مراحل فرآیند ساخت PCB: راهنمای جامع برای ساخت بردهای مدار

ساخت برد مدار چاپی (PCB) یک فرآیند دقیق و چند مرحله‌ای است که یک طرح دیجیتالی را به یک پلتفرم فیزیکی برای قطعات الکترونیکی تبدیل می‌کند. از نمونه‌سازی تا تولید انبوه، هر مرحله—از انتخاب مواد تا آزمایش نهایی—نیازمند دقت است تا اطمینان حاصل شود که PCB در کاربرد مورد نظر خود به طور قابل اطمینانی عمل می‌کند. چه برای یک حسگر ساده اینترنت اشیا (IoT) یا یک ایستگاه پایه 5G پیچیده، درک فرآیند ساخت برای بهینه‌سازی طراحی، هزینه و عملکرد کلیدی است.

این راهنما 10 مرحله اصلی ساخت PCB را تشریح می‌کند و فناوری‌های کلیدی، بررسی‌های کیفیت و تفاوت‌های بین فرآیندهای استاندارد و پیشرفته را برجسته می‌کند. در پایان، شما یک نقشه راه روشن از چگونگی تبدیل طرح شما به یک برد مدار کاربردی خواهید داشت.

نکات کلیدی
  الف. ساخت PCB شامل 10 مرحله حیاتی است، از برش مواد تا آزمایش نهایی، که هر مرحله بر عملکرد و هزینه تأثیر می‌گذارد.
  ب. فرآیندهای پیشرفته (به عنوان مثال، حفاری لیزری، بازرسی نوری خودکار) دقت را بهبود می‌بخشند اما 10 تا 30 درصد به هزینه‌های تولید در مقایسه با روش‌های استاندارد اضافه می‌کنند.
  ج. انتخاب مواد (FR4 در مقابل Rogers) و تعداد لایه‌ها (2 در مقابل 16 لایه) به طور قابل توجهی بر پیچیدگی ساخت و زمان تحویل تأثیر می‌گذارد.
  د. بررسی‌های کیفیت در هر مرحله نرخ نقص را از 10٪ (بدون بازرسی) به <1٪ (آزمایش جامع) کاهش می‌دهد و هزینه‌های بازکاری را 70٪ کاهش می‌دهد.

مروری بر ساخت PCB: از طراحی تا تولید
ساخت PCB یک فایل CAD (طراحی به کمک کامپیوتر) را از طریق یک سری فرآیندهای کاهشی و افزایشی به یک برد فیزیکی تبدیل می‌کند. گردش کار بسته به تعداد لایه‌ها، مواد و کاربرد متفاوت است اما از یک توالی اصلی ثابت پیروی می‌کند. در زیر یک نمای کلی سطح بالا قبل از پرداختن به جزئیات آمده است:
1. بررسی طراحی و آماده‌سازی فایل CAM
2. برش مواد
3. تصویربرداری لایه داخلی
4. اچینگ لایه داخلی
5. لمیناسیون لایه
6. حفاری
7. آبکاری
8. تصویربرداری و اچینگ لایه بیرونی
9. اعمال پوشش سطح
1. آزمایش و بازرسی نهایی

مرحله 1: بررسی طراحی و آماده‌سازی فایل CAM
قبل از شروع ساخت، طرح باید تأیید و به فایل‌های آماده تولید تبدیل شود.
  الف. بررسی قابلیت ساخت (DFM): مهندسان طرح CAD را بررسی می‌کنند تا اطمینان حاصل شود که با محدودیت‌های ساخت (به عنوان مثال، حداقل عرض خط 0.1 میلی‌متر، اندازه سوراخ ≥0.2 میلی‌متر) مطابقت دارد. مسائلی مانند فاصله کم یا ویژگی‌های پشتیبانی نشده برای جلوگیری از تأخیر در تولید علامت‌گذاری می‌شوند.
  ب. تبدیل فایل CAM: طرح به فایل‌های CAM (ساخت به کمک کامپیوتر) تبدیل می‌شود که شامل داده‌های لایه، مختصات حفاری و مشخصات مواد است. نرم افزارهایی مانند فرمت‌های Gerber و ODB++ استاندارد هستند.
  ج. پانل‌سازی: PCBهای کوچک به پانل‌های بزرگتر (به عنوان مثال، 18 اینچ × 24 اینچ) گروه‌بندی می‌شوند تا استفاده از مواد به حداکثر برسد و تولید ساده شود. پانل‌سازی هزینه‌ها را برای تولیدات با حجم بالا 20 تا 30 درصد کاهش می‌دهد.
شاخص کلیدی: یک بررسی DFM کامل، بازکاری پس از ساخت را 40٪ کاهش می‌دهد.

مرحله 2: برش مواد
زیرلایه پایه (معمولاً FR4، یک اپوکسی تقویت شده با الیاف شیشه) به اندازه پانل مورد نیاز برش داده می‌شود.
  الف. انتخاب زیرلایه: FR4 به دلیل هزینه و تطبیق پذیری برای 90٪ از PCBها استفاده می‌شود. بردهای با عملکرد بالا از Rogers (برای فرکانس بالا) یا هسته فلزی (برای مدیریت حرارتی) استفاده می‌کنند.
  ب. فرآیند برش: قیچی‌های خودکار یا برش‌های لیزری زیرلایه را به ابعاد پانل (به عنوان مثال، 12 اینچ × 18 اینچ) با تلرانس ±0.1 میلی‌متر برش می‌دهند. برش لیزری دقیق‌تر (±0.05 میلی‌متر) است اما 20٪ کندتر از برش مکانیکی است.
  ج. براده‌برداری: لبه‌ها صاف می‌شوند تا براده‌ها حذف شوند و از آسیب به تجهیزات در مراحل بعدی جلوگیری شود.

مرحله 3: تصویربرداری لایه داخلی
برای PCBهای چند لایه، لایه‌های داخلی با استفاده از فتو لیتوگرافی با ردیابی‌های مسی الگو می‌شوند.
  الف. تمیز کردن: پانل‌ها به صورت شیمیایی تمیز می‌شوند تا روغن، گرد و غبار و اکسیداسیون از بین برود و از چسبندگی مناسب فتو رزیست اطمینان حاصل شود.
  ب. اعمال فتو رزیست: یک پلیمر حساس به نور (فتو رزیست) از طریق پوشش غلتکی اعمال می‌شود (ضخامت: 10 تا 20 میکرومتر). فتو رزیست مایع برای ویژگی‌های ریز (<0.1 میلی‌متر ردیابی) استفاده می‌شود؛ فیلم خشک برای طرح‌های بزرگتر.
  ج. نوردهی: پانل از طریق یک فتوماسک (شابلون طرح مدار) در معرض نور UV قرار می‌گیرد. فتو رزیست در مناطق در معرض نور سخت می‌شود (پیوند متقابل) و از مس زیر آن محافظت می‌کند.
  د. ظهور: فتو رزیست سخت نشده با یک محلول شیمیایی (به عنوان مثال، کربنات سدیم) شسته می‌شود و الگوی ردیابی مورد نظر را محافظت می‌کند.
فناوری پیشرفته: تصویربرداری مستقیم لیزری (LDI) جایگزین فتوماسک‌ها با اسکن لیزری می‌شود و عرض ردیابی را تا 0.025 میلی‌متر برای PCBهای HDI (اتصال متقابل با چگالی بالا) امکان‌پذیر می‌کند.

مرحله 4: اچینگ لایه داخلی
اچینگ مس ناخواسته را حذف می‌کند و فقط ردیابی‌های الگو شده را باقی می‌گذارد.
  الف. انواع اچانت:
      کلرید آهن: مقرون به صرفه اما کندتر؛ برای تولید با حجم کم استفاده می‌شود.
      پرسولفات آمونیوم: سریع‌تر، دقیق‌تر؛ ایده‌آل برای طرح‌های با حجم بالا و گام ریز.
  ب. فرآیند: پانل در اچانت غوطه‌ور یا اسپری می‌شود که مس محافظت نشده را حل می‌کند. زمان اچینگ (2 تا 5 دقیقه) کالیبره می‌شود تا از اچینگ بیش از حد (باریک شدن ردیابی‌ها) یا اچینگ کمتر (مس باقیمانده) جلوگیری شود.
  ج. حذف رزیست: فتو رزیست باقی مانده با حلال یا محلول قلیایی حذف می‌شود و ردیابی‌های مسی را آشکار می‌کند.
بررسی کیفیت: AOI (بازرسی نوری خودکار) برای نقص‌هایی مانند ردیابی‌های از دست رفته، اتصال کوتاه یا اچینگ کمتر اسکن می‌کند و 95٪ از خطاها را قبل از لمیناسیون شناسایی می‌کند.

مرحله 5: لمیناسیون لایه
PCBهای چند لایه با استفاده از گرما و فشار به هم متصل می‌شوند.
  الف. آماده‌سازی Prepreg: ورقه‌های prepreg (فایبرگلاس آغشته به اپوکسی پخته نشده) به اندازه برش داده می‌شوند. Prepreg به عنوان چسب و عایق بین لایه‌ها عمل می‌کند.
  ب. Stack-Up: لایه‌های داخلی، prepreg و فویل‌های مسی بیرونی با استفاده از پین‌های ابزار (تلرانس: ±0.05 میلی‌متر) تراز می‌شوند. برای PCBهای 16 لایه، این مرحله به تراز دقیق برای جلوگیری از عدم ثبت لایه نیاز دارد.
  ج. پرس: استک گرم می‌شود (170 تا 180 درجه سانتی‌گراد) و به مدت 60 تا 90 دقیقه تحت فشار (300 تا 500 psi) قرار می‌گیرد و prepreg را پخت و لایه‌ها را به یک پانل واحد متصل می‌کند.
چالش: حباب‌های هوا بین لایه‌ها باعث جدا شدن لایه‌ها می‌شود. پرس خلاء (حذف هوا قبل از پخت) این خطر را 90٪ کاهش می‌دهد.

مرحله 6: حفاری
سوراخ‌ها برای اتصال لایه‌ها (ویاها) و نصب قطعات (سوراخ‌های عبوری) حفاری می‌شوند.
  الف. انواع مته:
    مته‌های مکانیکی: برای سوراخ‌های ≥0.2 میلی‌متر؛ سریع اما کمتر دقیق.
    مته‌های لیزری: برای میکروویاها (0.05 تا 0.2 میلی‌متر)؛ در PCBهای HDI استفاده می‌شود.
  ب. فرآیند: دستگاه‌های حفاری CNC از مختصات فایل CAM پیروی می‌کنند و تا 10000 سوراخ در ساعت حفاری می‌کنند. حفاری Peck (عقب‌نشینی متناوب) زباله‌ها را حذف می‌کند و از گرفتگی سوراخ جلوگیری می‌کند.
  ج. براده‌برداری: سوراخ‌ها تمیز می‌شوند تا براده‌های مسی حذف شوند و از آبکاری قابل اعتماد اطمینان حاصل شود.

مرحله 7: آبکاری
سوراخ‌ها و لایه‌های بیرونی با مس آبکاری می‌شوند تا اتصالات الکتریکی بین لایه‌ها ایجاد شود.
  الف. Desmear: مواد شیمیایی (به عنوان مثال، پرمنگنات) لکه‌های اپوکسی را از سوراخ‌های حفاری شده حذف می‌کنند و از چسبندگی مس اطمینان حاصل می‌کنند.
  ب. آبکاری مس بدون الکترولیز: یک لایه نازک (0.5 تا 1 میکرومتر) از مس بر روی دیواره‌های سوراخ و سطوح بیرونی بدون برق رسوب می‌کند و یک پایه رسانا ایجاد می‌کند.
  ج. آبکاری الکتریکی: پانل در یک حمام سولفات مس غوطه‌ور می‌شود و جریان اعمال می‌شود تا مس (15 تا 30 میکرومتر) بر روی ردیابی‌ها و دیواره‌های سوراخ ضخیم شود. این مرحله مقاومت کم (≤10mΩ) را در ویاها تضمین می‌کند.
گزینه پیشرفته: پر کردن ویا (آبکاری الکتریکی برای پر کردن کامل سوراخ‌ها) استحکام مکانیکی را اضافه می‌کند، ایده‌آل برای کاربردهای با لرزش بالا (خودرو، هوافضا).

مرحله 8: تصویربرداری و اچینگ لایه بیرونی
لایه‌های بیرونی مشابه لایه‌های داخلی الگو می‌شوند اما با مراحل اضافی برای ماسک لحیم و سیلک اسکرین.
  الف. تصویربرداری: فتو رزیست اعمال، نوردهی و ظهور می‌شود تا ردیابی‌های بیرونی تعریف شوند.
  ب. اچینگ: مس محافظت نشده حذف می‌شود و ردیابی‌ها و پدهای بیرونی باقی می‌مانند.
  ج. اعمال ماسک لحیم: یک پلیمر سبز (متداول‌ترین) یا رنگی اعمال می‌شود تا ردیابی‌ها را بپوشاند و پدها را برای لحیم‌کاری در معرض دید قرار دهد. ماسک لحیم از اتصال کوتاه جلوگیری می‌کند و از اکسیداسیون محافظت می‌کند.
  د. چاپ سیلک اسکرین: جوهر بر روی ماسک لحیم چاپ می‌شود تا قطعات را برچسب‌گذاری کند (به عنوان مثال، "R1،" "+5V") و به مونتاژ و عیب‌یابی کمک می‌کند.
روند: ماسک‌های لحیم شفاف و سیلک اسکرین سفید برای PCBهای LED در حال افزایش محبوبیت هستند و انتشار نور را بهبود می‌بخشند.

مرحله 9: اعمال پوشش سطح
پوشش‌های سطح از پدهای مسی در معرض دید در برابر اکسیداسیون محافظت می‌کنند و لحیم‌کاری قابل اعتماد را تضمین می‌کنند.

مرحله 10: آزمایش و بازرسی نهایی
پانل تمام شده تحت آزمایش‌های دقیق برای اطمینان از کیفیت قرار می‌گیرد.
  الف. آزمایش الکتریکی: یک تستر پروب پرنده برای بررسی اتصال کوتاه، باز و مقاومت در تمام شبکه‌ها، تأیید اتصال.
  ب. AOI: دوربین‌های با وضوح بالا برای نقص‌ها (به عنوان مثال، ماسک لحیم‌کاری نامناسب، سیلک اسکرین از دست رفته) بازرسی می‌کنند.
  ج. بازرسی با اشعه ایکس: برای BGA و PCBهای HDI برای بررسی اتصالات لحیم‌کاری پنهان و کیفیت ویا استفاده می‌شود.
  د. آزمایش امپدانس: برای PCBهای با سرعت بالا، یک TDR (بازتاب‌سنج دامنه زمانی) امپدانس کنترل شده (به عنوان مثال، 50Ω، 100Ω) را تأیید می‌کند تا از یکپارچگی سیگنال اطمینان حاصل شود.
  ه. Depanelization: پانل به PCBهای جداگانه با استفاده از مسیریابی، امتیازدهی یا برش لیزری، بسته به طراحی، برش داده می‌شود.

ساخت استاندارد در مقابل پیشرفته: تفاوت‌های کلیدی

سوالات متداول
س: ساخت PCB چقدر طول می‌کشد؟
پاسخ: 5 تا 7 روز برای PCBهای استاندارد 2 لایه؛ 10 تا 14 روز برای بردهای HDI 16 لایه. خدمات فوری زمان تحویل را 30٪ کاهش می‌دهد اما 50٪ به هزینه اضافه می‌کند.

س: چه چیزی باعث نقص در ساخت PCB می‌شود؟
پاسخ: مسائل رایج شامل عدم ثبت لایه (لمیناسیون ضعیف)، اچینگ کمتر/بیشتر و عدم تراز حفاری است. کنترل‌های فرآیند دقیق، نقص‌ها را به <1٪ کاهش می‌دهد.

س: آیا می‌توانم طرح خود را پس از شروع ساخت تغییر دهم؟
پاسخ: تغییرات پس از لمیناسیون لایه پرهزینه است (50 تا 100٪ از هزینه اصلی). بهتر است طرح‌ها را در مرحله DFM نهایی کنید.

س: هزینه ساخت PCB چقدر است؟
پاسخ: (5 تا) 15 برای PCBهای استاندارد 2 لایه (1000 واحد)؛ (20 تا) 50 برای بردهای HDI پیشرفته 16 لایه. مواد (به عنوان مثال، Rogers در مقابل FR4) و حجم، قیمت را تعیین می‌کنند.

س: حداکثر تعداد لایه برای PCBها چقدر است؟
پاسخ: PCBهای تجاری به 40+ لایه می‌رسند (به عنوان مثال، ابر رایانه‌ها)، اما اکثر برنامه‌ها از 2 تا 16 لایه استفاده می‌کنند.

نتیجه
ساخت PCB یک فرآیند دقیق است که تعادل بین پیچیدگی طراحی، علم مواد و فناوری تولید را برقرار می‌کند. از بررسی طراحی تا آزمایش نهایی، هر مرحله نقش مهمی در اطمینان از برآورده شدن الزامات الکتریکی، مکانیکی و قابلیت اطمینان برد دارد.
درک این مراحل به مهندسان کمک می‌کند تا طرح‌ها را برای هزینه و عملکرد بهینه کنند—چه انتخاب ENIG به جای HASL برای یک دستگاه پزشکی یا تعیین حفاری لیزری برای یک PCB تلفن هوشمند HDI. با تکامل الکترونیک، فرآیندهای ساخت همچنان پیشرفت خواهند کرد و PCBهای کوچکتر، سریع‌تر و قابل اطمینان‌تری را برای فناوری‌های فردا امکان‌پذیر می‌سازند.

با مشارکت با یک تولیدکننده که بررسی‌های کیفیت را در اولویت قرار می‌دهد و از تجهیزات پیشرفته استفاده می‌کند، می‌توانید اطمینان حاصل کنید که PCBهای شما نیازهای حتی چالش برانگیزترین برنامه‌ها را برآورده می‌کنند.