De fundamenten van printed circuit board fabricage

Bij elke productieoperatie worden de levensduur en functionaliteit van een product grotendeels bepaald door de kwaliteit van de constructie. Printed circuit boards, of PCB's, zijn niet anders.

Het PCB-fabricageproces produceert de kaale printed circuit board, een van de belangrijkste kenmerken van elk product. Als zodanig is het productieproces een sleutelcomponent van de elektronica productielevenscyclus en speelt het een significante rol in het algehele succes van een project. Om het meest uit dit proces te halen, hebben klanten echter de antwoorden op drie kernvragen nodig:

• Wat is PCB-fabricage?
• Waarom is het belangrijk?
• Hoe speelt fabricage in het PCB-assemblageproces?

Over PCB's

Een printed circuit board draagt elektrische circuits en stelt signalen en vermogen in staat om gerouteerd te worden tussen apparaten. PCB's bestaan uit verschillende lagen materiaal:

• Substraat: In de kern van het bord is een substraat of basismateriaal. Traditionele borden gebruiken een glasvezelmateriaal genaamd FR4, hoewel andere borden aluminium, keramiek of polymer substraat kunnen gebruiken.
• Koper: Het substraat van de PCB is bedekt met een dunne koperfolie en gelamineerd met warmte en lijm. Het aantal "lagen" in een bord wordt bepaald door het aantal koperlagen — bijvoorbeeld, twee-zijdige PCB's hebben koper toegepast aan beide kanten van een substraat, en een vier-laags bord heeft in totaal vier lagen koper. De meeste PCB's bevatten één ounce koper per vierkante voet, hoewel hoogvermogen PCB's twee of drie ounces kunnen gebruiken.

Deze materialen worden gecombineerd in het fabricageproces om de kaale PCB te creëren. Deze kaale PCB wordt dan door het assemblageproces, of PCBA, gestuurd om soldeer en de elektronische componenten toe te passen, wat eindigt in een volledig functionele PCB.

Wat is PCB-fabricage?

PCB-fabricage is het proces waarbij de bovengenoemde materialen van een bord gecombineerd worden in functionele lagen om de kaale printed circuit board te vormen. De fabricage van kaale printed circuit boards werkt als volgt:

1. Ontwerpreview: Het fabricageproces start pas nadat het engineering team het ontwerp heeft beoordeeld. Dit heet een Design for Manufacturability check, wat ervoor zorgt dat het ontwerp geldig is en de toleranties en specificaties tijdens de productie gehaald kunnen worden.
2. Filmtoepassing: Het PCB-ontwerp wordt op films geprint met laser direct imaging, wat fotonegatieven van de bordindeling oplevert. Deze films worden op de materiaallagen toegepast en gebruikt als gids voor elk productieproces.
3. Koperetsen: Met diverse methoden wordt de ongewilde of overbodige koper geëtst of verwijderd om banen en pads te creëren. Dit proces omvat meestal meerdere rondes reiniging om overbodig materiaal en ongewilde chemicaliën te verwijderen.
4. Laag stack-up en laminatie: Als het bord een multi-laag bord is, worden de binnen- en buitenlagen met elkaar uitgelijnd na het koperetsproces. Dit wordt meestal bereikt met uitlijngaten in het bord zelf. Na inspectie van de lagen, wordt een epoxy-gebaseerde prepreg tussen elke laag geplaatst, en het bord wordt samen gelamineerd door warmte toe te passen — de warmte smelt de epoxy en hecht de lagen samen.
5. Boraten: Nadat de bordlagen gelamineerd zijn, wordt een boor gebruikt om gaten door het bord te creëren. Deze gaten worden gebruikt voor montagegaten, doorgangsgaten en via's.
6. Platen: Eenmaal boren voltooid, wordt het bord geplateerd met een micron-dikke laag koper, wat de binnenkant van de geboorde gaten bekleedt, wat doorgeplateerde doorgangsgaten creëert. Dit wordt meestal opgevolgd met meer etsen en koperverwijdering op de buitenlaag van het bord.
7. Soldeermasker toepassing: Nadat de koperlagen voltooid zijn, worden de panelen gereinigd en bedekt met soldeermasker. Soldeermasker geeft de PCB zijn karakteristieke groene kleur. Het soldeermasker isoleert koperbanen van onbedoelde contact met andere geleidende materialen die functionele problemen kunnen creëren en helpt tijdens assemblage zodat soldeer alleen op de juiste locaties wordt toegepast.  Eenmaal toegepast, worden ongewilde gebieden van het soldeermasker verwijderd, en het bord wordt in een oven geplaatst om de soldeermaskerlaag te curen.
8. Silkscreen: Of dit nu nodig is of niet, de volgende stap is de toepassing van het silkscreen, waarna het bord de finale curingsfase ondergaat. Bovenop de soldeermaskerlaag, is waar de silkscreenlaag wordt toegepast. Silkscreen is meestal wit van kleur en voegt letters, cijfers en symbolen toe aan de PCB. Deze silkscreenlaag helpt bij componenttype en locatie tijdens de assemblage van de PCB.
9. Oppervlakteafwerking: Na het curen van het soldeermasker en silkscreen, kan de PCB geplateerd worden met goud of zilver of andere oppervlakteafwerking om bescherming en functionaliteit te waarborgen.

Nadat de borden deze stappen voltooien, ondergaan ze typisch elektrische betrouwbaarheidstests om ervoor te zorgen dat ze functioneel zijn. Daarna, als de borden in een panel geproduceerd zijn, worden ze uitgesneden, geïnspecteerd en gerepareerd waar nodig.

Hoe fabricage in het algehele productieproces past

Fabricage is slechts één stap in het PCB-productieproces. Om het belang van printed circuit board fabricage volledig te begrijpen, is het belangrijk om te weten waar het in de cyclus ligt.

Het PCB-productieproces valt binnen drie algemene stadia, die in meer detail hieronder beschreven zijn:

1. PCB-ontwikkeling: PCB-ontwikkeling is de initiële fase van het productieproces. Eigenlijk is dit waar het PCB-ontwerp geconceptualiseerd, gewijzigd en gefinaliseerd wordt. PCB-ontwikkeling omvat meestal meerdere ronden ontwerp, prototyping en testen, met name voor meer complexe ontwerpen.
2. PCB-productie: Nadat het PCB-ontwerp gefinaliseerd is in de ontwikkelingsfase, gaat de PCB over naar het productieproces. Productie omvat twee stappen — fabricage en assemblage. Fabricage produceert het ontwerp van het bord, terwijl assemblage componenten op het bordoppervlak toepast. Aan het einde van dit proces zijn de borden compleet.
3. PCB-evaluatie: De finale fase van het productieproces is een evaluatie. Dit omvat een finale ronde testen na voltooiing van het productieproces. Deze testfase evalueert de geassembleerde bordens capaciteit om te presteren zoals bedoeld en elimineert borden die de tests niet halen. In sommige gevallen kan testen onthullen dat het bord een ontwerpaanpassing vereist, en de cyclus begint opnieuw. Als borden de tests halen, ondergaan ze een finale inspectie op eventuele defecten voordat ze verstuurd worden.

Waarom PCB-fabricage belangrijk is

PCB-fabricage is een uitgebesteerde activiteit uitgevoerd door een derde-partij fabrikant met behulp van de ontwerpen geleverd door hun klanten. Fabricage is belangrijk om te begrijpen omdat fabrikanten alleen het ontwerp zien, niet de prestaties die bedoeld zijn voor je ontwerp. Als ontwerpers het fabricageproces en beperkingen niet in gedachten houden tijdens het ontwerpproces, kunnen gefabriceerde borden beïnvloed worden in de volgende gebieden:

• Fabriceerbaarheid: Ontwerpkeuzes beïnvloeden de fabriceerbaarheid van PCB's. Bordontwerpen moeten rekening houden met de materiaaleigenschappen van het bord en adequate clearance tussen oppervlakte-elementen toelaten. Als het bord in panelen geproduceerd moet worden, moet dit ook het finale ontwerp beïnvloeden. Ontwerpen die deze factoren verwaarlozen, kunnen onmogelijk zijn om te fabriceren zonder herontwerp.
• Opbrengstsnelheid: In sommige omstandigheden kunnen borden succesvol gefabriceerd worden met het bestaande ontwerp. Echter, bepaalde ontwerpkeuzes kunnen leiden tot fabricageproblemen die meerdere borden onbruikbaar maken — bijvoorbeeld, het rekken van de tolerantiegrenzen van je productieapparatuur.
• Betrouwbaarheid: Meeste borden zijn gereguleerd onder industriële specificaties, die een vereist prestatieniveau van betrouwbaarheid dicteren. Het niet volgen van industriële eisen in ontwerp kan resulteren in onbetrouwbare of niet-functionele borden.

De beste manier om deze problemen te vermijden is om het PCB-fabricageproces te overwegen tijdens de ontwerpcyclus. Je kunt dit doen door design for manufacturability (DFM) regels te benutten en de mogelijkheden van je PCB-fabrikant te controleren tijdens de ontwerpcyclus. Wanneer je partnerschap aangaat met een hoge-kwaliteit PCB-fabrikant, kun je nauw met hen samenwerken om je ontwerp te optimaliseren voor het PCB-fabricageproces.

Kies Millennium Circuits Limited

Als je geïnteresseerd bent in het werken met een waarde-toegevoegde distributeur die innovatie alsook kwaliteit biedt, kan Millennium Circuits Limited (MCL) helpen.

We leveren state-of-the-art printed circuit boards voor veel verschillende producten en over verschillende industrieën. Snelle service is onze standaard. MCL biedt same-day offertes om de operationele efficiëntie van onze klanten te verhogen. Onze relatie-gedreven klantenservice stelt ons in staat om bovenop de toekomstige projecten van klanten te blijven, knelpunten te elimineren, en tijd te besparen.

Strategische productielocaties stellen MCL in staat om onze klanten een breed spectrum aan circuit board oplossingen te bieden met flexibele levertijden tegen competitieve prijzen.

Neem vandaag contact op met Millennium Circuits om meer te leren over het PCB-fabricageproces en hoe we je kunnen helpen met je PCB-behoeften.