Jak powstają obwody drukowane podczas procesów produkcyjnych PCB?

Słowa kluczowe: Producent Obwodów Drukowanych, Producent PCB, Produkcja PCB

Pomimo faktu, że obwody drukowane są podstawą praktycznie wszystkich współczesnych obwodów elektrycznych, są często niedoceniane. Mimo to, innowacje w tej dziedzinie sprzętu elektronicznego stale się rozwijają. Aby sprostać zwiększonej złożoności, ścieżki stają się mniejsze, płytki mają więcej warstw, a standardy projektowe ulegają poprawie. Te zmiany umożliwiają obsługę mniejszych urządzeń SMT i wspierają stosowane techniki lutowania.

Istnieje kilka metod i wariantów realizacji procesu produkcji PCB. Podstawowe etapy procesu wytwarzania obwodów drukowanych są takie same pomimo różnych drobnych różnic.

Składniki PCB

Do produkcji obwodów drukowanych lub PCB można używać różnych materiałów. Najpopularniejszym jest FR4, rodzaj płytki na bazie włókna szklanego. Zapewnia ona dobry poziom stabilności przy zmianach temperatury, nie ulega znacznemu pogorszeniu i nie jest zbyt droga. Dla PCB w niskokosztowych produktach komercyjnych dostępne są inne, tańsze materiały. Obwody drukowane na bazie PTFE mogą być wykorzystywane w wysokowydajnych projektach częstotliwości radiowych, jednak są one znacznie trudniejsze w obróbce i wymagają niskiego poziomu strat, a stała dielektryczna podłoża jest kluczowa.

Po pierwsze, aby stworzyć PCB ze ścieżkami dla komponentów, należy pozyskać płytkę pokrytą miedzią.

Zawiera ona materiał podłoża, zazwyczaj FR4, z okładziną miedzianą zwykle po obu stronach. Ta okładzina miedziana to cienka warstwa blachy miedzianej, która została przyklejona do laminatu. Dla FR4 to klejenie jest często bardzo mocne, natomiast ponieważ PTFE z natury trudno się klei, wytwarzanie PCB z PTFE staje się naprawdę trudne.

Podstawowy proces produkcji PCB

Kolejnym etapem po wybraniu i przygotowaniu gołych płyt PCB jest utworzenie na nich podstawowych ścieżek i usunięcie nadmiarowej miedzi. Podczas produkcji przez Producenta Obwodów Drukowanych do wytwarzania PCB powszechnie stosuje się trawienie chemiczne. Chlorek żelaza (III) jest rodzajem trawacza, z którym PCB najczęściej mają do czynienia.

Odpowiedni wzór ścieżek uzyskuje się za pomocą techniki fotograficznej. Zwykle cienką warstwą fotorezystu pokrywa się miedź na gołych obwodach drukowanych. Następnie właściwe ścieżki są szczegółowo odwzorowane na błonie wizualnej lub fotomasce, która następnie jest naświetlana. Innymi słowy, obraz ścieżek jest przenoszony na fotorezyst. Po wykonaniu tej czynności fotorezyst umieszcza się w wywoływaczu, aby upewnić się, że pokrywa tylko niezbędne obszary ścieżek na płytce.

Następnie, w kolejnym etapie, obwody drukowane zanurza się w chlorku żelaza (III), aby wytrawić wszelką niepotrzebną miedź lub ścieżki. Czas potrzebny do trawienia jest określany przez stężenie chlorku żelaza i grubość miedzi na płytce. Jeśli obwody drukowane pozostaną w trawaczu zbyt długo, chlorek żelaza ma tendencję do naruszania fotorezystu.

Chociaż do wytwarzania większości płytek PCB od Producenta PCB wykorzystuje się obróbkę fotograficzną, istnieją alternatywne opcje. Jedną z nich jest użycie bardzo precyzyjnej i dokładnej frezarki. Następnie maszyna jest zaprogramowana tak, aby usunąć miedź z obszarów, gdzie nie jest potrzebna. Sterowanie jest oczywiście zautomatyzowane i napędzane plikami wygenerowanymi przez oprogramowanie do projektowania PCB.

Wielowarstwowe obwody drukowane

Zazwyczaj nie jest możliwe zapewnienie wszystkich wymaganych połączeń sieciowych wyłącznie za pomocą obu stron obwody drukowane ze względu na rosnącą złożoność obwodów elektronicznych. Dzieje się to dość często, gdy budowane są gęste mikroukłady i inne podobne płytki. W tej sytuacji niezbędne są wielowarstwowe płytki.

Chociaż produkcja wielowarstwowych obwody drukowane przebiega podobnymi metodami jak produkcja płytek jednowarstwowych, wymaga ona znacznie wyższego poziomu precyzji i kontroli procesu produkcyjnego.

Płytka każdej warstwy jest wykonana z dużo cieńszej, pojedynczej płytki, a wszystkie one są łączone, aby utworzyć PCB. Aby gotowa płytka drukowana nie była zbyt gruba, pojedyncze płytki muszą być coraz cieńsze w miarę wzrostu liczby warstw. Aby zapewnić wyrównanie otworów, pozycjonowanie między warstwami również musi być niezwykle precyzyjne.

Płytka jest podgrzewana w celu utwardzenia materiału wiążącego, który skleja kilka warstw razem. Może to powodować określone problemy związane ze skręcaniem. Jeśli duże, wielowarstwowe płytki nie są zbudowane prawidłowo, mogą się wygiąć. Jest to bardziej prawdopodobne, jeśli jedna z wewnętrznych warstw jest na przykład płaszczyzną masy lub płaszczyzną zasilania.

Otwory i przelotki w PCB

PCB potrzebuje otworów, zwanych również otworami przelotowymi lub przelotkami, aby połączyć różne warstwy w różnych miejscach. Ponadto otwory mogą być potrzebne do umożliwienia montażu elementów wyprowadzonych na PCB. Mogą również występować otwory, które należy zaślepić.

Aby elektrycznie połączyć warstwy płytki, wewnętrzne powierzchnie otworów często pokryte są warstwami miedzi. Proces metalizacji jest używany do tworzenia tych "metalizowanych otworów przelotowych". Warstwy płytki mogą być w ten sposób połączone.

Podczas łączenia wewnętrznych warstw płytki, na przykład, może być konieczne, aby niektóre otwory znajdowały się tylko w środkowej części płytki. Te tak zwane "ślepe przelotki" są wiercone w odpowiednich warstwach, zanim warstwy PCB zostaną sklejone razem.

Metalizacja lutownicza i maska lutownicza PCB

Podczas lutowania PCB niezbędne jest zabezpieczenie części, które nie powinny być lutowane, poprzez nałożenie warstwy maski lutowniczej. Obecność tej warstwy pomaga zapobiegać przypadkowym zwarciom na płytkach PCB spowodowanym lutowiem. Płytka jest chroniona przed lutowiem i innymi zanieczyszczeniami przez maskę lutowniczą, która zazwyczaj składa się z warstwy polimerowej. Zwykle maska lutownicza ma ciemnozielony lub czerwony kolor.

Odkryte części płytki są zwykle "cynowane" lub "metalizowane" lutowiem, aby ułatwić lutowanie do płytki dodawanych elementów — zarówno przewlekanych, jak i SMT.

Nadruk silkscreen na PCB

Na PCB często konieczne jest nadrukowanie tekstu i dodatkowych drobnych oznaczeń. Może to pomóc w identyfikacji płytki oraz wyznaczeniu pozycji elementów, co ułatwia między innymi wykrywanie usterek. Po zakończeniu różnych procesów produkcyjnych gołej płytki, oznaczenia są naniesione na płytkę za pomocą nadruku silkscreenowego generowanego przez oprogramowanie do projektowania PCB.

Proces produkcji PCB jest kluczowym etapem w cyklu życia produkcji elektroniki. Wprowadzenie kilku nowoczesnych postępów technologicznych w produkcji PCB pozwoliło na osiągnięcie znaczących ulepszeń zarówno w trwałości płytek, jak i w redukcji rozmiarów elementów i ścieżek.