Miten piirilevy valmistetaan: Valmistusprosessin opas

Piirilevyn valmistaminen tarkoittaa suunnittelun muuttamista fyysiseksi piirilevyksi, jossa on kuparijohtimet, reiät ja suojaava pintakäsittely. Tähän on kaksi hyvin erilaista tapaa: tehdä sellainen itse kotona syövyttämällä tai jyrsimällä tai teettää se ammattimaisessa tehtaassa. Molemmat tuottavat toimivan piirilevyn oikeaan projektiin, mutta ne eroavat suuresti toisistaan ​​ominaisuuksien, viimeistelyn ja luotettavuuden suhteen. Tämä opas selittää, miten piirilevy valmistetaan molemmilla tavoilla, mitä kotitekoisilla menetelmillä voi ja ei voi tehdä, ja miten tehdas rakentaa piirilevyn askel askeleelta, jotta voit valita oikean reitin rakentamallesi kohteelle.

Suunnittelusta fyysiseen piirilevyyn: Kokonaiskuva

Olipa piirilevyn valmistustapa mikä tahansa, se alkaa samalla tavalla: EDA-ohjelmistolla tallennettu suunnittelu tuottaa joukon valmistustiedostoja, pääasiassa Gerber-tiedostoja jokaista kupari- ja maskikerrosta varten sekä poraustiedoston reikiä varten. Levyn valmistus on prosessi, jossa nämä tiedostot toteutetaan kuparipäällysteisestä laminaatista.

Ydinajatuksena on aina määrittää kupari haluamistasi kohdista ja poistaa se kaikkialta muualta, minkä jälkeen lisätään reikiä ja suojakerroksia. Kotimenetelmissä tämä tehdään kemiallisesti tai leikkaustyökalulla yhdelle kuparipäällysteiselle levylle. Tehtaissa se tehdään fotolitografialla, tarkkuusporauksella, galvanointipinnoituksella ja sarjalla kontrolloituja kemiallisia ja lämpökäsittelyvaiheita, joita kotikäyttöön tarkoitetut laitteet eivät pysty tarjoamaan. Tämän yhteisen tavoitteen ymmärtäminen helpottaa kahden reitin välisten erojen näkemistä.

Piirilevyn valmistus kotona

Tee-se-itse-valmistus on tyydyttävä tapa saada yksinkertainen levy nopeasti, usein samana päivänä. On olemassa kolme yleistä lähestymistapaa.

Väriaineen siirto

Kuparikuvio tulostetaan lasertulostimella erikoispaperille, silitysraudalla tai lämpöprässillä se kiinni kuparipäällysteiseen levyyn, jotta väriaine sitoutuu syövytyssuojaksi, ja sitten paljas kupari syövytetään pois. Se on halpaa ja vaatii vähän laitteita, mutta resoluutio on rajallinen ja tulokset vaihtelevat tekniikan mukaan.

UV-fotoresisti

Käytät UV-valolle herkkää levyä (tai pinnoitetta), valotat sen kuviosi tulostetun maskin läpi, kehität sen ja etsaat. Tämä antaa hienompia ja toistettavampia tuloksia kuin väriaineen siirto, ja se on parempi kotimenetelmä, kun tarvitset puhtaampia jälkiä.

CNC-jyrsintä (eristysjyrsintä)

Kemiallisen menetelmän sijaan pieni CNC-kone leikkaa mekaanisesti kuparin pois johdinten ympäriltä ja eristää ne. Jyrsinnällä vältetään syövytysaine kokonaan ja sillä voidaan myös porata reikiä, mutta työkalut, syvyyden säätö ja johdinten leveys asettavat käytännön rajoituksia.

Etsaus

Kemialliset menetelmät viimeistellään syövytyksellä, joka liuottaa paljaan kuparin. Yleisiä syövytysaineita ovat rautakloridi tai vetyperoksidin ja hapon seos. Syövytysaineet ovat syövyttäviä ja vaativat huolellisuutta, tuuletusta ja asianmukaista hävittämistä, mikä on tee-se-itse-asian osa, joka vaatii eniten varovaisuutta.

Tee-se-itse-lautojen rajat

Kotimenetelmät soveltuvat yksinkertaiseen työhön, mutta ne kohtaavat kovia rajoja, joita ammattimainen prosessi ei voi saavuttaa. Pöytä tekee raosta betonisen.

Suurin käytännön rajoitus on luotettavien pinnoitettujen reikien puute, mikä tekee monikerroksisten piirilevyjen ja kestävien läpivientien valmistuksen kotona käytännössä mahdottomaksi. Lisää tähän juotosmaskin puuttuminen, asianmukainen viimeistely ja hienosäätömahdollisuudet, ja käy selväksi, miksi tee-se-itse-valmistus sopii prototyyppeihin ja oppimiseen, mutta ei tuotteisiin. Kaikkeen, mikä näitä ominaisuuksia tarvitsee, ammattimainen piirilevyvalmistus on oikea tie.

Miten tehdas valmistaa piirilevyä, askel askeleelta

Ammattimainen valmistaja rakentaa levyn pitkän sarjan tarkkoja ja kontrolloituja vaiheita käyttäen. Tarkka prosessi vaihtelee kerrosten määrän mukaan, mutta monikerroksinen levy noudattaa suurin piirtein samaa polkua.

1. Sisäkerroksen kuvantaminen. Sisemmät kuparikerrokset päällystetään fotoresistillä, valotetaan kerroskuviolle, kehitetään ja syövytetään, jolloin sisäiset jäljet ​​muodostuvat.
2. Laminointi. Sisäkerrokset on pinottu prepregillä (hartsikyllästetyllä lasilla) ja liimattu lämmön ja paineen alaisena kiinteäksi monikerroksiseksi paneeliksi.
3. Poraus. Läpivientien ja komponenttien reiät porataan tarkasti, mekaanisesti tai laserilla pienimpiäkin mikroläpivientejä varten.
4. Pinnoitus. Poratut reiät ja pinnat galvanoidaan kuparilla, jolloin syntyvät pinnoitetut läpireiät, jotka yhdistävät kerrokset. Tätä askelmaista tee-se-itse-projektia ei voida toistaa.
5. Ulkokerroksen kuvantaminen ja etsaus. Ulompi kupari on kuvioitu ja syövytetty samalla tavalla kuin sisäkerrokset.
6. Juotosmaski. Suojaava maski asetetaan ja kovetetaan, jolloin aukot jäävät vain niihin kohtiin, joihin juotetta tarvitaan, minkä jälkeen se värjätään.
7. Silkkipaino. Komponenttien etiketit, viitenumerot ja merkinnät on painettu.
8. Pinnan viimeistely. Paljaat tyynyt viimeistellään, kuten ENIG tai HASL, jotta ne pysyvät juotettavina ja korroosionkestävinä.
9. Sähköinen testi. Levyjä testataan katkosten ja oikosulkujen varalta verkkoliitäntää vasten kuparin oikeellisuuden varmistamiseksi.
10. Reititys ja profilointi. Laudat leikataan paneelista lopulliseen muotoonsa, ja ne jätetään usein paneeliin kiskoineen kokoonpanoa varten.

Jokaista vaihetta valvotaan, mikä antaa tehdasvalmisteisille piirilevyille niiden johdonmukaisuuden ja luotettavuuden. Edistykselliset linjat vievät tätä entisestään laserporatuilla mikrorei'illä ja tiukalla impedanssin hallinnalla vaativissa malleissa, jotka ovat nopean piirilevyvalmistuksen aluetta . Sama kontrolloitu prosessi mahdollistaa myös erikoistuneiden rakenteiden valmistamisen joustavista piirilevyistä jäykkiin ja taipuisiin piirilevyihin , joihin mikään kotitekoinen menetelmä ei pysty.

Materiaalien, kerrosten ja pintakäsittelyjen valinta

Ammattimaiseen valmistukseen siirtymiseen liittyy usein sellaisten materiaalien ja viimeistelyjen valitseminen, joita ei yksinkertaisesti voi saada kotoa. Lähes jokaisella taululla toistuu useita päätöksiä.

Pohjamateriaali ja kuparin paino

Useimmissa piirilevyissä käytetään FR4-laminaattia, lasikuituvahvisteista epoksilaminaattia. Sen lasittumislämpötilan (Tg) tulisi sopia kokoonpanoprosessiin, lyijytön reflow-laminaatti toimii kuumemmin ja hyötyy korkeammasta Tg-materiaalista. Kuparin paino, usein yli unssin paino tehopiireissä, määrää, kuinka paljon virtaa johdin voi kuljettaa. Suurtaajuiset ja nopeat mallit saattavat vaatia erikoislaminaatteja tavallisen FR4:n lisäksi, joka on nopean piirilevyvalmistuksen aluetta.

Kerrosten määrä ja pinoaminen

Kotitekoisesti syövytetty piirilevy koostuu realistisesti yhdestä tai kahdesta kerroksesta. Tehdas valmistaa rutiininomaisesti neljä, kuusi tai paljon enemmän kerroksia, joissa on hallitut pinoamiskerrokset ja luotettavat pinnoitetut läpiviennit, jotka yhdistävät ne. Useammat kerrokset antavat tilaa tiheiden rakenteiden reitittämiseen, virta- ja maatasojen erottamiseen sekä signaalin eheyden hallintaan, mihin mikään tee-se-itse-prosessi ei pysty.

Pintakäsittely

Pinnan viimeistely pitää paljaan kuparin juotettavana ja suojattuna. Yleisimmät vaihtoehdot ovat tasaisuus, säilyvyysaika ja hinta.

Useimpien ensimmäisten ammattilaistason piirilevyjen kohdalla ENIG tai HASL kattaa ongelman. ENIG sopii hienojakoisiin osiin tai pitkäkestoiseen varastointiin ja HASL sopii kustannuksiin ja ominaisuuksiin, jotka ovat suurempia. Valmistaja voi suositella viimeistelyä, joka sopii suunnitteluusi ja budjettiisi osana standardin piirilevyjen valmistusta.

Milloin siirtyä tee-se-itse-yrityksestä valmistajayritykseen

Tee-se-itse-projekti on erinomainen oppimiseen, nopeisiin kokeiluihin ja yksinkertaisen levyn ensimmäiseen versioon. Siirry ammattimaisen valmistajan luokse, kun jokin näistä toteutuu:

• Tarvitset enemmän kuin kaksi kerrostatai luotettava pinnoitetut läpiviennit.
• Suunnittelussasi on hienoja jälkiä tai pieniä osia pidemmälle kuin mitä etsaus tai jyrsintä voivat ratkaista.
• Haluat juotosmaski, silkkipaino ja asianmukainen pintakäsittely luotettavuuden ja kokoonpanon helppouden vuoksi.
• Tarvitset ohjattu impedanssi suurnopeus- tai radiotaajuussignaaleille.
• Tarvitset useampi kuin pari identtistä lautaatai tasaista, toistettavaa laatua.

Taloudelliset näkökohdat suosivat usein valmistajaa odotettua nopeammin, koska prototyyppien määrät ovat edullisia ja piirilevyt saapuvat valmiina, testattuina ja kokoamisvalmiina. Nopea DFM-tarkistus ennen tilaamista paljastaa ongelmia, joita kotiprosessilla ei yksinkertaisesti pystyisi valmistamaan ollenkaan.

Hallituksen kokoaminen

Paljaan piirilevyn tekeminen on vasta puolet elektroniikan rakentamisesta; komponentit on vielä juotettava kiinni. Yksinkertaisen läpireikälevyn voi juottaa käsin, mutta kaikki hienoja pintaliitososia sisältävät osat on paljon helpompi ja luotettavampi koota.

Tässä kohtaa yhden pysähdyksen valmistaja on kätevä: samat Gerber-, pora-, osaluettelo- ja pick-and-place-tiedostot, joilla piirilevy valmistetaan, ohjaavat myös piirilevyjen kokoonpanoa , joten yksi kumppani siirtää suunnittelusi tiedostoista valmiiksi, täytettyksi piirilevyksi. Projektin kasvaessa samat tiedostot skaalautuvat suurten volyymien piirilevykokoonpanoiksi ilman uudelleensuunnittelua. Rakentaminen ja kokoonpano saman katon alla pitää myös laadun ja vastuullisuuden yhdessä paikassa.

Tee kotona piirilevy oppiaksesi ja testataksesi ideoita nopeasti; siirry ammattimaiseen valmistukseen, kun tarvitset kerroksia, pinnoitettuja reikiä, viimeistelyä tai toistettavaa laatua. Kunkin reitin tunteminen auttaa sinua valitsemaan oikean projektin jokaisessa vaiheessa. Voit lukea lisää Highleap Electronicsista ja valmistus- ja kokoonpanokyvyistämme.

Usein Kysytyt Kysymykset

Voinko todella tehdä piirilevyn kotona?

Kyllä, yksinkertaisille yksi- tai kaksikerroksisille piirilevyille. Väriaineen siirto, UV-fotoresisti ja CNC-jyrsintä toimivat kaikki, viimeistely etsauksella kemiallisissa menetelmissä. Ne sopivat erinomaisesti prototyyppeihin ja oppimiseen, mutta ne eivät pysty vastaamaan tehtaan pinnoitettuja reikiä, juotosmaskia, viimeistelyä tai hienoja ominaisuuksia.

Miksi tee-se-itse-levyissä ei voi olla galvanoituja reikiä?

Pinnoitusreikien tekeminen vaatii kuparin galvanointia porattujen putkien läpi, mikä on teollinen kemiallinen prosessi. Kotimenetelmissä voidaan parhaimmillaankin käyttää manuaalisia niittejä, jotka ovat paljon vähemmän luotettavia. Pinnoitettujen reikien puute on pääsyy siihen, miksi tee-se-itse-menetelmä rajoittuu yhteen tai kahteen kerrokseen.

Mikä on pienin mahdollinen jäljen leveys, jonka voin tehdä kotona?

Tyypillisille tee-se-itse-menetelmille realistinen raja on noin 0.4–0.5 mm tekniikasta riippuen. Ammattimainen valmistus ratkaisee paljon hienompia ominaisuuksia, edistyneillä linjoilla selvästi alle 0.1 mm, minkä vuoksi tiheät tai hienojakoiset mallit tarvitsevat valmistajan.

Milloin minun pitäisi lopettaa lautojen tekeminen itse ja tilata ne?

Kun tarvitset enemmän kuin kaksi kerrosta, pinnoitettuja reikiä, hienoja juotosjohtoja, juotosmaskin ja viimeistelyn, kontrolloidun impedanssin tai useamman kuin pari yhdenmukaista piirilevyä, valmistajan prototyyppimäärät ovat edullisia ja toimitetaan valmiina ja testattuina.

Mitä tiedostoja valmistaja tarvitsee piirilevyni tekemiseen?

Gerber-tiedostot kullekin kerrokselle ja NC-poraustiedosto reikiä varten. Jos haluat myös kokoonpanon, lisää osaluettelo ja nouto- ja sijoitustiedosto. Määritä levyn paksuus, kuparin paino, juotosmaskin ja silkkipainon värit, viimeistely ja mahdolliset impedanssivaatimukset.

Voiko sama yritys valmistaa ja koota piirilevyni?

Kyllä. Yhden pysähdyksen valmistaja käyttää samoja tiedostoja paljaan piirilevyn valmistukseen ja komponenttien kokoamiseen, siirtäen suunnittelusi tiedostoista valmiiksi piirilevyksi ja skaalaten prototyypeistä suuriin tuotantomääriin vaihtamatta toimittajaa.

Minkä pintakäsittelyn minun pitäisi valita levylleni?

Useimmille piirilevyille ENIG tai HASL on käytännöllinen valinta. Valitse ENIG, kun sinulla on hienojakoisia komponentteja tai tarvitset pitkän säilyvyyden, koska se on tasainen ja kestävä; valitse HASL, kun kustannuksella on merkitystä ja ominaisuudet ovat suuremmat. OSP on edullinen tasainen vaihtoehto piirilevyille, jotka juotetaan pian valmistuksen jälkeen.