Płytki drukowane (obwodu drukowanego) są arteriami elektronicznego krwioobiegu. Zastanawialiście się kiedyś, jak powstają? Każdy elektronik ma z nimi do czynienia – przynajmniej pośrednio – prawie codziennie. Opiera się o nie większość urządzeń elektronicznych. Przyglądamy się procesom tworzenia profesjonalnych płytek PCB na przykładzie dużej firmy zajmującej się projektem i montażem.
Internet obfituje w materiały opisujące proces niezwykle dokładnie i w sposób ujednolicony. Dzisiejszy artykuł jest czymś na kształt wycieczki po miejscu, gdzie owe płytki powstają. Kolejność jest prawidłowa, pamiętajcie jednak, że podział na fazy jest umowny. To nasza inwencja twórcza, aby lepiej zobrazować dla Was proces powstawania płytki PCB.
Faza 0, czyli projektowanie
Aby rozpocząć przygotowanie materiałów niezbędne jest właściwe zaprojektowanie ostatecznego wyglądu płytki. Używa się w tym celu oprogramowania do tworzenia plików w formacie Gerber i dokumentacji montażowej, która będzie potrzebna później. Wszystko musi być na miejscu – na tym etapie należy zwrócić uwagę m.in. na średnicę ścieżek, odległości pomiędzy nimi i układ pól lutowniczych. Płytki o większej liczbie warstw powodują konieczność przemyślenia ich kolejności, zastosowania “doklejania” warstw oraz izolacyjnych przekładek. Wszystko stworzono po to, aby montażysta nie miał wątpliwości co do wykonania płytki.
Zanim zaczniemy na dobre – pamiętajcie, że to kolejność, a nie oficjalne etapy. Przyjęty podział na następujące po sobie “fazy” to nasza inwencja, którą posłużyliśmy się dla lepszego zobrazowania Wam procesu powstawania płytek PCB.
Przygotowania
Do profesjonalnego wykonania płytki w fabryce PCB konieczny jest miedziowany laminat. Pełni on tę samą rolę, co płótno w malowaniu obrazu. Materiał produkcyjny szlifuje się, jego brzegi zostają docięte, a powierzchnia oczyszczona. Takie przygotowanie laminatu pozwala na dalsze kroki obróbki chemicznej i kąpiel w roztworze miedzi.
Po ukończeniu fazy projektowania i nawiercania z pomocą maszyn sterowanych numerycznie (CNC) pierwszy krok tworzenia płytek drukowanych to… druk. W tym celu używa się metody SMT (Surface Mount Technology) – montażu powierzchniowego. Prasa drukarska wykorzystuje pastę lutowniczą lub spoiwo, które są nanoszone na płytkę. Przygotowuje się wówczas elementy do spawania.
Pasta lutownicza i aplikowanie kleju
Drukujemy pastę lutowniczą lub mocujemy spoiwo na podkładkę lutowniczą PCB.
Rozpoczyna się aplikacja spoiwa w precyzyjnie wybranych punktach. Pamiętacie fazę projektu? Bardzo ważne jest tutaj uwzględnienie założeń i wytycznych. Będzie już tak do końca procesu.
Rozmieszczanie komponentów
Po sprawdzeniu, czy na płytkę naniesiono właściwą ilość pasty, można rozpocząć kolejny krok – aplikowanie komponentów na jej powierzchnię. Każdy z nich jest pobierany za pomocą dyszy chwytaka lub zasysany, sprawdzany i błyskawicznie umieszczany w uwzględnionym na etapie projektowania miejscu. Istnieje wiele maszyn, które mogą do tego posłużyć, zatem dokładny przebieg kolejnych kroków zależy od ich wyboru. Jeżeli planujemy szybki montaż dużej ilości podobnych egzemplarzy, to należy skupić się na szybkim umieszczaniu komponentów. W przypadku małych, zróżnicowanych partii bardziej istotna będzie natomiast wielofunkcyjność maszyny.
Na tym etapie ważny jest werdykt z wykorzystaniem maszyny do zautomatyzowanej inspekcji optycznej AOI (Automated Optical Inspection). Płytka o nieprawidłowo umieszczonych elementach, bez uwzględnienia wartości z projektu lub ze złą polaryzacją jest bezużyteczna.
Lutowanie
Jest to proces, w którym klejąca się mieszanka lutu i topnika – pasta lutownicza – jest stosowana w celu tymczasowego przytwierdzenia jednego lub kilku komponentów elektronicznych do padów. Zmontowana w ten sposób całość jest podgrzewana w kontrolowanej temperaturze za pomocą specjalnego pieca, gorącego powietrza albo lampy podczerwonej. Lut jest w ten sposób topiony i tworzone są permanentne łączenia.
Taniej, szybciej, nadal precyzyjnie
To najbardziej powszechna metoda. Lutowanie falowe jest prostsze i tańsze, lecz rozpływ sposobem montażu przewlekanego (THT, Through-Hole Technology) w połączeniu z montażem powierzchniowym (SMT, Surface Mount Technology) pozwala na pominięcie lutowania falowego. Redukuje to nakłady i koszty produkcyjne.
W następnym kroku montażu powierzchniowego konieczne jest wykrycie błędów w łączeniach lutu. Czasami ruch podczas procesu rozpływu skutkuje słabą jakością łączeń lub całkowitym ich brakiem. Nie tylko braki są częstym efektem ubocznym; zdarza się także, że połączono lutem elementy, które połączone być nie powinny. Najpopularniejsze metody inspekcji obejmują wspomniane AOI oraz technologię stosowaną w maszynach AXI (Automated X-ray inspection). Jest to zautomatyzowane sprawdzanie z wykorzystaniem Roentgena).
Powłoka ochronna
Materiał powłoki ochronnej to cienki polimer, który “dopasowuje” się do konturów drukowanej płytki i chroni jej komponenty. Typowa grubość warstwy aplikowanej to 25-250 μm (mikrometrów). Warstwa ma za zadanie chronić podzespoły przed wilgocią, pyłem, czynnikami chemicznymi i amplitudami temperaturowymi.
Podczas powlekania konformalnego oprócz powłok stosuje się także mieszanki zalewowe i inne rodzaje nanoszenia ochrony. Możliwa jest hermetyzacja elementów lub całych sekcji.
Finalna inspekcja i test
Po lutowaniu i powleczeniu ochronnym płytki proces jest prawie zakończony. Nadszedł czas na ostatnią inspekcję i test funkcjonalności. Oprogramowanie testowe PCBWay i narzędzia są w stanie dostosować płytkę do wymagań klienta. Test jest symulacją z uwzględnieniem warunków, w których będzie pracować płytka. W uproszczeniu moc i symulacja sygnałów przebiegają przez płytkę, podczas gdy monitory testowe sprawdzają charakterystykę elektryczną.
Mycie, suszenie i w drogę
Po procesie produkcyjnym pozostają olej i pył, które muszą zostać oczyszczone. Zwykle pasta lutownicza pozostawia po sobie ślady topnika, natomiast manualne operacje powodują przenoszenie się zacieków i kurzu z rąk i ubrań na powierzchnię płytki. Jest to zupełnie naturalne – nasza płytka zostaje oczyszczona i jest gotowa do dalszej drogi w świat.
Podsumowanie
Opisaliśmy dla Was koncepcję produkcji na dużą skalę – proces jest nie tylko niezwykle detaliczny, ale i elastyczny względem wymogów stawianych płytkom. Ogólny proces jest znany również twórcom własnych płytek. Nie od dziś wiadomo, że wiedza to potęga – wierzymy, że lepsze zrozumienie procesu z pewnością pozwoli Wam na precyzyjne przystosowanie tworzonych w domowym zaciszu płytek do własnych projektów. Trzymamy kciuki!
