Как делают печатные платы

Ниже описан процесс изготовления двусторонних печатных плат – самых популярных среди радиолюбителей. Процесс производства печатных плат с бóльшим числом слоев отличается последовательностью и количеством этапов. Некоторые из них выполняются несколько раз, и, кроме того, в специальных прессах происходит «склеивание» дополнительных слоев меди и изолирующих прокладок.

Несмотря на высокий уровень автоматизации, производство печатных плат пока не может обходиться без людей.

1. Обзор файлов проекта

После проектирования печатной платы в нашей программе, ключевым шагом является создание файлов, обычно называемых «Gerber». Это набор форматов, описывающих наш проект в форме, понятной станкам, и значительно облегчающий работу людей, занимающихся подготовкой производства. Они позволяют также сравнить проект с установленными для него ограничениями и сразу обнаружить потенциальные проблемы. Хотя проверка в основном выполняется автоматически, чаще всего у нас есть инженер, который обратит наше внимание, когда, например, дорожки расположены слишком близко друг к другу, пояски контактных площадок слишком малы или слой шелкографии находит на контактные площадки. В случае незначительных проблем инженер может сам предложить способ их исправления, запросив одобрения заказчика. Если проблемы более серьезны, проект будет отклонен, и исправлять файлы заказчику придется самостоятельно.

Проверка печатной платы.

2. Подготовка фольгированного стеклотекстолита

Почти у каждой фабрики, изготавливающей печатные платы, есть собственный склад, на котором штабелями хранятся запасы фольгированного стеклотекстолита с различными размерами и параметрами. Например, фольгированный стеклотекстолит может различаться толщиной меди, толщиной изолятора и даже материалами, из которых сделаны его слои. Нередко листы бывают неровными и имеют зазубренные края, поэтому одним из первых шагов является их разрезание и очистка. Края шлифуются и укрепляются, после чего листы отправляются в следующую часть фабрики.

Листы фольгированного стеклотекстолита готовы к предварительной обработке.

3. Сверление

Далее заготовки поступают на специальные сверлильные станки с ЧПУ. Небольшие монтажные отверстия, отверстия для будущих стоек, а также специальные отверстия для облегчения позиционирования элементов сверлятся на более поздних этапах производства. Каждый станок имеет набор сверл различных диаметров, которые он меняет автоматически, в зависимости от требований, указанных в файлах проекта. После сверления листы очищаются от остатков материала, а медная поверхность аккуратно шлифуется, чтобы удалить заусенцы и царапины.

Сверлильный станок с ЧПУ.

Кассеты со сменными сверлами.

4. Металлизация

На этом этапе образуется тонкое медное покрытие платы, в том числе в металлизированных отверстиях. На фабрике JLCPCB это выполняется путем погружения заготовки с просверленными отверстиями в специальную химическую ванну. Благодаря металлизации отверстий можно создать переходы, соединяющие медные слои в соответствии с разработанной схемой. После извлечения листа из ванны его тщательно промывают и сушат.

Химическая ванна для предварительной металлизации отверстий.

5. Нанесение фоторезиста

На этом этапе на медные слои панели наносится специальный фоточувствительный слой. Этот слой в форме пленки наклеивается на заготовку, после чего с ней совмещаются специальные маски, представляющие собой прозрачные пластины с напечатанными дорожками нашего проекта. Созданный таким образом «сэндвич» помещается под ультрафиолетовую лампу, свет которой отверждает часть светочувствительной пленки, незащищенную маской. После этого панель тщательно очищают от неотвержденного светочувствительного слоя, а затем сушат и нагревают в печи. Упрочненный в результате этой операции слой становится механически более стойким.

Рулон со светоотверждаемой пленкой.

Ультрафиолетовая маска с рисунком дорожек.

6. Лужение

Далее панель подвергают лужению оловянным сплавом, которым покрывается незащищенная упрочненным слоем часть меди. Обычно это делается погружением заготовки в специальный ковш с расплавом SnPb. При извлечении из ковша потоки воздуха, подаваемого через специальные форсунки, сдувают избыток олова с поверхности листа. Затем пластина погружается в другую химическую ванну, предназначенную для растворения и удаления светочувствительного покрытия. Процесс повторяется несколько раз до тех пор, пока медь не будет полностью открыта.

Печатная плата на этапе металлизации вскрытых областей меди.

Печатная плата с металлизированными областями меди.

7. Удаление меди

Следующий химический процесс имеет решающее значение, поскольку он формирует дорожки и контактные площадки печатных плат. Медь, незащищенная на предыдущих этапах, удаляется с заготовки с помощью травильного средства, аналогичного B327 (персульфату натрия), которое наносится специальными насадками. После удаления меди производится удаление предыдущего оловянного покрытия – в специальной химической ванне дорожки и контактные площадки очищаются до чистой меди.

После травления на печатной плате еще остается олово.

Перемещение плат после травления.

8. Контроль качества и исправление ошибок

Листы заготовок проверяются современной системой технического зрения в присутствии сотрудника, вооруженного различными резаками и скребками. При обнаружении различий между внешним видом платы и файлом проекта сотрудник, курирующий процесс, принимает решение – является ли дефект серьезным, и плату следует забраковать (например, в случае перетравливания), или ее можно исправить вручную. Ремонт обычно производится под мощными микроскопами, поэтому результат часто бывает удовлетворительным.

Система компьютерного зрения проверяет соответствие печатной платы файлам проекта.

Мелкие ошибки исправляются вручную.

9. Паяльная маска

Нанесение паяльной маски может выполняться двумя способами. Первый похож на технологию трафаретной печати, когда на плату, защищенную специальным шаблоном (например, закрывающим контактные площадки), наносится полимерная краска. Второй способ более сложен, но более точен. Для него требуется слой паяльной маски, обладающий светоотверждаемыми свойствами. Снова используются маски на прозрачных пленках, отверждаемые УФ-лампами, и снова неотвержденная маска удаляется в химической ванне. После этого начинается  процесс нагревания и охлаждения, целью которого является отверждение паяльной маски, благодаря чему она лучше защищает медь снизу и приобретает лучшую электрическую прочность.

Специальные машины переворачивают печатные платы.

Паяльные маски могут иметь разные цвета.

10. Слой шелкографии

Для этого этапа также предусмотрены два варианта. Первый рассчитан на выпуск крупных партий, когда первостепенное значение имеет скорость выполнения процесса. Специальный шаблон вырезается лазером и используется для нанесения краски примерно таким же способом, каким выполняется трафаретная печать. Если серия небольшая, и изготовление шаблона становится убыточным, выбирается второй вариант, когда специальный «принтер» напрямую печатает шелкографические надписи на заготовке платы.

Шаблон, используемый для нанесения шелкографии.

Вид печатной платы с нанесенной шелкографией.

11. Нанесение защитного покрытия

Поскольку медь очень быстро окисляется при контакте с воздухом, она защищается металлическим покрытием. В более дорогих вариантах используется техническое золото, которое имеет отличную проводимость и хорошо паяется, тогда как несколько более дешевый вариант – это обычное покрытие сплавом SnPb, с которым, скорее всего, встречался каждый из нас. Благодаря этому контактные площадки приобретают серебряный блеск.

Печатные платы, медь которых защищена от окисления.

12. Обрезка и фрезеровка

До настоящего момента все процессы выполнялись над большими панелями из фольгированного стеклотекстолита. Один такой лист может содержать множество печатных плат, и нередко из разных проектов. Такие листы обрабатываются фрезерными станками с ЧПУ, которые вырезают большие и нестандартные отверстия и разделяют листы на отдельные платы, или слегка надрезают панели, делая V-образные канавки, благодаря которым платы можно будет легко разделить позже.

Фрезерная головка станка с ЧПУ.

Групповые заготовки, разрезанные на отдельные платы.

13. Тестирование

Платы устанавливаются на специальные штативы, на которых простые роботы быстро проверяют качество электрических соединений и их соответствие проекту. В самом конце они снова поступают в отдел контроля качества, проверяются с помощью компьютерного зрения, проходят через вакуумный упаковщик и доставляются в отдел отправки.

Автоматический тестер электрических соединений.

Проверка и подсчет изготовленных печатных плат.

Стопка печатных плат, готовых к отправке.

Вы можете заказать вакуумную упаковку в термоусадочную пленку.

Процесс производства печатных плат на фабрике JLCPCB показан ниже на видео. Некоторые этапы производства являются технологическими секретами компании, но большинство основных операций представлено во всех подробностях.