Produkcja sztywnych PCB: Materiały, procesy i standardy branżowe

Twardo drukowane płyty (PCB) tworzą podstawę niemal każdego urządzenia elektronicznego, od smartfonów i laptopów po maszyny przemysłowe i sprzęt medyczny.sztywne PCB utrzymują stały kształt, zapewniając stabilność konstrukcyjną komponentów i zapewniając niezawodną wydajność w zastosowaniach stacjonarnych.od wyboru materiału do końcowego badania, wszystkie podlegają rygorystycznym standardom branżowym w celu zapewnienia spójności i jakości.oferowanie wglądu w to, jak te czynniki wpływają na wyniki, koszt i niezawodność.

Podstawowe materiały w produkcji sztywnych płyt PCB
Wydajność sztywnych płyt PCB zależy zasadniczo od ich podstawowych materiałów, które obejmują podłoże, folie miedziane i warstwy ochronne.Każdy materiał jest wybierany w oparciu o wymagania zastosowania w zakresie odporności cieplnej, wydajności elektrycznej i kosztów.

1. Materiały podłoża
Substrat tworzy sztywną podstawę PCB, zapewniając mechaniczne wsparcie i izolację elektryczną między warstwami miedzi.

a.FR-4 Dominacja: Epoksy wzmocnione włóknem szklanym (FR-4) jest standardem przemysłowym, odpowiadającym za ~ 90% sztywnych PCB.i możliwości przetwarzania sprawiają, że jest idealny dla większości aplikacji.
b.Waryanty o wysokiej odporności: stosowane w warunkach przekraczających 130 °C, takich jak systemy motoryzacyjne pod maską, w których standardowy FR-4 zmiękcza lub delaminuje.
c. Specjalistyczne podłoża: PCB o rdzeniu aluminiowym doskonale rozpraszają ciepło, natomiast podłoża poliamid są zarezerwowane dla ekstremalnych warunków, takich jak przestrzeń kosmiczna lub piece przemysłowe.

2. Folie miedziane
Folia miedziana tworzy przewodzące ślady, które przenoszą sygnały elektryczne.
a.Grubość: od 0,5 oz (17 μm) do 6 oz (203 μm).Grubsza miedź (2 ‰ 6 ‰) jest stosowana w PCB zasilania do obsługi dużych prądów, podczas gdy 0,5 ‰ 1 ‰ jest standardem dla śladów sygnału.
b.Oprawa powierzchni:
Standardowa (STD) miedź: wykończenie matowe o umiarkowanej chropowatości (Rz = 1,5 ∼ 3,0 μm) do zastosowań ogólnych.
Miedź o bardzo niskim profilu (VLP): Ultra-gładka (Rz <1,0μm) w celu zminimalizowania utraty sygnału w konstrukcjach o wysokiej częstotliwości (> 1 GHz).
Miedź poddana odwrotnej obróbce (RT): Gładka powierzchnia bieżącego dielektrycznego dla poprawy adhezji, stosowana w wielowarstwowych płytek PCB.

3. Warstwy ochronne
a.Maska lutowa: powłoka polimerowa nakładana na ślady miedzi, aby zapobiec powstawaniu mostów lutowych podczas montażu.czarny, lub biały (dla kontroli wysokiego kontrastu).
b. Silkscreen: Drukowana warstwa atramentu epoksydowego, która oznakowuje komponenty, punkty testowe i markery biegunowości, pomagając w montażu i rozwiązywaniu problemów.

Proces wytwarzania sztywnych PCB
Produkcja sztywnych płyt PCB obejmuje ponad 20 etapów, ale proces można podzielić na sześć kluczowych etapów, z których każdy ma kluczowe znaczenie dla zapewnienia jakości i wydajności:
1Projektowanie i przygotowanie dokumentacji Gerbera
a. Projektowanie CAD: Inżynierowie używają oprogramowania do projektowania PCB (Altium, KiCad) do tworzenia układów, definiowania ścieżek, umieszczania komponentów i układów warstw.
b. Pliki Gerbera: Dane projektowe są konwertowane do formatu Gerbera (standardu przemysłowego) do produkcji, w tym szczegóły, takie jak szerokości śladów, rozmiary wiertarki i warstwy maski lutowej.
c. Sprawdzenie DFM: Oprogramowanie zaprojektowane do wykonania (DFM) identyfikuje problemy takie jak zbyt wąskie ślady, niewystarczające odległości lub niestandardowe rozmiary wiertarki, zmniejszając błędy produkcyjne.

2Przygotowanie podłoża i pokrycie miedziane
a.Rozcięcie: duże arkusze podłoża (zwykle 18×24×) są cięte do pożądanego rozmiaru PCB za pomocą precyzyjnych pił.
b.Oczyszczanie: Substraty są oczyszczane roztworami alkalicznymi w celu usunięcia olejów i zanieczyszczeń, zapewniając silną przyczepność miedzi.
c. Okrycie: folia miedziana jest wiązana z jedną lub oboma stronami podłoża przy użyciu ciepła (180~200°C) i ciśnienia (20~30 kgf/cm2).

3. Wzornictwo i Etching
a.Wykorzystanie fotorezystyczne: fotorezystyczne światłowrażliwe jest nakładane na podłoże pokryte miedzią poprzez opryskiwanie lub zanurzanie.
b. Ekspozycja: Substrat jest narażony na działanie promieniowania UV poprzez fotomaskę, przekazując wzorzec śladu do fotorezystora.
c. Rozwój: nieutwardzony fotorezistor jest zmywany, pozostawiając chronione ślady miedzi.
d. Etracja: Odkryta miedź rozpuszczana jest za pomocą kwaśnych etranów (chlorku żelaza lub chlorku miedzianego), pozostawiając po sobie pożądany wzór śladu.
e. Usunięcie: Pozostałe fotorezystory usuwane są rozpuszczalnikiem, ujawniając ślady miedzi.

4. Wykopywanie i pokrycie
a.Wykopywanie: otwory do komponentów, przewódów i sprzętu montażowego są wiertniane przy użyciu maszyn CNC z biczami o karburowych lub diamentowych końcach.15 mm) dla PCB o wysokiej gęstości tworzone są za pomocą laserów.
b. Odkurzanie: otwory są czyszczone w celu usunięcia odkurzeń miedzi i podłoża, zapobiegając zwarciom.
c.Plating: Cienka warstwa miedzi (5 ‰ 10 μm) jest elektroplatyzowana na ścianach otworów, aby połączyć warstwy elektrycznie.

5. Aplikacja maski lutowej i jedwabnicy
a. Drukowanie maski lutowej: maskę lutową nakłada się i utwardza światłem UV, pozostawiając miedziane podkładki i przewody narażone.
b. Drukowanie na ekranie jedwabnym: Etykiety i znaczniki komponentów są drukowane za pomocą atramentu epoksydowego, a następnie utwardzane w temperaturze 150°C w celu zapewnienia trwałości.

6Badanie i końcowa kontrola
a. Badania elektryczne:
Badanie ciągłości: sprawdza, czy wszystkie ślady przewodzą prąd zgodnie z zaprojektowaniem.
Badanie Hi-Pot: stosowane jest wysokie napięcie (500 ‰ 1000 V) w celu sprawdzenia, czy pomiędzy śladami nie wystąpiła awaria izolacji.
b.Inspekcja wizualna: Automatyczne systemy inspekcji optycznej (AOI) sprawdzają wady, takie jak brakująca maska lutowa, niezgodne ślady lub błędy wiertnicze.
c. Badania funkcjonalne: w przypadku skomplikowanych płyt PCB testy funkcjonalne symulują rzeczywistą pracę, aby zapewnić prawidłową pracę komponentów.

Standardy przemysłowe dla sztywnych PCB
Produkcja sztywnych płyt PCB podlega światowym standardom, które zapewniają spójność, niezawodność i bezpieczeństwo wśród producentów.
1. Standardy IPC (Association Connecting Electronics Industries)
a.IPC-A-600: określa kryteria dopuszczalności do produkcji PCB, w tym dopuszczalne wady miedzi, maski lutowej i laminacji.
b.IPC-2221: Dostarcza standardów projektowania płyt drukowanych, w tym wytycznych dotyczących szerokości śladów, odległości i wielkości otworów.
c.IPC-J-STD-001: Określa wymagania dotyczące procesów lutowania zapewniających mocne i niezawodne złącza.

2. Certyfikacja UL (laboratoria ubezpieczycieli)
a.UL 94: Badania łatwopalności materiałów PCB, z ocenami takimi jak V-0 (najwyższa odporność), zapewniające, że PCB nie rozprzestrzeniają płomieni w przypadku pożaru.
b.UL 796: Certyfikuje konstrukcję PCB, zapewniając zgodność z normami bezpieczeństwa urządzeń elektrycznych.

3RoHS i REACH (standardy środowiskowe)
a.RoHS: ogranicza ilość substancji niebezpiecznych (ołowiu, rtęci, kadmu) w PCB, wymagając lutowania wolnego od ołowiu i zgodnych z przepisami materiałów.
b.REACH: reguluje substancje chemiczne stosowane w produkcji, zapewniając, że materiały PCB są bezpieczne dla zdrowia ludzkiego i środowiska.

Analiza porównawcza: PCB jednowarstwowe i wielowarstwowe sztywne

Trend w produkcji sztywnych płyt PCB
Postęp technologiczny napędza innowacje w produkcji sztywnych płyt PCB:
a.Wspólne połączenia o wysokiej gęstości (HDI): Mikrowiasy, układy wiasowe i szczuplejsze szerokości śladów (≤3 mil) umożliwiają tworzenie mniejszych, bardziej wydajnych PCB dla urządzeń 5G i akceleratorów sztucznej inteligencji.
b.Automacja: systemy inspekcyjne oparte na sztucznej inteligencji i montaż robotyczny zmniejszają błędy ludzkie, zwiększając wydajność i spójność.
c.Zrównoważony rozwój: Etchanty na bazie wody, odzyskana miedź i substraty na bazie biologicznej zmniejszają wpływ produkcji na środowisko.
d. Produkcja dodatków: Badania prowadzących śladów drukowanych w 3D prowadzą do szybkiego tworzenia prototypów, co pozwala na szybsze iteracje projektowania.

Częste pytania
P: Jaki jest typowy czas realizacji produkcji sztywnych płyt PCB?
Odpowiedź: Czas realizacji wynosi od 2 ‰ 5 dni dla prostych jednowarstwowych płyt PCB do 5 ‰ 10 dni dla wielowarstwowych (4 ‰ 8 warstw).

P: Ile kosztuje wytworzenie sztywnego PCB?
Odpowiedź: Koszty różnią się w zależności od wielkości, liczby warstw i objętości: jednowarstwowe PCB zaczynają się od (1 ¢) 5 na jednostkę (wysoki objętość), podczas gdy 8-warstwowe PCB HDI mogą kosztować (50 ¢) 100+ na jednostkę (niska objętość).

P: Jaki jest maksymalny rozmiar sztywnego PCB?
O: Standardowe linie produkcyjne obsługują płyty PCB o wymiarach do 24×36×, ale producenci niestandardowi mogą produkować większe płyty (do 48×60×) do zastosowań przemysłowych.

P: Czy sztywne PCB można poddać recyklingowi?
Odpowiedź: Tak, sztywne PCB zawierają wartościową miedź (15~20% masy), która może być poddawana recyklingowi.

P: Jaka jest różnica między FR-4 a FR4 o wysokim Tg w produkcji?
A: FR4 o wysokim Tg wymaga wyższych temperatur laminacji (180~200°C w porównaniu z 150~170°C w przypadku standardowego FR4) i dłuższych czasów utwardzania, aby osiągnąć wyższą temperaturę przejścia szklanego,nieznacznie zwiększenie kosztów produkcji.

Wniosek
Produkcja sztywnych płyt PCB jest precyzyjnym (poprowadzanym precyzją) procesem, który zrównoważa naukę o materiałach, projektowanie inżynieryjne i kontrolę jakości w celu wytwarzania niezawodnych komponentów elektronicznych.Od wyboru substratów FR-4 do urządzeń konsumenckich po materiały rdzeniowe z aluminium do zastosowań o dużej mocyPrzystosowując się do norm takich jak IPC-A-600 i RoHS, producenci zapewniają, że sztywne PCB spełniają światowe wymagania w zakresie bezpieczeństwa, niezawodności,i odpowiedzialności środowiskowej.
W miarę jak elektronika będzie się rozwijać, stając się mniejsza, szybsza i potężniejsza, produkcja sztywnych płyt PCB będzie się dostosowywać, włączając nowe materiały i procesy, aby sprostać pojawiającym się wymaganiom.Czy w smartfonach, wyrobów medycznych lub maszyn przemysłowych, sztywne PCB pozostają niezbędne dla nowoczesnej technologii, łączą komponenty i umożliwiają innowacje.
Kluczowe wnioski: Produkcja sztywnych płyt PCB to połączenie sztuki i nauki, gdzie dobór materiału, precyzyjne procesy,i przestrzeganie standardów łączą się, tworząc podstawy systemów elektronicznychZrozumienie tych elementów ma kluczowe znaczenie dla projektowania i produkcji PCB spełniających cele w zakresie wydajności, kosztów i niezawodności.