Jak produkowane są profesjonalne obwody drukowane? Wykonywanie płytek drukowanych

W dzisiejszym świecie trudno jest wyobrazić sobie jakiekolwiek urządzenie elektroniczne funkcjonujące bez obwodów drukowanych. Można powiedzieć, że są one solidnym fundamentem i odpowiadają za ich bezawaryjne i prawidłowe działanie. Obwód drukowany (z ang. PCB, Printed Circuit Board, znany również jako płytka drukowana, czy płytka PCB) zbudowany jest na materiale dielektrycznym, czyli tak zwanym laminacie, najczęściej epoksydowo-szklanym FR4, na którego powierzchni (górnej lub dolnej) odwzorowane są połączenia elektryczne zaprojektowanego układu. W zaawansowanych projektach takie połączenia wykonywane są również na wewnętrznych warstwach miedzi, pomiędzy którymi mogą występować wzajemne połączenia.

Proces produkcyjny płytki drukowanej (płytki PCB)

W pierwszej kolejności przygotowywana jest dokumentacja cyfrowa projektu - warstwy miedzi zawierające mozaikę złożoną ze ścieżek, przelotek, padów i mas, jak również warstwy opisów, masek, programy do obróbki mechanicznej CNC itd., która trafia następnie do poszczególnych maszyn i pozwala bardzo precyzyjnie odtworzyć projekt.

Produkcję płytek PCB rozpoczynamy od wywiercenia otworów w laminacie bazowym, czyli materiale z rdzeniem dielektrycznym w środku oraz foliami miedzianymi na zewnątrz – tzw. formacie produkcyjnym. Przechodzi on następnie przez procesy przygotowania powierzchni: czyszczenia wnętrz otworów oraz szczotkowania miedzi. Na koniec na ściany otworów nakładany jest grafit, dzięki któremu możliwe będzie przeprowadzenie procesu metalizacji.

W kolejnych etapach odwzorowywane są układy ścieżek, padów oraz innych elementów przewidzianych na poszczególnych warstwach miedzi. Na wcześniej przygotowaną powierzchnię nakładany jest światłoczuły fotopolimer, który naświetla się np. za pomocą klisz, aby uzyskać obraz połączeń elektrycznych. Nieutwardzony fotopolimer jest następnie usuwany, a formaty trafiają na linię galwaniczną na której nakładana jest miedź galwaniczna oraz ochronna warstwa cyny niezbędna do przeprowadzenia procesu trawienia. Dzięki linii galwanicznej obwód zyskuje otwory metalizowane, które łączą wybrane warstwy miedzi, co pozwala na wykonywanie dużo bardziej skomplikowanych projektów. 

W celu uzyskania finalnej mozaiki miedzianej, format produkcyjny przechodzi przez tzw. ciąg trawiąco-strippujący. W trakcie tego złożonego procesu najpierw usuwany jest fotopolimer – odsłaniamy zbędne obszary miedzi, które następnie są trawione. Mozaika, stanowiąca funkcjonalny obraz warstw, pokryta jest do tego momentu cyną galwaniczną, chroniącą ją przed wytrawieniem. Finalnie jest ona usuwana, co skutkuje odsłonięciem pozostałej po procesie trawienia miedzi.

Na tym etapie otrzymujemy już w pełni działające obwody (płytki) drukowane, które wymagają jedynie nałożenia powłok zewnętrznych. Najważniejszą z nich jest maska antylutowniczna (ang. soldermask), która zabezpiecza miedź (głównie ścieżki) przed czynnikami zewnętrznymi np. wilgocią, oraz chroni wybrane jej obszary przed kontaktem ze stopem lutowniczym. W pewnym stopniu zabezpiecza również obwód drukowany przed przebiciami elektrycznymi, ale nie jest to jej podstawową funkcją.

Obszary miedzi, które nie są pokryte maską, np. pady lutownicze, zabezpieczane są do czasu montażu elementów za pomocą specjalnych pokryć np. ENIG (złoto chemiczne) lub HAL (stop cyny). Powłoki te chronią pady przed utlenianiem, które negatywnie wpływa na ich zwilżalność podczas montażu elementów.

Na obwody można nanieść dodatkowo inne powłoki zewnętrzne: opisy elementów, maskę zrywalną, czy warstwę maski grafitowej. Nie są one jednak konieczne – użycie wynika ze specyficznych wymagań danego projektu lub ze względów praktycznych czy też czysto estetycznych.

Ostatnim etapem produkcji płytki PCB jest końcowa obróbka mechaniczna, która pozwala wyodrębnić obwody drukowane z formatów produkcyjnych oraz nadać im finalny kształt. Obróbkę mechaniczną stosuje się również w trakcie produkcji np. w przypadku wykonywania metalizacji krawędziowych, jednak dla większości obwodów jest to końcowy etap produkcji. Dostępne są różnego rodzaju metody obróbki:

-frezowanie,

-rylcowanie,

-frezowanie na głębokość,

-fazowanie. 

Obwody wielowarstwowe

Opisany proces produkcyjny dotyczy obwodów o maksymalnej liczbie warstw równej dwa. Obwody wielowarstwowe, czyli takie, które zawierają warstwy ukryte w wewnętrznej strukturze laminatu, wykonuje się podobnie, aczkolwiek z pewnymi zmianami. 

Obwód wielowarstwowy składa się z rdzeni, czyli laminatów dwustronnych, na których odwzorowuje się warstwy wewnętrzne, które są ze sobą połączone tzw. prepregami. Od zewnątrz nakładane są folie miedziane, które tworzą warstwy zewnętrzne obwodu wielowarstwowego. Całość prasowana jest w prasie hydraulicznej lub próżniowej w warunkach wysokiej temperatury oraz ciśnienia. Tak wykonana „kanapka” staje się laminatem bazowym i dalej proces produkcji jest realizowany jak dla obwodów 1-2- warstwowych, czyli zaczyna się od wiercenia, a kończy na obróbce mechanicznej.  

Warto dodać, że w obwodach wielowarstwowych,  oprócz standardowych przelotek wierconych przez całą grubość płytki, wyróżniamy również przelotki ślepe – łączące jedną z warstw zewnętrznych z warstwą/warstwami wewnętrznymi, oraz zagrzebane, które tworzą połączenie elektryczne pomiędzy wybranymi warstwami wewnętrznymi.

Jakość obwodów drukowanych

W celu zapewniania odpowiedniej jakości obwodów drukowanych kontroluje się ich parametry na każdym z etapów produkcji. Jednym z rodzajów tego typu kontroli jest test optyczny, czyli porównanie wyprodukowanego układu miedzianych ścieżek, otworów, padów i mas do dokumentacji produkcyjnej. Pozwala on określić, czy uzyskany obraz jest zgodny z wersją cyfrową i czy występują jakiekolwiek odchyłki niezgodne z przyjętymi tolerancjami. Wykonywany jest on w trakcie produkcji, po trawieniu. 

Innym rodzajem testu jest test elektryczny, który wykonywane jest już na gotowych obwodach. Za pomocą ruchomych sond testera sprawdzane są zwarcia oraz rozwarcia pomiędzy poszczególnymi sieciami obwodu drukowanego w odniesieniu do oryginalnej dokumentacji projektu. Test elektryczny pozwala również na sprawdzenie przejść elektrycznych w otworach metalizowanych, a tym samym jakości nałożonej metalizacji.

Ostatecznym potwierdzeniem jakości jest przeprowadzenie kontroli końcowej, podczas której weryfikowane są wymiary, zgodność z technologią, czy też zapisami norm np. serią norm IPC.

Wytwarzanie płytek drukowanych - podsumowanie

Obwód drukowany tylko z pozoru jest prostym elementem układu elektronicznego, a tak naprawdę jest produktem, na powstanie którego składa się często kilkanaście lub nawet kilkadziesiąt etapów produkcyjnych. Wszystko to sprawia, że produkcja PCB staje się coraz częściej możliwa tylko w zaawansowanych fabrykach m.in. w TS PCB Techno-Service S.A., a wykonywanie ich we własnym zakresie, metodami domowymi, staje się wręcz niemożliwe.

Jak złożyć zamówienie na płytki drukowane?

Złożenie zamówienia na produkcję obwodów drukowanych rozpoczyna się od przesłania dokumentacji projektowej przez formularz na stronie lub bezpośrednio na adres e-mail. Wymagane pliki, zwykle w formacie Extended Gerber RS-274X lub RS-274X2, są podstawą do oceny wykonalności zlecenia.

Ocena ta obejmuje sprawdzenie poprawności programu wierceń, parametrów DRC oraz innych aspektów technicznych, które określają możliwości produkcyjne i technologiczne. Po potwierdzeniu wykonalności zlecenia, rozpoczyna się proces produkcji płytek, który, zależnie od specyfikacji i priorytetów, zwykle trwa do 9 dni roboczych, z możliwością ekspresowej realizacji.

Więcej informacji: https://tspcb.pl/blog/dokumentacja-pcb/plytki-drukowane-jak-wyglada-proces-zamawiania-plytek-pcb       

Prototypy PCB

W Techno-Service S.A. TS PCB oferujemy także obwody drukowane w serii prototypowej TSka. Prototypy PCB to wczesne wersje obwodów drukowanych, służące do testowania i walidacji projektów elektronicznych przed rozpoczęciem seryjnej produkcji. Tworzenie prototypów jest kluczowym etapem w procesie rozwoju produktu, pozwalającym na identyfikację i korygowanie błędów, optymalizację funkcjonalności oraz zapewnienie zgodności z wymaganiami technicznymi i użytkowymi. 

Zachęcamy do kontaktu w celu uzyskania szczegółowych informacji.