PCB valmistusprosessin virtaus

Nykymaailmassa, jossa elektroniset laitteet ovat kaikkialla läsnä, piirilevyt (PCB) toimivat elektronisten tuotteiden “luurankona” ja “hermostona” ja niiden valmistusprosessit vaikuttavat suoraan tuotteen suorituskykyyn ja luotettavuuteen. Olitpa sitten elektroniikkainsinööri, hankinta-asiantuntija tai yksinkertaisesti kiinnostunut piirilevyjen valmistuksesta, piirilevyjen valmistuksen kokonaisvaltaisen työnkulun ymmärtäminen on välttämätöntä. Tässä artikkelissa käydään läpi jokainen piirilevytuotannon kriittinen vaihe raaka-aineista valmiiseen tuotteeseen ja käsitellään samalla yleisimpiä valmistushaasteita.

Ytimen yksityiskohtainen erittely PCB-valmistus Prosessit

1. Paneelin leikkaus (CUT): Tarkka lähtökohta

Levyjen leikkaus on ensimmäinen vaihe piirilevyjen valmistuksessa ja muodostaa perustan myöhemmille prosesseille. Vaikka se vaikuttaa yksinkertaiselta, siihen liittyy useita teknisiä näkökohtia:

• Materiaalin valinta:Yleisiä kuparipäällysteisiä laminaattimateriaaleja ovat FR-4 (lasikuituepoksi), alumiinisubstraatit ja korkeataajuusmateriaalit (esim. Rogers), jotka kaikki vaativat erilaisia leikkausparametreja.
• Mittasuhteiden valvonta: Tarkka leikkaus UNIT- (yksittäinen piiri), SET- (paneelikokoonpano) ja PANEL- (tuotantopaneeli) mittojen suunnittelumääritysten mukaisesti.
• Tarkkuusvaatimukset: Nykyaikainen PCB-valmistus vaatii tyypillisesti leikkaustoleransseja ±0,10 mm:n sisällä.
• Reunan käsittely: Leikkausreunat on puristettava, jotta karheat reunat eivät vaikuta myöhempiin prosesseihin.

Tärkeimmät näkökohdat:

• Tarkista materiaalin tyyppi, paksuus ja kuparin paino ennen leikkaamista.
• Ota huomioon materiaalin laajeneminen/supistuminen myöhemmissä prosesseissa paneelin kokoa määritettäessä.
• Pidä työympäristö puhtaana pintojen saastumisen estämiseksi.
• Säilytä eri materiaaleja erikseen sekoittumisen estämiseksi

2.Sisäkerroksen kuivakuvaus:Tarkkojen piirikuvioiden luominen.

Sisäkerroksen kuivakalvoprosessi on ratkaisevan tärkeä, jotta suunnittelumallit voidaan siirtää tarkasti piirilevysubstraatille, ja se koostuu useista osaprosesseista:

Pinnan valmistelu (paneelin pesu)

• Yhdistää kemiallisen puhdistuksen ja mekaanisen hankauksen
• Poistaa hapettumista ja luo mikrokarheutta, joka parantaa kuivakalvon tarttuvuutta.
• Tyypilliset parametrit: Ra 0,3-0,5μm karheus.

Kuivan kalvon laminointi

• Liimaa valoherkän kuivan kalvon kuparin pintaan lämpöliimalla.
• Lämpötilan säätö: Tyypillisesti 100-120°C
• Paineen säätö:0,4-0,6MPa.
• Nopeuden säätö: 1,0-1,5 m/min

Altistuminen

• Käyttää UV-valoa (365 nm:n aallonpituus) kuivatun kalvon valikoivaan kovettamiseen valotyökalun avulla.
• Energian säätö: 5-10mJ/cm²
• Rekisteröinnin tarkkuus: sisällä ±25μm

Kehitys

• Käyttää 1-prosenttista natriumkarbonaattiliuosta kovettumattoman kuivan kalvon liuottamiseen.
• Lämpötilan säätö: 28-32°C
• Ruiskutuspaine: 1,5- 2,5 bar

Etsaus

• Käyttää hapanta kuparikloridiliuosta (CuCl2+HCl) altistuneen kuparin liuottamiseen.
• Syövytystekijä (sivusyövytyksen valvonta) >3,0
• Kuparin paksuuden tasaisuus ±10 %:n sisällä

Strip

• Käytetään 3-5 % natriumhydroksidiliuosta suojaavan kuivan kalvon poistamiseen.
• Lämpötilan säätö: 45-55°C
• Aikaohjaus: 60-90 sekuntia

Suunnittelusuositukset:

• Sisäkerroksen vähimmäisjälki/väli ≥ 3 mil (0,075 mm).
• Vältä eristettyjä kuparipiirteitä liiallisen syövytyksen estämiseksi.
• Jaa kupari tasaisesti laminoinnin vääntymisen estämiseksi.
• Lisää suunnittelumarginaalia kriittisille signaalijäljille

3. Ruskean oksidin käsittely: Oxide: Kerrosten välisen sidoksen parantaminen

Ruskea oksidikäsittely on kriittinen tekijä monikerroksisten piirilevyjen valmistuksessa, sillä se parantaa ensisijaisesti sisäkerroksen kuparin ja prepregin (PP) välistä tarttuvuutta:

• Kemiallinen reaktio: Muodostaa kuparin pinnalle mikrokarhean orgaanis-metallisen kompleksikerroksen.
• Prosessin valvonta:
• Lämpötila: 30-40°C
• Aika: 1,5-3 minuuttia
• Kuparin paksuuden kasvu: 0,3-0,8μm
• Laadun todentaminen:
• Värin tasaisuus
• Veden kosketuskulmatesti (pitäisi olla ≥30°)
• Kuorintalujuuskoe (≥1,0 N/mm)

Yleiset kysymykset:

• Riittämätön käsittely voi aiheuttaa delaminaatiota laminoinnin jälkeen.
• Ylikäsittely aiheuttaa liiallista karheutta, joka vaikuttaa signaalin eheyteen.
• Käsitellyt paneelit on laminoitava 8 tunnin kuluessa.

4.Laminointi:Monikerrosrakenteiden muodostaminen

Laminointi liittää usean sisäkerroksen ytimet prepregiin (PP) lämmön ja paineen alaisena monikerrosrakenteiden luomiseksi:

• Materiaalin valmistelu:
• Kuparifolio (yleensä 1/3 tai 1/2 unssia)
• Prepreg (esim. 1080-, 2116- ja 7628-laadut).
• Ruostumattomasta teräksestä valmistetut levyt, voimapaperi ja muut apumateriaalit.
• Prosessin parametrit:
• Lämpötila: 170-190°C
• Paine: 15-25kg/cm²
• Aika: 90-180 minuuttia (riippuen levyn paksuudesta ja rakenteesta).
• Kriittiset tarkastukset:
• Lämmitysnopeus: 2-3°C/min
• Jäähdytysnopeus: Jäähdytysnopeus: 1-2°C/min
• Tyhjiötaso: ≤100mbar

Suunnittelua koskevat näkökohdat:

• Säilytä symmetrinen pinoaminen (esim. 8-kerroksinen levy: 1-2-3-4-4-4-3-2-1).
• Suuntaa vierekkäisten kerrosten jäljet kohtisuoraan (esim. vaakasuoraan yhdessä kerroksessa ja pystysuoraan viereisessä kerroksessa).
• Käytä korkean hartsipitoisuuden PP:tä raskaisiin kuparilevyihin.
• Harkitse materiaalivirtausta laminoinnin aikana sokeissa/hautautuneissa läpivientimalleissa.

5.Poraus:Tarkkuusliitosten luominen

Poraus luo pystysuoria yhteyksiä piirilevykerrosten välille, ja nykyaikaisella tekniikalla saavutetaan poikkeuksellinen tarkkuus:

• Poratyypit:
• Mekaaninen poraus (reiät ≥0,15 mm)
• Laserporaus (mikro- ja sokeat läpiviennit)
• Tyypilliset parametrit:
• Karan kierrosnopeus: 80 000-150 000 RPM
• Syöttönopeus: 4,0m/min
• Takaisinvetonopeus:10-20m/min
• Laatustandardit:
• Reiän seinämän karheus ≤25μm
• Reiän sijaintitarkkuus ±0.05mm
• Ei naulanpäitä tai purseita

Yleisten ongelmien vianmääritys:

• Karkeat reiän seinät: Optimoi porausparametrit, käytä asianmukaisia syöttö-/varamateriaaleja.
• Tukkeutuneet reiät: Paranna lastunpoistoa, säädä porausjärjestystä.
• Rikkinäiset porat: Tarkista poran laatu, optimoi syöttönopeudet.

6.Sähkötön kuparipinnoitus (PTH):Kriittisen reiän metallointi

Sähkötön kuparipinnoitus luo johtavia kerroksia johtamattomiin reikien seinämiin, mikä on ratkaisevan tärkeää piirilevyn luotettavuuden kannalta:

PTH-prosessin kulku

1. Desmear: Poistaa hartsijäämät porauksesta
2. Sähkösuojattu kupari:

• Emäksinen liuos, jossa käytetään pelkistävänä aineena formaldehydiä.
• Lämpötila: 25-32 °C
• Aika: 15-25 minuuttia
• Kuparin paksuus: 0,3-0,8μm

1. Paneelin pinnoitus:

• Hapan kuparisulfaattiliuos
• Virrantiheys: 1,5- 2,5ASD
• Aika: 30-45 minuuttia
• Kuparin paksuus: 5-8μm

Laatuvaatimukset:

• Taustavalotesti ≥9 taso (≥90% reiän seinän peittävyys)
• Lämpöjännitystesti (288 °C, 10 sekuntia) ilman delaminaatiota tai rakkuloita.
• Reikävastus ≤300μΩ/cm

7. Ulomman kerroksen kuvion siirto

Samanlainen kuin sisäkerroskuvantaminen, mutta sisältää ylimääräisiä pinnoitusvaiheita:

1. Pinnan esikäsittely: Puhdistus, mikrosyövytys (poistaa 0,5-1μm kuparia).
2. Kuivan kalvon laminointiKäyttää pinnoitusta kestävää kuivaa kalvoa
3. AltistuminenKäyttää LDI:tä (Laser Direct Imaging) tai perinteistä valokuvaustyökalua.
4. KehitysLuo pinnoituskuvion
5. Kuviopinnoitus:

• Kuparin paksuus: 20-25μm (yhteensä)
• Tinan paksuus: 3-5μm (syövytysvastuksena)

1. Strip:Poistaa pinnoitusvastuksen
2. EtsausPoistaa ei-toivotun kuparin

Tekniset kohokohdat:

• Jäljen leveyden kompensointi: Säädä suunnittelun leveys kuparin paksuuden mukaan (tyypillisesti lisää 10-20 %).
• Plattauksen tasaisuus:Käytä korkeaa heittoteholiuosta ja oikeaa anodin kokoonpanoa.
• Sivusärmäyksen valvonta:Optimoi syövytysparametrit jäljen leveyden tarkkuuden säilyttämiseksi.

8.Juotosmaski: Piirin suojakerros

Juotosmaski suojaa piirejä ja vaikuttaa juotoksen laatuun ja ulkonäköön:

• Soveltamismenetelmät:
• Seulapainatus: Vähän tarkkuutta vaativiin vaatimuksiin
• Ruiskupinnoite:Epäsäännöllisen muotoisia levyjä varten
• Verhon pinnoite:Tehokas, erinomainen tasaisuus
• Prosessin kulku:

1. Pinnan esikäsittely (puhdistus, karhennus)
2. Juotosmaskin käyttö
3. Esipaista (75 °C, 20-30 minuuttia).
4. Altistus (300-500mJ/cm²)
5. Kehitys (1-prosenttinen natriumkarbonaattiliuos)
6. Lopullinen kovettuminen (150 °C, 30-60 minuuttia)

• Laatustandardit:
• Kovuus ≥6H (kynän kovuus)
• Tarttuvuus: 100 % hyväksytään 3M teippitestillä.
• Juotoskestävyys: 288 °C, 10 sekuntia, 3 sykliä ilman vikoja.

Suunnitteluohjeet:

• Pienin juotosmaskin silta ≥0.1mm
• BGA-alueen aukot: 0.05mm suurempi kuin tyynyjen sivut sivua kohden.
• Kultaiset sormet vaativat juotosmaskin kattavuuden

9.Pintakäsittely: juotettavuuden ja kestävyyden tasapainottaminen

Eri pinnoitteet sopivat eri käyttötarkoituksiin:

Valintaopas:

• Tavallinen kulutuselektroniikka: HASL tai OSP
• Erittäin luotettavat tuotteet:ENIG
• Suurnopeuspiirit:Imm Ag tai OSP
• Reunaliittimet:(1-3μm)

10.Reititys: Tarkka ääriviivojen valmistus: Precision Outline Fabrication

PCB ääriviivojen käsittelyssä käytetään pääasiassa kolmea menetelmää:

• CNC-jyrsintä:

• Tarkkuus: ±0.10mm
• Aukon vähimmäisleveys: 1,0 mm
• Kulman säde: ≥0.5mm

• V-pisteytys:

• Kulma: 30° tai 45°
• Jäljelle jäävä paksuus: 1/3 levyn paksuudesta (tyypillisesti 0,3-0,5 mm).
• Sijaintitarkkuus: ±0.10mm

• Laserleikkaus:

• Tarkkuus: ±0.05mm
• Pienin viilto: 0,2 mm
• Ei mekaanista rasitusta

Suunnittelusäännöt:

• Säilytä ≥0,3 mm:n välys levyn reunan ja piirien välillä.
• Sisältää irrotettavat välilehdet tai hiirenpuremat paneloituja malleja varten.
• Tarkkojen DXF-tiedostojen tuottaminen epäsäännöllisiä ääriviivoja varten
• Viistetyt reunat (tyypillisesti 20-45°) kultaisia sormilevyjä varten.

11.Sähköinen testaus:Lopullinen laadunvalvonta

PCB-testaus varmistaa toiminnallisen luotettavuuden:

• Testimenetelmät:
• Lentävä luotain: Soveltuu pienen volyymin ja suuren sekoituksen tuotantoon.
• Varusteiden testaus:Suurten määrien tuotantoa varten
• AOI (automaattinen optinen tarkastus):Täydentävä tarkastus
• Testin kattavuus:
• 100 % nettojatkuvuus
• Eristystestaus (tyypillisesti 500 V DC)
• Impedanssitestaus (kontrolloidun impedanssin piirilevyille)

Yhteinen ongelmanratkaisu:

• Avautuu: Tarkista väärät avautumiset (huono testianturin kosketus).
• Shortsit:Analysoi lyhyt sijainti, tarkista suunnittelukysymykset
• Impedanssipoikkeama:Tarkista materiaaliparametrit ja jäljen leveyden säätö

12.Lopputarkastus & leima; pakkaus

Viimeinen laadunvarmistusvaihe:

• Tarkastuskohteet:
• Visuaalinen: Naarmut, tahrat, juotosmaskin viat
• Mitat: Paksuus, ääriviivat, reikäkoot
• Merkintä:Selkeys ja sijaintitarkkuus
• Toiminnallinen:Kultauksen laatu, impedanssitestit.
• Pakkausmenetelmät:
• Tyhjiöpakkaus (hapettumisen esto)
• Antistaattinen pakkaus (herkille komponenteille)
• lomitettu paperi (estää pintanaarmuja)
• Mukautetut lokerot (korkean tarkkuuden levyjä varten)

Toimitusstandardit:

• IPC-A-600G luokka 2 (kaupallinen)
• IPC-A-600G luokka 3 (korkea luotettavuus)
• Asiakaskohtaiset vaatimukset

PCB Manufacturing FAQ (Q & amp; A)

Q1: Miksi piirilevyni kokee kuparin kuorinnan juottamisen jälkeen?

Juurisyyt:

1. Huono kuparin ja alustan välinen tartunta (materiaalikysymys).
2. Liian korkea juotoslämpötila tai -aika
3. Huono suunnittelu (esim. suuri kuparipinta-ala, joka on yhdistetty ohuilla johtimilla).
4. Riittämätön ruskean oksidin käsittely

Ratkaisut:

• Valitse korkealaatuiset laminaattimateriaalit
• Optimoi juotosparametrit (< 260°C, < 5 sekuntia)
• Käytä lämpöliitäntöjä malleissa
• Tarkista ruskean oksidin prosessiparametrit valmistajalta.
• Suorita tarvittaessa lämpöjännitystestaus (288 °C, 10 sekuntia, 3 sykliä).

Kysymys 2: Miten käsitellä kerros-kerros virheellistä rekisteröintiä monikerroksisissa piirilevyissä?

Virheellinen rekisteröinti Lähteet:

• Materiaalin laajenemisen/supistumisen epäjohdonmukaisuudet
• Kerroksen siirtyminen laminoinnin aikana
• Riittämätön valotuksen rekisteröintitarkkuus
• Porauksen sijaintipoikkeamat

Parannustoimenpiteet:

• Suunnitteluvaihe:

• Rekisteröintikohteiden lisääminen (vähintään 3)
• Ylläpitää kuparin tasainen jakautuminen
• Materiaaliominaisuuksien huomioon ottaminen (korkeataajuisten materiaalien erityiskäsittely).

• Valmistus:

• Käytä erittäin tarkkoja LDI-valotuslaitteita
• Toteutetaan röntgenporauksen kohdistus
• Sovelletaan materiaalin kutistumisen kompensointialgoritmeja
• Harkitse peräkkäistä laminointia suuren kuvasuhteen levyjä varten

• Materiaalin valinta:

• Käytetään vähän CTE-materiaaleja
• Valitse mittapysyvä prepreg

Kysymys 3: Miten ratkaista karkeat reikien seinät pienissä rei'issä (< 0,2 mm)?

Tekniset ratkaisut:

• Poran valinta:
• Erikoisporat (esim. UC-tyyppiset)
• Pistekulma 130-140°
• Helix-kulma 35-40°
• Parametrien optimointi:
• Nosta kierrosluku 120 000-150 000:een.
• Vähennä syöttönopeutta 1,0-1,5 m/min.
• Vaihda harjoitteita 500 osuman välein
• Apumateriaalit:
• Suuritiheyksinen alumiininen sisääntulomateriaali
• Erikoistukilevyt (esim. fenoliset)
• Jälkikäsittely:
• Tehostettu desmearointi (plasmakäsittely valinnainen)
• Optimoi etchback ennen elektrolyyttistä kuparia

Kysymys 4: Miten juotosmaskin aukot tulisi suunnitella BGA-alueille?

Suunnittelun tekniset tiedot:

• Standardi BGA:

• Juotosmaskin aukot 0,05 mm suuremmat kuin tyynyt per puoli
• Pienin juotosmaskin silta 0.1mm
• NSMD-suunnittelu (Non-Solder Mask Defined)

• Fine-Pitch BGA (≤0,5 mm:n jako):

• Juotosmaskin aukot ovat yhtä suuret tai hieman pienemmät (0,02-0,03 mm) kuin tyynyjen aukot.
• SMD (Solder Mask Defined) -suunnittelu
• Harkitse LDI (Laser Direct Imaging) -prosessia.

• Erityiskäsittelyt:

• Estä juotosmaski kiipeämästä BGA-palloihin
• Ohjaa juotosmaskin paksuus 10-15μm:iin
• Toteutetaan tarvittaessa juotosmaskipadot

Yhteinen ongelmanratkaisu:

• Paksu juotosmaski aiheuttaa juotosongelmia: Käytä ohuita juotosmaskin määriä
• Rikkinäiset juotosmaskin sillat:Optimoi valotuksen energia ja kehitys
• Väärin kohdistetut aukot:Tarkista valokuvaustyökalun tai LDI:n tiedot

K5: Miksi ENIG-pinnoitus johtaa joskus “mustaan tyynyyn”? Miten se voidaan estää?

Musta tyyny aiheuttaa:
Black Pad viittaa nikkelin ja juotteen välisiin hauraisiin rajapintoihin ENIG-pinnoitteissa, jotka johtuvat pääasiassa seuraavista syistä:

• Nikkelin liiallinen syövyttäminen kullan saostuksen aikana
• Epänormaali nikkelifosforipitoisuus (pitäisi olla 7-9 %).
• Liian suuri kullan paksuus (>0,15μm) aiheuttaa nikkelipassivoitumista.
• Epäasianmukainen jälkikäsittely (riittämätön puhdistus).

Ehkäisymenetelmät:

• Prosessin valvonta:

• Säilytä kylvyn pH 4,5-5,5.
• Kullan paksuus 0,05-0,10μm.
• Lisätään jälkikäsittely (esim. lievä happopesu).

• Laadun seuranta:

• Säännöllinen nikkelifosforipitoisuuden testaus
• Nikkelin ja kullan rajapinnan poikkileikkausanalyysi
• Juotospallojen leikkaustestaus (>5kg/mm²)

• Vaihtoehtoiset ratkaisut:

• Harkitse ENEPIG (Electroless Nickel Electroless Palladium Immersion Gold).
• Käytä elektrolyyttistä nikkeliä/kultaa korkean luotettavuuden sovelluksissa.

Q6: Miten käsitellä signaalin eheysongelmia suurnopeuspiirilevyissä?

Suunnittelun ja valmistuksen yhteisoptimointi:

• Materiaalin valinta:

• Matala Dk (dielektrisyysvakio), matala Df (häviökerroin) materiaalit.
• Sileät kuparifoliot (esim. HVLP)

• Suunnittelun optimointi:

• Tiukka impedanssin säätö (±10 %)
• Minimoi tyngän kautta (takaporaus)
• Käytä mikroliuska- tai raitajohtorakenteita

• Valmistuksen valvonta:

• Syövytystarkkuus (±15μm jäljen leveys)
• Dielektrisen paksuuden säätö (±10%)
• Pintakäsittelyn valinta (mieluiten Imm Ag tai OSP)

• Testaus Todentaminen:

• TDR-testaus (Time Domain Reflectometry)
• Erottelu-/palautumishäviömittaukset
• Silmäkaavion testaus (suurnopeussignaaleille)

Tyypilliset parametrit:

• 10 Gbps-signaalit: Materiaalit, joiden Df<0.010
• 28 Gbps+:Harkitse Megtron6- tai Rogers-materiaaleja
• Impedanssi:(säädä protokollan mukaan): 50Ω single-ended, 100Ω differentiaali (säädä protokollan mukaan).

Päätelmä

Piirilevyjen valmistus on monialainen tekniikka, jossa yhdistyvät materiaalitiede, kemialliset prosessit ja hienomekaniikka.Kun elektroniikka kehittyy kohti suurempia taajuuksia, nopeuksia ja tiheyksiä, piirilevyjen valmistusprosessit kehittyvät vastaavasti. Näiden valmistusprosessien ymmärtäminen ei ainoastaan helpota valmistettavien piirilevyjen suunnittelua, vaan mahdollistaa myös nopean vianmäärityksen ja tehokkaan viestinnän valmistajien kanssa.

Riippumatta siitä, työskentelevätkö kuluttajaelektroniikan tavanomaisilla FR-4-materiaaleilla, 5G-laitteiden erikoistuneilla suurtaajuusmateriaaleilla tai korkean luotettavuuden autoelektroniikalla, asianmukaisten piirilevyvalmistajien valitseminen ja niiden kykyjen perusteellinen ymmärtäminen osoittautuu kriittiseksi.Toivomme, että tämä opas tarjoaa arvokkaita näkemyksiä, jotka tukevat tietoon perustuvaa päätöksentekoa piirilevyjen valmistuksessa.