تولید برد مدار چاپی سخت: مواد، فرآیندها و استانداردهای صنعت

صفحه های مداری چاپی سخت (PCB) ستون فقرات تقریباً هر دستگاه الکترونیکی را تشکیل می دهند، از تلفن های هوشمند و لپ تاپ گرفته تا ماشین آلات صنعتی و تجهیزات پزشکی.PCB های سفت شکل ثابت خود را حفظ می کنند، ایجاد ثبات ساختاری برای اجزای و اطمینان از عملکرد قابل اعتماد در کاربردهای ثابت. تولید PCB های سفت شامل یک دنباله دقیق از مراحل است،از انتخاب مواد تا آزمایش نهاییاین راهنما مواد، فرآیندهای کلیدی و استانداردهای تعریف شده برای تولید PCB سخت را بررسی می کند.ارائه بینش در مورد چگونگی تأثیر این عوامل بر عملکرد، هزینه و قابلیت اطمینان.

مواد اصلی در تولید PCB سخت
عملکرد یک PCB سخت اساساً توسط مواد اصلی آن که شامل زیربناها، ورق های مس و لایه های محافظتی است تعیین می شود.هر ماده بر اساس الزامات درخواست برای مقاومت حرارتی انتخاب می شود، عملکرد الکتریکی و هزینه.

1مواد زیربنایی
بستر پایه سخت PCB را تشکیل می دهد و پشتیبانی مکانیکی و عایق الکتریکی بین لایه های مس را فراهم می کند. رایج ترین بستر ها عبارتند از:

a.FR-4 تسلط: اپوکسی تقویت شده با فیبرگلاس (FR-4) استاندارد صنعت است که حدود 90٪ PCB های سفت را تشکیل می دهد.و قابلیت پردازش آن را برای اکثر برنامه های کاربردی ایده آل می کند.
b.گزینه های Tg بالا: در محیط هایی که بیش از 130 درجه سانتیگراد است، مانند سیستم های اتومبیل زیر هود استفاده می شود، جایی که استاندارد FR-4 نرم یا از هم جدا می شود.
c. سبسترات های تخصصی: PCB های هسته ای آلومینیوم در از بین بردن گرما برجسته هستند ، در حالی که سبسترات های پلی آمید برای شرایط شدید مانند فضا یا اجاق های صنعتی ذخیره شده اند.

2ورق های مس
ورق های مس، ردیابی های رسانا را تشکیل می دهند که سیگنال های الکتریکی را حمل می کنند. ضخامت آنها و درمان سطح بر عملکرد تأثیر می گذارد:
a. ضخامت: از 0.5 oz (17μm) تا 6 oz (203μm) می باشد. مس ضخیم تر (2 ′′ 6 ′′) در PCB های قدرت برای مدیریت جریان های بالا استفاده می شود ، در حالی که 0.5 ′′ 1 ′′ برای ردیابی سیگنال استاندارد است.
b.معالجه سطح:
مس استاندارد (STD): پایان مات با خشکی متوسط (Rz = 1.5 ∼ 3.0μm) برای کاربردهای عمومی.
مس بسیار کم پروفایل (VLP): فوق العاده صاف (Rz <1.0μm) برای به حداقل رساندن از دست دادن سیگنال در طرح های فرکانس بالا (> 1GHz).
مس معالجه شده (RT): سطح صاف دی الکتریک برای بهبود چسبندگی، که در PCB های چند لایه استفاده می شود.

3. لایه های محافظ
a. ماسک جوش: پوشش پلیمر بر روی ردپای مس برای جلوگیری از پل های جوش در طول مونتاژ اعمال می شود. انواع رایج شامل فیلم های قابل تصویربرداری مایع (LPI) و خشک، در رنگ سبز (استاندارد) ،سیاه، یا سفید (برای بازرسی با کنتراست بالا).
b. Silkscreen: یک لایه چاپ شده از جوهر اپوکسی که بر اجزای موجود، نقاط آزمایش و نشانگرهای قطبی قرار می دهد، که در مونتاژ و عیب یابی کمک می کند.

فرآیند تولید PCB سخت
تولید PCB سخت شامل بیش از 20 مرحله است، اما این فرآیند را می توان به شش مرحله کلیدی تقسیم کرد، که هر کدام برای تضمین کیفیت و عملکرد حیاتی است:
1طراحی و آماده سازی فایل گربر
a.CAD Design: مهندسان از نرم افزار طراحی PCB (Altium، KiCad) برای ایجاد طرح ها، تعریف مسیرهای ردیابی، قرار دادن قطعات و لایه های لایه استفاده می کنند.
ب. فایل های Gerber: داده های طراحی به فرمت Gerber (استانداردهای صنعت) برای تولید تبدیل می شوند، از جمله جزئیات مانند عرض ردیاب، اندازه حفاری و لایه های ماسک سولدر.
c. بررسی DFM: نرم افزار طراحی برای تولید (DFM) مشکلات مانند رد های بسیار باریک، فضای خالی ناکافی یا اندازه های غیر استاندارد حفاری را شناسایی می کند و خطاهای تولید را کاهش می دهد.

2آماده سازی بستر و پوشش مس
a. برش: ورق های بزرگ سوبسترات (معمولاً 18×24×) با استفاده از اره های دقیق به اندازه PCB مورد نظر برش داده می شوند.
b. تمیز کردن: زیرپوش ها با محلول های قلیانی تمیز می شوند تا روغن ها و آلاینده ها را از بین ببرند و چسبندگی قوی مس را تضمین کنند.
c. پوشش: ورق مس با استفاده از گرما (180 ~ 200 °C) و فشار (20 ~ 30 kgf / cm2) به یک یا هر دو طرف بستر متصل می شود. PCB های چند لایه ای نیاز به مراحل لایه بندی اضافی برای هر لایه دارند.

3. الگوها و حکاکی
a. استفاده از photoresist: یک photoresist حساس به نور به زیربنای مس پوشانده شده از طریق اسپری یا غوطه ور شدن اعمال می شود.
ب. قرار گرفتن در معرض: بستر از طریق یک ماسک عکاسی در معرض نور UV قرار می گیرد و الگوی ردیابی را به photoresist منتقل می کند.
c.توسعه: فتوئوریست غیر سخت شده از بین می رود و آثار مس محافظت شده را باقی می گذارد.
د.حفر: مس در معرض استفاده از حشرات اسیدی (کلورید آهن یا کلورید مس) حل می شود و الگوی مورد نظر را ترک می کند.
e. استریپینگ: باقی مانده نور مقاومت با حلال حذف می شود، نشان دهنده آثار مس است.

4حفاری و پوشش
a.حفر: سوراخ برای اجزای سوراخ، ویاس ها و سخت افزار نصب با استفاده از ماشین آلات CNC با قطعات کربید یا الماس سوراخ می شود.15mm) برای PCB های با تراکم بالا با استفاده از لیزر ایجاد می شوند..
b.Deburring: سوراخ ها برای حذف مس و زیربنای burrs تمیز می شوند، جلوگیری از مدار کوتاه.
c. پوشش: یک لایه نازک از مس (5μ10μm) بر روی دیواره های سوراخ برای اتصال لایه ها به صورت الکتریکی الکتروپلاستی می شود. PCB های چند لایه نیز ممکن است برای پوشش بهتر از پوشش مس بدون الکتروپلاستی استفاده کنند.

5. استفاده از ماسک سولدر و ابریشم
a. چاپ ماسک سولدر: ماسک سولدر با نور UV استفاده می شود و خشک می شود و پد های مس و ویاس ها در معرض قرار می گیرند.
چاپ صفحه ابریشم: برچسب ها و نشانگرهای قطعات با استفاده از جوهر اپوکسی چاپ می شوند و سپس در درجه حرارت 150 درجه سانتیگراد برای اطمینان از دوام ، خشک می شوند.

6آزمایش و بازرسی نهایی
a.بررسی الکتریکی:
تست پیوستگی: بررسی می کند که تمام ردیف ها برقی را مطابق طراحی هدایت می کنند.
آزمایش Hi-Pot: ولتاژ بالا (500 ‰ 1000 ولت) را برای بررسی شکستگی عایق بین ردیف ها اعمال می کند.
ب.بررسی بصری: سیستم های بازرسی نوری خودکار (AOI) عیب هایی مانند نقایص ماسک سولدر گمشده، رد های اشتباه یا اشتباهات حفاری را بررسی می کنند.
c. آزمایش عملکردی: برای PCB های پیچیده، آزمایش های عملکردی عملیات دنیای واقعی را شبیه سازی می کنند تا اطمینان حاصل شود که اجزای آن به درستی با یکدیگر کار می کنند.

استانداردهای صنعتی برای PCB های سفت
تولید PCB سخت توسط استانداردهای جهانی که ثبات، قابلیت اطمینان و ایمنی را در تولید کنندگان تضمین می کند، تنظیم می شود. استانداردهای کلیدی عبارتند از:
1استانداردهای IPC (انجمن صنایع الکترونیک متصل)
a.IPC-A-600: معیارهای پذیرایی برای تولید PCB را شامل نقص های مجاز در مس، ماسک جوش و لایه بندی می شود.
b.IPC-2221: استانداردهای طراحی برای تخته های چاپی را شامل می شود، از جمله خطوط راهنمای پهنای ردیابی، فاصله و اندازه سوراخ.
c.IPC-J-STD-001: الزامات را برای فرآیندهای جوش و جوش مشخص می کند که تضمین می کند مفاصل قوی و قابل اعتماد باشند.

2گواهینامه UL (آزمایشگاه های Underwriters)
a.UL 94: آزمایش قابل اشتعال بودن مواد PCB، با رتبه بندی هایی مانند V-0 (بالاترین مقاومت) تضمین می کند که PCB ها در صورت آتش سوزی شعله ای را گسترش نمی دهند.
b.UL 796: ساخت PCB را گواهی می دهد، اطمینان از انطباق با استانداردهای ایمنی برای تجهیزات الکتریکی.

3RoHS و REACH (استانداردهای زیست محیطی)
a.RoHS: مواد خطرناک ( سرب، جیوه، کادمیوم) را در PCB محدود می کند و نیاز به جوش های بدون سرب و مواد سازگار دارد.
b.REACH: مواد شیمیایی مورد استفاده در تولید را تنظیم می کند و اطمینان حاصل می کند که مواد PCB برای سلامت انسان و محیط زیست ایمن هستند.

تجزیه و تحلیل مقایسه ای: PCB های سخت تک لایه و چند لایه

روند تولید PCB جامد
پیشرفت های تکنولوژی در حال ایجاد نوآوری در تولید PCB سخت است:
a. ارتباط متقابل با تراکم بالا (HDI): مایکروویا، ویاس های انباشته شده و پهنای ردیابی دقیق تر (≤3 میلی متر) امکان PCB های کوچکتر و قدرتمندتر را برای دستگاه های 5G و شتاب دهنده های هوش مصنوعی فراهم می کند.
ب- اتوماسیون: سیستم های بازرسی مبتنی بر هوش مصنوعی و تجمع رباتیک، خطای انسانی را کاهش می دهد و بهره وری و ثبات را بهبود می بخشد.
c. پایداری: مواد ضدآفتاب مبتنی بر آب، مس بازیافت شده و زیرپوش های مبتنی بر بیولوژیکی تأثیرات زیست محیطی تولید را کاهش می دهند.
d. تولید افزودنی: ردیف های رسانا با چاپ سه بعدی برای نمونه سازی سریع مورد آزمایش قرار می گیرند که امکان تکرار سریع تر طراحی را فراهم می کند.

سوالات عمومی
س: زمان تحویل معمول برای تولید PCB سخت چیست؟
A: زمان های تحویل از 2 ′′ 5 روز برای PCB های تک لایه ساده تا 5 ′′ 10 روز برای طرح های چند لایه (4 ′′ 8 لایه) است. PCB های HDI پیچیده ممکن است 10 ′′ 15 روز طول بکشد.

س: تولید یک PCB سخت چقدر هزینه دارد؟
ج: هزینه ها با توجه به اندازه، تعداد لایه ها و حجم متفاوت است: PCB های تک لایه از (1 ¢) 5 در هر واحد (حجم بالا) شروع می شوند، در حالی که PCB های HDI 8 لایه می توانند 50 ¢) 100 + در هر واحد (حجم کم) هزینه کنند.

س: حداکثر اندازه یک PCB سفت چیست؟
A: خطوط تولید استاندارد PCB ها را تا 24 × 36 × اداره می کنند، اما تولید کنندگان سفارشی می توانند تخته های بزرگتر (تا 48 × 60 ×) را برای کاربردهای صنعتی تولید کنند.

س: آیا می توان PCB های سفت را بازیافت کرد؟
A: بله، PCB های سفت حاوی مس ارزشمند (15٪ در وزن) هستند که می توانند بازیافت شوند. تاسیسات تخصصی همچنین فلزات گرانبها را از PCB های مورد استفاده در الکترونیک های پیشرفته بازیابی می کنند.

سوال: تفاوت بین FR-4 و FR4 با TG بالا در تولید چیست؟
A: FR4 Tg بالا به دماهای لایه برداری بالاتر (180 ٪ 200 ° C در مقابل 150 ٪ 170 ° C برای FR4 استاندارد) و زمان های سخت تر برای دستیابی به دمای انتقال شیشه ای بالاتر نیاز دارد.افزایش کمی هزینه های تولید.

نتیجه گیری
تولید PCB سفت یک فرآیند دقیق است که علم مواد، طراحی مهندسی و کنترل کیفیت را برای تولید اجزای الکترونیکی قابل اعتماد متعادل می کند.از انتخاب بستر FR-4 برای دستگاه های مصرفی تا مواد هسته ای آلومینیوم برای کاربردهای قدرتمندبا رعایت استانداردهای مانند IPC-A-600 و RoHS، تولید کنندگان اطمینان حاصل می کنند که PCB های سفت با الزامات جهانی برای ایمنی، قابلیت اطمینان،و مسئولیت زیست محیطی.
همانطور که الکترونیک همچنان در حال تکامل است، کوچک تر، سریعتر و قدرتمندتر می شود، تولید PCB سخت به آن تطبیق خواهد یافت و مواد و فرآیندهای جدیدی را برای پاسخگویی به خواسته های در حال ظهور به کار خواهد گرفت.چه در گوشی های هوشمند، دستگاه های پزشکی یا ماشین آلات صنعتی، PCB های سفت برای تکنولوژی مدرن ضروری هستند، اجزای متصل و نوآوری را امکان پذیر می کنند.
نکته کلیدی: تولید PCB سخت ترکیبی از هنر و علم است، جایی که انتخاب مواد، فرآیندهای دقیق،و انطباق با استانداردها برای ایجاد پایه های سیستم های الکترونیکی به هم می رسند.درک این عناصر برای طراحی و تولید PCB که اهداف عملکرد، هزینه و قابلیت اطمینان را برآورده می کند، حیاتی است.