PCB-fabricatieprocesstappen: een uitgebreide gids voor het bouwen van circuitboards

De fabricage van printplaten (PCB's) is een nauwkeurig, meerstaps proces dat een digitaal ontwerp omzet in een fysiek platform voor elektronische componenten. Van prototyping tot massaproductie, elke stap - van materiaalkeuze tot eindtest - vereist nauwkeurigheid om ervoor te zorgen dat de PCB betrouwbaar presteert in de beoogde toepassing. Of het nu gaat om een eenvoudige IoT-sensor of een complex 5G-basisstation, inzicht in het fabricageproces is essentieel om het ontwerp, de kosten en de prestaties te optimaliseren.

Deze gids beschrijft de 10 kernstappen van de PCB-fabricage en belicht belangrijke technologieën, kwaliteitscontroles en verschillen tussen standaard en geavanceerde processen. Aan het einde heb je een duidelijke routekaart van hoe je ontwerp een functionele printplaat wordt.

Belangrijkste leerpunten
  a. PCB-fabricage omvat 10 kritieke stappen, van het snijden van materiaal tot de eindtest, waarbij elke fase van invloed is op de prestaties en de kosten.
  b. Geavanceerde processen (bijv. laserboren, automatische optische inspectie) verbeteren de precisie, maar voegen 10-30% toe aan de productiekosten in vergelijking met standaardmethoden.
  c. Materiaalkeuze (FR4 vs. Rogers) en het aantal lagen (2 vs. 16 lagen) hebben een aanzienlijke invloed op de fabricagecomplexiteit en de doorlooptijd.
  d. Kwaliteitscontroles in elke stap verminderen het aantal defecten van 10% (geen inspecties) tot<1% (uitgebreide tests), waardoor de herstelkosten met 70% worden verlaagd.

Overzicht van PCB-fabricage: van ontwerp tot productie
PCB-fabricage zet een CAD-bestand (Computer-Aided Design) om in een fysieke printplaat door middel van een reeks subtractieve en additieve processen. De workflow varieert per aantal lagen, materiaal en toepassing, maar volgt een consistente kernvolgorde. Hieronder staat een overzicht op hoog niveau voordat we de details induiken:
1. Ontwerpbeoordeling & CAM-bestandsvoorbereiding
2. Materiaalsnijden
3. Beeldvorming van de binnenlaag
4. Etsen van de binnenlaag
5. Laamlaminering
6. Boren
7. Plateren
8. Beeldvorming & etsen van de buitenlaag
9. Oppervlakteafwerking aanbrengen
1. Eindtest & inspectie

Stap 1: Ontwerpbeoordeling & CAM-bestandsvoorbereiding
Voordat de fabricage begint, moet het ontwerp worden gevalideerd en omgezet in productieklaar bestanden.
  a. Design for Manufacturability (DFM) Check: Ingenieurs beoordelen het CAD-ontwerp om ervoor te zorgen dat het voldoet aan de fabricagebeperkingen (bijv. minimale spoorbreedte van 0,1 mm, gatgrootte ≥0,2 mm). Problemen zoals krappe afstanden of niet-ondersteunde functies worden gemarkeerd om vertragingen in de productie te voorkomen.
  b. CAM-bestandsconversie: Het ontwerp wordt omgezet in CAM-bestanden (Computer-Aided Manufacturing), die laaggegevens, boorcoördinaten en materialspecificaties bevatten. Software zoals Gerber- en ODB++-formaten zijn standaard.
  c. Panelisatie: Kleine PCB's worden gegroepeerd in grotere panelen (bijv. 18"×24") om het materiaalgebruik te maximaliseren en de productie te stroomlijnen. Panelisatie vermindert de kosten met 20-30% voor grote volumes.
Belangrijkste maatstaf: Een grondige DFM-controle vermindert de herwerking na fabricage met 40%.

Stap 2: Materiaalsnijden
Het basissubstraat (meestal FR4, een glasvezelversterkte epoxy) wordt op de vereiste paneelgrootte gesneden.
  a. Substraatselectie: FR4 wordt gebruikt voor 90% van de PCB's vanwege de kosten en veelzijdigheid. Hoogwaardige printplaten gebruiken Rogers (voor hoge frequentie) of metaalkern (voor thermisch beheer).
  b. Snijproces: Geautomatiseerde scharen of lasersnijders snijden het substraat op paneelafmetingen (bijv. 12"×18") met een tolerantie van ±0,1 mm. Lasersnijden is preciezer (±0,05 mm), maar 20% langzamer dan mechanisch scheren.
  c. Ontbramen: Randen worden gladgestreken om bramen te verwijderen, waardoor schade aan apparatuur in de volgende stappen wordt voorkomen.

Stap 3: Beeldvorming van de binnenlaag
Voor meerlaagse PCB's worden binnenlagen met koperen sporen gepatrooneerd met behulp van fotolithografie.
  a. Reiniging: Panelen worden chemisch gereinigd om olie, stof en oxidatie te verwijderen, waardoor een goede hechting van de fotoresist wordt gewaarborgd.
  b. Fotoresist aanbrengen: Een lichtgevoelige polymeer (fotoresist) wordt aangebracht via rolcoating (dikte: 10-20μm). Vloeibare fotoresist wordt gebruikt voor fijne kenmerken (<0,1 mm sporen); droge film voor grotere ontwerpen.
  c. Belichting: Het paneel wordt belicht met UV-licht door een fotomasker (sjabloon van het circuitontwerp). De fotoresist verhardt (cross-links) in belichte gebieden, waardoor het koper eronder wordt beschermd.
  d. Ontwikkelen: Ongeharde fotoresist wordt weggespoeld met een chemische oplossing (bijv. natriumcarbonaat), waardoor het gewenste spoorpatroon wordt beschermd.
Geavanceerde technologie: Laser direct imaging (LDI) vervangt fotomaskers door laserscanning, waardoor spoorbreedtes mogelijk zijn van slechts 0,025 mm voor HDI (High-Density Interconnect) PCB's.

Stap 4: Etsen van de binnenlaag
Etsen verwijdert ongewenst koper, waardoor alleen de gepatrooneerde sporen overblijven.
  a. Etsmiddeltypen:
     IJzerchloride: Betaalbaar maar langzamer; gebruikt voor kleine volumes.
     Ammoniumpersulfaat: Sneller, preciezer; ideaal voor grote volumes, fijnmazige ontwerpen.
  b. Proces: Het paneel wordt ondergedompeld in of besproeid met etsmiddel, dat onbeschermd koper oplost. De etstijd (2-5 minuten) wordt gekalibreerd om over-etsen (versmalling van sporen) of onder-etsen (restkoper) te voorkomen.
  c. Resiststrippen: Resterende fotoresist wordt verwijderd met een oplosmiddel of alkalische oplossing, waardoor de koperen sporen zichtbaar worden.
Kwaliteitscontrole: AOI (Automated Optical Inspection) scant op defecten zoals ontbrekende sporen, kortsluitingen of onder-etsen, en vangt 95% van de fouten op vóór laminering.

Stap 5: Laamlaminering
Meerlaagse PCB's worden met behulp van warmte en druk aan elkaar gebonden.
  a. Prepreg-voorbereiding: Vellen prepreg (glasvezel geïmpregneerd met ongeharde epoxy) worden op maat gesneden. Prepreg fungeert zowel als lijm als isolator tussen de lagen.
  b. Stack-up: Binnenlagen, prepreg en buitenste kopere folies worden uitgelijnd met behulp van positioneringspennen (tolerantie: ±0,05 mm). Voor PCB's met 16 lagen vereist deze stap een precieze uitlijning om verkeerde registratie van lagen te voorkomen.
  c. Persen: De stapel wordt verwarmd (170-180°C) en geperst (300-500 psi) gedurende 60-90 minuten, waarbij de prepreg wordt uitgehard en lagen worden gebonden tot één paneel.
Uitdaging: Luchtbellen tussen de lagen veroorzaken delaminatie. Vacuümpersen (verwijdert lucht vóór het uitharden) vermindert dit risico met 90%.

Stap 6: Boren
Gaten worden geboord om lagen (vias) te verbinden en componenten (doorlopende gaten) te monteren.
  a. Boortypes:
    Mechanische boren: Voor gaten ≥0,2 mm; snel maar minder precies.
    Laserboren: Voor microvias (0,05-0,2 mm); gebruikt in HDI-PCB's.
  b. Proces: CNC-boormachines volgen CAM-bestandscoördinaten en boren tot 10.000 gaten per uur. Prikboren (intermitterende intrekking) verwijdert vuil en voorkomt het verstoppen van gaten.
  c. Ontbramen: Gaten worden gereinigd om koperen bramen te verwijderen, waardoor betrouwbaar plateren wordt gewaarborgd.

Stap 7: Plateren
Gaten en buitenlagen worden met koper geplateerd om elektrische verbindingen tussen lagen te creëren.
  a. Desmear: Chemicaliën (bijv. permanganaat) verwijderen epoxyvegen uit geboorde gaten, waardoor de hechting van koper wordt gewaarborgd.
  b. Elektroloos koperplateren: Een dunne laag (0,5-1μm) koper wordt afgezet op gatwanden en buitenoppervlakken zonder elektriciteit, waardoor een geleidende basis wordt gecreëerd.
  c. Galvaniseren: Het paneel wordt ondergedompeld in een kopersulfaatbad en er wordt stroom aangebracht om koper (15-30μm) op sporen en gatwanden te verdikken. Deze stap zorgt voor een lage weerstand (≤10 mΩ) in vias.
Geavanceerde optie: Via-vulling (galvaniseren om gaten volledig te vullen) voegt mechanische sterkte toe, ideaal voor toepassingen met hoge trillingen (automotive, lucht- en ruimtevaart).

Stap 8: Beeldvorming & etsen van de buitenlaag
Buitenlagen worden op dezelfde manier gepatrooneerd als binnenlagen, maar met extra stappen voor soldeermasker en zeefdruk.
  a. Beeldvorming: Fotoresist wordt aangebracht, belicht en ontwikkeld om buitensporen te definiëren.
  b. Etsen: Onbeschermd koper wordt verwijderd, waardoor buitensporen en pads overblijven.
  c. Soldeermasker aanbrengen: Een groene (meest voorkomende) of gekleurde polymeer wordt aangebracht om sporen te bedekken, waardoor pads worden blootgelegd om te solderen. Soldeermasker voorkomt kortsluitingen en beschermt tegen oxidatie.
  d. Zeefdruk: Inkt wordt op het soldeermasker gedrukt om componenten te labelen (bijv. "R1," "+5V"), wat de montage en probleemoplossing vergemakkelijkt.
Trend: Transparante soldeermaskers en witte zeefdruk worden steeds populairder voor LED-PCB's, waardoor de lichtverspreiding wordt verbeterd.

Stap 9: Oppervlakteafwerking aanbrengen
Oppervlakteafwerkingen beschermen blootliggende koperen pads tegen oxidatie en zorgen voor betrouwbaar solderen.

Stap 10: Eindtest & inspectie
Het afgewerkte paneel wordt onderworpen aan strenge tests om de kwaliteit te waarborgen.
  a. Elektrische test: Een vliegende sondetester controleert op kortsluitingen, onderbrekingen en weerstand in alle netten, waarbij de connectiviteit wordt geverifieerd.
  b. AOI: Camera's met hoge resolutie inspecteren op defecten (bijv. verkeerd uitgelijnd soldeermasker, ontbrekende zeefdruk).
  c. Röntgeninspectie: Gebruikt voor BGA- en HDI-PCB's om verborgen soldeerverbindingen en via-kwaliteit te controleren.
  d. Impedantietest: Voor snelle PCB's verifieert een TDR (Time Domain Reflectometer) de gecontroleerde impedantie (bijv. 50Ω, 100Ω) om de signaalintegriteit te waarborgen.
  e. Depaneliseren: Het paneel wordt in afzonderlijke PCB's gesneden met behulp van routeren, scoren of lasersnijden, afhankelijk van het ontwerp.

Standaard vs. Geavanceerde fabricage: Belangrijkste verschillen

Veelgestelde vragen
V: Hoe lang duurt de PCB-fabricage?
A: 5-7 dagen voor standaard PCB's met 2 lagen; 10-14 dagen voor HDI-printplaten met 16 lagen. Spoedservices verkorten de doorlooptijd met 30%, maar voegen 50% toe aan de kosten.

V: Wat veroorzaakt PCB-fabricagefouten?
A: Veelvoorkomende problemen zijn verkeerde registratie van lagen (slechte laminering), onder/over-etsen en verkeerde uitlijning van de boor. Strikte procescontroles verminderen defecten tot<1%.

V: Kan ik mijn ontwerp wijzigen nadat de fabricage is gestart?
A: Wijzigingen na laminering van de lagen zijn kostbaar (50-100% van de oorspronkelijke kosten). Het is het beste om ontwerpen tijdens de DFM-fase af te ronden.

V: Hoeveel kost de PCB-fabricage?
A: (5-)15 voor standaard PCB's met 2 lagen (1000 eenheden); (20-)50 voor geavanceerde HDI-printplaten met 16 lagen. Materiaal (bijv. Rogers vs. FR4) en volume bepalen de prijs.

V: Wat is het maximale aantal lagen voor PCB's?
A: Commerciële PCB's bereiken 40+ lagen (bijv. supercomputers), maar de meeste toepassingen gebruiken 2-16 lagen.

Conclusie
PCB-fabricage is een precisiegedreven proces dat ontwerpcomplexiteit, materiaalkunde en productietechnologie in evenwicht brengt. Van ontwerpbeoordeling tot eindtest speelt elke stap een cruciale rol bij het waarborgen dat de printplaat voldoet aan de elektrische, mechanische en betrouwbaarheidseisen.
Inzicht in deze stappen helpt ingenieurs ontwerpen te optimaliseren voor kosten en prestaties - of ze nu ENIG boven HASL kiezen voor een medisch apparaat of laserboren specificeren voor een HDI-smartphone-PCB. Naarmate de elektronica evolueert, zullen de fabricageprocessen zich blijven ontwikkelen, waardoor kleinere, snellere en betrouwbaardere PCB's mogelijk worden voor de technologieën van morgen.

Door samen te werken met een fabrikant die prioriteit geeft aan kwaliteitscontroles en geavanceerde apparatuur gebruikt, kunt u ervoor zorgen dat uw PCB's voldoen aan de eisen van zelfs de meest veeleisende toepassingen.