ساخت PCB چیست: PCB چگونه ساخته و مونتاژ می شود

چیست PCB تولید؟

ساخت PCB — تولید برد مدار چاپی — فرآیند صنعتی تولید بردهای صلب یا منعطف است که به طور مکانیکی قطعات الکترونیکی را در تقریباً در هر دستگاه مدرن پشتیبانی می کند و به صورت الکتریکی به آن متصل می شود. از تلفن‌های هوشمند و لپ‌تاپ‌ها گرفته تا کنترل‌کننده‌های صنعتی و ابزار پزشکی، PCB‌ها پلتفرم اساسی هستند که سیستم‌های الکترونیکی بر روی آن ساخته می‌شوند.

PCB متشکل از یک یا چند لایه ردیاب هادی مسی است که روی یک بستر غیر رسانا - که معمولاً FR4 (یک ورقه ورقه اپوکسی تقویت شده با شیشه) لمینت شده است. ردهای مسی جایگزین سیم‌کشی نقطه به نقطه می‌شود که الکترونیک اولیه را مشخص می‌کرد و توپولوژی‌های مدار پیچیده را قادر می‌سازد تا به طور قابل اعتماد و در مقیاس بازتولید شوند. PCBهای مدرن اتصال با چگالی بالا (HDI) ممکن است حاوی باشند 20 لایه مس یا بیشتر در تخته ای با ضخامت فقط 1.6 میلی متر، با عرض ردیابی کمتر از 75 میکرون.

درک اینکه تولید PCB شامل چه چیزی است - از ورقه ورقه خام گرفته تا برد آماده و آزمایش شده - برای مهندسان، خریداران و توسعه دهندگان محصول که نیاز به تصمیم گیری آگاهانه در مورد طراحی برای ساخت، انتخاب تامین کننده و مشخصات کیفیت دارند، اهمیت دارد.

چگونه PCB کار می کند: اصول الکتریکی و مکانیکی

چنگ زدن چگونه PCB کار می کند نیاز به درک تعامل بین سه عنصر عملکردی آن دارد: لایه رسانا، بستر دی الکتریک و ساختارهای نصب اجزا.

رسانای ردیابی مسی

جریان الکتریکی بین اجزاء از طریق آثار مسی حک شده در هر لایه از تخته جریان می یابد. عرض و ضخامت ردیابی ظرفیت حمل جریان را تعیین می کند - الف 0.5 میلی متر عرض، 35 میکرومتر ضخامت رد مس می تواند تقریباً 1A را به طور مداوم بدون حرارت دادن بیش از حد تحت شرایط استاندارد حمل کند. یکپارچگی سیگنال در طرح‌های پرسرعت به امپدانس کنترل‌شده بستگی دارد: رابطه بین عرض ردیابی، ضخامت دی الکتریک و ثابت دی الکتریک زیرلایه (Dk)، که باید دقیقاً مدیریت شود تا از بازتاب سیگنال و تداخل در مدارهای دیجیتال RF و فرکانس بالا جلوگیری شود.

بستر دی الکتریک

زیرلایه عایق لایه های مس را جدا می کند و استحکام مکانیکی را فراهم می کند. FR4 - با ثابت دی الکتریک تقریباً 4.2-4.5 و دمای انتقال شیشه ای (Tg) 130-170 درجه سانتیگراد - استاندارد صنعتی برای PCBهای همه منظوره است. برنامه های کاربردی با فرکانس بالا از مواد با Dk پایین مانند Rogers 4003C (Dk 3.55) یا ورقه های مبتنی بر PTFE استفاده می کنند تا از دست دادن سیگنال در فرکانس های مایکروویو به حداقل برسد.

Vias و Layer Interconnection

ویاها حفره‌های از طریق آبکاری یا سوراخ‌های کور/دفنی هستند که آثار مس را در لایه‌های مختلف به هم متصل می‌کنند. ویزهای سوراخ دار کل ضخامت تخته را در بر می گیرند. ویاهای کور یک لایه بیرونی را به یک یا چند لایه داخلی بدون نفوذ به سطح مخالف متصل می کنند. مدفون از طریق اتصال لایه های داخلی. انتخاب از طریق مستقیماً بر چگالی مسیریابی و عملکرد سیگنال در طرح‌های چند لایه تأثیر می‌گذارد.

ماسک لحیم کاری و سیلک اسکرین

یک لایه ماسک لحیم پلیمری - معمولاً سبز، اما در رنگ های آبی، قرمز، سیاه و سفید موجود است - آثار مس را برای جلوگیری از اکسیداسیون و پل زدن لحیم در هنگام مونتاژ می پوشاند. جوهر ابریشم (افسانه) چاپ شده در بالا، نشانگرهای مرجع، نشانگرهای قطبی و اطلاعات سازنده را برای مونتاژ و استفاده در خدمات صحرایی ارائه می دهد.

بردهای PCB چگونه ساخته می شوند: فرآیند ساخت گام به گام

درک کردن نحوه ساخت بردهای PCB روشن می کند که چرا تصمیمات طراحی خاص بر هزینه و زمان انجام کار تأثیر می گذارد. توالی ساخت استاندارد برای یک برد چند لایه FR4 به شرح زیر است:

مرحله 1 - تصویربرداری لایه داخلی

لایه های مس داخلی به عنوان پانل های لمینت با روکش مس شروع می شوند. یک فیلم خشک حساس به نور بر روی سطح مسی لمینت می شود، سپس از طریق یک ماسک نوری (فیلم تولید شده توسط گربر یا تصویربرداری مستقیم لیزری) در معرض نور UV قرار می گیرد. مقاومتی که در معرض قرار نگرفته است از نظر شیمیایی از بین می رود و مس در معرض در یک محلول قلیایی حکاکی می شود و تنها الگوی مورد نظر باقی می ماند. دقت ردیابی در این مرحله بسیار مهم است: خطاهای ثبت لایه داخلی در لایه‌ها در پشته‌های چندلایه ترکیب می‌شوند.

مرحله 2 - درمان با اکسید و لمینیت

پانل های لایه داخلی از نظر شیمیایی با اکسید قهوه ای یا سیاه برای بهبود چسبندگی پردازش می شوند، سپس با ورق های پیش آغشته (پارچه شیشه ای از قبل آغشته شده با رزین تا حدی پخته شده) در هم می آمیزند و تحت حرارت و فشار به هم فشرده می شوند - معمولاً 170-185 درجه سانتی گراد در 200-350 psi - در دستگاه پرس لمینیت این همه لایه ها را به یک پانل سفت متصل می کند و رزین پیش آغشته را کاملاً پخت می کند.

مرحله 3 - حفاری

ماشین‌های حفاری CNC سوراخ‌هایی را در مختصات X/Y دقیق برای ورودی‌ها و سرنخ‌های اجزا ایجاد می‌کنند. قطر مته از 6.0 میلی متر تا 0.1 میلی متر برای میکروویا سرعت حفاری، بار تراشه و سایش بیت به شدت کنترل می شود تا از سرگردانی مته، لکه دار شدن دی الکتریک به دیواره سوراخ، یا لایه برداری در نقطه خروجی سوراخ جلوگیری شود.

مرحله 4 - آبکاری مس و آبکاری الکترولس

حفاری باعث ایجاد لکه رزینی روی دیواره‌های سوراخ می‌شود که تداوم الکتریکی را مسدود می‌کند. فرآیند پاکسازی پلاسما یا پرمنگنات شیمیایی این آلودگی را از بین می برد. رسوب مس بدون الکترو (اتوکاتالیستی) سپس یک لایه مس دانه نازک را اعمال می کند - معمولا 0.5-1.5 میکرومتر - به دیواره های سوراخ و سطح پانل، که رسانایی را برای آبکاری بعدی فراهم می کند.

مرحله 5 - تصویربرداری و آبکاری لایه بیرونی

لایه‌های بیرونی همانند لایه‌های داخلی فرآیند تصویربرداری را انجام می‌دهند، اما با رویکرد افزایشی: مقاومت اعمال می‌شود، در معرض دید قرار می‌گیرد و توسعه می‌یابد تا نواحی مسی را در معرض آبکاری قرار دهد. آبکاری مس الکترولیتی ردیابی و از طریق مس دیوار را به ضخامت مشخص می‌سازد (معمولاً حداقل 25 تا 35 میکرومتر در دیوارهای سوراخ در کلاس 2 IPC-6012). آبکاری قلع روی مس به عنوان یک مقاومت در برابر اچ در حین اچ کردن لایه بیرونی بعدی عمل می کند.

مرحله 6 - اچینگ، ماسک لحیم کاری، و پایان سطح

لایه بیرونی مس حکاکی می شود، قلع مقاوم می شود و ماسک لحیم کاری با چاپ صفحه نمایش یا جوهر افشان اعمال می شود و UV پخت می شود. سپس سطح روی لنت‌های مسی در معرض استفاده قرار می‌گیرد: گزینه‌های متداول شامل HASL (تراز کردن لحیم کاری با هوای گرم)، ENIG (طلای غوطه‌وری نیکل بدون الکترو)، OSP (حفاظ‌کننده لحیم‌کاری ارگانیک)، و نقره غوطه‌وری - هر کدام دارای معاوضه‌های متمایزی در هزینه، ماندگاری لحیم کاری و مناسب بودن برای اجزای ریز می‌باشد.

مرحله 7 - مسیریابی، آزمایش و بازرسی

پانل ها توسط روتر CNC یا امتیازدهی به خطوط کلی تابلو هدایت می شوند. آزمایش الکتریکی (کاوشگر پرنده یا ثابت تخت از میخ) هر توری را برای باز شدن و شورت تأیید می کند. بازرسی نوری خودکار (AOI) هندسه ردیابی را بررسی می‌کند، و تخته‌ها ممکن است قبل از حمل، تحت تجزیه و تحلیل مقطع یا بازرسی ریزمقطع برای امپدانس کنترل‌شده و از طریق تأیید ضخامت آبکاری قرار بگیرند.

تولید و مونتاژ PCB: از تخته لخت تا واحد عملکردی

تولید و مونتاژ PCB هم شامل ساخت برد لخت و هم جمعیت بعدی قطعات الکترونیکی می شود - فرآیندی که یک لمینت اچ شده را به یک مجموعه الکترونیکی کار تبدیل می کند. مونتاژ معمولاً از یک یا هر دو فناوری نصب اجزا پیروی می کند:

فناوری نصب سطحی (SMT)

اجزای SMT - مقاومت‌ها، خازن‌ها، آی‌سی‌ها، کانکتورها- مستقیماً روی لنت‌های چاپ‌شده با خمیر لحیم کاری روی سطح برد توسط دستگاه‌های انتخاب و جاسازی با سرعت‌های 2000 قرار می‌گیرند. 20000 تا 60000 جزء در ساعت برای خطوط مدرن پرسرعت تخته‌های مونتاژ شده از یک اجاق جریان مجدد عبور می‌کنند (دمای اوج معمولاً ۲۴۵ تا ۲۶۰ درجه سانتی‌گراد برای لحیم کاری بدون سرب) که در آن خمیر ذوب می‌شود و اتصالات لحیم کاری دائمی را تشکیل می‌دهد. SMT امکان قرار دادن قطعات متراکم را روی هر دو سطح برد فراهم می کند و فناوری غالب برای لوازم الکترونیکی مصرفی و با حجم بالا است.

فناوری از طریق سوراخ (THT)

قطعات از طریق سوراخ - اتصال دهنده ها، خازن های الکترولیتی، ترانسفورماتورها، دستگاه های قدرت - دارای سرب هایی هستند که از طریق سوراخ های حفر شده وارد شده و در طرف مقابل توسط دستگاه های لحیم کاری موجی یا لحیم کاری انتخابی لحیم شده اند. اتصالات THT قدرت کشش مکانیکی بالاتری را نسبت به پدهای SMT ارائه می‌کنند، که باعث می‌شود برای قطعاتی که تحت فشار مکانیکی یا لرزش در کاربردهای خودرویی، صنعتی و نظامی قرار دارند، ترجیح داده شوند.

مجمع فناوری ترکیبی

اکثر مجموعه های الکترونیکی معاصر اجزای SMT و THT را روی یک برد ترکیب می کنند. توالی فرآیند - ابتدا SMT یا ابتدا THT - به چگالی محل قرارگیری اجزا، جهت گیری برد و سازگاری فرآیند لحیم کاری بستگی دارد. بردهای با فناوری ترکیبی نیاز به پروفایل حرارتی دقیق دارند تا اطمینان حاصل شود که فرآیندهای لحیم کاری موجی و جریان مجدد به قطعات لحیم کاری قبلی آسیب نمی رساند.

ساخت و مونتاژ PCB: درک گزینه های زنجیره تامین

اصطلاح فاب PCB و مونتاژ - گاهی اوقات به عنوان PCBA (مجموعه برد مدار چاپی) نوشته می شود - به تامین منابع ساخت برد خالی و مونتاژ قطعات از یک تامین کننده واحد یا زنجیره تامین هماهنگ اشاره دارد. انتخاب بین منبع یابی یکپارچه و تقسیم شده، پیامدهای قابل توجهی برای کنترل کیفیت، زمان هدایت و هزینه دارد:

خدمات مونتاژ و fab PCB کلید در دست، بار اداری هماهنگی چند تامین کننده را کاهش می دهد و به ویژه برای استارتاپ ها و تیم های محصول بدون منابع زنجیره تامین اختصاصی ارزشمند است. با این حال، خریداران باید بررسی کنند که تامین‌کنندگان کلید در دست قابلیت ردیابی کامل را برای همه قطعات - از جمله گواهی‌های انطباق و مستندات کشور مبدا - برای مدیریت ریسک قطعات تقلبی دارند که همچنان یک مسئله مهم در تولید قطعات الکترونیکی قراردادی است.

نحوه استفاده از PCB: یکپارچه سازی، آزمایش، و ملاحظات میدانی

برای توسعه دهندگان محصول و یکپارچه سازان سیستم، دانستن نحوه استفاده از PCB به درستی - فراتر از اتصال الکتریکی اولیه - تعیین می کند که آیا برد طبق مشخصات در برنامه نهایی کار می کند یا خیر. چندین عامل عملی بر ادغام موفقیت آمیز PCB حاکم است:

هندلینگ و حفاظت ESD

PCBهای لخت و مونتاژ شده به تخلیه الکترواستاتیکی (ESD) حساس هستند. هندلینگ باید از پروتکل‌های ANSI/ESD S20.20 پیروی کند: بند‌های مچی زمین‌دار، سطوح کار ایمن برای ESD و بسته‌بندی ضد الکتریسیته ساکن برای نگهداری و حمل و نقل. یک رویداد ESD واحد از 500 ولت یا بیشتر می تواند باعث آسیب پنهان به اکسیدهای گیت ماسفت یا آی سی های حساس به ESD شود که ممکن است به صورت خرابی فوری ظاهر نشود اما قابلیت اطمینان طولانی مدت را کاهش می دهد.

نصب و استرس مکانیکی

PCBها باید با استفاده از الگوی سوراخ ایستاده طراحی شده برای جلوگیری از خمش تخته تحت ارتعاش یا چرخه حرارتی نصب شوند. انعطاف بیش از حد برد - به ویژه در مجموعه هایی که خازن های سرامیکی بزرگ در نزدیکی لبه های برد قرار می گیرند - می تواند باعث ترک خوردن قطعات (شکستگی MLCC) شود که باعث ایجاد مدارهای باز یا کوتاه متناوب می شود. برای کاربردهای فشرده لرزش، ترکیبات پوششی و گلدانی منسجم، حفاظت مکانیکی بیشتری را فراهم می‌کنند.

مدیریت حرارتی

اجزای مولد گرما - تنظیم کننده های قدرت، پردازنده ها، تقویت کننده های RF - باید از نظر مقاومت حرارتی اتصال به محیط در محیط نصب واقعی ارزیابی شوند. ریزش‌های مسی، گذرگاه‌های حرارتی (آرایه‌هایی از دریچه‌های کوچک در زیر پدهای برق برای انتقال گرما به لایه‌های مسی داخلی یا هیت سینک‌ها) و جریان هوای اجباری تکنیک‌های رایج مدیریت حرارتی هستند. عدم مدیریت دمای اجزاء باعث کوتاه شدن MTBF می شود و ممکن است باعث خاموش شدن فوری حرارتی در طراحی های ضعیف شود.

بازرسی ورودی و تست عملکردی

قبل از ادغام PCBA در محصولات نهایی، بازرسی ورودی باید بررسی کند: ابعاد برد و ثبت سوراخ، کیفیت اتصال لحیم کاری بر اساس معیارهای IPC-A-610 کلاس 2 یا 3، و نتایج آزمایش عملکردی در برابر مشخصات تست. بازرسی مقاله اول (FAI) در انبوه های تولید اولیه، روند رانش زود هنگام را نشان می دهد، قبل از اینکه مجموعه های ناسازگار به تولید حجم یا تحویل مشتری برسند.