Технологический процесс производства печатных плат

В современном мире, где электронные устройства распространены повсеместно, печатные платы (ПП) служат "скелетом" и "нервной системой" электронных изделий, а процессы их изготовления напрямую влияют на производительность и надежность продукции. Если вы инженер-электронщик, специалист по закупкам или просто интересуетесь производством печатных плат, понимание всего технологического процесса изготовления печатных плат очень важно. В этой статье мы рассмотрим каждый важный этап производства печатных плат от сырья до готового изделия, а также наиболее распространенные производственные проблемы.

Детальная разбивка ядра Производство ПХД Процессы

1. Резка панели (CUT): Точная точка отсчета

Резка панелей является первым шагом в производстве печатных плат и формирует основу для последующих процессов. Несмотря на кажущуюся простоту, он включает в себя несколько технических моментов:

• Выбор материалов: Распространенные материалы ламината с медным покрытием включают FR-4 (эпоксидное стекловолокно), алюминиевые подложки и высокочастотные материалы (например, Rogers), каждый из которых требует различных параметров резки.
• Контроль размеров: Точная резка в соответствии с проектными спецификациями для размеров UNIT (отдельная схема), SET (массив из панелей) и PANEL (производственная панель)
• Требования к точности: Современное производство печатных плат обычно требует допусков на резку в пределах ±0,10 мм.
• Обработка краев: Обрезанные кромки требуют снятия заусенцев для предотвращения влияния неровностей на последующие процессы

Основные соображения:

• Перед резкой проверьте тип материала, толщину и вес меди.
• При определении размера панели учитывайте расширение/сужение материала в последующих процессах
• Поддерживать чистоту рабочей среды для предотвращения загрязнения поверхностей
• Храните разные материалы отдельно, чтобы предотвратить их смешивание

2. Изображение на сухой пленке с внутренним слоем: Создание точных схем

Для точного переноса рисунка на подложку печатной платы очень важен процесс нанесения сухой пленки на внутренний слой, состоящий из нескольких подпроцессов:

Подготовка поверхности (очистка панелей)

• Сочетание химической очистки с механической абразивной обработкой
• Удаляет окисление и создает микрошероховатость для лучшей адгезии сухой пленки
• Типичные параметры: 5-10 мм, шероховатость Ra 0,3-0,5 мкм.

Сухое пленочное ламинирование

• Термическое соединение фоточувствительной сухой пленки с медной поверхностью
• Контроль температуры: Обычно 100-120°C
• Контроль давления: Приблизительно 0,4-0,6 МПа
• Регулировка скорости: 1,0-1,5 м/мин

Экспозиция

• Использует ультрафиолетовый свет (длина волны 365 нм) для выборочного отверждения сухой пленки с помощью фотоинструмента
• Контроль энергии: 5-10 мДж/см²
• Точность регистрации: В пределах ±25 мкм

Разработка

• Использует раствор карбоната натрия 1% для растворения неотвержденной сухой пленки
• Контроль температуры: 28-32°C
• Давление распыления: 1,5- 2,5 бар

Травление

• Использует кислый раствор хлорида меди (CuCl2+HCl) для растворения обнаженной меди
• Коэффициент травления (контроль бокового травления) >3,0
• Однородность толщины меди в пределах ±10%

Полоса

• Для удаления защитной сухой пленки используется раствор гидроксида натрия 3-5%
• Контроль температуры: 45-55°C
• Контроль времени: 60-90 секунд

Рекомендации по разработке:

• Минимальный след/пространство внутреннего слоя ≥ 3 мил (0,075 мм)
• Избегайте изолированных медных элементов для предотвращения перетравливания
• Равномерное распределение меди для предотвращения коробления ламинации
• Добавьте запас прочности для трасс критических сигналов

3. Обработка коричневым оксидом: Усиление межслойного сцепления

Обработка коричневым оксидом имеет решающее значение для производства многослойных печатных плат, в первую очередь для улучшения адгезии между медью внутреннего слоя и препрегом (PP):

• Химическая реакция: Образует микрошероховатый слой металлоорганического комплекса на поверхности меди
• Управление процессом:
• Температура: 30-40°C
• Время: 1,5-3 минуты
• Увеличение толщины меди: 0,3-0,8 мкм
• Проверка качества:
• Однородность цвета
• Тест на угол контакта с водой (должен составлять ≥30°)
• Испытание на прочность при отслаивании (≥1,0 Н/мм)

Общие вопросы:

• Недостаточная обработка может привести к расслоению после ламинирования
• Чрезмерная обработка создает чрезмерную шероховатость, нарушая целостность сигнала
• Обработанные панели должны быть заламинированы в течение 8 часов

4. Ламинирование: Формирование многослойных структур

Ламинирование соединяет несколько внутренних слоев с препрегом (ПП) под воздействием тепла и давления для создания многослойных структур:

• Подготовка материалов:
• Медная фольга (обычно 1/3 или 1/2 унции)
• Препрег (например, марки 1080, 2116, 7628)
• Пластины из нержавеющей стали, крафт-бумага и другие вспомогательные материалы
• Параметры процесса:
• Температура: 170-190°C
• Давление: 15-25 кг/см²
• Время: 90-180 минут (в зависимости от толщины и структуры картона)
• Критические средства контроля:
• Скорость нагрева: 2-3°C/мин
• Скорость охлаждения: 1-2°C/мин
• Уровень вакуума: ≤100 мбар

Конструктивные соображения:

• Соблюдайте симметричную укладку (например, 8-слойная плата: 1-2-3-4-4-3-2-1)
• Ориентируйте трассы соседних слоев перпендикулярно (например, горизонтально на одном слое, вертикально на соседнем).
• Используйте полипропилен с высоким содержанием смолы для тяжелых медных плат
• Учет расхода материала при ламинировании для глухих/взрывных сквозных конструкций

5. Сверление: Создание точных межсоединений

Сверление создает вертикальные соединения между слоями печатной платы, причем современные технологии позволяют добиться исключительной точности:

• Типы сверл:
• Механическое сверление (для отверстий ≥0,15 мм)
• Лазерное сверление (для микроотверстий и глухих отверстий)
• Типичные параметры:
• Скорость вращения шпинделя: 80 000-150 000 об/мин
• Скорость подачи: 1,5-4,0 м/мин
• Скорость втягивания: 10-20 м/мин
• Стандарты качества:
• Шероховатость стенок отверстия ≤25 мкм
• Точность положения отверстия ±0,05 мм
• Без зазубрин и заусениц

Поиск и устранение неисправностей:

• Черновые стены с отверстиями: Оптимизация параметров бурения, использование надлежащих материалов для ввода/резервного копирования
• Забитые отверстия: Улучшить отвод стружки, отрегулировать последовательность сверления
• Сломанные сверла: Проверка качества бурения, оптимизация скорости подачи

6. Осаждение меди электролитическим способом (PTH): Металлизация критических отверстий

Электроосаждение меди создает проводящие слои на непроводящих стенках отверстий, что очень важно для надежности печатной платы:

Технологический процесс PTH

1. Desmear: Удаляет остатки смолы после сверления
2. Безэлектролитная медь:

• Щелочной раствор с использованием формальдегида в качестве восстановителя
• Температура: 25-32°C
• Время: 15-25 минут
• Толщина меди: 0,3-0,8 мкм

1. Покрытие панелей:

• Кислый раствор медного купороса
• Плотность тока: 1,5- 2,5ASD
• Время: 30-45 минут
• Толщина меди: 5-8 мкм

Требования к качеству:

• Тест подсветки ≥9 уровней (покрытие стен ≥90%)
• Испытание на термическую нагрузку (288°C, 10 секунд) без расслоения или образования пузырей
• Сопротивление отверстий ≤300μΩ/см

7. Перенос рисунка внешнего слоя

Аналогично визуализации внутреннего слоя, но с дополнительными этапами нанесения покрытия:

1. Подготовка поверхности: Очистка, микротравление (удаляет медь толщиной 0,5-1 мкм)
2. Сухое пленочное ламинирование: Используется сухая пленка, устойчивая к плакированию
3. Экспозиция: Использует LDI (Laser Direct Imaging) или традиционный фотоинструмент
4. Разработка: Создает рисунок покрытия
5. Нанесение узоров:

• Толщина меди: 20-25 мкм (общая)
• Толщина олова: 3-5 мкм (в качестве резиста для травления)

1. Полоса: Удаляет резист покрытия
2. Травление: Удаляет нежелательную медь

Технические моменты:

• Компенсация ширины трассы: Регулировка ширины трассы в зависимости от толщины меди (обычно добавляется 10-20%)
• Однородность покрытия: Используйте раствор с высокой бросовой силой и правильную конфигурацию анода
• Контроль бокового травления: Оптимизация параметров травления для поддержания точности ширины трассы

8. Паяльная маска: Слой защиты цепи

Паяльная маска защищает микросхемы и влияет на качество и внешний вид припоя:

• Методы применения:
• Трафаретная печать: Для низкоточных требований
• Напыление: Для плит неправильной формы
• Покрытие для занавесок: Высокая эффективность, отличная однородность
• Технологический поток:

1. Подготовка поверхности (очистка, придание шероховатости)
2. Нанесение паяльной маски
3. Предварительная выпечка (75°C, 20-30 минут)
4. Облучение (300-500 мДж/см²)
5. Разработка (1% раствор карбоната натрия)
6. Окончательное отверждение (150°C, 30-60 минут)

• Стандарты качества:
• Твердость ≥6H (твердость карандаша)
• Адгезия: 100% прошел тест с лентой 3M
• Стойкость к пайке: 288°C, 10 секунд, 3 цикла без дефектов

Руководство по проектированию:

• Минимальный мост паяльной маски ≥0,1 мм
• Отверстия в области BGA: На 0,05 мм больше, чем колодки с каждой стороны
• Золотые пальцы требуют покрытия паяльной маской

9. Отделка поверхности: баланс между паяемостью и долговечностью

Различные варианты отделки подходят для разных областей применения:

Руководство по выбору:

• Стандартная бытовая электроника: HASL или OSP
• Высоконадежные изделия: ENIG
• Высокоскоростные цепи: Imm Ag или OSP
• Краевые разъемы: Твердое золотое покрытие (1-3 мкм)

10. Маршрутизация: Точное изготовление контура

Для обработки контура печатной платы в основном используются три метода:

• Фрезерование с ЧПУ:

• Точность: ±0,10 мм
• Минимальная ширина щели: 1,0 мм
• Радиус угла: ≥0,5 мм

• V-образный скоринг:

• Угол: 30° или 45°
• Оставшаяся толщина: 1/3 толщины плиты (обычно 0,3-0,5 мм)
• Точность позиционирования: ±0,10 мм

• Лазерная резка:

• Точность: ±0,05 мм
• Минимальный пропил: 0,2 мм
• Отсутствие механического напряжения

Правила оформления:

• Соблюдайте зазор ≥0,3 мм между краем платы и микросхемами
• В панельных конструкциях предусмотрены отрывные вкладки или прорези для мыши
• Предоставление точных файлов DXF для неровных контуров
• Скошенные края (обычно 20-45°) для золотых пальчиковых досок

11. Электрические испытания: Окончательный контроль качества

Тестирование печатных плат обеспечивает функциональную надежность:

• Методы испытаний:
• Летающий зонд: Подходит для малосерийного производства с большим количеством смеси
• Испытание приспособлений: Для крупносерийного производства
• AOI (автоматизированная оптическая инспекция): Дополнительный контроль
• Тестовое покрытие:
• 100% чистая непрерывность
• Испытание изоляции (обычно 500 В постоянного тока)
• Проверка импеданса (для плат с контролируемым импедансом)

Решение общих проблем:

• Открывания: Проверьте ложные размыкания (плохой контакт тестового зонда).
• Шорты: Проанализируйте расположение шорт, проверьте проблемы с дизайном
• Отклонение импеданса: Проверьте параметры материала и контроль ширины трассы

12. Окончательная проверка и упаковка

Последний этап проверки качества:

• Предметы осмотра:
• Визуально: царапины, пятна, дефекты паяльной маски
• Размеры: Толщина, контур, размеры отверстий
• Маркировка: Четкость легенды и точность позиционирования
• Функциональные: Качество покрытия золотыми пальцами, тесты на импеданс
• Методы упаковки:
• Вакуумная упаковка (антиоксидантная)
• Антистатическая упаковка (для чувствительных компонентов)
• Листовая бумага (предотвращает появление царапин на поверхности)
• Нестандартные лотки (для высокоточных плат)

Стандарты отгрузки:

• IPC-A-600G Класс 2 (коммерческий)
• IPC-A-600G Класс 3 (высокая надежность)
• Специфические требования заказчика

FAQ по производству печатных плат (вопросы и ответы)

Q1: Почему на моей печатной плате происходит отслоение меди после пайки?

Коренные причины:

1. Плохая адгезия меди к подложке (проблема с материалом)
2. Повышенная температура или продолжительность пайки
3. Плохая конструкция (например, большая площадь меди, соединенная тонкими дорожками)
4. Неадекватная обработка коричневой окисью

Решения:

• Выбирайте высококачественные материалы для ламината
• Оптимизация параметров пайки (<260°C, <5 секунд)
• Используйте в конструкциях терморазгрузочные соединения
• Уточните параметры процесса производства оксида коричневого цвета у производителя
• При необходимости проведите испытания на термическую нагрузку (288°C, 10 секунд, 3 цикла).

Вопрос 2: Как устранить межслойную несогласованность в многослойных печатных платах?

Источники неправильной регистрации:

• Несоответствие расширения и сжатия материала
• Смещение слоев при ламинировании
• Недостаточная точность регистрации экспозиции
• Отклонения положения при бурении

Меры по улучшению:

• Стадия проектирования:

• Добавьте цели регистрации (минимум 3)
• Поддерживайте равномерное распределение меди
• Учет свойств материала (специальная обработка для высокочастотных материалов)

• Производство:

• Использование высокоточного оборудования для экспонирования LDI
• Выполните выравнивание рентгеновского сверления
• Применяйте алгоритмы компенсации усадки материала
• Рассмотрите возможность последовательного ламинирования для плат с высоким соотношением сторон

• Выбор материала:

• Использование материалов с низким содержанием CTE
• Выберите препрег, стабильный по размерам

Вопрос 3: Как устранить неровные стенки отверстий в маленьких отверстиях (<0,2 мм)?

Технические решения:

• Выбор бура:
• Специализированные буры (например, типа UC)
• Угол наклона точки 130-140°
• Угол спирали 35-40°
• Оптимизация параметров:
• Увеличьте число оборотов до 120 000-150 000
• Уменьшите скорость подачи до 1,0-1,5 м/мин
• Меняйте упражнения каждые 500 ударов
• Вспомогательные материалы:
• Алюминиевый входной материал высокой плотности
• Специальные резервные плиты (например, фенольные)
• Постобработка:
• Усиленное обесцвечивание (плазменная обработка по желанию)
• Оптимизация травления перед электроосаждением меди

Вопрос 4: Как следует проектировать отверстия под паяльную маску для областей BGA?

Технические характеристики конструкции:

• Стандартный BGA:

• Отверстия в паяльной маске на 0,05 мм больше, чем площадки с каждой стороны
• Минимальный мост паяльной маски 0,1 мм
• Конструкция NSMD (Non-Solder Mask Defined)

• BGA с мелким шагом (шаг ≤0,5 мм):

• Отверстия в паяльной маске равны или немного меньше (0,02-0,03 мм), чем у площадок
• Конструкция SMD (под паяльной маской)
• Рассмотрим процесс LDI (Laser Direct Imaging).

• Специальные процедуры:

• Предотвращение подъема паяльной маски на сферу BGA
• Контроль толщины паяльной маски до 10-15 мкм
• При необходимости создавайте дамбы для паяльной маски

Решение общих проблем:

• Толстая паяльная маска вызывает проблемы с пайкой: Используйте тонкие чернила для паяльной маски
• Разрушенные мостики паяльной маски: Оптимизация энергии воздействия и проявки
• Неправильное расположение отверстий: Проверьте фотоинструмент или данные LDI

Q5: Почему при нанесении покрытия ENIG иногда образуется "черный налет"? Как предотвратить это?

Причины возникновения черной полосы:
Черная площадка относится к хрупким поверхностям между никелем и припоем в покрытиях ENIG, в основном вызванным:

• Перетравливание никеля во время осаждения золота
• Ненормальное содержание фосфора в никеле (должно быть 7-9%)
• Чрезмерная толщина золота (>0,15 мкм), вызывающая пассивацию никеля
• Неправильная последующая обработка (недостаточная очистка)

Методы профилактики:

• Управление процессом:

• Поддерживайте pH ванны на уровне 4,5-5,5
• Контрольная толщина золота 0,05-0,10 мкм
• Добавьте обработку после погружения (например, промывку слабой кислотой).

• Мониторинг качества:

• Регулярное тестирование содержания фосфора в никеле
• Анализ поперечного сечения границы раздела никель-золото
• Испытание на сдвиг шариков припоя (>5 кг/мм²)

• Альтернативные решения:

• Рассмотрим ENEPIG (Electroless Nickel Electroless Palladium Immersion Gold)
• Используйте электролитический никель/золото для высоконадежных применений

Q6: Как решить проблемы целостности сигнала в высокоскоростных печатных платах?

Совместная оптимизация проектирования и производства:

• Выбор материалов:

• Материалы с низкой диэлектрической проницаемостью (Dk) и низким коэффициентом диэлектрических потерь (Df)
• Гладкая медная фольга (например, HVLP)

• Оптимизация дизайна:

• Строгий контроль импеданса (±10%)
• Минимизация сквозных шлейфов (обратное сверление)
• Использование микрополосковых или стриплинговых структур

• Производственный контроль:

• Точность травления (ширина трассы ±15 мкм)
• Контроль толщины диэлектрика (±10%)
• Выбор способа обработки поверхности (предпочтительнее Imm Ag или OSP)

• Тестирование Верификация:

• Тестирование методом рефлектометрии во временной области (TDR)
• Измерения вносимых/обратных потерь
• Тестирование глазковой диаграммы (для высокоскоростных сигналов)

Типичные параметры:

• Сигналы со скоростью 10 Гбит/с: Материалы с Df<0,010
• 28 Гбит/с+: Рассмотрите материалы Megtron6 или Rogers
• Импеданс: 50Ω односторонний, 100Ω дифференциальный (настройка по протоколу)

Iii. Выводы и рекомендации

Производство печатных плат представляет собой междисциплинарную технологию, объединяющую материаловедение, химические процессы и точное машиностроение. По мере развития электроники в направлении повышения частот, скоростей и плотности, процессы изготовления печатных плат продолжают развиваться соответствующим образом. Понимание этих производственных процессов не только облегчает разработку более производительных печатных плат, но и позволяет быстро устранять неполадки и эффективно взаимодействовать с производителями.

При работе с обычными материалами FR-4 для бытовой электроники, специализированными высокочастотными материалами для оборудования 5G или высоконадежной автомобильной электроникой выбор соответствующих производителей печатных плат и глубокое понимание их возможностей имеют решающее значение. Мы надеемся, что это руководство содержит ценные сведения, которые помогут вам принять взвешенное решение о производстве печатных плат.