Processo di produzione dei PCB - Una guida completa

Understanding PCB Manufacturing Process

Essenziali per tutti i principali dispositivi elettronici, le schede a circuito stampato (PCB) sono presenti in una vasta gamma di prodotti digitali, compresi oggetti semplici come orologi, calcolatrici e simili. Per chi non lo sapesse, i circuiti stampati controllano i segnali elettrici all'interno dei prodotti elettronici per soddisfare le esigenze dei circuiti elettrici e meccanici del dispositivo. In parole povere, i circuiti stampati dettano la direzione dell'elettricità, dando vita ai vostri dispositivi elettronici.

I circuiti stampati gestiscono la corrente elettrica sulla loro superficie attraverso una rete di percorsi in rame. L'intricata matrice di percorsi in rame caratterizza la funzione specifica di ciascuna sezione del circuito stampato.

Prima della fase di progettazione dei PCB, si consiglia ai progettisti di circuiti di visitare un negozio di schede PC e di consultare i produttori faccia a faccia sulle loro esigenze di produzione di PCB. Questo approccio può eliminare potenziali errori inutili nella fase di progettazione. Tuttavia, poiché la maggior parte delle aziende esternalizza le proprie richieste di produzione di PCB a fornitori internazionali, questo approccio diventa poco pratico. Per questo motivo, presentiamo questo articolo per darvi una comprensione adeguata delle fasi coinvolte nella produzione di PCB. Produzione di schede PCB. Ci auguriamo che offra ai progettisti di circuiti e ai neofiti dell'industria dei circuiti stampati una prospettiva trasparente su come vengono prodotti i circuiti stampati e aiuti a evitare errori inutili.

Procedure coinvolte nella produzione di PCB

Fase 1: progetto e output

I layout dei circuiti stampati, pianificati dal progettista con un software di progettazione di circuiti stampati, devono essere rigorosamente compatibili con i circuiti stampati. Altium Designer, OrCAD, Pads, KiCad, Eagle ecc. sono software di progettazione di PCB comunemente utilizzati. NOTA: prima della produzione dei circuiti stampati, i progettisti devono comunicare al produttore la versione del software di progettazione dei circuiti stampati utilizzata per la realizzazione del circuito, in quanto ciò contribuisce a ridurre i problemi causati da incongruenze.

Dopo l'approvazione del progetto di PCB per la produzione, i progettisti trasmettono il progetto in un formato approvato dai produttori. Il programma più utilizzato è il Gerber esteso. La campagna pubblicitaria degli alimenti per l'infanzia del 1980 cercava neonati attraenti e questo software genera una progenie dal design eloquente. Gerber è noto anche come IX274X.

Il Gerber esteso è stato riconosciuto come il formato di output ottimale nel settore dei PCB. I vari software di progettazione di PCB possono richiedere diverse fasi di generazione dei file Gerber, ma tutti codificano informazioni fondamentali, tra cui gli strati di tracciamento del rame, il disegno delle forature, le aperture, le notazioni dei componenti e altre impostazioni. In questa fase viene ispezionato ogni elemento del progetto del PCB. Il software applica algoritmi di supervisione al progetto per garantire che nessun errore passi inosservato. I progettisti esaminano anche il progetto considerando gli elementi relativi alla larghezza della traccia, alla distanza tra i bordi della scheda, alla distanza tra le tracce e i fori e alle dimensioni dei fori.

Dopo un esame rigoroso, i progettisti passano il file del PCB alle fabbriche di schede per PC per la produzione. Per garantire che il progetto soddisfi i requisiti per le tolleranze minime durante il processo di produzione, quasi tutte le fabbriche di circuiti stampati effettuano un controllo di progettazione per la produzione (DFM) prima della fabbricazione dei circuiti.

Fase 2: Trasformazione del file in film

La stampa dei circuiti stampati inizia quando i progettisti producono i file schematici dei circuiti stampati e i produttori eseguono un controllo DFM. I produttori utilizzano una stampante unica, chiamata plotter, per creare pellicole fotografiche dei PCB, che vengono poi utilizzate per stampare i circuiti. Sebbene sia tecnicamente una stampante laser, non si tratta di una normale stampante a getto laser. I plotter utilizzano una tecnologia di stampa straordinariamente precisa per creare una pellicola altamente dettagliata del progetto del circuito stampato.

Il risultato finale è un foglio di plastica con una foto negativa del PCB in inchiostro nero. Per gli strati interni del PCB, l'inchiostro nero indica le sezioni di rame conduttivo del PCB. La parte chiara rimanente dell'immagine rappresenta le aree di materiale non conduttivo. Gli strati esterni seguono la disposizione inversa: l'inchiostro chiaro indica il rame, mentre il nero caratterizza l'area da incidere. Il plotter sviluppa automaticamente la pellicola, che viene conservata in modo sicuro per evitare qualsiasi contatto accidentale.

Ogni strato del PCB e della maschera di saldatura riceve il proprio foglio di film trasparente e nero. In sintesi, un PCB a due strati richiede quattro fogli: due per gli strati e due per la maschera di saldatura. È importante che tutti i film si adattino perfettamente l'uno all'altro. Se utilizzati insieme, impaginano l'allineamento del PCB.

Per garantire un allineamento perfetto di tutte le pellicole, i fori di registrazione devono essere praticati su tutte le pellicole. La precisione del foro si ottiene regolando il tavolo su cui poggia la pellicola. Una volta che le minime regolazioni del tavolo portano a una corrispondenza ideale, il foro viene praticato. I fori si allineeranno con i perni di registrazione nella fase successiva del processo di imaging.

Fase 3: stampa degli strati interni: Dove va il rame?

L'obiettivo della creazione di pellicole nella fase precedente è stato quello di creare una cianografia della pista di rame. Ora, l'immagine sulla pellicola deve essere stampata su un foglio di rame.

La procedura di fabbricazione di un PCB prepara innanzitutto la creazione vera e propria del PCB. La configurazione di base del PCB inizia con una scheda laminata, composta da resina epossidica e fibra di vetro, nota anche come materiale di supporto. Il laminato funge da recipiente per il rame che delinea il PCB. Il materiale del substrato, robusto e resistente alla polvere, funge da eccellente piattaforma di lancio per il PCB. Il rame viene precedentemente incollato su entrambi i lati. La procedura prevede l'intaglio del rame per scoprire il disegno delle pellicole.

Il mantenimento della pulizia è fondamentale nella formazione dei PCB. Il laminato contenente rame viene pulito e trasportato in una zona sterilizzata. In questa fase è fondamentale che nessun contaminante comprometta la superficie del laminato. Se trascurata, una semplice particella di polvere può provocare un corto circuito o rimanere aperta.

Successivamente, il pannello appena pulito viene sottoposto a un rivestimento fotosensibile chiamato fotoresistenza. Questo strato incorpora una serie di sostanze chimiche reattive alla luce, che si induriscono se esposte ai raggi UV. Questo garantisce un'esatta correlazione tra le pellicole fotografiche e la resistenza fotografica. Le pellicole sono posizionate su perni che mantengono la loro posizione sul pannello laminato.

La pellicola e il pannello si sincronizzano e vengono sottoposti alla luce UV. Questa luce illumina le sezioni di pellicola trasparente, solidificando la resistenza fotografica sul rame sottostante. L'inchiostro nero del plotter impedisce alla luce di raggiungere le aree che devono rimanere morbide, il che significa che sono state rimosse.

Una volta terminata la preparazione del pannello, si applica una soluzione alcalina per lavare via ogni residuo di fotoresistenza non indurita. Un lavaggio a pressione conclusivo elimina i potenziali residui sulla superficie prima che il pannello venga asciugato.

Il risultato finale è un prodotto con resistenze opportunamente stratificate sui segmenti di rame destinati a far parte del manufatto finale. Un tecnico esamina le schede verificando che non ci siano stati errori durante questa fase. La resistenza presente in questa fase indica il rame che apparirà nel PCB completato.

Questa fase si applica solo ai pannelli con più di due strati. Le schede di base a due strati passano alla fase di foratura. I pannelli con più strati richiedono ulteriori fasi.

Passo 4: Eliminazione del rame superfluo

Con la fotoresistenza rimossa e la resistenza solidificata che protegge il rame mirato, la scheda passa alla rimozione del rame indesiderato. Come la soluzione alcalina ha rimosso la resistenza, una potente miscela chimica dissolve il rame in eccesso. Il bagno di solvente di rame elimina tutto il rame nudo. Nel frattempo, il rame mirato rimane fortemente schermato sotto lo strato indurito della resistenza fotografica.

Tavole di rame diverse possiedono standard diversi. I pannelli più pesanti possono richiedere volumi maggiori di solvente di rame e durate di esposizione variabili. In particolare, le schede in rame più pesanti richiedono una maggiore attenzione alla spaziatura delle tracce. La maggior parte dei PCB standard si basa sulle stesse specifiche.

Una volta che il solvente ha eliminato il rame non essenziale, è il momento di lavare via la resistenza indurita che protegge il rame prioritario. Un altro solvente permette di ottenere questo risultato. La scheda brilla quindi con il solo substrato di rame necessario per il PCB.

Fase 5: sincronizzazione dei livelli e ispezione ottica

Dopo aver preparato gli strati, è necessario eseguire i fori di punzonatura per l'allineamento. Per allineare gli strati interni a quelli esterni, sono necessari dei fori di registrazione. Per garantire una corrispondenza precisa, il tecnico posiziona gli strati su un dispositivo noto come punzone ottico; è qui che avviene l'accurata punzonatura dei fori di registro.

Un dispositivo secondario esegue un'ispezione ottica automatica per individuare potenziali difetti al momento dell'assemblaggio degli strati, poiché le correzioni non sono possibili in seguito. Il disegno originale di Gerber, fornito al produttore, funge da riferimento. Questa macchina scansiona gli strati con un sensore laser e giustappone elettronicamente l'immagine digitale con il file Gerber originale.

Se si notano incongruenze, queste vengono visualizzate su uno schermo per essere valutate dal tecnico. Se l'ispezione è stata superata, il layer passa alle fasi conclusive della produzione del PCB.

Fase 6: Stratificazione e incollaggio

Il circuito stampato inizia a prendere forma in questo momento. Tutti gli strati isolati sono in coda per l'interconnessione. Una volta che gli strati sono stati identificati e verificati, l'unico compito che rimane è la loro integrazione. Gli strati esterni devono associarsi al substrato in due fasi: layer-up e bonding.

Il materiale dello strato esterno è costituito da fogli di fibra di vetro, precedentemente impregnati di resina epossidica, altrimenti noti come prepreg. Una pellicola di rame ricopre anche la parte superiore e inferiore del substrato originale che ospita le incisioni delle tracce di rame. È arrivato il momento di pressare insieme questi materiali.

L'incollaggio avviene su un tavolo d'acciaio pesante con l'ausilio di clip metalliche. Gli strati sono fissati saldamente sui perni del tavolo. Il tutto viene pressato in modo da evitare spostamenti durante l'allineamento.

Inizialmente, un tecnico posiziona un foglio di prepreg su un bacino di allineamento. Sul prepreg viene steso con cura uno strato di substrato, seguito da una lastra di rame. Altri strati di prepreg vengono disposti sul foglio di rame prima di terminare con una piastra di rame per la pressatura e un foglio di alluminio. L'intero gruppo viene quindi predisposto per la pressatura.

Controllata dal computer della pressa incollatrice, l'intera procedura si svolge in una sequenza automatica. Il computer dirige il riscaldamento dell'assemblaggio, quando applicare la pressione necessaria e quando lasciare che la pila si raffreddi costantemente.

In seguito, si procede alla decostruzione. Il PCB multistrato, che ha tutti gli strati fusi in un incredibile sandwich, viene efficientemente disimballato dal tecnico. Questo comporta la rimozione dei perni di fissaggio e l'eliminazione della piastra di pressione superiore, svelando il PCB alloggiato nel suo guscio di alluminio. Il foglio di rame utilizzato in questo processo funge da strato esterno del PCB.

Fase 7: foratura

Successivamente, vengono praticati fori precisi nella scheda di stack. I componenti successivi, come i fori per i collegamenti in rame e i segmenti in piombo, dipendono dall'accuratezza di questi fori, tanto che la punta raggiunge una larghezza di 100 micron rispetto a una larghezza media di 150 micron.

Il localizzatore a raggi X determina gli obiettivi precisi della perforazione prima che vengano eseguiti i fori di registrazione appropriati per stabilizzare la tavola di stack per i fori specifici successivi.

La preforatura prevede la collocazione di un pannello di materiale tampone sotto il bersaglio della foratura per garantire una foratura pulita. Un materiale di uscita impedisce qualsiasi strappo inutile quando la punta esce. Ogni micromovimento della punta è regolato da un computer. Il computer utilizza il file digitale del progetto iniziale per identificare i punti da forare.

L'aria aziona i mandrini dei trapani a un ritmo vorticoso di 150.000 giri al minuto. Nonostante questa velocità, la foratura richiede tempo a causa dei numerosi fori da realizzare. In seguito, queste cavità ospitano i vias e i fori di montaggio meccanico del PCB, il cui fissaggio finale avviene dopo la placcatura.

Una volta completata la perforazione, il rame aggiuntivo che riveste i bordi del pannello di produzione viene rimosso da uno strumento di profilatura.

Fase 8: placcatura e deposizione di rame

Dopo la foratura, il pannello passa alla placcatura. Durante questo processo, la deposizione chimica fonde i vari strati. Dopo un'accurata pulizia, il pannello entra in una sequenza di bagni chimici che distribuiscono un sottile strato di rame di circa un micron sulla superficie del pannello. Questo rame entra nei fori appena praticati.

In precedenza, le superfici dei fori interni rivelavano semplicemente il materiale in fibra di vetro dell'interno del pannello. I bagni di rame rivestono uniformemente le pareti dei fori. Di conseguenza, si forma un nuovo strato di rame sul pannello, che copre soprattutto i nuovi fori. I computer sorvegliano l'intera procedura di immersione, rimozione e processazione.

Fase 9: Imaging dello strato esterno

Ricordate la fase 3 in cui abbiamo usato il fotoresist sul pannello? È arrivato il momento di rifarlo, ma questa volta gli strati esterni vengono imitati con il progetto del PCB. La procedura inizia in condizioni sterili per evitare che le particelle si attacchino alla superficie dello strato. Viene quindi applicato uno strato di fotoresistenza sul pannello. Il pannello, ora preparato, passa nella sala gialla dove le luci UV, dannose per la fotoresistenza, sono notevolmente assenti a causa delle lunghezze d'onda della luce gialla.

I lucidi a inchiostro nero sono saldamente trattenuti da perni per evitare che vengano posizionati in modo errato rispetto al pannello. Una volta che il pannello e lo stencil entrano in contatto, vengono sottoposti a un'intensa luce UV che provoca l'indurimento della resistenza fotografica. Successivamente, una macchina rimuove la resistenza non indurita che era protetta dall'opacità dell'inchiostro nero.

Questo processo è essenzialmente l'opposto di quello utilizzato per gli strati interni. Infine, le lastre esterne vengono ispezionate per verificare che tutte le resistenze fotografiche indesiderate siano state rimosse nella fase precedente.

Passo 10: Placcatura

Tornando alla sezione di galvanotecnica, si procede come al punto 8, ricoprendo il pannello con un sottile strato di rame. Le sezioni del pannello scoperte durante la precedente fase di fotoresistenza vengono sottoposte a galvanoplastica. In genere il pannello viene sottoposto a una prima serie di bagni di rame prima di passare alla stagnatura. Questo facilita la rimozione di qualsiasi residuo di rame destinato all'eliminazione. Lo strato di stagno svolge un ruolo fondamentale nella schermatura della porzione di pannello destinata a rimanere rivestita di rame durante la successiva fase di incisione. Il processo di incisione elimina ogni foglio di rame superfluo dal pannello.

Fase 11: Incisione finale

Lo strato di stagno protettivo salvaguarda il rame necessario durante questa fase. Gli elementi di rame non necessari e che si trovano sotto lo strato di resistenza rimanente vengono rimossi. Anche in questo caso si ricorre a trattamenti chimici per eliminare il rame in eccesso, mentre lo strato di stagno continua a proteggere le porzioni di rame vitali.

In questa fase, tutte le aree di conduzione e i collegamenti sono stabiliti correttamente.

Fase 12: mascheratura con la saldatura

Prima dell'applicazione della maschera di saldatura, i pannelli vengono puliti e quindi rivestiti con un inchiostro epossidico per maschere di saldatura su entrambi i lati. I pannelli vengono esposti alla luce UV attraverso una pellicola fotografica per maschere di saldatura, lasciando le aree coperte in uno stato non polimerizzato e pronto per la rimozione.

Infine, la scheda viene posta in un forno per fissare la maschera di saldatura.

Fase 13: Rifinitura della superficie

La placcatura chimica con oro o argento viene applicata al PCB per migliorare la saldabilità. Alcuni PCB vengono anche sottoposti a livellamento ad aria calda in questa fase, ottenendo pad uniformi e creando la finitura superficiale. PCBPit offre una varietà di tecniche di finitura superficiale in base alle esigenze dei clienti.

Fase 14: serigrafia

La scheda si avvicina al completamento con l'applicazione di scritte a getto d'inchiostro che indicano tutti i dettagli cruciali del PCB - il PCB passa quindi al processo di rivestimento e polimerizzazione finale.

Fase 15: test elettrico

Per garantire la funzionalità e l'allineamento con il progetto originale, un tecnico esegue un test elettrico completo del PCB. PCBPit offre il Flying Probe Testing, che utilizza sonde mobili per testare le prestazioni elettriche di ogni circuito stampato nudo.

Fase 16: Profilazione e V-Scoring

La fase finale consiste nel sezionare diverse schede dal pannello principale utilizzando la tecnica del routing o del v-groove. Mentre la fresatura lascia delle piccole linguette lungo i bordi della scheda, la scanalatura a V taglia dei canali diagonali su entrambi i lati della scheda. Entrambi i metodi consentono di rimuovere facilmente le schede dal pannello.

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Come è evidente, il processo di produzione dei PCB richiede un impegno notevole. Per garantire che i PCB soddisfino i vostri standard di qualità, prestazioni e durata, è essenziale scegliere un produttore con competenze di alto livello, che si concentri sulla qualità in tutte le fasi.

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