Сегодня изготовление печатных плат (PCB) является важным звеном в цепи производства любых электронных устройств – начиная от мелкой бытовой электроники и заканчивая сложнейшими аэрокосмическими системами. Печатные платы являются основой современной электроники, обеспечивая эффективные и надёжные соединения между электронными компонентами.
Согласно данным последнего исследовательского отчёта, подготовленного Precedence Research, объём мирового рынка печатных плат в 2022 году оценивался в 82 миллиарда долларов, а к 2032 году по прогнозам он достигнет отметки в 140.73 миллиарда долларов.
Недавняя пандемия COVID-19 оказала серьёзное влияние на индустрию производства печатных плат во всём мире. Однако, в настоящее время, благодаря растущему спросу на электронную продукцию и развитию процесса производства печатных плат, рынок восстанавливается быстрыми темпами.
В любом производственном процессе долговечность и функциональность продукции во многом определяется качеством её конструкции. И печатные платы не являются исключением.
Результатом процесса изготовления является появление печатной платы в чистом виде, которая затем превращается в один из важнейших составляющих элементов любой электроники. Таким образом, данный производственный процесс является ключевым компонентом жизненного цикла производства электроники и играет значительную роль в общем успехе проекта. Однако, чтобы получить от данного процесса максимальную отдачу, необходимо знать ответы на три основных вопроса:
- Что такое производство печатных плат?
- Почему это важно?
- Каким образом изготовление влияет на процесс сборки?
О печатных платах
Печатная плата содержит электрическую схему и даёт возможность передавать сигналы и питание между различными устройствами. Она состоит из нескольких слоёв, изготавливаемых из различных материалов:
- Подложка: в основе платы лежит подложка или базовый материал. В производстве стандартных плат для этого используется материал из стекловолокна под названием FR4. Однако при производстве некоторых других типов плат могут использоваться алюминиевые, керамические или полимерные подложки.
- Медь: подложка печатной платы покрыта тонкой медной фольгой и заламинирована термоклеем. Количество «слоёв» определяется количеством медных слоёв – к примеру, на двухсторонних печатных платах медь нанесена на обе стороны подложки, а на четырёхслойной – имеется аж четыре слоя меди! Большинство печатных плат содержат одну унцию меди на квадратный фут. Однако в печатных платах высокой мощности может присутствовать две или три унции меди на один квадратный фут.
В процессе изготовления чистых печатных плат вышеупомянутые материалы объединяются. Затем эти чистые печатные платы отправляются на сборку (процесс, известный как PCBA), где на них наносится припой и добавляются электронные компоненты, благодаря чему и появляется полноценная функциональная печатная плата.
Что собой представляет процесс изготовления печатных плат
Изготовление печатной платы – это процесс, в результате которого вышеупомянутые материалы объединяются в функциональные слои для формирования чистой печатной платы. Изготовление чистых печатных плат происходит следующим образом:
- Оценка проекта: процесс производства не начинается до тех пор, пока команда инженеров не проведёт тщательное изучение проект. Это называется оценкой конструкции на технологичность. Она гарантирует, что конструкция работоспособна и соответствует всем допускам и техническим спецификациям, которых необходимо придерживаться во время производства.
- Нанесение плёнки: схема печатной платы печатается на плёнках с использованием прямой лазерной визуализации, которая позволяет получить фотонегативы макета платы. Эти плёнки наносятся на слои материала и используются в качестве руководства для каждого производственного процесса.
- Вытравление меди: в процессе создания дорожек и площадок вся излишняя или избыточная медь вытравливается либо удаляется с помощью различных методов. Этот процесс обычно включает в себя несколько циклов очистки для удаления лишнего материала и нежелательных химикатов.
- Наложение слоёв и ламинирование: если плата является многослойной, после процесса вытравления меди внутренний и внешний слои выравниваются друг с другом. Обычно это достигается при помощи центровочных отверстий в самой плате. После проверки слоёв между ними помещается препрег на основе эпоксидной смолы, а сама плата ламинируется путём нагревания – тепло плавит эпоксидную смолу и склеивает слои между собой.
- Сверление: после склейки и ламинирования слоёв платы, в ней специальным сверлом проделывают отверстия. Данные отверстия используются как монтажные, сквозные и переходные.
- Покрытие: после завершения процесса сверления плата покрывается слоем меди толщиной в микроны, который покрывает внутреннюю часть просверленных отверстий, формируя таким образом сквозные металлизированные отверстия. Обычно за этим следует дальнейшее вытравление и удаление меди на внешнем слое платы.
- Нанесение паяльной маски: после завершения процесса нанесения медных слоёв панели очищаются и покрываются паяльной маской. Паяльная маска придаёт печатной плате характерный зелёный цвет. Паяльная маска изолирует медные дорожки от случайных контактов с другими проводящими материалами, которые могут создавать функциональные проблемы, и помогает во время сборки, благодаря чему припой наносится исключительно в необходимых местах. После нанесения паяльной маски её избыточная масса удаляется, и печатная плата помещается в специальную печь для отверждения слоя паяльной маски.
- Шелкография: следующим шагом является нанесение шелкографии – независимо от наличия или отсутствия прямой необходимости в этом, после чего плата проходит финальную стадию отверждения. Поверх слоя паяльной маски наносится слой шелкографии. Шелкография обычно имеет белый цвет и добавляет на печатную плату буквы, цифры и символы. Слой шелкографии помогает определять тип и расположение компонентов во время сборки печатной платы.
- Обработка поверхности: после отверждения паяльной маски и шелкографии печатная плата может быть дополнительно покрыта золотом, серебром или другим материалом для отделки поверхности, что обеспечивает ей защиту и улучшенную функциональность.
После завершения этих этапов производства готовые платы обычно проходят испытания на электрическую надёжность, которая позволяет убедиться в их работоспособности. После этого, если платы были изготовлены в виде одной панели, их распиливают, осматривают и при необходимости ремонтируют.
Как изготовление печатных плат интегрируется в общий производственный процесс
Изготовление печатных плат является лишь одним из этапов более широкого производственного процесса. Такой процесс иногда еще называют контрактное производство электроники https://www.verikom.kiev.ua/services/kontract-proizvodstvo/. Для полного же понимания важности этапа изготовления печатных плат необходимо понимать, какое место он занимает в производственном цикле.
В целом процесс производства можно разделить на три основных этапа, которые подробно описаны ниже:
- Разработка: это начальный этап производственного процесса. По сути, именно на данном этапе проект печатной платы обретает реальные формы, изменяется и дорабатывается. Разработка печатной платы обычно включает в себя несколько этапов проектирования, моделирования и тестирования, особенно если речь идёт о конструкциях повышенной сложности.
- Производство: после завершения проектирования и окончания этапа разработки печатной платы происходит переход к процессу производства. Производство включает в себя два этапа – изготовление и сборку. При изготовлении создаётся основа платы, а при сборке на её поверхность наносятся компоненты. После окончания данного процесса появляются готовые платы.
- Оценка работоспособности: заключительным этапом производственного процесса является оценка работоспособности. Этот этап включает в себя финальный раунд испытаний после завершения производственного процесса. На данном этапе тестирования оценивается способность собранной платы работать должным образом, а платы, не прошедшие тесты, отбраковываются. В некоторых случаях тестирование может выявить, что плата требует корректировки конструкции, и тогда цикл начинается заново. Если платы успешно проходят данные испытания, перед отправкой заказчику они также проходят окончательную проверку на наличие дефектов.
В чём важность процесса изготовления
Изготовление печатных плат – это аутсорсинговая деятельность, которую выполняет сторонний производитель с использованием проектов, предоставленных их клиентами. Важно понимать процесс изготовления, поскольку производители видят лишь проект конструкции, а не характеристики, имеющие важное значение для проекта. Если проектировщики не учитывают процесс изготовления и ограничения в процессе проектирования, готовые платы могут иметь проблемы следующего характера:
- Технологичность: выбор конструкции влияет на технологичность печатных плат. При проектировании плат необходимо учитывать свойства материала, из которого они изготавливаются, и обеспечивать достаточный зазор между поверхностными элементами. Если платы необходимо производить в виде панелей, это также должно повлиять на их окончательный дизайн. Проекты, авторы которых пренебрегают этими факторами, могут оказаться неработоспособными и требовать доработок.
- Выход продукции: в отдельных случаях возможно успешное изготовление плат с использованием уже существующей конструкции. Однако, использование некоторых готовых проектов может создавать проблемы при изготовлении, которые сделают часть плат непригодными для использования – например, из-за выхода за границы допусков производственного оборудования.
- Надёжность: процесс производства большинства плат регулируется отраслевыми спецификациями, которые диктуют необходимый уровень надёжности их работы. Несоблюдение отраслевых требований при проектировании может привести к созданию ненадёжных или нефункциональных плат.
Наиболее действенный способ избежать этих проблем – изучить процесс изготовления печатной платы на этапе её проектирования. Вы можете сделать это, используя правила проектирования для технологичности (DFM) и проверяя на этапе проектирования возможности будущего производителя.
В таком случае рекомендуется выбирать для производства печатных плат компанию, известную своим качеством. Это позволит постоянно контактировать с персоналом, оптимизируя процесс изготовления печатных плат.
Заключение
Подводя итоги, следует отметить, что изготовление печатных плат имеет важное значение для проектирования и создания электронных устройств. Мир технологий развивается головокружительными темпами, и поэтому потребность в высококачественных, надёжных и эффективных печатных платах никогда не исчезнет. Ввиду необходимости обеспечения точности и последовательности при создании печатных плат, производственный процесс претерпел значительную эволюцию, включая привлечение передовых технологий и автоматизированных систем. Производители печатных плат, такие как VERIKOM, стали значимыми игроками на этом рынке. Они предлагают комплексные решения для удовлетворения различных требований клиентов, инженеров и компаний.
