Cum se fabrică un PCB: Ghidul procesului de fabricație

Realizarea unei plăci cu circuite imprimate înseamnă transformarea unui design într-o placă fizică cu linii de cupru, găuri și un finisaj protector. Există două modalități foarte diferite de a ajunge acolo: realizarea uneia acasă prin gravare sau frezare și fabricarea uneia într-o fabrică profesională. Ambele produc o placă funcțională pentru proiectul potrivit, dar diferă enorm în ceea ce privește capacitatea, finisajul și fiabilitatea. Acest ghid explică cum să realizați un PCB în ambele sensuri, ce pot și ce nu pot face metodele casnice și cum o fabrică construiește o placă pas cu pas, astfel încât să puteți alege ruta potrivită pentru ceea ce construiți.

De la design la placa fizică: imaginea de ansamblu

Indiferent cum este fabricată o placă, începe la fel: un design capturat în software-ul EDA produce un set de fișiere de fabricație, în principal fișiere Gerber pentru fiecare strat de cupru și mască și un fișier de găurire pentru găuri. Realizarea plăcii este procesul de realizare a acestor fișiere în laminat placat cu cupru.

Ideea centrală este întotdeauna să definiți cuprul acolo unde doriți și să îl eliminați oriunde altundeva, apoi să adăugați găuri și straturi protectoare. Metodele casnice fac acest lucru cu chimie sau cu o unealtă tăietoare pe o singură bucată de placă placată cu cupru. Fabricile fac acest lucru prin fotolitografie, găurire de precizie, galvanizare și o serie de etape chimice și termice controlate pe care configurațiile casnice nu le pot egala. Înțelegerea acestui obiectiv comun face ca diferențele dintre cele două rute să fie ușor de observat.

Realizarea unui PCB acasă

Fabricarea DIY este o modalitate satisfăcătoare de a obține rapid o placă simplă, adesea în aceeași zi. Există trei abordări comune.

Transfer de toner

Modelul de cupru se imprimă pe hârtie specială cu o imprimantă laser, se fierbe sau se presează termic pe placa placată cu cupru, astfel încât tonerul să se lege ca rezistantă la gravare, apoi se grava cuprul gol. Este ieftin și necesită puțin echipament, dar rezoluția este limitată, iar rezultatele variază în funcție de tehnică.

Fotorezistent UV

Folosești o placă (sau un strat protector) sensibilă la lumina UV, o expui printr-o mască imprimată a modelului tău, o developezi și o gravezi. Aceasta oferă rezultate mai fine și mai repetabile decât transferul de toner și este metoda mai bună pentru acasă atunci când ai nevoie de urme mai curate.

Frezare CNC (frezare izolată)

În loc de chimie, o mică mașină CNC îndepărtează mecanic cuprul din jurul urmelor, izolându-le. Frezarea evită complet coroziunea și poate, de asemenea, să găurească, dar sculele, controlul adâncimii și lățimea urmei stabilesc limite practice.

Gravura

Metodele chimice se termină cu gravarea, dizolvând cuprul expus. Agenții de corodare obișnuiți sunt clorura ferică sau un amestec de peroxid de hidrogen și acid. Agenții de corodare sunt corozivi și necesită îngrijire, ventilație și eliminare corespunzătoare, partea bricolajului care necesită cea mai mare precauție.

Limitele plăcilor DIY

Metodele casnice sunt potrivite pentru lucrări simple, dar ating limite stricte pe care un proces profesional nu le poate atinge. Masa concretizează golul.

Cea mai mare limitare practică este lipsa unor găuri placate fiabile, ceea ce face ca plăcile multistrat și căile de acces robuste să fie practic imposibile acasă. Adăugați absența măștii de lipire, a unui finisaj adecvat și a capacității de a realiza caracteristici fine, și devine clar de ce fabricarea DIY este potrivită pentru prototipuri și învățare, dar nu și pentru produse. Pentru orice are nevoie de aceste caracteristici, fabricarea profesională de PCB-uri este calea potrivită.

Cum produce o fabrică un PCB, pas cu pas

Un fabricator profesionist construiește o placă printr-o secvență lungă de pași preciși și controlați. Fluxul exact variază în funcție de numărul de straturi, dar o placă multistrat urmează aproximativ această cale.

1. Imagistica stratului interior. Straturile interioare de cupru sunt acoperite cu fotorezist, expuse modelului de straturi, developate și gravate, definind urmele interioare.
2. Laminare. Straturile interioare sunt stivuite cu prepreg (sticlă impregnată cu rășină) și lipite sub căldură și presiune într-un panou solid multistrat.
3. Foraj. Găurile pentru viauri și componente sunt găurite cu precizie, mecanic sau cu laser pentru cele mai mici microviauri.
4. Placare. Găurile și suprafețele găurite sunt galvanizate cu cupru, creând găurile placate care conectează straturile, pasul pe care nu îl poți reproduce singur.
5. Imagistica și gravarea stratului exterior. Cuprul exterior este modelat și gravat în același mod ca straturile interioare.
6. Mască de lipit. Masca de protecție este aplicată și întărită, lăsând deschideri doar acolo unde este nevoie de lipire, apoi este colorată.
7. Serigrafie. Etichetele componentelor, indicatoarele de referință și marcajele sunt imprimate.
8. Finisajul suprafeței. Plăcuțele expuse primesc un finisaj precum ENIG sau HASL pentru a le menține lipibile și rezistente la coroziune.
9. Test electric. Plăcile sunt testate pentru întreruperi și scurtcircuite în raport cu lista de conexiuni pentru a confirma că cuprul este corect.
10. Rutare și profilare. Plăcile sunt tăiate din panou până la forma lor finală, adesea lăsate într-un panou cu șine pentru asamblare.

Fiecare pas este monitorizat, ceea ce conferă plăcilor de fabricație consistența și fiabilitatea lor. Liniile avansate duc acest lucru și mai departe cu microvia-uri găurite cu laser și un control strict al impedanței pentru designuri exigente, domeniul fabricării de PCB-uri de mare viteză . Același proces controlat este, de asemenea, cel care face posibile construcții specializate, de la PCB-uri flexibile la plăci rigid-flexe pe care nicio metodă casnică nu le poate aborda.

Alegerea materialelor, straturilor și finisajelor de suprafață

O parte a trecerii la fabricația profesională constă în alegerea materialelor și a finisajelor pe care pur și simplu nu le poți obține acasă. O serie de decizii se repetă pe aproape fiecare placă.

Materialul de bază și greutatea cuprului

Majoritatea plăcilor folosesc FR4, un laminat epoxidic armat cu sticlă. Temperatura sa de tranziție vitroasă (Tg) ar trebui să fie potrivită procesului de asamblare, reflow-ul fără plumb funcționează la o temperatură mai mare și beneficiază de un material cu o Tg mai mare. Greutatea cuprului, adesea de o uncie și mai mare pentru circuitele de alimentare, stabilește cât de mult curent poate transporta o pistă. Design-urile de înaltă frecvență și mare viteză pot necesita laminate specializate dincolo de FR4 standard, care este domeniul fabricării PCB-urilor de mare viteză.

Numărarea și stivuirea straturilor

O placă gravată manual are, în mod realist, unul sau două straturi. O fabrică construiește în mod obișnuit patru, șase sau multe mai multe, cu suprapuneri controlate și fire de conectare placate fiabile. Mai multe straturi vă oferă spațiu pentru rutarea unor designuri dense, separarea planurilor de alimentare și de masă și gestionarea integrității semnalului, niciuna dintre acestea neputând fi egalată de un proces DIY.

Finisaj

Finisajul suprafeței menține cuprul expus lipibil și protejat. Opțiunile comune fac diferența între planeitate, durată de valabilitate și cost.

Pentru majoritatea plăcilor profesionale de început, ENIG sau HASL sunt potrivite, ENIG atunci când aveți piese cu pas fin sau aveți nevoie de depozitare pe termen lung, iar HASL atunci când costul contează și caracteristicile sunt mai mari. Un producător vă poate recomanda un finisaj care să se potrivească designului și bugetului dvs., ca parte a fabricării standard a PCB-urilor.

Când să treci de la DIY la producător

DIY-ul este excelent pentru învățare, experimente rapide și chiar prima versiune a unei plăci simple. Apelați la un fabricant profesionist atunci când oricare dintre următoarele se adeverește:

• Ai nevoie de mai mult de două straturi, sau de încredere viae placate.
• Designul tău are urme fine sau piese mici dincolo de ceea ce poate rezolva gravarea sau frezarea.
• Tu vrei mască de lipire, serigrafie și un finisaj adecvat al suprafeței pentru fiabilitate și ușurință în asamblare.
• Ai nevoie de impedanță controlată pentru semnale de mare viteză sau RF.
• Ai nevoie de mai mult de câteva plăci identicesau o calitate consistentă, repetabilă.

Aspectele economice favorizează adesea un producător mai devreme decât se așteaptă oamenii, deoarece cantitățile de prototipuri sunt ieftine, iar plăcile ajung finisate, testate și gata de asamblare. O verificare rapidă a DFM înainte de comandă identifică probleme pe care un proces casnic pur și simplu nu le-ar putea rezolva deloc.

Asamblarea plăcii

Realizarea plăcii goale este doar jumătate din construirea electronicii; componentele trebuie totuși lipite. O placă simplă cu orificiu traversant poate fi lipită manual, dar orice cu piese fine de montare la suprafață este mult mai ușor și mai fiabil de asamblat.

Aici este convenabil să apelezi la un producător complet: aceleași fișiere Gerber, de găurire, BOM și pick-and-place care fabrică placa gestionează și asamblarea PCB-ului , astfel încât un singur partener preia designul din fișiere către o placă finită și populată. Pe măsură ce proiectul crește, aceleași fișiere se scalează în asamblarea PCB-ului de volum mare, fără re-inginerie. Construirea și asamblarea sub un singur acoperiș mențin, de asemenea, calitatea și responsabilitatea într-un singur loc.

Construiește o placă acasă pentru a învăța și a testa rapid idei; treci la fabricația profesională atunci când ai nevoie de straturi, găuri placate, un finisaj sau o calitate repetabilă. Cunoașterea modului în care funcționează fiecare rută îți permite să o alegi pe cea potrivită în fiecare etapă a unui proiect. Poți citi mai multe despre Highleap Electronics și capacitățile noastre de fabricație și asamblare.

Întrebări frecvente

Chiar pot face un PCB acasă?

Da, pentru plăci simple cu unul sau două straturi. Transferul de toner, fotorezistul UV și frezarea CNC sunt toate lucrările finalizate prin gravare pentru metodele chimice. Sunt excelente pentru prototipuri și învățare, dar nu pot egala găurile placate, masca de lipire, finisajul sau caracteristicile fine ale unei fabrici.

De ce plăcile DIY nu pot avea găuri placate?

Placarea găurilor necesită galvanizarea cuprului prin țevile perforate, un proces chimic industrial. Metodele casnice pot, în cel mai bun caz, adăuga nituri manuale, care sunt mult mai puțin fiabile. Lipsa vialelor placate este principalul motiv pentru care bricolajul se limitează la unul sau două straturi.

Care este lățimea minimă a urmei pe care o pot face acasă?

Aproximativ 0.4 până la 0.5 mm este o limită realistă pentru metodele tipice DIY, în funcție de tehnică. Fabricația profesională rezolvă caracteristici mult mai fine, mult sub 0.1 mm pe linii avansate, motiv pentru care modelele dense sau cu pas fin au nevoie de un producător.

Când ar trebui să nu mai fac eu plăci și să le comand?

Când aveți nevoie de mai mult de două straturi, fire de contact placate, urme fine, mască de lipire și un finisaj, impedanță controlată sau mai mult de câteva plăci consistente, cantitățile prototip de la un producător sunt ieftine și ajung finisate și testate.

De ce fișiere are nevoie un producător pentru a-mi face placa?

Fișiere Gerber pentru fiecare strat și un fișier de găurit NC pentru găuri. Dacă doriți și asamblare, adăugați o listă de materiale și un fișier pick-and-place. Specificați grosimea plăcii, greutatea cuprului, culorile măștii de lipire și serigrafiei, finisajul și orice cerințe de impedanță.

Poate aceeași companie să fabrice și să asambleze placa mea?

Da. Un producător complet folosește același set de fișiere pentru a fabrica placa goală și pentru a asambla componentele, ducând designul dvs. din fișiere la o placă finită și scalând de la prototipuri la volume mari fără a schimba furnizorii.

Ce finisaj de suprafață ar trebui să aleg pentru placa mea?

Pentru majoritatea plăcilor, ENIG sau HASL reprezintă alegerea practică. Alegeți ENIG atunci când aveți componente cu pas fin sau aveți nevoie de o durată lungă de valabilitate, deoarece este plat și durabil; alegeți HASL atunci când costul contează și caracteristicile sunt mai mari. OSP este o opțiune plată cu cost redus pentru plăcile care vor fi lipite la scurt timp după fabricare.