Etapy procesu produkcji PCB: Kompleksowy przewodnik po budowie płytek drukowanych

Produkcja płytek drukowanych (PCB) to precyzyjny, wieloetapowy proces, który przekształca projekt cyfrowy w fizyczną platformę dla komponentów elektronicznych. Od prototypowania po masową produkcję, każdy krok – od wyboru materiału po końcowe testy – wymaga dokładności, aby zapewnić niezawodne działanie PCB w zamierzonym zastosowaniu. Niezależnie od tego, czy chodzi o prosty czujnik IoT, czy złożoną stację bazową 5G, zrozumienie procesu produkcji jest kluczem do optymalizacji projektu, kosztów i wydajności.

Ten przewodnik przedstawia 10 podstawowych etapów produkcji PCB, podkreślając kluczowe technologie, kontrole jakości i różnice między procesami standardowymi i zaawansowanymi. Do końca będziesz miał jasny plan, jak Twój projekt staje się funkcjonalną płytką obwodu.

Kluczowe wnioski
  a. Produkcja PCB obejmuje 10 krytycznych etapów, od cięcia materiału po końcowe testy, przy czym każdy etap wpływa na wydajność i koszty.
  b. Zaawansowane procesy (np. wiercenie laserowe, automatyczna kontrola optyczna) poprawiają precyzję, ale zwiększają koszty produkcji o 10–30% w porównaniu z metodami standardowymi.
  c. Wybór materiału (FR4 vs. Rogers) i liczba warstw (2 vs. 16 warstw) znacząco wpływają na złożoność produkcji i czas realizacji.
  d. Kontrole jakości na każdym etapie zmniejszają wskaźnik wad od 10% (brak kontroli) do <1% (kompleksowe testy), obniżając koszty przeróbek o 70%.

Przegląd produkcji PCB: Od projektu do produkcji
Produkcja PCB konwertuje plik CAD (Computer-Aided Design) na fizyczną płytkę poprzez serię procesów subtraktywnych i addytywnych. Przepływ pracy różni się w zależności od liczby warstw, materiału i zastosowania, ale przebiega zgodnie ze spójną sekwencją podstawową. Poniżej znajduje się przegląd wysokiego poziomu przed zagłębieniem się w szczegóły:
1. Przegląd projektu i przygotowanie pliku CAM
2. Cięcie materiału
3. Obrazowanie warstwy wewnętrznej
4. Trawienie warstwy wewnętrznej
5. Laminowanie warstw
6. Wiercenie
7. Płytowanie
8. Obrazowanie i trawienie warstwy zewnętrznej
9. Nakładanie wykończenia powierzchni
10. Końcowe testy i inspekcja

Krok 1: Przegląd projektu i przygotowanie pliku CAM
Zanim rozpocznie się produkcja, projekt musi zostać zweryfikowany i przekonwertowany na pliki gotowe do produkcji.
  a. Sprawdzenie Design for Manufacturability (DFM): Inżynierowie przeglądają projekt CAD, aby upewnić się, że spełnia on ograniczenia produkcyjne (np. minimalna szerokość ścieżki 0,1 mm, rozmiar otworu ≥0,2 mm). Problemy takie jak ciasne odstępy lub nieobsługiwane funkcje są oznaczane, aby uniknąć opóźnień w produkcji.
  b. Konwersja pliku CAM: Projekt jest konwertowany na pliki CAM (Computer-Aided Manufacturing), które zawierają dane warstw, współrzędne wiercenia i specyfikacje materiałowe. Standardem jest oprogramowanie takie jak formaty Gerber i ODB++.
  c. Panelizacja: Małe PCB są grupowane w większe panele (np. 18"×24"), aby zmaksymalizować wykorzystanie materiału i usprawnić produkcję. Panelizacja zmniejsza koszty o 20–30% w przypadku dużych nakładów.
Kluczowa metryka: Dokładne sprawdzenie DFM zmniejsza przeróbki po produkcji o 40%.

Krok 2: Cięcie materiału
Podłoże bazowe (zazwyczaj FR4, wzmocnione włóknem szklanym i epoksydem) jest cięte do wymaganego rozmiaru panelu.
  a. Wybór podłoża: FR4 jest używany w 90% PCB ze względu na koszty i wszechstronność. Płytki o wysokiej wydajności wykorzystują Rogers (dla wysokich częstotliwości) lub rdzeń metalowy (do zarządzania termicznego).
  b. Proces cięcia: Automatyczne nożyce lub przecinarki laserowe przycinają podłoże do wymiarów panelu (np. 12"×18") z tolerancją ±0,1 mm. Cięcie laserowe jest bardziej precyzyjne (±0,05 mm), ale o 20% wolniejsze niż ścinanie mechaniczne.
  c. Gratowanie: Krawędzie są wygładzane w celu usunięcia zadziorów, co zapobiega uszkodzeniom sprzętu w kolejnych krokach.

Krok 3: Obrazowanie warstwy wewnętrznej
W przypadku PCB wielowarstwowych warstwy wewnętrzne są wzorowane za pomocą ścieżek miedzianych przy użyciu fotolitografii.
  a. Czyszczenie: Panele są czyszczone chemicznie w celu usunięcia oleju, kurzu i utleniania, co zapewnia prawidłową przyczepność fotorezystu.
  b. Nakładanie fotorezystu: Polimer światłoczuły (fotorezyst) jest nakładany za pomocą powlekania rolkowego (grubość: 10–20μm). Fotorezyst w płynie jest używany do drobnych elementów (<0,1 mm ścieżki); folia sucha do większych projektów.
  c. Ekspozycja: Panel jest wystawiany na działanie światła UV przez fotomaskę (szablon projektu obwodu). Fotorezyst twardnieje (łączy się krzyżowo) w obszarach naświetlonych, chroniąc znajdującą się pod spodem miedź.
  d. Wywoływanie: Nieschłonięty fotorezyst jest zmywany roztworem chemicznym (np. węglanem sodu), pozostawiając pożądany wzór ścieżki chroniony.
Zaawansowana technologia: Bezpośrednie obrazowanie laserowe (LDI) zastępuje fotomaski skanowaniem laserowym, umożliwiając szerokość ścieżek tak małą jak 0,025 mm dla PCB HDI (High-Density Interconnect).

Krok 4: Trawienie warstwy wewnętrznej
Trawienie usuwa niepożądaną miedź, pozostawiając tylko wzorowane ścieżki.
  a. Rodzaje wytrawiaczy:
     Chlorek żelaza: Niedrogi, ale wolniejszy; używany do produkcji niskoseryjnej.
     Nadtlenosiarczan amonu: Szybszy, bardziej precyzyjny; idealny do projektów wielkoseryjnych o drobnej podziałce.
  b. Proces: Panel jest zanurzany lub spryskiwany wytrawiaczem, który rozpuszcza niechronioną miedź. Czas trawienia (2–5 minut) jest kalibrowany, aby uniknąć przetrawienia (zwężenia ścieżek) lub niedotrawienia (pozostałości miedzi).
  c. Usuwanie rezystu: Pozostały fotorezyst jest usuwany za pomocą rozpuszczalnika lub roztworu alkalicznego, odsłaniając ścieżki miedziane.
Kontrola jakości: AOI (Automated Optical Inspection) skanuje w poszukiwaniu wad, takich jak brakujące ścieżki, zwarcia lub niedotrawienie, wychwytując 95% błędów przed laminowaniem.

Krok 5: Laminowanie warstw
PCB wielowarstwowe są łączone ze sobą za pomocą ciepła i ciśnienia.
  a. Przygotowanie prepregu: Arkusze prepregu (włókno szklane impregnowane nieutwardzonym epoksydem) są cięte na wymiar. Prepreg działa zarówno jako klej, jak i izolator między warstwami.
  b. Układanie: Warstwy wewnętrzne, prepreg i zewnętrzne folie miedziane są wyrównywane za pomocą kołków pozycjonujących (tolerancja: ±0,05 mm). W przypadku PCB 16-warstwowych ten krok wymaga precyzyjnego wyrównania, aby uniknąć błędnej rejestracji warstw.
  c. Prasowanie: Układ jest podgrzewany (170–180°C) i prasowany (300–500 psi) przez 60–90 minut, utwardzając prepreg i łącząc warstwy w jeden panel.
Wyzwanie: Pęcherzyki powietrza między warstwami powodują rozwarstwienie. Prasowanie próżniowe (usuwa powietrze przed utwardzaniem) zmniejsza to ryzyko o 90%.

Krok 6: Wiercenie
Otwory są wiercone w celu połączenia warstw (przelotki) i zamontowania komponentów (otwory przelotowe).
  a. Rodzaje wierteł:
    Wiertła mechaniczne: Do otworów ≥0,2 mm; szybkie, ale mniej precyzyjne.
    Wiertła laserowe: Do mikrootworów (0,05–0,2 mm); używane w PCB HDI.
  b. Proces: Wiertarki CNC podążają za współrzędnymi pliku CAM, wiercąc do 10 000 otworów na godzinę. Wiercenie udarowe (przerywane cofanie) usuwa zanieczyszczenia, zapobiegając zatykaniu otworów.
  c. Gratowanie: Otwory są czyszczone w celu usunięcia zadziorów miedzianych, co zapewnia niezawodne płytowanie.

Krok 7: Płytowanie
Otwory i warstwy zewnętrzne są pokrywane miedzią w celu utworzenia połączeń elektrycznych między warstwami.
  a. Desmear: Chemikalia (np. nadmanganian) usuwają smugi epoksydowe z wywierconych otworów, zapewniając przyczepność miedzi.
  b. Płytowanie miedzią bezprądowe: Cienka warstwa (0,5–1μm) miedzi jest osadzana na ścianach otworów i powierzchniach zewnętrznych bez użycia prądu, tworząc podstawę przewodzącą.
  c. Galwanizacja: Panel jest zanurzany w kąpieli siarczanu miedzi i przykładany jest prąd w celu pogrubienia miedzi (15–30μm) na ścieżkach i ścianach otworów. Ten krok zapewnia niską rezystancję (≤10 mΩ) w przelotkach.
Zaawansowana opcja: Wypełnianie przelotek (galwanizacja w celu całkowitego wypełnienia otworów) zwiększa wytrzymałość mechaniczną, idealną do zastosowań o wysokich wibracjach (motoryzacja, lotnictwo).

Krok 8: Obrazowanie i trawienie warstwy zewnętrznej
Warstwy zewnętrzne są wzorowane podobnie do warstw wewnętrznych, ale z dodatkowymi krokami dla maski lutowniczej i sitodruku.
  a. Obrazowanie: Fotorezyst jest nakładany, naświetlany i wywoływany w celu zdefiniowania ścieżek zewnętrznych.
  b. Trawienie: Niechroniona miedź jest usuwana, pozostawiając ścieżki zewnętrzne i pady.
  c. Nakładanie maski lutowniczej: Zielony (najczęściej) lub kolorowy polimer jest nakładany w celu pokrycia ścieżek, pozostawiając pady odsłonięte do lutowania. Maska lutownicza zapobiega zwarciom i chroni przed utlenianiem.
  d. Drukowanie sitodrukiem: Atrament jest drukowany na masce lutowniczej w celu oznaczenia komponentów (np. "R1," "+5V"), ułatwiając montaż i rozwiązywanie problemów.
Trend: Przezroczyste maski lutownicze i biały sitodruk zyskują na popularności w przypadku PCB LED, poprawiając rozpraszanie światła.

Krok 9: Nakładanie wykończenia powierzchni
Wykończenia powierzchni chronią odsłonięte pady miedziane przed utlenianiem i zapewniają niezawodne lutowanie.

Krok 10: Końcowe testy i inspekcja
Gotowy panel przechodzi rygorystyczne testy w celu zapewnienia jakości.
  a. Test elektryczny: Tester sondy latającej sprawdza zwarcia, otwarcia i rezystancję we wszystkich sieciach, weryfikując łączność.
  b. AOI: Kamery o wysokiej rozdzielczości sprawdzają wady (np. niewspółosiowość maski lutowniczej, brak sitodruku).
  c. Inspekcja rentgenowska: Używana do BGA i PCB HDI w celu sprawdzenia ukrytych połączeń lutowanych i jakości przelotek.
  d. Testowanie impedancji: W przypadku szybkich PCB, TDR (Time Domain Reflectometer) weryfikuje kontrolowaną impedancję (np. 50Ω, 100Ω) w celu zapewnienia integralności sygnału.
  e. Depanelizacja: Panel jest cięty na poszczególne PCB za pomocą frezowania, nacinania lub cięcia laserowego, w zależności od projektu.

Standardowa vs. zaawansowana produkcja: Kluczowe różnice

FAQ
P: Jak długo trwa produkcja PCB?
O: 5–7 dni dla standardowych 2-warstwowych PCB; 10–14 dni dla 16-warstwowych płyt HDI. Usługi ekspresowe skracają czas realizacji o 30%, ale zwiększają koszty o 50%.

P: Co powoduje wady produkcji PCB?
O: Typowe problemy obejmują błędną rejestrację warstw (słaba laminacja), przetrawienie/niedotrawienie i niewspółosiowość wiercenia. Ścisła kontrola procesów zmniejsza wady do <1%.

P: Czy mogę zmienić mój projekt po rozpoczęciu produkcji?
O: Zmiany po laminowaniu warstw są kosztowne (50–100% pierwotnego kosztu). Najlepiej jest sfinalizować projekty podczas fazy DFM.

P: Ile kosztuje produkcja PCB?
O: (5–)15 dla standardowych 2-warstwowych PCB (1000 sztuk); (20–)50 dla zaawansowanych 16-warstwowych płyt HDI. Materiał (np. Rogers vs. FR4) i objętość wpływają na cenę.

P: Jaka jest maksymalna liczba warstw dla PCB?
O: Komercyjne PCB osiągają 40+ warstw (np. superkomputery), ale większość zastosowań wykorzystuje 2–16 warstw.

Wnioski
Produkcja PCB to proces precyzyjny, który równoważy złożoność projektu, naukę o materiałach i technologię produkcji. Od przeglądu projektu po końcowe testy, każdy krok odgrywa kluczową rolę w zapewnieniu, że płytka spełnia wymagania elektryczne, mechaniczne i dotyczące niezawodności.
Zrozumienie tych kroków pomaga inżynierom zoptymalizować projekty pod kątem kosztów i wydajności – niezależnie od tego, czy wybierają ENIG zamiast HASL dla urządzenia medycznego, czy określają wiercenie laserowe dla smartfona HDI. Wraz z ewolucją elektroniki procesy produkcyjne będą nadal się rozwijać, umożliwiając tworzenie mniejszych, szybszych i bardziej niezawodnych PCB dla technologii jutra.

Współpracując z producentem, który priorytetowo traktuje kontrole jakości i wykorzystuje zaawansowany sprzęt, możesz mieć pewność, że Twoje PCB spełnią wymagania nawet najbardziej wymagających zastosowań.