je vzorovaná a leptaná stejným způsobem jako vnitřní vrstvy.
6. Pájecí maska. Ochranná maska ​​se nanese a vytvrdí, přičemž otvory zůstanou pouze tam, kde je potřeba pájení, a poté se obarví.
7. Sítotisk. Jsou vytištěny štítky součástek, referenční označení a značky.
8. Povrchová úprava. Odkryté kontaktní plošky jsou ošetřeny povrchovou úpravou, například ENIG nebo HASL, aby zůstaly pájitelné a odolné vůči korozi.
9. Elektrická zkouška. Desky se testují na přerušení a zkraty v porovnání s netlistem, aby se potvrdilo, že měď je správná.
10. Směrování a profilování. Desky se z panelu vyřezávají do konečného tvaru a často se ponechávají v panelu s lištami pro montáž.

Každý krok je monitorován, což dává deskám plošných spojů z výroby jejich konzistenci a spolehlivost. Pokročilé linky posouvají tento trend ještě dále díky laserově vrtaným mikrootvorům a přesné regulaci impedance pro náročné návrhy, což je oblast vysokorychlostní výroby desek plošných spojů . Stejný řízený proces umožňuje také specializované konstrukce, od flexibilních desek plošných spojů až po tuhé a flexibilní desky , kterým se žádná domácí metoda nedokáže přiblížit.

Výběr materiálů, vrstev a povrchových úprav

Součástí přechodu na profesionální výrobu je výběr materiálů a povrchových úprav, které doma jednoduše neseženete. Několik rozhodnutí se opakuje téměř na každé desce.

Základní materiál a hmotnost mědi

Většina desek plošných spojů používá FR4, epoxidový laminát vyztužený skelnými vlákny. Jeho teplota skelného přechodu (Tg) by měla vyhovovat procesu montáže, bezolovnatý reflow se zahřívá více a má vyšší teplotu skelného přechodu (Tg). Hmotnost mědi, často 30 gramů a více pro výkonové obvody, určuje, kolik proudu může vodivá stopa nést. Vysokofrekvenční a vysokorychlostní konstrukce mohou vyžadovat specializované lamináty nad rámec standardního FR4, což je doména vysokorychlostní výroby desek plošných spojů.

Počet vrstev a jejich vrstvení

Domácí leptaná deska s deskou má realisticky jednu nebo dvě vrstvy. Továrna jich běžně vyrábí čtyři, šest nebo i mnohem více s kontrolovaným vrstvením a spolehlivými pokovenými propojovacími otvory, které je propojují. Více vrstev vám dává prostor pro směrování hustých konstrukčních prvků, oddělení napájecích a zemních rovin a správu integrity signálu, s čímž se žádný proces domácí výroby nevyrovná.

povrchová úprava

Povrchová úprava udržuje odkrytou měď pájitelnou a chráněnou. Běžné možnosti se vyznačují rovinností, trvanlivostí a cenou.

Pro většinu prvních profesionálních desek plošných spojů se hodí ENIG nebo HASL, ENIG v případě součástek s jemnou roztečí nebo potřeby dlouhého skladování, HASL v případě, že záleží na ceně a jsou zde větší prvky. Výrobce může v rámci standardní výroby desek plošných spojů doporučit povrchovou úpravu, která bude vyhovovat vašemu návrhu a rozpočtu.

Kdy přejít od kutilství k výrobě

DIY je vynikající pro učení, rychlé experimenty a úplně první verzi jednoduché desky. Jakmile se některá z těchto možností splní, obraťte se na profesionálního výrobce:

• Potřebujete více než dvě vrstvynebo spolehlivý pokovené průchodky.
• Váš návrh má jemné stopy nebo malé části nad rámec toho, co dokáže vyřešit leptání nebo frézování.
• Ty chceš pájecí maska, sítotisk a správná povrchová úprava pro spolehlivost a snadnou montáž.
• Potřebujete řízená impedance pro vysokorychlostní nebo RF signály.
• Potřebujete více než pár stejných desek, nebo konzistentní, opakovatelnou kvalitu.

Ekonomická výhoda často zvýhodňuje výrobce dříve, než lidé očekávají, protože prototypy jsou levné a desky dorazí hotové, otestované a připravené k sestavení. Rychlá kontrola DFM před objednáním odhalí problémy, které by domácí proces jednoduše vůbec nedokázal vytvořit.

Sestavení představenstva

Výroba holé desky s plošnými spoji je jen polovina stavby elektroniky; součástky je stále třeba připájet. Jednoduchou desku s průchozím otvorem můžete ručně pájet, ale cokoli s jemnými součástkami pro povrchovou montáž je mnohem snazší a spolehlivější na sestavení.

A právě zde se hodí jeden výrobce: stejné soubory Gerber, vrtací systémy, kusovníky a pick-and-place, které slouží k výrobě desky, řídí také montáž plošných spojů , takže jeden partner převede váš návrh ze souborů do hotové, osazené desky. S růstem vašeho projektu se stejné soubory škálují do velkoobjemové montáže plošných spojů bez nutnosti reengineeringu. Výroba a montáž pod jednou střechou také udržuje kvalitu a odpovědnost na jednom místě.

Vyrobte si doma desku, abyste se mohli rychle učit a testovat nápady; přejděte k profesionální výrobě, když potřebujete vrstvy, pokovené otvory, povrchovou úpravu nebo opakovatelnou kvalitu. Znalost fungování jednotlivých postupů vám umožní vybrat ten správný v každé fázi projektu. Více si můžete přečíst o společnosti Highleap Electronics a našich možnostech výroby a montáže.

Často kladené dotazy

Můžu si opravdu doma vyrobit desku plošných spojů?

Ano, pro jednoduché jedno- nebo dvouvrstvé desky. Přenos toneru, UV fotorezist a CNC frézování - to vše funguje, u chemických metod je konečná úprava leptáním. Jsou skvělé pro prototypy a učení, ale nemohou se rovnat továrním pokoveným otvorům, pájecí masce, povrchové úpravě nebo jemným prvkům.

Proč nemohou mít DIY desky pokovené průchozí otvory?

Pokovování otvorů vyžaduje galvanické pokovování mědí skrz vyvrtané válce, což je průmyslový chemický proces. Domácí metody mohou v nejlepším případě přidat ruční nýty, které jsou mnohem méně spolehlivé. Nedostatek pokovených průchodů je hlavním důvodem, proč je vlastní výroba omezena na jednu nebo dvě vrstvy.

Jaká je minimální šířka stopy, kterou mohu vytvořit doma?

Zhruba 0.4 až 0.5 mm je realistický limit pro typické metody „udělej si sám“, v závislosti na technice. Profesionální výroba řeší mnohem jemnější prvky, na pokročilých linkách výrazně pod 0.1 mm, a proto husté nebo jemné návrhy potřebují výrobce.

Kdy bych měl přestat vyrábět desky sám a začít si je objednávat?

Pokud potřebujete více než dvě vrstvy, pokovené průchodky, jemné vodiče, pájecí masku a povrchovou úpravu, řízenou impedanci nebo více než několik konzistentních desek. Prototypy od výrobce jsou levné a dodávají se hotové a otestované.

Jaké soubory potřebuje výrobce k výrobě mé desky?

Soubory Gerber pro každou vrstvu a NC vrtací soubor pro otvory. Pokud chcete také montáž, přidejte kusovník a soubor pro pick-and-place. Zadejte tloušťku desky, hmotnost mědi, barvy pájecí masky a sítotisku, povrchovou úpravu a případné požadavky na impedanci.

Může mi tatáž firma vyrobit a smontovat desku?

Ano. Výrobce z jednoho místa používá stejnou sadu souborů k výrobě holé desky a k sestavení komponent, čímž převádí váš návrh ze souborů na hotovou desku a škáluje se od prototypů až po velké objemy výroby bez nutnosti změny dodavatele.

Jakou povrchovou úpravu bych si měl/a zvolit pro svou desku?

Pro většinu desek je praktickou volbou ENIG nebo HASL. Zvolte ENIG, pokud máte součástky s jemnou roztečí nebo potřebujete dlouhou životnost, protože je plochý a odolný; zvolte HASL, pokud záleží na ceně a vlastnosti jsou větší. OSP je levná plochá varianta pro desky, které budou pájeny krátce po výrobě.