Πώς κατασκευάζεται ένα PCB: Οδηγός διαδικασίας κατασκευής

Η κατασκευή μιας πλακέτας τυπωμένου κυκλώματος σημαίνει μετατροπή ενός σχεδίου σε μια φυσική πλακέτα με ίχνη χαλκού, τρύπες και προστατευτικό φινίρισμα. Υπάρχουν δύο πολύ διαφορετικοί τρόποι για να το πετύχετε αυτό: η κατασκευή μιας μόνοι σας στο σπίτι με χάραξη ή φρεζάρισμα και η κατασκευή μιας σε ένα επαγγελματικό εργοστάσιο. Και οι δύο παράγουν μια λειτουργική πλακέτα για το σωστό έργο, αλλά διαφέρουν σημαντικά σε δυνατότητες, φινίρισμα και αξιοπιστία. Αυτός ο οδηγός εξηγεί πώς να κατασκευάσετε μια πλακέτα τυπωμένου κυκλώματος και με τους δύο τρόπους, τι μπορούν και τι δεν μπορούν να κάνουν οι οικιακές μέθοδοι και πώς ένα εργοστάσιο κατασκευάζει μια πλακέτα βήμα προς βήμα, ώστε να μπορείτε να επιλέξετε τη σωστή διαδρομή για αυτό που κατασκευάζετε.

Από το Σχεδιασμό στη Φυσική Πλακέτα: Η Μεγάλη Εικόνα

Όπως και να κατασκευαστεί μια πλακέτα, ξεκινά με τον ίδιο τρόπο: ένα σχέδιο που καταγράφεται σε λογισμικό EDA παράγει ένα σύνολο αρχείων κατασκευής, κυρίως αρχεία Gerber για κάθε στρώμα χαλκού και μάσκας και ένα αρχείο τρυπανιού για τις τρύπες. Η κατασκευή της πλακέτας είναι η διαδικασία υλοποίησης αυτών των αρχείων σε laminate με επικάλυψη χαλκού.

Η βασική ιδέα είναι πάντα να ορίζετε τον χαλκό εκεί που θέλετε και να τον αφαιρείτε από παντού αλλού, και στη συνέχεια να προσθέτετε τρύπες και προστατευτικά στρώματα. Οι οικιακές μέθοδοι το επιτυγχάνουν αυτό με χημεία ή με ένα εργαλείο κοπής σε ένα ενιαίο κομμάτι χαρτονιού επενδυμένο με χαλκό. Τα εργοστάσια το επιτυγχάνουν με φωτολιθογραφία, ακριβές τρύπημα, ηλεκτρολυτική επιμετάλλωση και μια σειρά ελεγχόμενων χημικών και θερμικών βημάτων που οι οικιακές εγκαταστάσεις δεν μπορούν να φτάσουν. Η κατανόηση αυτού του κοινού στόχου καθιστά εύκολα ορατές τις διαφορές μεταξύ των δύο διαδρομών.

Κατασκευή PCB στο σπίτι

Η κατασκευή DIY είναι ένας ικανοποιητικός τρόπος για να αποκτήσετε μια απλή σανίδα γρήγορα, συχνά την ίδια μέρα. Υπάρχουν τρεις συνηθισμένες προσεγγίσεις.

Μεταφορά τόνερ

Εκτυπώνετε το μοτίβο χαλκού σε ειδικό χαρτί με εκτυπωτή λέιζερ, σιδερώνετε ή το πιέζετε με θερμότητα πάνω στην πλακέτα με επένδυση χαλκού, ώστε ο γραφίτης να κολλήσει ως χάραξη και στη συνέχεια χαράσσετε τον γυμνό χαλκό. Είναι φθηνό και απαιτεί λίγο εξοπλισμό, αλλά η ανάλυση είναι περιορισμένη και τα αποτελέσματα ποικίλλουν ανάλογα με την τεχνική.

Φωτοανθεκτικό υπεριώδους ακτινοβολίας

Χρησιμοποιείτε μια σανίδα (ή μια επίστρωση) ευαίσθητη στην υπεριώδη ακτινοβολία, την εκθέτετε μέσα από μια εκτυπωμένη μάσκα του μοτίβου σας, την εμφανίζετε και την χαράσσετε. Αυτό δίνει πιο λεπτά, πιο επαναλήψιμα αποτελέσματα από τη μεταφορά γραφίτη και είναι η καλύτερη μέθοδος στο σπίτι όταν χρειάζεστε πιο καθαρά ίχνη.

Φρέζα CNC (δρομολόγηση με απομόνωση)

Αντί για χημεία, μια μικρή μηχανή CNC κόβει μηχανικά τον χαλκό γύρω από τα ίχνη σας, απομονώνοντάς τα. Η φρεζάρισμα αποφεύγει εντελώς τη χρήση χάραξης και μπορεί επίσης να ανοίξει τρύπες, αλλά η χρήση εργαλείων, ο έλεγχος βάθους και το πλάτος του ίχνους θέτουν πρακτικά όρια.

Χαλκογραφία

Οι χημικές μέθοδοι ολοκληρώνονται με χάραξη, διαλύοντας τον εκτεθειμένο χαλκό. Συνηθισμένα χάρακτα είναι το χλωριούχο σίδηρο ή ένα μείγμα υπεροξειδίου του υδρογόνου και οξέος. Τα χάρακτα είναι διαβρωτικά και απαιτούν φροντίδα, αερισμό και σωστή απόρριψη, το κομμάτι των εργασιών DIY που απαιτεί τη μεγαλύτερη προσοχή.

Τα Όρια των DIY Σανίδων

Οι μέθοδοι στο σπίτι είναι κατάλληλες για απλή εργασία, αλλά επιτυγχάνουν σκληρά όρια που δεν επιτυγχάνει μια επαγγελματική διαδικασία. Το τραπέζι κάνει το κενό συγκεκριμένο.

Ο μεγαλύτερος πρακτικός περιορισμός είναι η έλλειψη αξιόπιστων επιμεταλλωμένων οπών, γεγονός που καθιστά ουσιαστικά αδύνατη την κατασκευή πολυστρωματικών πλακετών και στιβαρών διαβάσεων στο σπίτι. Προσθέστε την απουσία μάσκας συγκόλλησης, το σωστό φινίρισμα και τη δυνατότητα λεπτών χαρακτηριστικών, και γίνεται σαφές γιατί το DIY ταιριάζει σε πρωτότυπα και μάθηση αλλά όχι σε προϊόντα. Για οτιδήποτε χρειάζεται αυτά τα χαρακτηριστικά, η επαγγελματική κατασκευή PCB είναι η οδός.

Πώς ένα εργοστάσιο κατασκευάζει ένα PCB, βήμα προς βήμα

Ένας επαγγελματίας κατασκευαστής κατασκευάζει μια σανίδα μέσω μιας μακράς ακολουθίας ακριβών, ελεγχόμενων βημάτων. Η ακριβής ροή ποικίλλει ανάλογα με τον αριθμό των στρώσεων, αλλά μια σανίδα πολλαπλών στρώσεων ακολουθεί περίπου αυτή τη διαδρομή.

1. Απεικόνιση εσωτερικού στρώματος. Τα εσωτερικά στρώματα χαλκού επικαλύπτονται με φωτοευαίσθητο υλικό, εκτίθενται στο μοτίβο των στρώσεων, εμφανίζονται και χαράσσονται, ορίζοντας τα εσωτερικά ίχνη.
2. Σφυρηλάτηση προς φύλλωση. Τα εσωτερικά στρώματα στοιβάζονται με προεμποτισμένο γυαλί (γυαλί εμποτισμένο με ρητίνη) και συγκολλούνται υπό θερμότητα και πίεση σε ένα συμπαγές πολυστρωματικό πάνελ.
3. Γεώτρηση. Οι οπές για τις οπές διέλευσης και τα εξαρτήματα ανοίγονται με ακρίβεια, μηχανικά ή με λέιζερ για τις μικρότερες μικροοπές.
4. Επιμετάλλωση. Οι τρύπες και οι επιφάνειες που έχουν τρυπηθεί είναι ηλεκτρολυτικά επιμεταλλωμένες με χαλκό, δημιουργώντας τις επιμεταλλωμένες οπές που συνδέουν τα στρώματα, τις οποίες το step DIY δεν μπορεί να αναπαράγει.
5. Απεικόνιση και χάραξη εξωτερικού στρώματος. Ο εξωτερικός χαλκός είναι διαμορφωμένος και χαραγμένος με τον ίδιο τρόπο όπως τα εσωτερικά στρώματα.
6. Μάσκα κολλήσεως. Η προστατευτική μάσκα εφαρμόζεται και σκληραίνει, αφήνοντας ανοίγματα μόνο όπου χρειάζεται συγκόλληση, και στη συνέχεια χρωματίζεται.
7. Μεταξοτυπία. Οι ετικέτες των εξαρτημάτων, οι προσδιοριστές αναφοράς και οι σημάνσεις είναι τυπωμένες.
8. Φινίρισμα επιφάνειας. Τα εκτεθειμένα τακάκια έχουν φινίρισμα όπως ENIG ή HASL για να διατηρούνται συγκολλήσιμα και ανθεκτικά στη διάβρωση.
9. Ηλεκτρική δοκιμή. Οι πλακέτες δοκιμάζονται για ανοίγματα και σορτς έναντι της λίστας netlist για να επιβεβαιωθεί ότι το χαλκό είναι σωστό.
10. Δρομολόγηση και δημιουργία προφίλ. Οι σανίδες κόβονται από το πάνελ στο τελικό τους σχήμα, συχνά αφήνοντας τις σε ένα πάνελ με ράγες για συναρμολόγηση.

Κάθε βήμα παρακολουθείται, κάτι που δίνει στις εργοστασιακές πλακέτες τη συνέπεια και την αξιοπιστία τους. Οι προηγμένες γραμμές προωθούν αυτό το ζήτημα περαιτέρω με μικροδιαφράγματα με τρυπάνι λέιζερ και αυστηρό έλεγχο σύνθετης αντίστασης για απαιτητικά σχέδια, το πεδίο της κατασκευής PCB υψηλής ταχύτητας . Η ίδια ελεγχόμενη διαδικασία είναι επίσης αυτή που καθιστά δυνατές εξειδικευμένες κατασκευές, από εύκαμπτα PCB έως άκαμπτες-εύκαμπτες πλακέτες που καμία οικιακή μέθοδος δεν μπορεί να προσεγγίσει.

Επιλογή Υλικών, Στρώσεων και Επιφανειακών Φινιρισμάτων

Μέρος της μετάβασης σε επαγγελματικές κατασκευές είναι η επιλογή υλικών και φινιρισμάτων που απλά δεν μπορείτε να βρείτε στο σπίτι. Σχεδόν σε κάθε σανίδα επαναλαμβάνονται αρκετές αποφάσεις.

Βασικό υλικό και βάρος χαλκού

Οι περισσότερες πλακέτες χρησιμοποιούν FR4, ένα εποξειδικό ενισχυμένο με γυαλί έλασμα. Η θερμοκρασία μετάπτωσης υάλου (Tg) του θα πρέπει να ταιριάζει με τη διαδικασία συναρμολόγησης, η αναπλήρωση χωρίς μόλυβδο λειτουργεί θερμότερα και επωφελείται από ένα υλικό υψηλότερης Tg. Το βάρος του χαλκού, συχνά μία ουγγιά και βαρύτερο για κυκλώματα ισχύος, καθορίζει πόσο ρεύμα μπορεί να μεταφέρει ένα ίχνος. Τα σχέδια υψηλής συχνότητας και υψηλής ταχύτητας ενδέχεται να απαιτούν εξειδικευμένα ελάσματα πέρα ​​από το τυπικό FR4, το οποίο αποτελεί το πεδίο της κατασκευής PCB υψηλής ταχύτητας.

Αριθμός στρώσεων και στοίβαξη

Μια πλακέτα που χαράσσεται στο σπίτι αποτελείται ρεαλιστικά από μία ή δύο στρώσεις. Ένα εργοστάσιο κατασκευάζει συνήθως τέσσερις, έξι ή περισσότερες, με ελεγχόμενες στοίβες και αξιόπιστες επιμεταλλωμένες οπές που τις συνδέουν. Περισσότερες στρώσεις σας δίνουν χώρο για να δρομολογείτε πυκνά σχέδια, ξεχωριστά επίπεδα ισχύος και γείωσης και να διαχειρίζεστε την ακεραιότητα του σήματος, κάτι που καμία από τις δύο δεν μπορεί να συγκριθεί με μια διαδικασία DIY.

Η επιφάνεια τελειώνει

Το φινίρισμα της επιφάνειας διατηρεί τον εκτεθειμένο χαλκό συγκολλήσιμο και προστατευμένο. Οι συνήθεις επιλογές ανταλλάσσουν επιπεδότητα, διάρκεια ζωής και κόστος.

Για τις περισσότερες πρώτες επαγγελματικές πλακέτες, η ENIG ή η HASL το καλύπτουν, η ENIG όταν έχετε εξαρτήματα λεπτού βήματος ή χρειάζεστε μεγάλη αποθήκευση, η HASL όταν το κόστος έχει σημασία και τα χαρακτηριστικά είναι μεγαλύτερα. Ένας κατασκευαστής μπορεί να προτείνει ένα φινίρισμα που να ταιριάζει στο σχεδιασμό και τον προϋπολογισμό σας, ως μέρος της τυπικής κατασκευής PCB.

Πότε να μεταβείτε από το DIY σε έναν κατασκευαστή

Το DIY είναι εξαιρετικό για μάθηση, γρήγορα πειράματα και την πρώτη κιόλας έκδοση ενός απλού πίνακα. Απευθυνθείτε σε έναν επαγγελματία κατασκευαστή όταν οποιοδήποτε από τα παρακάτω γίνει πραγματικότητα:

• Χρειάζεται περισσότερα από δύο στρώματα, ή αξιόπιστο επιμεταλλωμένες διόδους.
• Το σχέδιό σας έχει λεπτά ίχνη ή μικρά μέρη πέρα από αυτό που μπορεί να επιλύσει η χάραξη ή η φρεζάρισμα.
• Θέλεις μάσκα συγκόλλησης, μεταξοτυπία και κατάλληλο φινίρισμα επιφάνειας για αξιοπιστία και ευκολία συναρμολόγησης.
• Χρειάζεται ελεγχόμενη αντίσταση για σήματα υψηλής ταχύτητας ή RF.
• Χρειάζεται περισσότερες από μερικές πανομοιότυπες σανίδεςή συνεπή, επαναλήψιμη ποιότητα.

Τα οικονομικά δεδομένα συχνά ευνοούν έναν κατασκευαστή νωρίτερα από ό,τι περιμένουν οι άνθρωποι, επειδή οι ποσότητες πρωτοτύπων είναι φθηνές και οι πλακέτες φτάνουν ολοκληρωμένες, δοκιμασμένες και έτοιμες για συναρμολόγηση. Μια γρήγορη ανασκόπηση DFM πριν από την παραγγελία εντοπίζει προβλήματα που μια οικιακή διαδικασία απλά δεν θα μπορούσε να επιλύσει καθόλου.

Συναρμολόγηση του Διοικητικού Συμβουλίου

Η κατασκευή της γυμνής πλακέτας είναι μόνο η μισή δουλειά στην κατασκευή ηλεκτρονικών. Τα εξαρτήματα πρέπει ακόμα να κολληθούν. Μια απλή πλακέτα με διαμπερή οπή μπορεί να κολληθεί με το χέρι, αλλά οτιδήποτε έχει λεπτά εξαρτήματα επιφανειακής τοποθέτησης είναι πολύ πιο εύκολο και πιο αξιόπιστο στη συναρμολόγηση.

Εδώ ακριβώς βολεύει ένας κατασκευαστής που προσφέρει ολοκληρωμένες υπηρεσίες: τα ίδια αρχεία Gerber, τρυπανιού, BOM και pick-and-place που κατασκευάζουν την πλακέτα οδηγούν επίσης στη συναρμολόγηση των PCB , έτσι ώστε ένας μόνο συνεργάτης να μεταφέρει το σχέδιό σας από τα αρχεία σε μια ολοκληρωμένη, γεμάτη πλακέτα. Καθώς το έργο σας μεγαλώνει, τα ίδια αρχεία κλιμακώνονται σε συναρμολόγηση PCB μεγάλου όγκου χωρίς ανασχεδιασμό. Η κατασκευή και η συναρμολόγηση κάτω από την ίδια στέγη διατηρούν επίσης την ποιότητα και την υπευθυνότητα σε ένα μέρος.

Φτιάξτε μια σανίδα στο σπίτι για να μαθαίνετε και να δοκιμάζετε γρήγορα ιδέες. Προχωρήστε σε επαγγελματική κατασκευή όταν χρειάζεστε στρώσεις, επιμεταλλωμένες τρύπες, φινίρισμα ή επαναλήψιμη ποιότητα. Γνωρίζοντας πώς λειτουργεί κάθε διαδρομή, μπορείτε να επιλέξετε τη σωστή σε κάθε στάδιο ενός έργου. Μπορείτε να διαβάσετε περισσότερα για την Highleap Electronics και τις δυνατότητες κατασκευής και συναρμολόγησης που προσφέρουμε.

Συχνές ερωτήσεις

Μπορώ πραγματικά να φτιάξω ένα PCB στο σπίτι;

Ναι, για απλές πλακέτες μίας ή δύο στρώσεων. Χρησιμοποιείται μεταφορά τόνερ, φωτοανθεκτικό UV και φρεζάρισμα CNC, όλα με χάραξη για χημικές μεθόδους. Είναι ιδανικά για πρωτότυπα και εκμάθηση, αλλά δεν μπορούν να ανταγωνιστούν τις επιμεταλλωμένες οπές, τη μάσκα συγκόλλησης, το φινίρισμα ή τα λεπτά χαρακτηριστικά ενός εργοστασίου.

Γιατί οι σανίδες DIY δεν μπορούν να έχουν επιμεταλλωμένες τρύπες;

Η επιμετάλλωση οπών απαιτεί ηλεκτρολυτική επιμετάλλωση χαλκού μέσω των τρυπημένων κυλίνδρων, μια βιομηχανική χημική διαδικασία. Οι οικιακές μέθοδοι μπορούν στην καλύτερη περίπτωση να προσθέσουν χειροκίνητα πριτσίνια, τα οποία είναι πολύ λιγότερο αξιόπιστα. Η έλλειψη επιμεταλλωμένων διόδων είναι ο κύριος λόγος για τον οποίο οι κατασκευές DIY περιορίζονται σε μία ή δύο στρώσεις.

Ποιο είναι το ελάχιστο πλάτος ίχνους που μπορώ να φτιάξω στο σπίτι;

Περίπου 0.4 έως 0.5 mm είναι ένα ρεαλιστικό όριο για τυπικές μεθόδους DIY, ανάλογα με την τεχνική. Η επαγγελματική κατασκευή επιλύει πολύ λεπτότερα χαρακτηριστικά, πολύ κάτω από 0.1 mm σε προηγμένες γραμμές, γι' αυτό και τα πυκνά ή λεπτά σχέδια χρειάζονται έναν κατασκευαστή.

Πότε πρέπει να σταματήσω να φτιάχνω μόνος μου σανίδες και να τις παραγγέλνω;

Όταν χρειάζεστε περισσότερες από δύο στρώσεις, επιμεταλλωμένες οπές, λεπτές οπές, μάσκα συγκόλλησης και φινίρισμα, ελεγχόμενη σύνθετη αντίσταση ή περισσότερες από μερικές ομοιόμορφες πλακέτες. Οι ποσότητες πρωτοτύπων από έναν κατασκευαστή είναι οικονομικές και φτάνουν ολοκληρωμένες και δοκιμασμένες.

Ποια αρχεία χρειάζεται ένας κατασκευαστής για να κατασκευάσει την πλακέτα μου;

Λίμες Gerber για κάθε στρώση και μια λίμα τρυπανιού NC για τις τρύπες. Αν θέλετε επίσης συναρμολόγηση, προσθέστε έναν κατάλογο υλικών και μια λίμα pick-and-place. Καθορίστε το πάχος της σανίδας, το βάρος του χαλκού, τα χρώματα της μάσκας συγκόλλησης και της μεταξοτυπίας, το φινίρισμα και τυχόν απαιτήσεις σύνθετης αντίστασης.

Μπορεί η ίδια εταιρεία να κατασκευάσει και να συναρμολογήσει την πλακέτα μου;

Ναι. Ένας κατασκευαστής που παρέχει ολοκληρωμένες υπηρεσίες χρησιμοποιεί το ίδιο σύνολο αρχείων για την κατασκευή της γυμνής πλακέτας και για τη συναρμολόγηση των εξαρτημάτων, μεταφέροντας το σχέδιό σας από αρχεία σε μια ολοκληρωμένη πλακέτα και κλιμακώνοντας από πρωτότυπα σε μεγάλους όγκους παραγωγής χωρίς να αλλάζει προμηθευτές.

Ποιο φινίρισμα επιφάνειας πρέπει να επιλέξω για την σανίδα μου;

Για τις περισσότερες πλακέτες, η ENIG ή η HASL είναι η πρακτική επιλογή. Επιλέξτε την ENIG όταν έχετε εξαρτήματα λεπτού βήματος ή χρειάζεστε μεγάλη διάρκεια ζωής, καθώς είναι επίπεδη και ανθεκτική. Επιλέξτε την HASL όταν το κόστος έχει σημασία και τα χαρακτηριστικά είναι μεγαλύτερα. Η OSP είναι μια οικονομική επίπεδη επιλογή για πλακέτες που θα συγκολληθούν σύντομα μετά την κατασκευή.