Jak powstaje płytka PCB: Przewodnik po procesie produkcji

Wykonanie płytki drukowanej oznacza przekształcenie projektu w fizyczną płytkę z miedzianymi ścieżkami, otworami i powłoką ochronną. Istnieją dwa bardzo różne sposoby, aby to osiągnąć: samodzielne wykonanie płytki w domu poprzez trawienie lub frezowanie oraz zlecenie jej wykonania w profesjonalnej fabryce. Obie metody pozwalają uzyskać działającą płytkę drukowaną do odpowiedniego projektu, ale różnią się one znacząco pod względem możliwości, wykończenia i niezawodności. Ten poradnik wyjaśnia, jak wykonać płytkę drukowaną na oba sposoby, co można, a czego nie można osiągnąć domowymi metodami, oraz jak krok po kroku powstaje płytka drukowana w fabryce, dzięki czemu możesz wybrać odpowiednią metodę dla swojego projektu.

Od projektu do fizycznej tablicy: szerszy obraz

Niezależnie od tego, jak powstaje płytka, jej proces zaczyna się tak samo: projekt zarejestrowany w oprogramowaniu EDA generuje zestaw plików produkcyjnych, głównie pliki Gerber dla każdej warstwy miedzi i maski oraz plik wierceń dla otworów. Produkcja płytki to proces realizacji tych plików w laminacie pokrytym miedzią.

Głównym założeniem jest zawsze określenie miedzi tam, gdzie ma być, i usunięcie jej wszędzie indziej, a następnie dodanie otworów i warstw ochronnych. Domowe metody wykorzystują do tego celu chemikalia lub narzędzia tnące na pojedynczym kawałku płytki pokrytej miedzią. Fabryki stosują fotolitografię, precyzyjne wiercenie, galwanizację i szereg kontrolowanych procesów chemicznych i termicznych, których domowe instalacje nie są w stanie dorównać. Zrozumienie tego wspólnego celu ułatwia dostrzeżenie różnic między tymi dwiema metodami.

Tworzenie PCB w domu

Samodzielne wykonanie to satysfakcjonujący sposób na szybkie uzyskanie prostej płytki, często tego samego dnia. Istnieją trzy popularne podejścia.

Transfer tonera

Wzór miedzi drukuje się na specjalnym papierze za pomocą drukarki laserowej, żelazkiem lub prasą termiczną do płytki pokrytej miedzią, aby toner utrwalił się jako warstwa ochronna, a następnie wytrawia się gołą miedź. Jest to tanie i wymaga niewielkiej ilości sprzętu, ale rozdzielczość jest ograniczona, a rezultaty różnią się w zależności od techniki.

Fotorezyst UV

Używasz płytki (lub powłoki) wrażliwej na promieniowanie UV, naświetlasz ją przez nadrukowaną maskę wzoru, wywołujesz i wytrawiasz. Daje to lepsze i bardziej powtarzalne rezultaty niż transfer tonerowy i jest lepszą metodą domową, gdy potrzebujesz czystszych śladów.

Frezowanie CNC (frezowanie izolacyjne)

Zamiast chemii, mała maszyna CNC mechanicznie wycina miedź wokół ścieżek, izolując je. Frezowanie całkowicie eliminuje wytrawianie i umożliwia również wiercenie otworów, ale narzędzia, kontrola głębokości i szerokość ścieżek stanowią praktyczne ograniczenia.

Akwaforta

Metody chemiczne kończą się trawieniem, rozpuszczając odsłoniętą miedź. Powszechnie stosowanymi środkami trawiącymi są chlorek żelaza(III) lub mieszanina nadtlenku wodoru z kwasem. Środki trawiące są żrące i wymagają ostrożności, wentylacji i prawidłowej utylizacji, a to właśnie ta część prac DIY wymaga największej ostrożności.

Granice desek DIY

Domowe metody sprawdzają się w prostych pracach, ale napotykają na ograniczenia, których nie ma w przypadku metod profesjonalnych. Tabela uwypukla tę lukę.

Największym ograniczeniem praktycznym jest brak niezawodnych, metalizowanych otworów przelotowych, co sprawia, że ​​płytki wielowarstwowe i solidne przelotki są praktycznie niemożliwe do wykonania w domu. Dodajmy do tego brak soldermaski, odpowiednie wykończenie i możliwość precyzyjnego projektowania, a stanie się jasne, dlaczego majsterkowanie nadaje się do prototypów i nauki, ale nie do produktów. W przypadku wszystkiego, co wymaga takich rozwiązań, rozwiązaniem jest profesjonalne wytwarzanie płytek PCB .

Jak fabryka produkuje PCB krok po kroku

Profesjonalny producent tworzy płytkę w długiej sekwencji precyzyjnych, kontrolowanych kroków. Dokładny przebieg procesu różni się w zależności od liczby warstw, ale płytka wielowarstwowa przebiega mniej więcej według tej ścieżki.

1. Obrazowanie warstwy wewnętrznej. Wewnętrzne warstwy miedzi pokrywa się warstwą fotorezystu, naświetla wzorem warstwy, wywołuje i trawi, tworząc w ten sposób wewnętrzne ścieżki.
2. Laminowanie. Warstwy wewnętrzne układane są warstwami prepregu (szkła impregnowanego żywicą), a następnie łączone pod wpływem ciepła i ciśnienia w solidny panel wielowarstwowy.
3. Wiercenie. Otwory pod przelotki i komponenty wierci się precyzyjnie, mechanicznie lub laserowo w przypadku najmniejszych mikroprzelotek.
4. Platerowanie. Wywiercone otwory i powierzchnie są pokrywane galwanicznie miedzią, tworząc w ten sposób otwory przelotowe łączące warstwy, których nie da się odtworzyć metodą DIY.
5. Obrazowanie i trawienie warstwy zewnętrznej. Zewnętrzna warstwa miedzi jest wzorowana i trawiona w ten sam sposób jak warstwy wewnętrzne.
6. Maska lutownicza. Nakłada się i utwardza ​​maskę ochronną, pozostawiając otwory tylko w miejscach, gdzie potrzebne jest lutowanie, a następnie ją barwi.
7. Sitodruk. Drukowane są etykiety komponentów, oznaczenia referencyjne i oznaczenia.
8. Wykończenie powierzchni. Odsłonięte pady są pokrywane powłoką ENIG lub HASL, która ułatwia lutowanie i zapobiega korozji.
9. Badanie elektryczne. Płytki są testowane pod kątem przerw i zwarć zgodnie z listą połączeń, aby potwierdzić poprawność połączeń miedzianych.
10. Trasowanie i profilowanie. Deski są docinane z panelu do ich ostatecznego kształtu, często pozostawiane w panelu z szynami do montażu.

Każdy etap jest monitorowany, co zapewnia spójność i niezawodność płytek drukowanych. Zaawansowane linie produkcyjne idą o krok dalej, oferując mikrootwory wiercone laserowo i ścisłą kontrolę impedancji dla wymagających projektów, co jest domeną szybkiej produkcji płytek PCB . Ten sam kontrolowany proces umożliwia również tworzenie specjalistycznych konstrukcji, od elastycznych płytek PCB po płytki sztywno-giętkie, do których nie jest w stanie zbliżyć się żadna domowa metoda.

Wybór materiałów, warstw i wykończeń powierzchni

Przejście na profesjonalną produkcję wiąże się z wyborem materiałów i wykończeń, których po prostu nie da się uzyskać w domu. Kilka decyzji powtarza się niemal na każdym stole.

Materiał bazowy i masa miedzi

Większość płytek drukowanych wykorzystuje FR4, laminat epoksydowy wzmocniony włóknem szklanym. Jego temperatura zeszklenia (Tg) powinna być dostosowana do procesu montażu. Bezołowiowe lutowanie rozpływowe charakteryzuje się wyższą temperaturą i korzysta z materiału o wyższej temperaturze Tg. Waga miedzi, często ważąca jedną uncję lub więcej w przypadku obwodów mocy, określa, ile prądu może przenosić ścieżka. Projekty o wysokiej częstotliwości i dużej szybkości mogą wymagać specjalistycznych laminatów wykraczających poza standardowy FR4, który jest domeną produkcji szybkich płytek PCB.

Liczba warstw i ich układanie

Płytka wytrawiona w domu ma w rzeczywistości jedną lub dwie warstwy. Fabryka rutynowo buduje cztery, sześć, a nawet więcej, z kontrolowanym układem warstw i niezawodnymi, metalizowanymi przelotkami łączącymi je. Więcej warstw daje możliwość prowadzenia gęstych ścieżek, oddzielenia płaszczyzn zasilania i masy oraz zapewnienia integralności sygnału, czego nie zapewni żaden proces DIY.

Wykończenie powierzchni

Wykończenie powierzchni zapewnia lutowalność i ochronę odsłoniętej miedzi. Typowe opcje obejmują płaskość, trwałość i cenę.

W przypadku większości pierwszych profesjonalnych płytek drukowanych, ENIG lub HASL spełniają wymagania. ENIG, gdy wymagane są elementy o małym rozstawie lub długi czas przechowywania, HASL, gdy liczy się koszt, a funkcje są większe. Producent może zalecić wykończenie dopasowane do projektu i budżetu w ramach standardowej produkcji PCB.

Kiedy przejść z produkcji własnej na produkcję u producenta

DIY to doskonały sposób na naukę, szybkie eksperymenty i stworzenie pierwszej wersji prostej płytki. Zleć wykonanie profesjonalnemu konstruktorowi, gdy którykolwiek z poniższych warunków zostanie spełniony:

• Musisz więcej niż dwie warstwylub niezawodny przelotki platerowane.
• Twój projekt ma drobne ślady lub małe części poza tym, co można rozwiązać za pomocą trawienia lub frezowania.
• Chcesz maska ​​lutownicza, sitodruk i odpowiednie wykończenie powierzchni dla niezawodności i łatwości montażu.
• Musisz kontrolowana impedancja do sygnałów dużej prędkości lub sygnałów RF.
• Musisz więcej niż kilka identycznych deseklub spójna, powtarzalna jakość.

Ekonomia często sprzyja producentowi szybciej, niż ludzie się spodziewają, ponieważ prototypy są niedrogie, a płytki dostarczane są gotowe, przetestowane i gotowe do montażu. Szybka analiza DFM przed złożeniem zamówienia pozwala wykryć problemy, których w przypadku produkcji domowej po prostu nie dałoby się rozwiązać.

Montaż płytki

Wykonanie płytki drukowanej to tylko połowa budowy elektroniki; elementy nadal trzeba przylutować. Prostą płytkę przewlekaną można lutować ręcznie, ale montaż każdej płytki z drobnymi elementami do montażu powierzchniowego jest znacznie łatwiejszy i bardziej niezawodny.

W tym miejscu producent oferujący kompleksowe usługi jest bardzo wygodny: te same pliki Gerber, wiertła, zestawienia materiałów i pliki pick-and-place, które służą do produkcji płytki, sterują również montażem PCB , dzięki czemu jeden partner zajmuje się projektem od plików do gotowej, wypełnionej płytki. Wraz z rozwojem projektu, te same pliki skalują się do montażu PCB w dużych ilościach bez konieczności przeprojektowywania. Budowa i montaż pod jednym dachem zapewniają również wysoką jakość i rozliczalność w jednym miejscu.

Stwórz płytkę drukowaną w domu, aby szybko uczyć się i testować pomysły; skorzystaj z usług profesjonalnej produkcji, gdy potrzebujesz warstw, metalizowanych otworów, wykończenia lub powtarzalnej jakości. Znajomość działania każdej metody pozwoli Ci wybrać właściwą na każdym etapie projektu. Możesz dowiedzieć się więcej o Highleap Electronics oraz naszych możliwościach produkcji i montażu.

Najczęściej zadawane pytania

Czy naprawdę mogę wykonać płytkę PCB w domu?

Tak, w przypadku prostych płytek jedno- lub dwuwarstwowych. Transfer tonera, fotorezyst UV i frezowanie CNC – wszystkie te metody działają, a wykańczane są trawieniem chemicznym. Świetnie nadają się do prototypów i nauki, ale nie dorównują fabrycznym otworom, masce lutowniczej, wykończeniu ani drobnym detalom.

Dlaczego płytki DIY nie mogą mieć otworów przelotowych?

Otwory galwaniczne wymagają galwanizacji miedzią przez wywiercone tuleje, co stanowi przemysłowy proces chemiczny. Domowe metody pozwalają w najlepszym razie na dodanie nitów ręcznych, które są znacznie mniej niezawodne. Brak powlekanych przelotek jest głównym powodem, dla którego prace DIY ograniczają się do jednej lub dwóch warstw.

Jaka jest minimalna szerokość ścieżki, którą mogę wykonać w domu?

Około 0.4 do 0.5 mm to realistyczny limit dla typowych metod DIY, w zależności od techniki. Profesjonalne metody pozwalają na uzyskanie znacznie drobniejszych detali, znacznie poniżej 0.1 mm na zaawansowanych liniach, dlatego projekty o gęstym lub drobnym rozstawie wymagają pomocy producenta.

Kiedy powinienem przestać robić deski samemu i zamówić je?

Jeśli potrzebujesz więcej niż dwóch warstw, metalizowanych przelotek, cienkich ścieżek, maski lutowniczej i wykończenia, kontrolowanej impedancji lub więcej niż kilku spójnych płytek, prototypy od producenta są niedrogie i dostarczane w stanie gotowym i przetestowanym.

Jakich plików potrzebuje producent do wykonania mojej płytki?

Pliki Gerber dla każdej warstwy oraz plik wierceń NC dla otworów. Jeśli chcesz również zmontować płytkę, dodaj zestawienie materiałów i plik pick-and-place. Określ grubość płytki, grubość miedzi, kolory maski lutowniczej i sitodruku, wykończenie oraz wszelkie wymagania dotyczące impedancji.

Czy ta sama firma może wykonać i zmontować moją deskę?

Tak. Producent oferujący kompleksowe usługi wykorzystuje ten sam zestaw plików do wytworzenia płytki drukowanej i montażu komponentów, umożliwiając przenoszenie projektu z plików do gotowej płytki i skalowanie od prototypów do produkcji wielkoseryjnej bez konieczności zmiany dostawcy.

Jakie wykończenie powierzchni powinienem wybrać dla mojej deski?

W przypadku większości płytek ENIG lub HASL to praktyczny wybór. Wybierz ENIG, jeśli masz elementy o drobnym rozstawie lub potrzebujesz długiej żywotności, ponieważ jest płaski i trwały; wybierz HASL, gdy liczy się koszt, a funkcje są większe. OSP to niedroga, płaska opcja dla płytek, które będą lutowane wkrótce po wyprodukowaniu.