Fasi del processo di fabbricazione dei PCB: una guida completa alla costruzione di circuiti stampati

La fabbricazione di circuiti stampati (PCB) è un processo preciso e in più fasi che trasforma un progetto digitale in una piattaforma fisica per componenti elettronici.ogni fase – dalla selezione del materiale alle prove finali – richiede precisione per garantire che il PCB funzioni in modo affidabile nella sua applicazione previstaChe si tratti di un semplice sensore IoT o di una complessa stazione base 5G, comprendere il processo di fabbricazione è fondamentale per ottimizzare la progettazione, i costi e le prestazioni.

Questa guida riassume le 10 fasi fondamentali della fabbricazione dei PCB, evidenziando le tecnologie chiave, i controlli di qualità e le differenze tra i processi standard e avanzati.avrai una tabella di marcia chiara su come il tuo progetto diventi una scheda funzionale.

Principali insegnamenti
a. La fabbricazione dei PCB comprende 10 fasi critiche, dal taglio del materiale alle prove finali, ciascuna delle quali ha un impatto sulle prestazioni e sui costi.
b.I processi avanzati (per esempio, perforazione laser, ispezione ottica automatizzata) migliorano la precisione, ma aumentano i costi di produzione del 10-30% rispetto ai metodi standard.
c. La selezione dei materiali (FR4 contro Rogers) e il numero di strati (2 contro 16 strati) influenzano significativamente la complessità della fabbricazione e il tempo di consegna.
d.I controlli di qualità in ogni fase riducono i tassi di difetti dal 10% (senza ispezioni) a <1% (prova completa), riducendo i costi di rielaborazione del 70%.

Visualizzazione della fabbricazione di PCB: dalla progettazione alla produzione
La fabbricazione di PCB converte un file CAD (Computer-Aided Design) in una scheda fisica attraverso una serie di processi sottrattivi e additivi.e applicazione ma segue una sequenza di base coerenteDi seguito è riportata una panoramica di alto livello prima di approfondire i dettagli:
1.Rivisione del progetto e preparazione del file CAM
2. Taglio dei materiali
3.Imaging dello strato interno
4.Interiore strato incisione
5.Laminatura a strato
6- Perforazione
7- Piantare.
8.Imaging e incisione dello strato esterno
9.Applicazione di finitura superficiale
1.Prove e ispezioni finali

Fase 1: revisione del progetto e preparazione del file CAM
Prima dell'inizio della fabbricazione, il disegno deve essere convalidato e convertito in file pronti per la fabbricazione.
a.Controllo della progettazione per la fabbricabilità (DFM): gli ingegneri esaminano la progettazione CAD per assicurarsi che soddisfi i vincoli di fabbricazione (ad esempio, larghezza minima di traccia di 0,1 mm, dimensione del foro ≥ 0,2 mm).Problemi come spaziatura stretta o funzionalità non supportate sono segnalati per evitare ritardi di produzione.
b.Conversione di file CAM: il progetto viene convertito in file CAM (Computer-Aided Manufacturing), che includono dati di strato, coordinate di trivellazione e specifiche dei materiali.Software come Gerber e ODB ++ formati sono standard.
c. Panellazione: i piccoli PCB sono raggruppati in pannelli più grandi (ad esempio, 18 "× 24") per massimizzare l'utilizzo dei materiali e semplificare la produzione.
Metrica chiave: un accurato controllo della DFM riduce del 40% il rilavoro post fabbricazione.

Fase 2: Taglio del materiale
Il substrato di base (in genere FR4, un epossidio rinforzato con vetro) viene tagliato fino alla dimensione richiesta del pannello.
a.Selezione del substrato: FR4 è utilizzato per il 90% dei PCB a causa del costo e della versatilità.
b. Processo di taglio: forbici automatiche o tagliatori laser tagliano il substrato fino a raggiungere le dimensioni del pannello (ad esempio, 12"×18") con tolleranza di ± 0,1 mm. Il taglio laser è più preciso (± 0,01 mm).05 mm) ma 20% più lento del taglio meccanico.
c. Deglierazione: i bordi sono levigati per rimuovere gli abrasi, evitando danni alle attrezzature nelle fasi successive.

Fase 3: Imaging dello strato interno
Per i PCB a più strati, gli strati interni sono modellati con tracce di rame utilizzando la fotolitografia.
a.Pulizia: i pannelli vengono puliti chimicamente per rimuovere olio, polvere e ossidazione, garantendo una corretta adesione del fotoresistente.
b.Applicazione fotoresistente: viene applicato un polimero fotosensibile (fotoresistente) tramite rivestimento a rulli (spessore: 10 ‰ 20 μm).pellicola a secco per disegni più grandi.
c.Esposizione: il pannello è esposto alla luce UV attraverso una fotomaschera (stensil del progetto del circuito).
d. Sviluppo: il fotoresistente non indurito viene lavato con una soluzione chimica (ad esempio, carbonato di sodio), lasciando il modello di traccia desiderato protetto.
Tecnologia avanzata: l'imaging diretto laser (LDI) sostituisce le fotomaschere con la scansione laser, consentendo larghezze di traccia di 0,025 mm per i PCB HDI (High-Density Interconnect).

Passo 4: incisione dello strato interno
L'incisione rimuove il rame indesiderato, lasciando solo le tracce.
a.Tipi di incisivi:
Cloruro ferrico: economico ma più lento; usato per la produzione a basso volume.
Persolfato di ammonio: più veloce, più preciso; ideale per progetti di grande volume e di tono fine.
b. Processo: il pannello viene immerso o spruzzato con incisivo, che dissolve il rame non protetto.Il tempo di incisione (2-5 minuti) è calibrato per evitare incisioni eccessive (tracce di restringimento) o insufficienti (coperro residuo).
c. Rimozione del resistente: il restante fotoresistente viene rimosso con solvente o soluzione alcalina, rivelando le tracce di rame.
Controllo della qualità: AOI (Automated Optical Inspection) scansiona i difetti come tracce mancanti, cortocircuiti o sotto-incisione, catturando il 95% degli errori prima della laminazione.

Fase 5: stratificazione
I PCB a più strati sono legati tra loro usando calore e pressione.
a.Preparazione del prepreg: i fogli di prepreg (fibra di vetro impregnata di epossidi non curati) vengono tagliati a misura. Il prepreg agisce sia come adesivo che come isolante tra gli strati.
b.Stack-Up: gli strati interni, la prepreg e le folie di rame esterne sono allineati utilizzando i perni dell'utensile (tolleranza: ± 0,05 mm). Per i PCB a 16 strati, questo passaggio richiede un allineamento preciso per evitare errori di registrazione dello strato.
c. Pressione: la pila viene riscaldata (170°C-180°C) e pressata (300°C-500 psi) per 60°C-90 minuti, curando gli strati di prepreg e di incollaggio in un unico pannello.
Sfida: le bolle d'aria tra gli strati causano la delaminazione.

Fase 6: Perforazione
I fori sono forati per collegare strati (vias) e componenti di montaggio (fori attraverso).
a.Tipi di trapano:
Per fori meccanici: per fori ≥ 0,2 mm; veloci ma meno precisi.
Fori laser: per microvias (0,05 ∼0,2 mm); utilizzati nei PCB HDI.
b.Processo: le trivellatrici CNC seguono le coordinate dei file CAM, perforando fino a 10.000 fori all'ora.
c.Scavo: i fori vengono puliti per rimuovere le scorie di rame, garantendo un rivestimento affidabile.

Fase 7: rivestimento
I fori e gli strati esterni sono rivestiti di rame per creare connessioni elettriche tra gli strati.
a.Desmacerare: i prodotti chimici (per es. permanganato) rimuovono le macchie epossidiche dai fori perforati, garantendo l'adesione del rame.
b.Copperless Plating: un sottile strato di rame (0,5 μm) viene depositato sulle pareti dei fori e sulle superfici esterne senza elettricità, creando una base conduttiva.
c.Elettroplatazione: il pannello viene immerso in un bagno di solfato di rame, e la corrente viene applicata al rame spessore (15-30μm) sulle tracce e le pareti del foro.
Opzione avanzata: tramite riempimento (elettroplatazione per riempire completamente i fori) aggiunge resistenza meccanica, ideale per applicazioni ad alta vibrazione (automotive, aerospaziale).

Fase 8: Imaging e incisione dello strato esterno
Gli strati esterni sono modellati in modo simile agli strati interni, ma con passaggi aggiuntivi per la maschera di saldatura e la serigrafia.
a. Imaging: la fotoresistenza viene applicata, esposta e sviluppata per definire le tracce esterne.
b.Etching: il rame non protetto viene rimosso, lasciando tracce esterne e tamponi.
c.Applicazione della maschera di saldatura: un polimero verde (più comune) o colorato viene applicato per coprire le tracce, lasciando i pad esposti per la saldatura. La maschera di saldatura previene i cortocircuiti e protegge dall'ossidazione.
d. Stampa a vetrina: l'inchiostro viene stampato sulla maschera di saldatura per etichettare i componenti (ad esempio, "R1," "+5V"), facilitando l'assemblaggio e la risoluzione dei problemi.
Tendenza: le maschere di saldatura trasparenti e la pellicola bianca sono sempre più popolari per i PCB a LED, migliorando la diffusione della luce.

Fase 9: Applicazione della finitura superficiale
Le finiture superficiali proteggono i pad di rame esposti dall'ossidazione e garantiscono una saldatura affidabile.

Fase 10: prove e ispezioni finali
Il pannello finito subisce rigorosi test per garantire la qualità.
a. Prova elettrica: un tester di sonda volante verifica la presenza di pantaloncini, aperture e resistenza in tutte le reti, verificando la connettività.
b.AOI: telecamere ad alta risoluzione per l'ispezione dei difetti (ad esempio, maschera di saldatura disallineata, schermo di seta mancante).
c. Ispezione a raggi X: utilizzata per i PCB BGA e HDI per controllare le giunture di saldatura nascoste e la qualità.
d. Prova dell'impedenza: per i PCB ad alta velocità, un TDR (Time Domain Reflectometer) verifica l'impedenza controllata (ad esempio, 50Ω, 100Ω) per garantire l'integrità del segnale.
e.Depanelizzazione: il pannello viene tagliato in singoli PCB utilizzando il routing, il punteggio o il taglio laser, a seconda del progetto.

Fabbricazione standard contro avanzata: differenze chiave

Domande frequenti
D: Quanto tempo impiega la fabbricazione dei PCB?
R: 5 ‰ 7 giorni per i PCB standard a 2 strati; 10 ‰ 14 giorni per le schede HDI a 16 strati.

D: Quali sono le cause dei difetti nella fabbricazione dei PCB?
R: I problemi comuni includono la registrazione errata dello strato (mala laminazione), il sotto/sovra-incisione e il disallineamento della trivellazione.

D: Posso modificare il mio disegno dopo l'inizio della fabbricazione?
R: Le modifiche dopo la laminazione dei strati sono costose (50% del costo originale).

D: Quanto costa la fabbricazione di PCB?
R: (5 ¢) 15 per PCB standard a 2 strati (1000 unità); (20 ¢) 50 per schede HDI avanzate a 16 strati.

D: Qual è il numero massimo di strati per i PCB?
R: I PCB commerciali raggiungono più di 40 strati (ad esempio, i supercomputer), ma la maggior parte delle applicazioni utilizza 2-16 strati.

Conclusioni
La fabbricazione di PCB è un processo guidato dalla precisione che bilancia la complessità del design, la scienza dei materiali e la tecnologia di produzione.Ogni passo svolge un ruolo fondamentale nel garantire che la scheda soddisfi i requisiti elettrici, meccanici e di affidabilità.
La comprensione di questi passaggi aiuta gli ingegneri a ottimizzare i progetti per costi e prestazioni, sia che si scelga ENIG rispetto a HASL per un dispositivo medico o specificando la perforazione laser per un PCB per smartphone HDI.Con l'evoluzione dell'elettronica, i processi di fabbricazione continueranno a progredire, consentendo PCB più piccoli, più veloci e più affidabili per le tecnologie di domani.

Collaborando con un produttore che dà la priorità ai controlli di qualità e utilizza attrezzature avanzate, puoi assicurarti che i tuoi PCB soddisfino le richieste anche delle applicazioni più impegnative.