Od 50-70% rabatu na ebooki i audiobooki, ponad 12 tysięcy pozycji (w tym IT, programowanie, elektronika). Sprawdź listę tytułów »

Jak powstaje PCB? Wycieczka po fabryce płytek drukowanych

Jak powstaje PCB? Wycieczka po fabryce płytek drukowanych

Chyba każdy elektronik widział kiedyś płytkę PCB, która została wykonana w profesjonalnej fabryce. Nie każdy jednak wie, jak wygląda ich produkcja.

Fabryki płytek drukowanych to miejsca, które nie są zbyt często dostępne dla zwiedzających. Dlatego w tym artykule postaramy się pokazać Wam jedną z największych fabryk tego typu.

Ogólny proces powstawania PCB nie jest tajemnicą dla osób, które kiedyś wykonywały je w domowych warunkach. Różnice dotyczą na ogół detali, które wynikają z optymalizacji czasowych i ekonomicznych. Warto jednak pamiętać, że im dokładniej znamy proces produkcji, tym lepiej możemy przygotować nasz projekt i tym mniej problemów znajdziemy po otrzymaniu przesyłki z naszym zamówieniem.

Pora sprawdzić jak wygląda proces powstawania płytki drukowanej przy produkcji na olbrzymią skalę. Wszystko na przykładzie jednej z fabryk firmy JLCPCB - największego producenta prototypowych PCB w Chinach. Firma ta realizuje codziennie około 10 000 zamówień, które przekładają się nawet na ponad 400 000 metrów kwadratowych PCB każdego miesiąca.

Profesjonalnie wykonane płytki PCB

Opisany niżej proces dotyczy 2-warstwowej PCB, czyli najpopularniejszej wśród hobbystów. Proces produkcji płytki o większej liczbie warstw różni się kolejnością i liczbą etapów. Niektóre są wykonywane kilkukrotnie. Dodatkowo dochodzi proces "doklejania" kolejnych warstw i przekładek izolacyjnych w specjalnych prasach.

Mimo wysokiego stopnia automatyzacji, ludzie nadal są potrzebni w fabrykach PCB

1. Sprawdzanie plików projektowych

Po zaprojektowaniu PCB w naszym programie, kluczowym krokiem jest stworzenie plików powszechnie nazywanych "gerberami". Jest to zbiór formatów, które opisują nasz projekt w sposób zrozumiały dla maszyn i znacznie ułatwiają pracę osobom przygotowującym produkcję. Pozwalają także od razu zauważyć potencjalne problemy dzięki porównaniom do ograniczeń urządzeń produkujących PCB.

Weryfikacja projektu PCB

Chociaż weryfikacji dokonuje się w dużym stopniu w sposób automatyczny, najczęściej mamy po drugiej stronie inżyniera, który zwróci nam uwagę, gdy np. ścieżki w którymś miejscu są za blisko siebie, przelotki mają zbyt małą średnicę lub warstwa opisowa nachodzi na pola lutownicze. Przy małych problemach, inżynier sam może zaproponować poprawkę i poprosi nas o zatwierdzenie.

2. Przygotowanie laminatu

Niemal każda fabryka PCB ma swój magazyn, w którym trzyma stosy laminatów o różnych wymiarach i parametrach. Laminaty mogą różnić się np. grubością miedzi, grubością warstwy izolacyjnej, a nawet samym materiałem, z którego ta warstwa jest wykonana.

Arkusze laminatu gotowe do wstępnej obróbki

Arkusze często są postrzępione i nierówne, więc jednym z pierwszych etapów jest ich docięcie i oczyszczenie. Brzegi zostają oszlifowane, zabezpieczone i laminat podróżuje do kolejnej części fabryki.

3. Automatycznie nawiercanie

Przygotowany arkusz trafia do specjalnych wiertarek numerycznych. Wykonywane są mniejsze otwory montażowe, otwory pod przyszłe przelotki, a także specjalne otwory ułatwiające pozycjonowanie elementów w późniejszych etapach produkcji.

Każda wiertarka posiada zestaw wierteł zróżnicowanej średnicy i sama zmienia je autonomicznie w zależności od wymagań podanych w plikach projektowych. Po wierceniu arkusze są czyszczone z resztek materiału, a powierzchnia miedzi jest delikatnie szlifowana w celu pozbycia się bruzd i rys.

4. Metalizacja

Ten etap tworzy cienką powłokę z miedzi m.in. w otworach, które mają być metalizowane. W fabryce JLCPCB uzyskuje się to przez zanurzenie powierconego laminatu w specjalnej, chemicznej kąpieli.

Kąpiel chemiczna - wstępna metalizacja otworów

Dzięki metalizacji otworów, możliwe jest wykonanie przelotek łączących warstwy miedzi w sposób zgodny z projektem. Po wyciągnięciu arkusza z kąpieli, zostaje on dokładnie wypłukany i osuszony.

5. Nanoszenie warstwy światłoczułej

Na miedziane strony laminatu nakładana jest specjalna, światłoczuła warstwa w formie folii, która jest naklejana na laminat, a na nią kładzie się specjalne maski, tzn. przeźroczyste klisze z nadrukowanym rysunkiem ścieżek z naszego projektu.

Stworzoną w ten sposób "kanapkę" umieszcza się pod lampą UV, która utwardza nieprzesłoniętą maską część światłoczułej folii. Laminat zostaje następnie dokładnie oczyszczony z nieutwardzonej warstwy światłoczułej, a następnie osuszony i wygrzany w piecu. Dzięki temu utwardzona warstwa staje się mechanicznie bardziej odporna.

6. Nanoszenie powłoki z cyny

Laminat zostaje pokryty powłoką z cyny - niezabezpieczona przez utwardzoną warstwę światłoczułą część miedzi i metalizowane otwory zostają pokryte cienką warstwą metalu podobnego do popularnego spoiwa lutowniczego. Uzyskuje się to zwykle poprzez zanurzenie laminatu w specjalnej kadzi roztopionego stopu SnPb, a przy wyciąganiu specjalne powietrzne dysze zdmuchują jego nadmiar z powierzchni arkusza.

Następnie płytkę topi się w kolejnej chemicznej kąpieli, która ma za zadanie rozpuszczenie i usunięcie powłoki światłoczułej. Proces jest powtarzany kilka razy, aż miedź spod tej powłoki zostanie całkowicie odsłonięta.

7. Trawienie miedzi

Kolejny proces chemiczny jest kluczowy, bo to w jego trakcie formują się ścieżki i pady płytki PCB. Niezabezpieczona we wcześniejszych etapach miedź zostaje usunięta z laminatu dzięki specjalnemu roztworowi podobnemu do popularnego B327, który jest nanoszony przez specjalne dysze.

Po usunięciu miedzi, następuje proces usuwania wcześniejszej powłoki z cyny - specjalna kąpiel chemiczna odsłania ścieżki i pady z czystej miedzi.

8. Kontrola jakości i poprawki

Arkusze są sprawdzane przez zaawansowany system wizyjny obsługiwany przez pracownika wyposażonego w różnego rodzaju dłutka i skrobaki. Po wykryciu różnic między wyglądem płytki, a plikiem projektu, osoba nadzorująca proces podejmuje decyzję, czy wada jest poważna i płytkę trzeba wyrzucić (np. nadtrawienia), czy płytkę można naprawić ręcznie (np. niedotrawienia). Napraw dokonuje się zwykle pod potężnymi mikroskopami, więc efekt jest przeważnie zadowalający.

9. Nakładanie soldermaski

Proces nakładania maski ochronnej może mieć dwa warianty. Pierwszy korzysta z techniki podobnej do sitodruku, gdzie specjalna polimerowa farba jest rozprowadzana przez specjalny szablon (osłaniający np. pola lutownicze).

Drugi wariant jest dużo bardziej skomplikowany, ale bardziej precyzyjny. Wymaga naniesienia warstwy soldermaski, która ma właściwości światłoutwardzalne. Ponownie stosuje się maski na przeźroczystych kliszach oraz utwardzanie lampami UV. Nieutwardzona maska zostaje usunięta podczas kąpieli chemicznej. Kolejny etap to proces podgrzewania i chłodzenia, którego celem jest utwardzenie powłoki soldermaski, dzięki czemu lepiej chroni ona znajdującą się pod spodem miedź i zyskuje lepsze parametry jako izolator elektryczny.

10. Warstwa opisowa

Na tym etapie również przewidziano dwa warianty. Pierwszy obejmuje duże serie produkcyjne, w których liczy się szybkość. Specjalny szablon wycinany jest laserowo i używany do naniesienia farby w sposób analogiczny do techniki sitodruku.

Jeśli seria jest mała i produkcja szablonu staje się nieopłacalna, to wybiera się wariant drugi i do akcji wkracza specjalna "drukarka", która nadrukowuje warstwę opisową na laminacie.

11. Powlekanie niezabezpieczonej miedzi

Ponieważ miedź bardzo szybko się utlenia w kontakcie z powietrzem, zabezpiecza się ją metalizowaną powłoką. Droższe opcje pozwalają na stosowanie złota technicznego, które ma świetne parametry jako przewodnik i dobrze się lutuje, natomiast nieco tańszą opcją jest zwykła powłoka z cyny (SnPb), którą chyba każdy z nas miał okazję poznać. To ona nadaje padom charakterystyczny "srebrny" kolor.

Arkusze PCB z naniesioną powłoką zabezpieczającą miedź przed utlenianiem

12. Cięcie i frezowanie

Do tego momentu wszystkie procesy są wykonywane na ogromnym arkuszu laminatu. Jeden arkusz potrafi na swoim obszarze zawierać wiele płytek PCB, a nierzadko są one z różnych projektów.

Arkusze takie poddaje się obróbce w specjalnych numerycznych frezarkach, które wycinają większe otwory, oddzielają projekty od siebie albo lekko nacinają panele z PCB (tzw. V-groove), dzięki czemu łatwo możemy je później sami rozdzielić.

13. Testowanie wykonanych PCB

Płytki umieszczane są w specjalnych statywach, a proste roboty w bardzo szybki sposób sprawdzają jakość połączeń elektrycznych i ich zgodność z projektem. Na koniec raz jeszcze są oglądane przez dział kontroli jakości wspomagany wizją komputerową, przeliczone przez pracownika, zapakowane próżniowo i przetransportowane do działu wysyłki.

Proces produkcji PCB można obejrzeć na poniższym filmie z fabryki JLCPCB. Część z etapów objętych jest tajemnicą, ale większość podstawowych czynności została przedstawiona bardzo dokładnie: 

O firmie JLCPCB

Główna siedziba JLCPCB znajduje się w Shenzhen. Firma jest największym producentem PCB, który specjalizuje się w szybkiej produkcji prototypów oraz małych serii PCB. W ciągu ostatnich 12 lat firma obsłużyła ponad 400 tys. klientów z całego świata. Każdego dnia przez stronę internetową JLCPCB składane jest ponad 10 tys. zamówień. Łącznie, każdego miesiąca do klientów trafia nawet 400 tys. metrów kwadratowych jedno, dwu i wielowarstwowych płytek drukowanych.

Podsumowanie

Cały proces może się wydawać skomplikowany i czasochłonny, ale dzięki automatyzacji, produkcja "od zamówienia do gotowej PCB" trwa zaledwie 3-4 godziny. W kontekście transportu, który w przypadku Chin może potrwać od 3 do 60 dni, jest to tempo ekspresowe. Tym bardziej, że produkcja odbywa się taśmowo, w sposób ciągły. Niektóre fabryki potrafią działać na pełnych obrotach 24 godziny na dobę, 7 dni w tygodniu. Który z opisanych etapów produkcji płytek drukowanych jest dla Was największym zaskoczeniem?

Artykuł sponsorowany napisany na podstawie informacji dostarczonych przez JLCPCB - producenta obwodów drukowanych. Źródła: [1], [2]

fabryka, PCB, płytka

Trwa ładowanie komentarzy...