Сьогодні виготовлення друкованих плат (PCB) є важливою ланкою в ланцюзі виробництва будь-яких електронних пристроїв – починаючи від дрібної побутової електроніки й закінчуючи найскладнішими аерокосмічними системами. Друковані плати є основою сучасної електроніки, забезпечуючи ефективні та надійні з’єднання між електронними компонентами.
Згідно з даними останнього дослідницького звіту, підготовленого Precedence Research, обсяг світового ринку друкованих плат у 2022 році оцінювали у 82 мільярди доларів, а до 2032 року, за прогнозами, він сягне позначки в 140.73 мільярда доларів.
Нещодавня пандемія COVID-19 серйозно вплинула на індустрію виробництва друкованих плат у всьому світі. Однак, наразі, завдяки наростальному попиту на електронну продукцію та розвитку процесу виробництва друкованих плат, ринок відновлюється швидкими темпами.
У будь-якому виробничому процесі довговічність й функціональність продукції багато в чому визначається якістю її конструкції. І друковані плати не є винятком.
Результатом процедури виготовлення є поява друкованої плати в чистому вигляді, яка потім перетворюється на один із найважливіших складових елементів будь-якої електроніки. Таким чином, ця виробнича операція є ключовим компонентом життєвого циклу виробництва електроніки й відіграє значну роль у загальному успіху проєкту. Однак, щоб отримати від цього процесу максимальну віддачу, необхідно знати відповіді на три основні запитання:
- Що таке виробництво друкованих плат?
- Чому це важливо?
- Яким чином виготовлення впливає на процедуру складання?
Про друковані плати
Друкована плата містить електричну схему і дає можливість передавати сигнали та живлення між різними пристроями. Вона складається з декількох шарів, що виготовляються з різних матеріалів:
- Підкладка: в основі плати лежить підкладка або базовий матеріал. У виробництві стандартних пластин для цього використовується матеріал зі скловолокна під назвою FR4. Однак при виробництві деяких інших типів плат можуть використовуватися алюмінієві, керамічні або полімерні підкладки.
- Мідь: підкладка друкованої плати покрита тонкою мідною фольгою й заламінована термоклеєм. Кількість «шарів» визначається кількістю мідних шарів – наприклад, на двосторонніх друкованих пластинах мідь нанесено на обидва боки підкладки, а на чотиришаровій – є аж чотири шари міді! Більшість друкованих плат містять одну унцію міді на квадратний фут. Однак у друкованих платах високої потужності може бути дві або три унції міді на один квадратний фут.
Під час створення чистих друкованих плат вищезгадані матеріали об’єднуються. Потім ці чисті друковані плати відправляють на складання (процес, відомий як PCBA), де на них наносять припій та додають електронні компоненти, завдяки чому й з’являється повноцінна функціональна друкована плата.
Що собою являє операція з виготовлення друкованих плат
Виробництво друкованої плати – це процес, у результаті якого вищезгадані матеріали об’єднуються у функціональні шари для формування чистої друкованої плати. Створення чистих друкованих плат відбувається наступним чином:
- Оцінка проєкту: виробництво не починається доти, доки команда інженерів не проведе ретельне вивчення проєкту. Це називається оцінкою конструкції на технологічність. Вона гарантує, що конструкція працездатна та відповідає всім допускам та технічним специфікаціям, яких необхідно дотримуватися під час виробництва.
- Нанесення плівки: схему плати друкують на плівках за допомогою прямої лазерної візуалізації, що дає змогу отримати фотонегативи макета пластини. Ці плівки наносяться на шари матеріалу та використовуються як керівництво для кожної виробничої операції.
- Витравлення міді: під час створення доріжок і майданчиків вся зайва або надлишкова мідь витравлюється або видаляється за допомогою різних методів. Ця процедура зазвичай містить в собі кілька циклів очищення для видалення зайвого матеріалу та небажаних хімікатів.
- Накладення шарів і ламінування: якщо пластина є багатошаровою, після процесу витравлення міді внутрішній та зовнішній шари вирівнюються один з одним. Зазвичай це досягається за допомогою центрувальних отворів у самій платі. Після перевірки шарів між ними поміщається препрег на основі епоксидної смоли, а сама плата ламінується шляхом нагрівання – тепло плавить епоксидну смолу та склеює шари між собою.
- Свердління: опісля склеювання та ламінування шарів плати, в ній спеціальним свердлом проробляють отвори. Ці отвори використовуються як монтажні, наскрізні та перехідні.
- Покриття: після завершення свердління плата покривається шаром міді товщиною в мікрони, який покриває внутрішню частину просвердлених отворів, формуючи таким чином наскрізні металізовані отвори. Зазвичай за цим слідує подальше витравлення й видалення міді на зовнішньому шарі плати.
- Нанесення паяльної маски: після завершення нанесення мідних шарів панелі очищають та покривають паяльною маскою. Паяльна маска надає друкованій платі характерного зеленого кольору. Паяльна маска ізолює мідні доріжки від випадкових контактів з іншими провідними матеріалами, які можуть створювати функціональні проблеми, і допомагає під час збирання, завдяки чому припій наносять винятково в необхідних місцях. Після нанесення паяльної маски її надлишкова маса видаляється, і друкована плата поміщається в спеціальну піч для затвердіння шару паяльної маски.
- Шовкографія: наступним кроком є нанесення шовкографії – незалежно від наявності або відсутності прямої необхідності в цьому, опісля чого плата проходить фінальну стадію затвердіння. Поверх шару паяльної маски наноситься шар шовкографії. Шовкографія зазвичай має білий колір та додає на друковану плату букви, цифри та символи. Шар шовкографії допомагає визначати тип та розташування компонентів під час складання друкованої плати.
- Обробка поверхні: після затвердіння паяльної маски й шовкографії друкована плата може бути додатково вкрита золотом, сріблом або іншим матеріалом для оздоблення поверхні, що забезпечує їй захист й поліпшену функціональність.
Після завершення цих етапів виробництва готові пластини зазвичай проходять випробування на електричну надійність, яка дає змогу переконатися в їхній працездатності. Після цього, якщо плати були виготовлені у вигляді однієї суцільної панелі, їх розпилюють, оглядають і за необхідності ремонтують.
Як виготовлення друкованих плат інтегрується в загальний виробничий процес
Виробництво друкованих плат є лише одним з етапів ширшого виробничого процесу. Такий процес іноді ще називають контрактне виробництво електроніки https://www.verikom.kiev.ua/uk/services/kontract-proizvodstvo-uk/. Для повного ж розуміння важливості етапу виготовлення друкованих плат необхідно розуміти, яке місце він займає у виробничому циклі.
Загалом виробництво можна розділити на три основні етапи, які детально описані нижче:
- Розробка: це початковий етап виробничої операції. По суті, саме на цьому етапі проєкт друкованої плати набуває реальних форм, змінюється та допрацьовується. Розробка зазвичай охоплює кілька етапів проєктування, моделювання та тестування, особливо якщо йдеться про конструкції підвищеної складності.
- Виробництво: після завершення проєктування та закінчення етапу розроблення відбувається перехід до виробництва. Виробництво містить в собі два етапи – виготовлення й складання. В ході першого етапу створюється основа плати, а під час складання на її поверхню наносяться компоненти. Після закінчення цього процесу з’являються готові плати.
- Оцінка працездатності: завершальним етапом виробничого процесу є оцінка працездатності. Цей етап містить в собі фінальний раунд випробувань по завершенню виробничого процесу. На даному етапі тестування оцінюється здатність зібраної плати працювати належним чином, а плати, які не пройшли тести, відбраковуються. У деяких випадках тестування може виявити, що плата вимагає коригування конструкції, і тоді цикл починається заново. Якщо плати успішно проходять ці випробування, перед відправленням замовнику вони також проходять остаточну перевірку на наявність дефектів.
У чому важливість процесу виготовлення
Виготовлення друкованих плат – це аутсорсингова діяльність, яку виконує сторонній виробник з використанням проєктів, наданих їхніми клієнтами. Важливо розуміти процес виготовлення, оскільки виробники бачать лише проєкт конструкції, а не характеристики, що мають важливе значення для проєкту. Якщо проєктувальники не враховують процес виготовлення та обмеження в ході проєктування, готові плати можуть мати проблеми такого характеру:
- Технологічність: вибір конструкції впливає на технологічність друкованих плат. Під час проєктування необхідно враховувати властивості матеріалу, з якого вони виготовляються, і забезпечувати достатній прозір між поверхневими елементами. Якщо плати необхідно виробляти у вигляді панелей, це також має вплинути на їхній остаточний дизайн. Проєкти, автори яких нехтують цими факторами, можуть виявитися непрацездатними та вимагати доопрацювань.
- Вихід продукції: в окремих випадках можливе успішне створення плат з використанням уже наявної конструкції. Однак, використання деяких готових проєктів може створювати проблеми під час виготовлення, які зроблять частину плат непридатними для використання – наприклад, через вихід за межі допусків виробничого обладнання.
- Надійність: процес створення більшості плат регулюється галузевими специфікаціями, які диктують необхідний рівень надійності їхньої роботи. Недотримання галузевих вимог під час проєктування може призвести до створення ненадійних або нефункціональних плат.
Найдієвіший спосіб уникнути цих проблем – вивчити процес створення друкованої плати на етапі її проєктування. Ви можете зробити це, використовуючи правила проєктування для технологічності (DFM) та перевіряючи на етапі проєктування можливості майбутнього виробника.
У такому разі рекомендується обирати для виробництва друкованих плат компанію, відому своєю якістю. Це дасть змогу постійно контактувати з персоналом, оптимізуючи процес виробництва друкованих плат.
Висновок
Підбиваючи підсумки, слід зазначити, що виготовлення друкованих плат має важливе значення для проєктування й створення електронних пристроїв. Світ технологій розвивається запаморочливими темпами, і тому потреба у високоякісних, надійних та ефективних друкованих платах ніколи не зникне. Зважаючи на необхідність забезпечення точності та послідовності при створенні друкованих плат, виробничий процес зазнав значної еволюції, включно із залученням передових технологій та автоматизованих систем. Виробники друкованих плат, такі як VERIKOM, стали значущими гравцями на цьому ринку. Вони пропонують комплексні рішення для задоволення різних вимог клієнтів, інженерів та компаній.
