Flujo del proceso de fabricación de PCB

En el mundo actual, en el que los dispositivos electrónicos son omnipresentes, las placas de circuito impreso (PCB) son el "esqueleto" y el "sistema nervioso" de los productos electrónicos, y sus procesos de fabricación influyen directamente en el rendimiento y la fiabilidad del producto. Tanto si es ingeniero electrónico, especialista en adquisiciones o simplemente está interesado en la fabricación de PCB, es esencial comprender el flujo de trabajo completo de fabricación de PCB. Este artículo le llevará a través de cada paso crítico de la producción de PCB, desde las materias primas hasta el producto acabado, al tiempo que aborda los retos de fabricación más comunes.

Desglose detallado del núcleo Fabricación de PCB Procesos

1. Corte de paneles (CUT): El punto de partida de la precisión

El corte de paneles es el primer paso en la fabricación de placas de circuito impreso y constituye la base de los procesos posteriores. Aunque aparentemente sencillo, implica varias consideraciones técnicas:

• Selección de materiales: Entre los materiales laminados revestidos de cobre más comunes se incluyen FR-4 (fibra de vidrio epoxi), sustratos de aluminio y materiales de alta frecuencia (por ejemplo, Rogers), cada uno de los cuales requiere diferentes parámetros de corte.
• Control dimensional: Corte preciso según las especificaciones de diseño para las dimensiones UNIT (circuito individual), SET (conjunto panelado) y PANEL (panel de producción).
• Requisitos de precisión: La fabricación moderna de placas de circuito impreso suele exigir tolerancias de corte de ±0,10 mm.
• Tratamiento de bordes: Los bordes cortados requieren desbarbado para evitar que las asperezas afecten a los procesos posteriores

Consideraciones clave:

• Verifique el tipo de material, el grosor y el peso del cobre antes de cortar.
• Tener en cuenta la dilatación/contracción del material en los procesos posteriores al determinar el tamaño del panel.
• Mantener un entorno de trabajo limpio para evitar la contaminación de las superficies
• Almacene los distintos materiales por separado para evitar que se mezclen

2. Imagen de película seca de capa interna: Creación de patrones de circuito precisos

El proceso de película seca de capa interna es crucial para transferir con precisión los patrones de diseño a los sustratos de PCB, y consta de varios subprocesos:

Preparación de superficies (fregado de paneles)

• Combina la limpieza química con la abrasión mecánica
• Elimina la oxidación y crea microrrugosidades para mejorar la adherencia de la película seca
• Parámetros típicos: Marcas de fregado de 5-10 mm, rugosidad Ra 0,3-0,5μm.

Laminación en seco

• Adhiere térmicamente la película seca fotosensible a la superficie de cobre
• Control de la temperatura: Típicamente 100-120°C
• Control de presión: Aproximadamente 0,4-0,6MPa
• Control de velocidad: 1,0-1,5m/min

Exposición

• Utiliza luz UV (365 nm de longitud de onda) para curar selectivamente la película seca a través de la fototool
• Control de energía: 5-10mJ/cm².
• Precisión de registro: Dentro de ±25μm

Desarrollo

• Utiliza la solución de carbonato sódico 1% para disolver la película seca no curada
• Control de temperatura: 28-32°C
• Presión de pulverización: 1,5- 2,5 bar

Grabado

• Utiliza una solución ácida de cloruro de cobre (CuCl2+HCl) para disolver el cobre expuesto.
• Factor de ataque (control de ataque lateral) >3,0
• Uniformidad del espesor del cobre dentro de ±10%

Tira

• Utiliza una solución de hidróxido de sodio 3-5% para eliminar la película seca protectora
• Control de temperatura: 45-55°C
• Control del tiempo: 60-90 segundos

Recomendaciones de diseño:

• Trazo/espacio mínimo de la capa interior ≥ 3 mil (0,075 mm)
• Evitar los elementos de cobre aislados para evitar el sobregrabado.
• Distribuya el cobre uniformemente para evitar la deformación de la laminación
• Añadir margen de diseño para trazados de señales críticas

3. Tratamiento con óxido marrón: Mejora de la unión entre capas

El tratamiento con óxido marrón es fundamental para la fabricación de PCB multicapa, sobre todo para mejorar la adherencia entre la capa interna de cobre y el preimpregnado (PP):

• Reacción química: Forma una capa micro-rugosa de complejo orgánico-metálico en la superficie del cobre
• Control de procesos:
• Temperatura: 30-40°C
• Duración: 1,5-3 minutos
• Aumento del espesor del cobre: 0,3-0,8μm
• Verificación de la calidad:
• Uniformidad del color
• Prueba del ángulo de contacto con el agua (debe ser ≥30°).
• Prueba de resistencia al pelado (≥1,0N/mm)

Problemas comunes:

• Un tratamiento insuficiente puede provocar delaminación tras la laminación
• El tratamiento excesivo crea una rugosidad excesiva que afecta a la integridad de la señal
• Los paneles procesados deben laminarse en 8 horas

4. Laminación: Formación de estructuras multicapa

La laminación une múltiples núcleos de capas internas con preimpregnado (PP) bajo calor y presión para crear estructuras multicapa:

• Preparación del material:
• Lámina de cobre (normalmente 1/3oz o 1/2oz)
• Prepreg (por ejemplo, grados 1080, 2116, 7628)
• Chapas de acero inoxidable, papel kraft y otros materiales auxiliares
• Parámetros del proceso:
• Temperatura: 170-190°C
• Presión: 15-25kg/cm².
• Tiempo: 90-180 minutos (dependiendo del grosor y la estructura del tablero)
• Controles críticos:
• Velocidad de calentamiento: 2-3°C/min
• Velocidad de enfriamiento: 1-2°C/min
• Nivel de vacío: ≤100mbar

Consideraciones sobre el diseño:

• Mantener el apilamiento simétrico (por ejemplo, placa de 8 capas: 1-2-3-4-4-3-2-1)
• Orientar perpendicularmente los trazos de las capas adyacentes (por ejemplo, horizontal en una capa, vertical en la adyacente).
• Utilice PP de alto contenido en resina para placas de cobre pesadas
• Considerar el flujo de material durante el laminado para diseños de vías ciegas/enterradas

5. Perforación: Creación de interconexiones de precisión

El taladrado crea interconexiones verticales entre las capas de la placa de circuito impreso, con una tecnología moderna que consigue una precisión excepcional:

• Tipos de taladro:
• Taladrado mecánico (para orificios ≥0,15 mm)
• Taladrado láser (para microvías y vías ciegas)
• Parámetros típicos:
• Velocidad del husillo: 80.000-150.000 RPM
• Velocidad de avance: 1,5-4,0m/min
• Velocidad de retracción: 10-20m/min
• Estándares de calidad:
• Rugosidad de la pared del orificio ≤25μm
• Precisión de la posición del orificio ±0,05 mm
• Sin cabeza de clavo ni rebabas

Resolución de problemas comunes:

• Paredes con agujeros rugosos: Optimizar los parámetros de perforación, utilizar materiales de entrada/respaldo adecuados.
• Orificios obstruidos: Mejorar la evacuación de la viruta, ajustar la secuencia de perforación
• Taladros rotos: Verificación de la calidad de la perforación, optimización de la velocidad de avance

6. Deposición de cobre químico (PTH): Metalización de agujeros críticos

La deposición de cobre químico crea capas conductoras en paredes de orificios no conductoras, cruciales para la fiabilidad de las placas de circuito impreso:

Flujo del proceso HPT

1. Desmear: Elimina los restos de resina de la perforación
2. Cobre químico:

• Una solución alcalina que utiliza formaldehído como agente reductor
• Temperatura: 25-32°C
• Duración: 15-25 minutos
• Espesor del cobre: 0,3-0,8μm

1. Revestimiento de paneles:

• Solución ácida de sulfato de cobre
• Densidad de corriente: 1,5- 2,5ASD
• Duración: 30-45 minutos
• Espesor del cobre: 5-8μm

Requisitos de calidad:

• Prueba de luz de fondo ≥9 nivel (≥90% cobertura de la pared del agujero).
• Prueba de estrés térmico (288°C, 10 segundos) sin deslaminación ni formación de ampollas.
• Resistencia del orificio ≤300μΩ/cm

7. Transferencia del patrón de la capa exterior

Similar a la imagen de la capa interna pero con pasos adicionales de revestimiento:

1. Preparación de superficies: Limpieza, micrograbado (elimina 0,5-1μm de cobre).
2. Laminación en seco: Utiliza película seca resistente al metalizado
3. Exposición: Utiliza LDI (Laser Direct Imaging) o fototool tradicional
4. Desarrollo: Crea un patrón de chapado
5. Chapeado de patrones:

• Espesor del cobre: 20-25μm (total)
• Espesor del estaño: 3-5μm (como resistencia al grabado)

1. Tira: Elimina la resistencia al revestimiento
2. Grabado: Elimina el cobre no deseado

Aspectos técnicos destacados:

• Compensación de la anchura del trazado: Ajuste la anchura del diseño en función del grosor del cobre (normalmente añade 10-20%).
• Uniformidad del metalizado: Utilizar una solución de alto poder de penetración y una configuración adecuada del ánodo.
• Control de grabado lateral: Optimice los parámetros de grabado para mantener la precisión del ancho de traza.

8. Máscara de soldadura: Capa de protección del circuito

La máscara de soldadura protege los circuitos y afecta a la calidad y el aspecto de la soldadura:

• Métodos de aplicación:
• Serigrafía: Para requisitos de baja precisión
• Revestimiento por pulverización: Para formas irregulares
• Revestimiento de cortina: Alta eficacia, excelente uniformidad
• Flujo del proceso:

1. Preparación de superficies (limpieza, desbaste)
2. Aplicación de máscaras de soldadura
3. Prehorneado (75°C, 20-30 minutos)
4. Exposición (300-500mJ/cm²)
5. Desarrollo (solución de carbonato sódico 1%)
6. Curado final (150°C, 30-60 minutos)

• Estándares de calidad:
• Dureza ≥6H (dureza de lápiz)
• Adherencia: 100% pasa la prueba de la cinta 3M
• Resistencia de la soldadura: 288°C, 10 segundos, 3 ciclos sin defectos

Directrices de diseño:

• Puente mínimo de la máscara de soldadura ≥0,1mm
• Aperturas de área BGA: 0,05 mm más grandes que los pads por lado
• Los dedos dorados requieren cobertura de máscara de soldadura

9. Acabado superficial: equilibrio entre soldabilidad y durabilidad

Los distintos acabados se adaptan a diferentes aplicaciones:

Guía de selección:

• Electrónica de consumo estándar: HASL u OSP
• Productos de alta fiabilidad: ENIG
• Circuitos de alta velocidad: Imm Ag u OSP
• Conectores de borde: Dorado duro (1-3μm)

10. Enrutamiento: Fabricación de contornos de precisión

El procesamiento de contornos de PCB utiliza principalmente tres métodos:

• Fresado CNC:

• Precisión: ±0,10 mm
• Anchura mínima de la ranura: 1,0 mm
• Radio de las esquinas: ≥0,5 mm

• Puntuación en V:

• Ángulo: 30° o 45
• Grosor restante: 1/3 del grosor del tablero (normalmente 0,3-0,5 mm)
• Precisión de posición: ±0,10 mm

• Corte por láser:

• Precisión: ±0,05 mm
• Corte mínimo: 0,2 mm
• Sin tensión mecánica

Normas de diseño:

• Mantener una separación ≥0,3 mm entre el borde de la placa y los circuitos.
• Incluye pestañas de separación o mordeduras de ratón para diseños con paneles
• Proporcione archivos DXF precisos para contornos irregulares
• Bordes biselados (normalmente 20-45°) para tableros de dedos dorados

11. Pruebas eléctricas: Puerta de calidad final

Las pruebas de PCB garantizan la fiabilidad funcional:

• Métodos de ensayo:
• Sonda volante: Adecuada para producción de bajo volumen y alta mezcla
• Pruebas de fijación: Para grandes volúmenes de producción
• AOI (Inspección óptica automatizada): Inspección suplementaria
• Cobertura de las pruebas:
• 100% continuidad neta
• Pruebas de aislamiento (normalmente 500 V CC)
• Pruebas de impedancia (para placas de impedancia controlada)

Resolución de problemas comunes:

• Aperturas: Verificar falsas aperturas (mal contacto de la punta de prueba).
• Cortos: Analizar la ubicación de los cortos, comprobar los problemas de diseño
• Desviación de la impedancia: Verificar los parámetros del material y el control de la anchura de la traza

12. Inspección final y embalaje

El último paso de la verificación de la calidad:

• Elementos de inspección:
• Visual: arañazos, manchas, defectos en la máscara de soldadura
• Dimensiones: Espesor, contorno, tamaños de los orificios
• Marcado: Claridad de la leyenda y precisión de la posición
• Funcional: Calidad del chapado en oro, pruebas de impedancia
• Métodos de envasado:
• Envasado al vacío (antioxidación)
• Embalaje antiestático (para componentes sensibles)
• Papel intercalado (evita arañazos en la superficie)
• Bandejas personalizadas (para placas de alta precisión)

Normas de envío:

• IPC-A-600G Clase 2 (comercial)
• IPC-A-600G Clase 3 (alta fiabilidad)
• Requisitos específicos del cliente

Preguntas frecuentes sobre la fabricación de PCB

P1: ¿Por qué se descascarilla el cobre de mi placa de circuito impreso después de soldarla?

Causas profundas:

1. Mala adherencia del cobre al sustrato (problema de material)
2. Temperatura de soldadura o duración excesivas
3. Diseño deficiente (por ejemplo, gran superficie de cobre conectada mediante trazas finas).
4. Tratamiento inadecuado del óxido marrón

Soluciones:

• Seleccione materiales laminados de alta calidad
• Optimización de los parámetros de soldadura (<260°C, <5 segundos)
• Utilice conexiones de alivio térmico en los diseños
• Verificar los parámetros del proceso de óxido marrón con el fabricante
• Realizar pruebas de estrés térmico cuando sea necesario (288°C, 10 segundos, 3 ciclos)

P2: ¿Cómo solucionar los errores de registro entre capas en las placas de circuito impreso multicapa?

Fuentes de registro erróneas:

• Incongruencias de dilatación/contracción del material
• Desplazamiento de capas durante la laminación
• Insuficiente precisión de registro de la exposición
• Desviaciones de la posición de perforación

Medidas de mejora:

• Fase de diseño:

• Añadir objetivos de registro (mínimo 3)
• Mantener una distribución uniforme del cobre
• Tener en cuenta las propiedades del material (tratamiento especial para materiales de alta frecuencia)

• Fabricación:

• Utilizar equipos de exposición LDI de alta precisión
• Implementar la alineación de perforación por rayos X
• Aplicar algoritmos de compensación de la contracción del material
• Considere el laminado secuencial para placas de alta relación de aspecto

• Selección de materiales:

• Utilizar materiales de bajo CTE
• Seleccione un preimpregnado dimensionalmente estable

P3: ¿Cómo resolver las paredes rugosas de los orificios pequeños (<0,2 mm)?

Soluciones técnicas:

• Selección de brocas:
• Ejercicios especiales (por ejemplo, de tipo UC)
• Ángulo de punta 130-140
• Ángulo de la hélice 35-40
• Optimización de parámetros:
• Aumentar las RPM a 120.000-150.000
• Reducir la velocidad de avance a 1,0-1,5 m/min.
• Cambiar de ejercicio cada 500 golpes
• Materiales auxiliares:
• Material de entrada de aluminio de alta densidad
• Tableros de refuerzo especiales (por ejemplo, fenólicos)
• Tratamiento posterior:
• Desmearillado mejorado (tratamiento con plasma opcional)
• Optimizar el grabado en retroceso antes del cobreado químico

P4: ¿Cómo deben diseñarse las aperturas de la máscara de soldadura para las zonas BGA?

Especificaciones de diseño:

• BGA estándar:

• Aperturas de máscara de soldadura 0,05 mm mayores que las almohadillas por lado
• Puente mínimo de máscara de soldadura 0,1 mm
• Diseño NSMD (Non-Solder Mask Defined)

• BGA de paso fino (paso ≤0,5 mm):

• Aberturas de máscara de soldadura iguales o ligeramente inferiores (0,02-0,03 mm) a las de los pads.
• Diseño SMD (Solder Mask Defined)
• Considere el proceso LDI (Laser Direct Imaging)

• Tratamientos especiales:

• Evita que la máscara de soldadura trepe por las esferas BGA
• Control del grosor de la máscara de soldadura a 10-15μm
• Aplicar diques de máscara de soldadura cuando sea necesario

Resolución de problemas comunes:

• La máscara de soldadura gruesa causa problemas de soldadura: Utilice tintas de máscara de soldadura finas
• Puentes de máscara de soldadura rotos: Optimizar la energía de exposición y el revelado
• Aberturas desalineadas: Verificar los datos de la fototool o LDI

P5: ¿Por qué el revestimiento con ENIG produce a veces "almohadilla negra"? ¿Cómo evitarlo?

Causas de la almohadilla negra:
La almohadilla negra se refiere a interfaces frágiles entre el níquel y la soldadura en acabados ENIG, causadas principalmente por:

• Sobregrabado del níquel durante la deposición de oro
• Contenido anormal de níquel fósforo (debe ser 7-9%)
• Espesor excesivo del oro (>0,15μm) que provoca la pasivación del níquel.
• Tratamiento posterior inadecuado (limpieza inadecuada)

Métodos de prevención:

• Control de procesos:

• Mantener el pH del baño entre 4,5 y 5,5
• Espesor del oro de control 0,05-0,10μm
• Añadir tratamiento posterior a la inmersión (por ejemplo, lavado con ácido suave).

• Control de calidad:

• Pruebas periódicas del contenido de níquel y fósforo
• Análisis transversal de la interfaz níquel-oro
• Pruebas de cizallamiento de bolas de soldadura (>5 kg/mm²)

• Soluciones alternativas:

• Considere ENEPIG (Níquel Químico Paladio Químico Inmersión Oro)
• Utilice níquel/oro electrolítico para aplicaciones de alta fiabilidad

P6: ¿Cómo resolver los problemas de integridad de la señal en las placas de circuito impreso de alta velocidad?

Cooptimización diseño-fabricación:

• Selección de materiales:

• Materiales de baja Dk (constante dieléctrica), baja Df (factor de disipación)
• Láminas de cobre lisas (por ejemplo, HVLP)

• Optimización del diseño:

• Control estricto de la impedancia (±10%)
• Minimizar los talones de vía (perforación posterior)
• Utilizar estructuras microstrip o stripline

• Controles de fabricación:

• Precisión de grabado (±15μm de ancho de traza)
• Control del espesor dieléctrico (±10%)
• Selección del acabado de la superficie (prefiera Imm Ag u OSP)

• Verificación de pruebas:

• Pruebas TDR (reflectometría en el dominio del tiempo)
• Mediciones de pérdidas de inserción/retorno
• Pruebas de diagrama ocular (para señales de alta velocidad)

Parámetros típicos:

• señales de 10 Gbps: Materiales con Df<0,010
• 28Gbps+: Considere los materiales Megtron6 o Rogers
• Impedancia: 50Ω single-ended, 100Ω diferencial (ajustar según protocolo).

Conclusión

La fabricación de placas de circuito impreso es una tecnología multidisciplinar que combina la ciencia de los materiales, los procesos químicos y la ingeniería mecánica de precisión. A medida que la electrónica evoluciona hacia frecuencias, velocidades y densidades más altas, los procesos de fabricación de PCB siguen avanzando en consecuencia. Comprender estos flujos de trabajo de fabricación no sólo facilita el diseño de placas de circuito impreso más fáciles de fabricar, sino que también permite una rápida resolución de problemas y una comunicación eficaz con los fabricantes.

Tanto si se trabaja con materiales FR-4 convencionales para electrónica de consumo como con materiales especializados de alta frecuencia para equipos 5G o electrónica de automoción de alta fiabilidad, la selección de los fabricantes de PCB adecuados y el conocimiento exhaustivo de sus capacidades resultan fundamentales. Esperamos que esta guía le proporcione información valiosa que le ayude a tomar decisiones informadas sobre la fabricación de placas de circuito impreso.