Sản xuất PCB là gì: PCB được sản xuất và lắp ráp như thế nào

là gì PCB Sản xuất?

sản xuất PCB — sản xuất bảng mạch in — là quy trình công nghiệp sản xuất các bảng cứng hoặc linh hoạt hỗ trợ cơ học và kết nối điện các linh kiện điện tử trong hầu hết mọi thiết bị hiện đại. Từ điện thoại thông minh và máy tính xách tay đến bộ điều khiển công nghiệp và dụng cụ y tế, PCB là nền tảng nền tảng để xây dựng các hệ thống điện tử.

PCB bao gồm một hoặc nhiều lớp dây dẫn đồng được dát mỏng trên nền không dẫn điện - phổ biến nhất là FR4 (lớp phủ epoxy được gia cố bằng thủy tinh). Các vết đồng thay thế hệ thống dây điện điểm-điểm đặc trưng của các thiết bị điện tử thời kỳ đầu, cho phép tái tạo các cấu trúc liên kết mạch phức tạp một cách đáng tin cậy và ở quy mô lớn. PCB kết nối mật độ cao (HDI) hiện đại có thể chứa 20 lớp đồng trở lên trong một tấm ván chỉ dày 1,6 mm, có chiều rộng vết dưới 75 micron.

Hiểu được những gì liên quan đến quá trình sản xuất PCB - từ tấm gỗ thô đến tấm hoàn thiện đã được thử nghiệm - là vấn đề đối với các kỹ sư, người mua và nhà phát triển sản phẩm, những người cần đưa ra quyết định sáng suốt về thiết kế sản xuất, lựa chọn nhà cung cấp và thông số kỹ thuật chất lượng.

Cách thức hoạt động của PCB: Nguyên tắc cơ bản về điện và cơ khí

nắm bắt PCB hoạt động như thế nào đòi hỏi phải hiểu sự tương tác giữa ba thành phần chức năng của nó: lớp dẫn điện, chất nền điện môi và cấu trúc lắp thành phần.

Dây dẫn dấu vết đồng

Dòng điện chạy giữa các bộ phận thông qua các vết đồng được khắc vào từng lớp của bo mạch. Dấu vết chiều rộng và độ dày xác định khả năng mang dòng điện - a Rộng 0,5 mm, dày 35 µm Dấu vết đồng có thể mang khoảng 1A liên tục mà không bị nóng quá mức trong điều kiện tiêu chuẩn. Tính toàn vẹn của tín hiệu trong các thiết kế tốc độ cao phụ thuộc vào trở kháng được kiểm soát: mối quan hệ giữa chiều rộng vết, độ dày điện môi và hằng số điện môi của chất nền (Dk), phải được quản lý chính xác để ngăn phản xạ tín hiệu và nhiễu xuyên âm trong mạch kỹ thuật số tần số cao và RF.

Chất nền điện môi

Chất nền cách điện ngăn cách các lớp đồng và mang lại độ cứng cơ học. FR4 - với hằng số điện môi xấp xỉ 4,2–4,5 và nhiệt độ chuyển thủy tinh (Tg) là 130–170°C — là tiêu chuẩn công nghiệp cho PCB đa năng. Các ứng dụng tần số cao sử dụng các vật liệu có Dk thấp như Rogers 4003C (Dk 3,55) hoặc các tấm nhựa gốc PTFE để giảm thiểu tình trạng mất tín hiệu ở tần số vi sóng.

Kết nối Vias và lớp

Vias được mạ xuyên qua các lỗ hoặc lỗ mù/chôn để kết nối các vết đồng trên các lớp khác nhau. Đường xuyên qua lỗ trải dài toàn bộ độ dày của bảng; vias mù kết nối lớp ngoài với một hoặc nhiều lớp bên trong mà không xuyên qua bề mặt đối diện; vias chôn chỉ kết nối các lớp bên trong. Việc lựa chọn thông qua ảnh hưởng trực tiếp đến mật độ định tuyến và hiệu suất tín hiệu trong thiết kế nhiều lớp.

Mặt nạ hàn và màn lụa

Một lớp mặt nạ hàn polymer — thường có màu xanh lá cây, nhưng có sẵn các màu xanh lam, đỏ, đen và trắng — che phủ các vết đồng để ngăn chặn quá trình oxy hóa và bắc cầu hàn trong quá trình lắp ráp. Mực in lụa (huyền thoại) được in phía trên cung cấp các ký hiệu tham chiếu thành phần, điểm đánh dấu phân cực và thông tin nhà sản xuất để lắp ráp và sử dụng dịch vụ tại hiện trường.

Bảng mạch PCB được sản xuất như thế nào: Quy trình chế tạo từng bước

Hiểu biết Bảng mạch PCB được tạo ra như thế nào làm rõ lý do tại sao các quyết định thiết kế nhất định lại ảnh hưởng đến chi phí và thời gian thực hiện. Trình tự chế tạo tiêu chuẩn cho bảng FR4 nhiều lớp được tiến hành như sau:

Bước 1 - Hình ảnh lớp bên trong

Các lớp đồng bên trong bắt đầu như những tấm laminate phủ đồng. Một lớp màng khô cảm quang được dán lên bề mặt đồng, sau đó cho tiếp xúc với tia UV thông qua mặt nạ quang (phim do Gerber tạo ra hoặc chụp ảnh laser trực tiếp). Điện trở không tiếp xúc được loại bỏ về mặt hóa học và phần đồng tiếp xúc được khắc trong dung dịch kiềm, chỉ để lại dấu vết mong muốn. Độ chính xác của dấu vết ở giai đoạn này là rất quan trọng: lỗi đăng ký lớp bên trong kết hợp giữa các lớp trong các chồng nhiều lớp.

Bước 2 - Xử lý oxit và cán màng

Các tấm lớp bên trong được xử lý hóa học bằng oxit màu nâu hoặc đen để cải thiện độ bám dính, sau đó xen kẽ với các tấm prereg (vải thủy tinh đã được ngâm tẩm trước với nhựa được xử lý một phần) và ép lại với nhau dưới nhiệt và áp suất - thường là 170–185°C ở 200–350 psi - trong máy ép cán. Điều này liên kết tất cả các lớp thành một tấm cứng duy nhất và xử lý hoàn toàn nhựa prereg.

Bước 3 - Khoan

Máy khoan CNC khoan các lỗ xuyên ở tọa độ X/Y chính xác cho các via và dây dẫn linh kiện. Đường kính mũi khoan dao động từ 6,0 mm xuống còn 0,1 mm cho microvia. Tốc độ khoan, tải phoi và độ mòn của mũi khoan được kiểm soát chặt chẽ để ngăn chặn việc khoan đi chệch hướng, làm nhòe chất điện môi vào thành lỗ hoặc phân tách tại điểm thoát lỗ.

Bước 4 - Desmear và mạ đồng không điện

Việc khoan tạo ra vết nhựa trên thành lỗ có thể chặn tính liên tục của dòng điện. Quá trình khử màng bằng thuốc tím hoặc thuốc tím sẽ loại bỏ chất ô nhiễm này. Sự lắng đọng đồng không điện (tự xúc tác) sau đó áp dụng một lớp đồng hạt mỏng - thường là 0,5–1,5 µm - vào các thành lỗ và bề mặt tấm, cung cấp độ dẫn điện cho quá trình mạ điện tiếp theo.

Bước 5 - Tạo ảnh và mạ lớp ngoài

Các lớp bên ngoài trải qua quá trình tạo ảnh tương tự như các lớp bên trong, nhưng với phương pháp bổ sung: chất chống thấm được áp dụng, phơi sáng và phát triển để để lại các vùng đồng lộ ra để mạ. Mạ đồng điện phân xây dựng vết và xuyên qua đồng thành độ dày quy định (thường tối thiểu 25–35 µm trong thành lỗ trên mỗi IPC-6012 Loại 2). Lớp mạ thiếc trên đồng đóng vai trò như một chất chống ăn mòn trong quá trình ăn mòn lớp ngoài tiếp theo.

Bước 6 - Khắc, Mặt nạ hàn và Hoàn thiện bề mặt

Lớp đồng bên ngoài được khắc, lớp thiếc chống lại bị tước bỏ và mặt nạ hàn được áp dụng bằng cách in lụa hoặc in phun và xử lý bằng tia cực tím. Sau đó, lớp hoàn thiện bề mặt được áp dụng cho các miếng đồng lộ ra ngoài: các tùy chọn phổ biến bao gồm HASL (làm phẳng chất hàn không khí nóng), ENIG (vàng ngâm niken điện phân), OSP (chất bảo quản hàn hữu cơ) và bạc ngâm - mỗi loại có sự đánh đổi riêng biệt về chi phí, thời hạn sử dụng của khả năng hàn và sự phù hợp đối với các thành phần có bước cao độ.

Bước 7 - Định tuyến, kiểm tra và kiểm tra

Các bảng được định tuyến đến các đường viền bảng riêng lẻ bằng bộ định tuyến CNC hoặc tính điểm. Kiểm tra điện (đầu dò bay hoặc thiết bị cố định trên giường đinh) xác minh mọi lưới có bị hở và chập không. Kiểm tra quang học tự động (AOI) kiểm tra hình dạng vết và các bo mạch có thể được phân tích mặt cắt ngang hoặc kiểm tra vi mô để kiểm soát trở kháng và thông qua xác minh độ dày lớp mạ trước khi vận chuyển.

Sản xuất và lắp ráp PCB: Từ bo mạch trần đến đơn vị chức năng

Sản xuất và lắp ráp PCB bao gồm cả việc chế tạo bảng mạch trần và tập hợp các linh kiện điện tử tiếp theo - một quá trình biến một tấm gỗ được khắc thành một tổ hợp điện tử hoạt động được. Việc lắp ráp thường tuân theo một hoặc cả hai công nghệ lắp thành phần:

Công nghệ gắn trên bề mặt (SMT)

Các thành phần SMT - điện trở, tụ điện, IC, đầu nối - được đặt trực tiếp lên các miếng dán được in bằng chất hàn trên bề mặt bảng bằng máy gắp và đặt với tốc độ 20.000–60.000 linh kiện mỗi giờ cho đường dây tốc độ cao hiện đại. Các tấm đã lắp ráp sẽ đi qua lò nung lại (nhiệt độ cao nhất thường là 245–260°C đối với chất hàn không chì), tại đây chất dán tan chảy và tạo thành các mối hàn vĩnh viễn. SMT cho phép bố trí các thành phần dày đặc trên cả hai bề mặt bo mạch và là công nghệ vượt trội dành cho thiết bị điện tử tiêu dùng và điện tử khối lượng lớn.

Công nghệ xuyên lỗ (THT)

Các bộ phận xuyên lỗ - đầu nối, tụ điện, máy biến áp, thiết bị điện - có dây dẫn được đưa qua các lỗ khoan và hàn ở phía đối diện bằng máy hàn sóng hoặc máy hàn chọn lọc. Các khớp nối THT cung cấp độ bền kéo cơ học cao hơn các miếng đệm SMT, khiến chúng được ưu tiên sử dụng cho các bộ phận chịu áp lực cơ học hoặc rung động trong các ứng dụng ô tô, công nghiệp và quân sự.

Hội công nghệ hỗn hợp

Hầu hết các tổ hợp điện tử hiện đại đều kết hợp các thành phần SMT và THT trên cùng một bo mạch. Trình tự quy trình - SMT trước hoặc THT trước - phụ thuộc vào mật độ vị trí thành phần, hướng bảng mạch và khả năng tương thích của quy trình hàn. Các bo mạch công nghệ hỗn hợp yêu cầu định hình nhiệt cẩn thận để đảm bảo quá trình hàn nóng chảy lại và hàn sóng không làm hỏng các bộ phận đã hàn trước đó.

PCB Fab và lắp ráp: Tìm hiểu các tùy chọn chuỗi cung ứng

Thuật ngữ Nhà máy và lắp ráp PCB - đôi khi được viết là PCBA (lắp ráp bảng mạch in) - đề cập đến việc tìm nguồn cung ứng cả chế tạo bảng mạch trần và lắp ráp linh kiện từ một nhà cung cấp duy nhất hoặc chuỗi cung ứng phối hợp. Sự lựa chọn giữa tìm nguồn cung ứng tích hợp và phân chia có ý nghĩa quan trọng đối với việc kiểm soát chất lượng, thời gian thực hiện và chi phí:

Dịch vụ lắp ráp và chế tạo PCB chìa khóa trao tay giúp giảm gánh nặng hành chính trong việc phối hợp nhiều nhà cung cấp và đặc biệt có giá trị đối với các công ty khởi nghiệp và nhóm sản phẩm không có nguồn lực chuỗi cung ứng chuyên dụng. Tuy nhiên, người mua nên xác minh rằng các nhà cung cấp chìa khóa trao tay duy trì khả năng truy xuất nguồn gốc đầy đủ cho tất cả các thành phần - bao gồm giấy chứng nhận tuân thủ và tài liệu xuất xứ - để quản lý rủi ro thành phần giả mạo, vốn vẫn là một vấn đề quan trọng trong sản xuất điện tử theo hợp đồng.

Cách sử dụng PCB: Tích hợp, kiểm tra và cân nhắc tại hiện trường

Đối với các nhà phát triển sản phẩm và nhà tích hợp hệ thống, việc biết cách sử dụng PCB chính xác — ngoài kết nối điện cơ bản — xác định xem bo mạch có hoạt động theo thông số kỹ thuật trong ứng dụng cuối hay không. Một số yếu tố thực tế chi phối việc tích hợp PCB thành công:

Xử lý và bảo vệ ESD

PCB trần và PCB lắp ráp rất nhạy cảm với hiện tượng phóng tĩnh điện (ESD). Việc xử lý phải tuân theo các giao thức ANSI/ESD S20.20: dây đeo cổ tay nối đất, bề mặt làm việc an toàn với ESD và bao bì chống tĩnh điện để bảo quản và vận chuyển. Một sự kiện ESD duy nhất của 500V trở lên có thể gây ra hư hỏng tiềm ẩn đối với các oxit cổng MOSFET hoặc IC nhạy cảm với ESD. Những hư hỏng này có thể không biểu hiện dưới dạng lỗi ngay lập tức nhưng làm giảm độ tin cậy lâu dài.

Gắn kết và ứng suất cơ học

PCB phải được lắp bằng cách sử dụng mẫu lỗ dự phòng được thiết kế để ngăn bo mạch bị uốn cong khi rung hoặc luân chuyển nhiệt. Bo mạch bị uốn cong quá mức - đặc biệt là trong các cụm lắp ráp có tụ gốm lớn được đặt gần các cạnh của bo mạch - có thể gây ra hiện tượng nứt linh kiện (gãy MLCC) tạo ra các mạch hở hoặc đoản mạch không liên tục. Đối với các ứng dụng chịu nhiều rung động, các hợp chất phủ và bầu phù hợp cung cấp thêm khả năng bảo vệ cơ học.

Quản lý nhiệt

Các bộ phận tạo nhiệt — bộ điều chỉnh nguồn, bộ xử lý, bộ khuếch đại RF — phải được đánh giá về khả năng chịu nhiệt từ điểm nối với môi trường xung quanh trong môi trường lắp đặt thực tế. Đổ đồng, via nhiệt (mảng vias nhỏ dưới miếng đệm điện để truyền nhiệt đến các lớp đồng bên trong hoặc bộ tản nhiệt) và luồng khí cưỡng bức là những kỹ thuật quản lý nhiệt phổ biến. Việc không quản lý được nhiệt độ của các bộ phận sẽ làm ngắn MTBF và có thể gây tắt nhiệt ngay lập tức trong các thiết kế được thiết kế kém.

Kiểm tra đầu vào và kiểm tra chức năng

Trước khi tích hợp PCBA vào sản phẩm cuối cùng, quá trình kiểm tra sắp tới phải xác minh: kích thước bảng và đăng ký lỗ, chất lượng mối hàn theo tiêu chí IPC-A-610 Loại 2 hoặc 3 và kết quả kiểm tra chức năng so với thông số kỹ thuật kiểm tra. Kiểm tra bài viết đầu tiên (FAI) đối với các lô sản xuất ban đầu trong quá trình đánh bắt bị trôi sớm, trước khi các tổ hợp không phù hợp đạt đến khối lượng sản xuất hoặc giao hàng cho khách hàng.