การผลิต PCB ที่หลากหลาย: ผลิตและประกอบ PCB อย่างไร

คืออะไร พีซีบี การผลิต?

พีซีบี manufacturing — การผลิตแผงวงจรพิมพ์ — เป็นกระบวนการทางอุตสาหกรรมในการผลิตบอร์ดที่มีความแข็งหรือยืดหยุ่นที่รองรับกลไกและเชื่อมต่อชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ทางไฟฟ้าในอุปกรณ์สมัยใหม่แทบทุกชนิด ตั้งแต่สมาร์ทโฟนและแล็ปท็อปไปจนถึงตัวควบคุมทางอุตสาหกรรมและเครื่องมือทางการแพทย์ PCB เป็นแพลตฟอร์มพื้นฐานที่ใช้สร้างระบบอิเล็กทรอนิกส์

PCB ประกอบด้วยชั้นตัวนำทองแดงหนึ่งชั้นขึ้นไปที่เคลือบบนพื้นผิวที่ไม่นำไฟฟ้า โดยทั่วไปคือ FR4 (ลามิเนตอีพ็อกซี่เสริมใยแก้ว) เส้นทองแดงมาแทนที่การเดินสายแบบจุดต่อจุดซึ่งมีลักษณะเฉพาะของระบบอิเล็กทรอนิกส์ยุคแรกๆ ซึ่งช่วยให้สามารถผลิตโทโพโลยีวงจรที่ซับซ้อนได้อย่างน่าเชื่อถือและในขนาดที่ต้องการ PCB การเชื่อมต่อระหว่างกันความหนาแน่นสูง (HDI) สมัยใหม่อาจมี ชั้นทองแดง 20 ชั้นขึ้นไป ในกระดานหนาเพียง 1.6 มม. โดยมีความกว้างของรอยต่ำกว่า 75 ไมครอน

การทำความเข้าใจว่าการผลิต PCB เกี่ยวข้องกับอะไร ตั้งแต่ลามิเนตดิบไปจนถึงบอร์ดที่ผ่านการทดสอบแล้ว มีความสำคัญสำหรับวิศวกร ผู้ซื้อ และผู้พัฒนาผลิตภัณฑ์ที่ต้องการข้อมูลในการตัดสินใจเกี่ยวกับการออกแบบเพื่อการผลิต การเลือกซัพพลายเออร์ และข้อกำหนดด้านคุณภาพ

PCB ทำงานอย่างไร: ความรู้พื้นฐานทางไฟฟ้าและเครื่องกล

โลภ PCB ทำงานอย่างไร จำเป็นต้องเข้าใจปฏิสัมพันธ์ระหว่างองค์ประกอบการทำงานทั้งสามของมัน ได้แก่ ชั้นที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้า สารตั้งต้นไดอิเล็กทริก และโครงสร้างการติดตั้งส่วนประกอบ

ตัวนำทองแดงติดตาม

กระแสไฟฟ้าไหลระหว่างส่วนประกอบต่างๆ ผ่านรอยทองแดงที่ฝังอยู่ในแต่ละชั้นของบอร์ด ความกว้างและความหนาของรางจะกำหนดความสามารถในการรองรับกระแสไฟฟ้า — กว้าง 0.5 มม. หนา 35 µm รอยทองแดงสามารถส่งกระแสไฟได้ประมาณ 1A อย่างต่อเนื่องโดยไม่มีการให้ความร้อนมากเกินไปภายใต้สภาวะมาตรฐาน ความสมบูรณ์ของสัญญาณในการออกแบบความเร็วสูงขึ้นอยู่กับอิมพีแดนซ์ที่ควบคุม: ความสัมพันธ์ระหว่างความกว้างของร่องรอย ความหนาของไดอิเล็กทริก และค่าคงที่ไดอิเล็กทริกของซับสเตรต (Dk) ซึ่งต้องได้รับการจัดการอย่างแม่นยำเพื่อป้องกันการสะท้อนของสัญญาณและครอสทอล์คใน RF และวงจรดิจิทัลความถี่สูง

พื้นผิวอิเล็กทริก

วัสดุฉนวนจะแยกชั้นทองแดงและให้ความแข็งแกร่งทางกล FR4 — มีค่าคงที่ไดอิเล็กตริกประมาณ 4.2–4.5 และอุณหภูมิการเปลี่ยนสถานะคล้ายแก้ว (Tg) อยู่ที่ 130–170°C — เป็นมาตรฐานอุตสาหกรรมสำหรับ PCB เอนกประสงค์ การใช้งานความถี่สูงใช้วัสดุ Dk ต่ำ เช่น Rogers 4003C (Dk 3.55) หรือลามิเนตที่ใช้ PTFE เพื่อลดการสูญเสียสัญญาณที่ความถี่ไมโครเวฟ

Vias และการเชื่อมต่อระหว่างเลเยอร์

Vias ได้รับการชุบให้เป็นรูทะลุหรือรูตันหรือฝังไว้ซึ่งเชื่อมต่อรอยทองแดงบนชั้นต่างๆ จุดผ่านรูทะลุครอบคลุมความหนาของบอร์ดทั้งหมด จุดอ่อนตาบอดเชื่อมต่อชั้นนอกกับชั้นในหนึ่งหรือหลายชั้นโดยไม่ต้องเจาะไปยังพื้นผิวตรงข้าม จุดแวะฝังเชื่อมต่อชั้นในเท่านั้น การเลือกผ่านส่งผลโดยตรงต่อความหนาแน่นของเส้นทางและประสิทธิภาพของสัญญาณในการออกแบบหลายชั้น

หน้ากากประสานและซิลค์สกรีน

ชั้นหน้ากากประสานโพลีเมอร์ — โดยทั่วไปจะเป็นสีเขียว แต่มีสีฟ้า แดง ดำ และขาว — ปกปิดรอยทองแดงเพื่อป้องกันการเกิดออกซิเดชันและการเชื่อมประสานระหว่างการประกอบ หมึกซิลค์สกรีน (คำอธิบาย) ที่พิมพ์อยู่ด้านบนจะให้ตัวกำหนดการอ้างอิงส่วนประกอบ เครื่องหมายขั้ว และข้อมูลผู้ผลิตสำหรับการประกอบและการใช้บริการภาคสนาม

บอร์ด PCB ทำขึ้นมาได้อย่างไร: กระบวนการผลิตทีละขั้นตอน

ความเข้าใจ วิธีทำบอร์ด PCB ชี้แจงว่าเหตุใดการตัดสินใจออกแบบบางอย่างจึงส่งผลต่อต้นทุนและเวลาในการผลิต ลำดับการผลิตมาตรฐานสำหรับบอร์ด FR4 หลายชั้นดำเนินการดังนี้:

ขั้นตอนที่ 1 — การสร้างภาพชั้นใน

ชั้นทองแดงด้านในเริ่มต้นจากแผ่นลามิเนตหุ้มทองแดง ตัวต้านทานฟิล์มแห้งไวแสงจะถูกเคลือบบนพื้นผิวทองแดง จากนั้นให้สัมผัสกับแสง UV ผ่านโฟโตมาสก์ (ฟิล์มที่สร้างโดย Gerber หรือการถ่ายภาพด้วยเลเซอร์โดยตรง) ความต้านทานที่ไม่ถูกเปิดเผยจะถูกพัฒนาออกไปทางเคมี และทองแดงที่ถูกเปิดเผยจะถูกแกะสลักในสารละลายอัลคาไลน์ เหลือเพียงรูปแบบร่องรอยที่ต้องการเท่านั้น ความแม่นยำในการติดตามในขั้นตอนนี้เป็นสิ่งสำคัญ: ข้อผิดพลาดในการลงทะเบียนชั้นในจะปะปนกับเลเยอร์ต่างๆ ในสแต็กอัพหลายชั้น

ขั้นตอนที่ 2 — การบำบัดและการเคลือบออกไซด์

แผงชั้นในได้รับการบำบัดทางเคมีด้วยออกไซด์สีน้ำตาลหรือสีดำเพื่อปรับปรุงการยึดเกาะ จากนั้นจึงแทรกด้วยแผ่นพรีเพก (ผ้าแก้วที่ชุบไว้ล่วงหน้าด้วยเรซินที่บ่มบางส่วน) แล้วกดเข้าด้วยกันภายใต้ความร้อนและความดัน - โดยทั่วไป 170–185°C ที่ 200–350 psi — ในเครื่องเคลือบ วิธีนี้จะประสานทุกชั้นให้เป็นแผงแข็งแผ่นเดียวและบ่มเรซินพรีเพกได้เต็มที่

ขั้นตอนที่ 3 — การเจาะ

เครื่องเจาะ CNC เจาะรูทะลุที่พิกัด X/Y ที่แม่นยำสำหรับจุดผ่านและสายส่วนประกอบ เส้นผ่านศูนย์กลางของการเจาะมีตั้งแต่ 6.0 มม. ลดลงเหลือ 0.1 มม สำหรับไมโครเวีย ความเร็วการเจาะ โหลดเศษ และการสึกหรอของดอกสว่านได้รับการควบคุมอย่างเข้มงวดเพื่อป้องกันการเคลื่อนตัวของสว่าน รอยเปื้อนของอิเล็กทริกเข้าไปในผนังรู หรือการหลุดล่อนที่จุดที่ทางออกของรู

ขั้นตอนที่ 4 — Desmear และการชุบทองแดงแบบไม่ใช้ไฟฟ้า

การเจาะจะทำให้เกิดรอยเปื้อนเรซินบนผนังรูซึ่งจะขัดขวางความต่อเนื่องทางไฟฟ้า กระบวนการกำจัดด่างทับทิมในพลาสมาหรือสารเคมีจะขจัดสิ่งปนเปื้อนนี้ การสะสมของทองแดงโดยไม่ใช้ไฟฟ้า (ตัวเร่งปฏิกิริยาอัตโนมัติ) จากนั้นจะใช้ชั้นทองแดงของเมล็ดพืชบางๆ — โดยทั่วไป 0.5–1.5 ไมโครเมตร — ติดกับผนังรูและพื้นผิวแผง ทำให้เกิดค่าการนำไฟฟ้าสำหรับการชุบด้วยไฟฟ้าในภายหลัง

ขั้นตอนที่ 5 - การถ่ายภาพและการชุบชั้นนอก

ชั้นนอกได้รับกระบวนการสร้างภาพเช่นเดียวกับชั้นใน แต่ใช้วิธีการเพิ่มเติม: มีการใช้ความต้านทาน เปิดออก และพัฒนาเพื่อให้พื้นที่ทองแดงถูกเปิดออกสำหรับการชุบ การชุบทองแดงด้วยไฟฟ้าจะสร้างรอยเส้นและทองแดงผ่านผนังตามความหนาที่ระบุ (โดยทั่วไปคือขั้นต่ำ 25–35 µm ในผนังรูต่อ IPC-6012 Class 2) การชุบดีบุกเหนือทองแดงจะทำหน้าที่เป็นตัวต้านทานการกัดในระหว่างการกัดชั้นนอกในภายหลัง

ขั้นตอนที่ 6 — การแกะสลัก หน้ากากประสาน และการตกแต่งพื้นผิว

ทองแดงชั้นนอกถูกแกะสลัก ตัวต้านทานดีบุกลอกออก และหน้ากากประสานใช้โดยการพิมพ์สกรีนหรืออิงค์เจ็ท และบ่มด้วยรังสียูวี จากนั้นจึงเคลือบพื้นผิวบนแผ่นทองแดงที่เปลือยเปล่า: ตัวเลือกทั่วไป ได้แก่ HASL (การปรับระดับการบัดกรีด้วยลมร้อน), ENIG (ทองแช่นิกเกิลแบบไม่ใช้ไฟฟ้า), OSP (สารกันบูดในการบัดกรีแบบอินทรีย์) และเงินแช่ — แต่ละรายการมีต้นทุนที่แตกต่างกันออกไป อายุการเก็บรักษาของความสามารถในการบัดกรี และความเหมาะสมสำหรับส่วนประกอบที่มีระยะพิทช์ละเอียด

ขั้นตอนที่ 7 — การกำหนดเส้นทาง การทดสอบ และการตรวจสอบ

แผงถูกส่งไปยังโครงร่างแต่ละบอร์ดโดยเราเตอร์ CNC หรือการให้คะแนน การทดสอบทางไฟฟ้า (หัววัดลอยหรืออุปกรณ์ติดตั้งฐานตะปู) จะตรวจสอบตาข่ายทุกอันสำหรับการเปิดและกางเกงขาสั้น การตรวจสอบด้วยแสงอัตโนมัติ (AOI) จะตรวจสอบรูปทรงร่องรอย และบอร์ดอาจได้รับการวิเคราะห์แบบภาคตัดขวางหรือการตรวจสอบแบบภาคตัดขวางเพื่อควบคุมความต้านทานและผ่านการตรวจสอบความหนาของการชุบก่อนจัดส่ง

การผลิตและการประกอบ PCB: จากบอร์ดเปลือยไปจนถึงหน่วยการทำงาน

พีซีบี production and assembly ครอบคลุมทั้งการผลิตแผ่นเปลือยและการผลิตชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ในเวลาต่อมา ซึ่งเป็นกระบวนการที่เปลี่ยนแผ่นลามิเนตที่แกะสลักเป็นชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ที่ใช้งานได้ โดยทั่วไปการประกอบจะเป็นไปตามเทคโนโลยีการติดตั้งส่วนประกอบหนึ่งหรือทั้งสองอย่าง:

เทคโนโลยีการยึดพื้นผิว (SMT)

ส่วนประกอบ SMT — ตัวต้านทาน, ตัวเก็บประจุ, ไอซี, คอนเนคเตอร์ — จะถูกวางโดยตรงบนแผ่นพิมพ์บัดกรีบนพื้นผิวบอร์ดโดยใช้เครื่องหยิบและวางที่ความเร็ว 20,000–60,000 ส่วนประกอบต่อชั่วโมง สำหรับสายความเร็วสูงสมัยใหม่ แผงที่ประกอบแล้วจะต้องผ่านเตาอบแบบรีโฟลว์ (อุณหภูมิสูงสุดโดยทั่วไปคือ 245–260°C สำหรับการบัดกรีไร้สารตะกั่ว) โดยที่ส่วนผสมจะละลายและเกิดเป็นข้อต่อบัดกรีถาวร SMT ช่วยให้สามารถวางส่วนประกอบหนาแน่นบนพื้นผิวบอร์ดทั้งสองและเป็นเทคโนโลยีที่โดดเด่นสำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สำหรับผู้บริโภคและอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่มีปริมาณมาก

เทคโนโลยีทะลุผ่านรู (THT)

ส่วนประกอบที่มีรูทะลุ เช่น ตัวเชื่อมต่อ ตัวเก็บประจุด้วยไฟฟ้า หม้อแปลง และอุปกรณ์ไฟฟ้า มีสายนำที่สอดผ่านรูเจาะและบัดกรีที่ด้านตรงข้ามโดยการบัดกรีแบบคลื่นหรือเครื่องบัดกรีแบบเลือกสรร ข้อต่อ THT มีความต้านทานแรงดึงเชิงกลสูงกว่าแผ่น SMT ทำให้นิยมใช้กับส่วนประกอบที่อยู่ภายใต้ความเค้นเชิงกลหรือการสั่นสะเทือนในการใช้งานด้านยานยนต์ อุตสาหกรรม และการทหาร

การประกอบเทคโนโลยีผสมผสาน

ส่วนประกอบอิเล็กทรอนิกส์ร่วมสมัยส่วนใหญ่จะรวมส่วนประกอบ SMT และ THT ไว้บนบอร์ดเดียวกัน การจัดลำดับกระบวนการ — SMT ก่อนหรือ THT ก่อน — ขึ้นอยู่กับความหนาแน่นของการวางส่วนประกอบ การวางแนวของบอร์ด และความเข้ากันได้ของกระบวนการบัดกรี บอร์ดเทคโนโลยีผสมจำเป็นต้องมีโปรไฟล์ระบายความร้อนอย่างระมัดระวังเพื่อให้แน่ใจว่ากระบวนการรีโฟลว์และการบัดกรีแบบคลื่นจะไม่สร้างความเสียหายให้กับส่วนประกอบที่บัดกรีก่อนหน้านี้

PCB Fab และ Assembly: ทำความเข้าใจกับตัวเลือกของห่วงโซ่อุปทาน

ระยะ พีซีบี fab and assembly — บางครั้งเขียนว่า PCBA (การประกอบแผงวงจรพิมพ์) — หมายถึงการจัดหาทั้งการผลิตแผ่นเปล่าและการประกอบส่วนประกอบจากซัพพลายเออร์รายเดียวหรือห่วงโซ่อุปทานที่ประสานงานกัน ทางเลือกระหว่างการจัดหาแบบรวมและแบบแยกมีนัยสำคัญต่อการควบคุมคุณภาพ ระยะเวลาดำเนินการ และต้นทุน:

บริการการผลิต PCB และการประกอบแบบครบวงจรช่วยลดภาระการบริหารจัดการของการประสานงานกับซัพพลายเออร์หลายราย และมีประโยชน์อย่างยิ่งสำหรับบริษัทสตาร์ทอัพและทีมผลิตภัณฑ์ที่ไม่มีทรัพยากรด้านซัพพลายเชนโดยเฉพาะ อย่างไรก็ตาม ผู้ซื้อควรตรวจสอบว่าซัพพลายเออร์แบบครบวงจรรักษาความสามารถในการตรวจสอบย้อนกลับของส่วนประกอบทั้งหมดได้อย่างสมบูรณ์ รวมถึงใบรับรองความสอดคล้องและเอกสารของประเทศต้นทาง เพื่อจัดการความเสี่ยงของส่วนประกอบลอกเลียนแบบ ซึ่งยังคงเป็นปัญหาสำคัญในการผลิตอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ตามสัญญา

วิธีใช้ PCB: การบูรณาการ การทดสอบ และข้อควรพิจารณาภาคสนาม

สำหรับนักพัฒนาผลิตภัณฑ์และผู้วางระบบทราบ วิธีใช้ PCB อย่างถูกต้อง - นอกเหนือจากการเชื่อมต่อทางไฟฟ้าขั้นพื้นฐาน - กำหนดว่าบอร์ดดำเนินการตามข้อกำหนดในการใช้งานขั้นสุดท้ายหรือไม่ ปัจจัยเชิงปฏิบัติหลายประการควบคุมการรวม PCB ที่ประสบความสำเร็จ:

การจัดการและการป้องกัน ESD

PCB เปลือยและประกอบมีความไวต่อการปล่อยประจุไฟฟ้าสถิต (ESD) การจัดการต้องเป็นไปตามโปรโตคอล ANSI/ESD S20.20: สายรัดข้อมือแบบต่อสายดิน พื้นผิวการทำงานที่ปลอดภัยจาก ESD และบรรจุภัณฑ์ป้องกันไฟฟ้าสถิตสำหรับการจัดเก็บและการขนส่ง เหตุการณ์ ESD รายการเดียวของ 500V หรือมากกว่า สามารถทำให้เกิดความเสียหายแฝงต่อเกทออกไซด์ของ MOSFET หรือไอซีที่ไวต่อ ESD ซึ่งอาจไม่แสดงว่าเกิดความล้มเหลวในทันที แต่ลดความน่าเชื่อถือในระยะยาว

การติดตั้งและความเครียดทางกล

ควรติดตั้ง PCB โดยใช้รูปแบบรูแยกที่ออกแบบมาเพื่อป้องกันการโค้งงอของบอร์ดภายใต้การสั่นสะเทือนหรือวงจรความร้อน การโค้งงอของบอร์ดมากเกินไป โดยเฉพาะในการประกอบซึ่งมีการวางตัวเก็บประจุเซรามิกขนาดใหญ่ไว้ใกล้กับขอบของบอร์ด อาจทำให้เกิดการแตกร้าวของส่วนประกอบ (MLCC แตกหัก) ซึ่งทำให้เกิดไฟฟ้าลัดวงจรหรือเปิดเป็นระยะๆ สำหรับการใช้งานที่มีการสั่นสะเทือนสูง การเคลือบแบบคอนฟอร์มอลและสารประกอบการเติมจะช่วยป้องกันกลไกเพิ่มเติม

การจัดการความร้อน

ส่วนประกอบที่สร้างความร้อน เช่น อุปกรณ์ควบคุมกำลัง โปรเซสเซอร์ เครื่องขยายสัญญาณ RF จะต้องได้รับการประเมินความต้านทานความร้อนจากจุดต่อไปยังสภาพแวดล้อมในสภาพแวดล้อมการติดตั้งจริง การเททองแดง จุดแวะระบายความร้อน (อาร์เรย์ของจุดเล็กๆ ใต้แผ่นจ่ายไฟเพื่อถ่ายเทความร้อนไปยังชั้นทองแดงด้านในหรือฮีทซิงค์) และการบังคับไหลเวียนของอากาศเป็นเทคนิคการจัดการระบายความร้อนทั่วไป ความล้มเหลวในการจัดการอุณหภูมิส่วนประกอบจะทำให้ MTBF สั้นลง และอาจทำให้เกิดการปิดระบบระบายความร้อนทันทีในการออกแบบที่ออกแบบมาไม่ดี

การตรวจสอบขาเข้าและการทดสอบการทำงาน

ก่อนที่จะรวม PCBA เข้ากับผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้าย การตรวจสอบที่เข้ามาควรตรวจสอบ: ขนาดของบอร์ดและการลงทะเบียนรู คุณภาพรอยประสานตามเกณฑ์ IPC-A-610 คลาส 2 หรือ 3 และผลการทดสอบการทำงานเทียบกับข้อกำหนดการทดสอบ การตรวจสอบผลิตภัณฑ์ชิ้นแรก (FAI) ในล็อตการผลิตเริ่มแรกจะตรวจจับการเคลื่อนตัวของกระบวนการได้ตั้งแต่เนิ่นๆ ก่อนที่การประกอบที่ไม่เป็นไปตามข้อกำหนดจะถึงปริมาณการผลิตหรือการส่งมอบของลูกค้า