Як виготовляється друкована плата: посібник з процесу виготовлення

Виготовлення друкованої плати означає перетворення конструкції на фізичну плату з мідними доріжками, отворами та захисним покриттям. Існує два дуже різних способи досягти цього: виготовити її самостійно вдома за допомогою травлення або фрезерування та виготовити її на професійному заводі. Обидва способи створюють робочу плату для потрібного проекту, але вони суттєво відрізняються за можливостями, обробкою та надійністю. У цьому посібнику пояснюється, як виготовити друковану плату обома способами, що можна і що не можна зробити домашніми методами, і як завод крок за кроком будує плату, щоб ви могли вибрати правильний шлях для того, що ви будуєте.

Від дизайну до фізичної плати: загальна картина

Однак, як би не виготовлялася плата, все починається однаково: проект, отриманий у програмному забезпеченні EDA, створює набір виробничих файлів, головним чином файлів Gerber для кожного мідного шару та шару маски, а також файлу свердління для отворів. Виготовлення плати – це процес реалізації цих файлів у міднопластовій ламінаті.

Основна ідея завжди полягає в тому, щоб визначити мідь там, де вона потрібна, і видалити її скрізь, а потім додати отвори та захисні шари. Домашні методи роблять це за допомогою хімії або ріжучого інструменту на одному шматку плати, плакованого міддю. Заводи роблять це за допомогою фотолітографії, точного свердління, гальваніки та серії контрольованих хімічних і термічних етапів, з якими домашні установки не можуть зрівнятися. Розуміння цієї спільної мети робить різницю між двома шляхами легко помітною.

Виготовлення друкованої плати вдома

Виготовлення саморобної дошки – це чудовий спосіб швидко отримати просту дошку, часто того ж дня. Існує три поширені підходи.

Перенесення тонера

Ви друкуєте мідний візерунок на спеціальному папері за допомогою лазерного принтера, прасуєте або термопресуєте його на міднопластову плату, щоб тонер зв'язався як стійкий до травлення шар, а потім витравлюєте оголену мідь. Це дешево і потребує невеликого обладнання, але роздільна здатність обмежена, а результати залежать від техніки.

УФ-фоторезист

Ви використовуєте плату (або покриття), чутливе до ультрафіолетового світла, експонуєте її через друковану маску вашого малюнка, проявляєте її та травите. Це дає точніші, більш повторювані результати, ніж перенесення тонера, і є кращим домашнім методом, коли вам потрібні чистіші сліди.

Фрезерування на ЧПК (фрезерування ізоляції)

Замість хімії, невеликий верстат з ЧПК механічно зрізає мідь навколо ваших доріжок, ізолюючи їх. Фрезерування повністю уникає травлення та також може свердлити отвори, але інструменти, контроль глибини та ширина доріжок встановлюють практичні обмеження.

Травлення

Хімічні методи завершуються травленням, розчиненням оголеної міді. Поширеними травильними речовинами є хлорид заліза або суміш перекису водню та кислоти. Травні речовини є корозійними та потребують догляду, вентиляції та належної утилізації, що є частиною самостійного ремонту, яка вимагає найбільшої обережності.

Межі саморобних дощок

Домашні методи здатні виконувати просту роботу, але мають жорсткі обмеження, на відміну від професійного процесу. Стіл робить проміжок бетонним.

Найбільшим практичним обмеженням є відсутність надійних наскрізних отворів з гальванічним покриттям, що робить практично неможливим створення багатошарових плат та надійних перехідних отворів в домашніх умовах. Додайте до цього відсутність паяльної маски, належного покриття та можливості точного налаштування функцій, і стане зрозуміло, чому саморобний спосіб підходить для прототипів та навчання, але не для готових продуктів. Для всього, що потребує цих функцій, професійне виробництво друкованих плат — це найкращий шлях.

Як фабрика виготовляє друковану плату, крок за кроком

Професійний виробник створює дошку за допомогою довгої послідовності точних, контрольованих кроків. Точний процес залежить від кількості шарів, але багатошарова дошка приблизно дотримується цього шляху.

1. Візуалізація внутрішнього шару. Внутрішні мідні шари покриваються фоторезистом, експонуються відповідно до малюнка шарів, проявляються та травляться, що визначає внутрішні доріжки.
2. Ламінування. Внутрішні шари укладаються з препрегу (скла, просоченого смолою) та склеюються під дією тепла та тиску в міцну багатошарову панель.
3. буріння. Отвори для перехідних отворів та компонентів свердляться точно, механічно або лазером для найменших мікроперехідних отворів.
4. Покриття. Просвердлені отвори та поверхні гальванічно покриваються міддю, створюючи наскрізні отвори, що з'єднують шари, крок, який самостійно повторити неможливо.
5. Візуалізація та травлення зовнішнього шару. Зовнішня мідь має візерунок та травлення так само, як і внутрішні шари.
6. Паяльна маска. Захисна маска наноситься та затвердіває, залишаючи отвори лише там, де потрібен припій, а потім її забарвлюють.
7. Шовкографія. Друкуються мітки компонентів, позначення довідок та маркування.
8. Оздоблення поверхні. Відкриті контактні площадки отримують обробку, таку як ENIG або HASL, щоб забезпечити їхню паяльну здатність та стійкість до корозії.
9. Електричне випробування. Плати перевіряються на наявність розривів та коротких замикань порівняно зі списком з'єднань, щоб підтвердити правильність міді.
10. Маршрутизація та профілювання. Дошки вирізаються з панелі до їхньої остаточної форми, часто залишаючись у панелі з рейками для складання.

Кожен крок контролюється, що забезпечує заводським платам їхню стабільність та надійність. Передові лінії розширюють цю сферу завдяки лазерно-перфорованим мікровідверстиям та чіткому контролю імпедансу для вимогливих конструкцій, що є межею високошвидкісного виробництва друкованих плат . Той самий контрольований процес також робить можливими спеціалізовані конструкції, від гнучких друкованих плат до жорстких та гнучких плат , з якими не може зрівнятися жоден домашній метод.

Вибір матеріалів, шарів та обробки поверхонь

Частиною переходу до професійного виготовлення є вибір матеріалів та оздоблення, які просто неможливо знайти вдома. Кілька рішень повторюються майже на кожній дошці.

Основний матеріал та вага міді

Більшість плат використовують FR4, епоксидний ламінат, армований скловолокном. Його температура склування (Tg) повинна відповідати процесу складання, безсвинцеве оплавлення нагрівається сильніше та має вищу температуру Tg. Вага міді, часто 30 мл і більше для силових схем, визначає силу струму, яку може передавати доріжка. Високочастотні та високошвидкісні конструкції можуть вимагати спеціалізованих ламінатів, що виходять за рамки стандартного FR4, що є сферою високошвидкісного виробництва друкованих плат.

Кількість шарів та їх укладання

Плата, виготовлена ​​методом травлення в домашніх умовах, реально складається з одного або двох шарів. На заводі зазвичай виготовляють чотири, шість або навіть більше шарів з контрольованим розташуванням елементів та надійними металізованими переходами, що з'єднують їх. Більша кількість шарів дає вам простір для трасування щільних конструкцій, розділення площин живлення та заземлення, а також для керування цілісністю сигналу, з чим не може зрівнятися жоден процес саморобного виготовлення.

чистота поверхні

Поверхневе покриття робить оголену мідь придатною для пайки та захищеною. Поширені варіанти поєднують площинність, термін зберігання та вартість.

Для більшості перших професійних плат використовується ENIG або HASL: ENIG, коли у вас є деталі з дрібним кроком або потрібно тривале зберігання, HASL, коли важлива вартість і характеристики більші. Виробник може рекомендувати обробку, що відповідає вашому дизайну та бюджету, як частину стандартного виробництва друкованих плат.

Коли переходити від самостійного виготовлення до виробника

Самостійне виготовлення чудово підходить для навчання, швидких експериментів та створення першої версії простої дошки. Зверніться до професійного виробника, коли щось із переліченого стане реальністю:

• Тобі потрібно більше двох шарів, або надійний наскрізні перехідні отвори з покриттям.
• Ваш дизайн має дрібні сліди або дрібні деталі за межами можливостей травлення чи фрезерування.
• Ви хочете, щоб паяльна маска, шовкографія та належна обробка поверхні для надійності та простоти складання.
• Тобі потрібно контрольований імпеданс для високошвидкісних або радіочастотних сигналів.
• Тобі потрібно більше ніж кілька однакових дощок, або стабільну, повторювану якість.

Економіка часто виходить на користь виробника швидше, ніж люди очікують, оскільки кількість прототипів недорога, а плати постачаються готовими, протестованими та готовими до складання. Швидкий огляд DFM перед замовленням виявляє проблеми, які домашній процес просто не зміг би вирішити взагалі.

Збірка ради директорів

Виготовлення голої плати – це лише половина складання електроніки; компоненти все ще потрібно припаяти. Просту плату з наскрізним отвором можна припаяти вручну, але будь-яку плату з тонкими деталями для поверхневого монтажу набагато легше та надійніше зібрати самостійно.

Саме тут зручний універсальний виробник: ті ж самі файли Gerber, свердління, специфікації деталей та вибірково-розміщувальні файли, що використовуються для виготовлення плати, також керують складанням друкованих плат , тому один партнер переносить ваш проект з файлів на готову, заповнену плату. У міру зростання вашого проекту ті самі файли масштабуються до великосерійного складання друкованих плат без повторного проектування. Збірка та складання під одним дахом також забезпечує якість та відповідальність в одному місці.

Зробіть плату вдома, щоб швидко навчатися та тестувати ідеї; перейдіть до професійного виготовлення, коли вам потрібні шари, гальванічні отвори, оздоблення або повторювана якість. Знання того, як працює кожен маршрут, дозволяє вам вибрати правильний на кожному етапі проекту. Ви можете дізнатися більше про Highleap Electronics та наші можливості з виготовлення та складання.

Поширені запитання

Чи справді я можу зробити друковану плату вдома?

Так, для простих одно- або двошарових плат. Перенесення тонера, УФ-фоторезист та фрезерування на верстаті з ЧПК – все це працює, а хімічні методи завершують травленням. Вони чудово підходять для прототипів та навчання, але не можуть зрівнятися з заводськими гальванічними отворами, паяльною маскою, покриттям чи тонкими деталями.

Чому саморобні дошки не можуть мати наскрізні отвори з гальванічним покриттям?

Для гальванічного покриття отворів потрібне гальванічне покриття міддю через просвердлені стволи, що є промисловим хімічним процесом. Домашні методи можуть у кращому випадку використовувати ручні заклепки, які набагато менш надійні. Відсутність гальванічних перехідних отворів є основною причиною, чому саморобні роботи обмежуються одним або двома шарами.

Яка мінімальна ширина сліду, яку я можу зробити вдома?

Приблизно від 0.4 до 0.5 мм – це реалістична межа для типових методів «зроби сам», залежно від техніки. Професійне виготовлення дозволяє вирішувати набагато точніші деталі, значно менше 0.1 мм на складних лініях, тому щільні або дрібнокрокові конструкції потребують виробника.

Коли мені слід перестати виготовляти дошки самостійно та замовити їх?

Коли вам потрібно більше двох шарів, плакованих переходних отворів, тонких доріжок, паяльної маски та покриття, контрольованого імпедансу або більше кількох однакових плат, прототипи від виробника коштують недорого та постачаються готовими та протестованими.

Які файли потрібні виробнику для створення моєї плати?

Файли Gerber для кожного шару та файл свердління з ЧПУ для отворів. Якщо ви також хочете складання, додайте перелік матеріалів та файл для вибору та розміщення. Вкажіть товщину плати, вагу міді, кольори паяльної маски та шовкографії, обробку та будь-які вимоги до імпедансу.

Чи може та сама компанія виготовити та зібрати мою дошку?

Так. Виробник, що працює в одному місці, використовує один і той самий набір файлів для виготовлення плати та складання компонентів, перетворюючи ваш дизайн з файлів на готову плату та масштабуючи його від прототипів до великих обсягів виробництва без зміни постачальників.

Яке покриття поверхні мені слід обрати для моєї дошки?

Для більшості плат практичним вибором є ENIG або HASL. Оберіть ENIG, якщо у вас є компоненти з дрібним кроком або потрібен тривалий термін зберігання, оскільки він плоский та міцний; оберіть HASL, коли вартість має значення, а характеристики більші. OSP — це недорогий плоский варіант для плат, які будуть паятися невдовзі після виготовлення.