PCB Productieproces Stappen: Een Uitgebreide Gids voor het Bouwen van Betrouwbare Printplaten

Klant-geantroiseerd beeldmateriaal

Printed Circuit Boards (PCB's) zijn de fundamentele componenten van bijna alle elektronische apparaten en dienen als verbindende ruggengraat die resistoren, condensatoren, chips en andere componenten verbindt.De reis van een digitaal ontwerpbestand naar een functionele PCB omvat een complexe reeks productiestappen, die elk precisie, gespecialiseerde apparatuur en strenge kwaliteitscontrole vereisen.Of het nu gaat om de productie van een eenvoudige enkellaagse PCB voor een hobbyproject of een geavanceerde 40-laagse HDI-plaat voor ruimtevaarttoepassingenIn deze gids wordt elke stap van de PCB-fabricage uiteengezet en worden de technologieën, methoden en methoden uiteengezet.materialen, en normen die ervoor zorgen dat het eindproduct voldoet aan de verwachtingen inzake prestaties en betrouwbaarheid.

Prefabricage: ontwerp en techniek
Voordat de fysieke productie begint, ondergaat het PCB-ontwerp een rigoureuze engineering en validatie om de vervaardigbaarheid, prestaties en kosteneffectiviteit te waarborgen.Deze prefabrieksfase is van cruciaal belang om fouten te minimaliseren en productievertragingen te verminderen.
1. PCB-ontwerp (CAD-layout)
Werktuigen: Ingenieurs gebruiken gespecialiseerde pcb-ontwerpsoftware zoals Altium Designer, KiCad of Mentor PADS om de stroombaanopstelling te maken.
Definieer de voetafdrukken van de onderdelen (fysieke afmetingen van de onderdelen).
De elektrische sporen tussen de onderdelen moeten worden geleid, waarbij de juiste afstand wordt gewaarborgd en kortsluitingen worden vermeden.
Ontwerp van laagstapels (voor meerlagige PCB's) met specificatie van dielectrische materialen en koperdiktes.
Inbouwen van ontwerpregels (bv. minimale spoorbreedte, gatgrootte) op basis van de productiecapaciteit.

Belangrijkste overwegingen:
a. Signaalintegriteit: voor hoogfrequente ontwerpen (> 1 GHz) worden sporen gerouteerd om impedantie-afwijkingen en crosstalk tot een minimum te beperken.
b.Thermisch beheer: er worden koperen vlakken en thermische via's toegevoegd om warmte van de energiecomponenten te verdrijven.
c.Mechanische beperkingen: de opmaak moet binnen de behuizing van het apparaat passen, met accuraat geplaatste montagegaten en uitsnijdingen.

2. Gerber-bestandgeneratie
Eenmaal het ontwerp is afgerond, wordt het omgezet in Gerber-bestanden, het industrie-standaardformaat voor PCB-productie.
Schijfailjes (kopersporen, soldeermask, zijdeplaat) voor elke PCB-laag.
Boringsbestanden (met vermelding van de grootte van de gaten en de plaatsen van de vias en de doorlopende onderdelen).
Netlistbestanden (definitie van elektrische verbindingen om testen mogelijk te maken).
Moderne ontwerpen kunnen ook ODB++-bestanden bevatten, die alle productiegegevens in één formaat verpakken voor gemakkelijker verwerking.

3. Design for Manufacturability (DFM) -controle
Een DFM-controle zorgt ervoor dat het ontwerp efficiënt en betrouwbaar kan worden geproduceerd.
Tracebreedte/afstand: Traces die kleiner zijn dan 3 mil (0,076 mm) of met een afstand van <3 mil kunnen niet worden vervaardigd met standaardprocessen.
Hoolgrootte: gaten kleiner dan 0,1 mm zijn moeilijk nauwkeurig te boren.
Koperbalans: onevenwichtige verspreiding van koper over lagen kan tijdens het lamineeren leiden tot vervorming.
Bescherming van het soldeermasker: Onvoldoende soldeermasker tussen dicht op elkaar geplaatste pads verhoogt het risico op kortsluitingen.
Het vroegtijdig aanpakken van deze problemen vermindert de herwerkingskosten en de productievertragingen.

Stap 1: Voorbereiding van het substraat
Het substraat vormt de starre basis van het PCB, en biedt mechanische ondersteuning en elektrische isolatie tussen geleidende lagen.Hoewel materialen zoals aluminium, polyimide of PTFE kunnen worden gebruikt voor gespecialiseerde toepassingen.
Procesgegevens:
Snijden: Grote substraatplaten (meestal 18×24×24 of 24×36×) worden in kleinere panelen (bijv. 10×12×) gesneden met behulp van precisiezaag of lasersnijmachine.De grootte van het paneel wordt gekozen om de efficiëntie te maximaliseren en tegelijkertijd binnen de beperkingen van de productieapparatuur te passen.
Reiniging: Panelen worden gereinigd met alkalische oplossingen en gedeïoniseerd water om oliën, stof en verontreinigingen te verwijderen.Dit zorgt voor een sterke hechting tussen het substraat en de koperlagen die in de volgende stappen worden aangebracht.
Drogen: panelen worden gebakken bij 100-120°C om vocht te verwijderen, wat tijdens het lamineeren kan leiden tot ontlaminatie.

Stap 2: Koperbekleding
Koperbekleding verbindt een dunne laag koperen folie aan één of beide zijden van het substraat, waardoor de basis voor geleidende sporen wordt gevormd.
Procesgegevens:
Folie selectie: de dikte van koperen folie varieert van 0,5 oz (17 μm) voor fijn pitch ontwerpen tot 6 oz (203 μm) voor high-power PCB's. De folie kan zijn:
Elektrodeponeerd (ED): ruw oppervlak voor betere hechting aan substraten.
Gewalste glooiing (RA): glad oppervlak voor hoogfrequente ontwerpen, waardoor signaalverlies wordt verminderd.
Laminatie: het substraat en de koperen folie worden op elkaar gestapeld en samen geperst in een vacuümlamineerpers.
Temperatuur: 170 ∼ 190°C
Druk: 20-30 kgf/cm2
Duur: 60 à 90 minuten
Dit proces smelt het epoxyhars in de FR-4 en bindt het aan de koperen folie.
Inspectie: Geplateerde panelen worden gecontroleerd op bubbels, rimpels of onevenwichtige koperdekking met behulp van geautomatiseerde optische inspectiesystemen (AOI).

Stap 3: Toepassing en blootstelling van fotoresistenten
In deze stap wordt het schakelpatroon van de Gerber-bestanden met behulp van fotolithografie overgebracht naar het koperbeklede substraat.
Procesgegevens:
Photoresist coating: een lichtgevoelig polymeer (fotoresist) wordt aangebracht op het koperen oppervlak.
Dompelen: Panelen worden ondergedompeld in vloeibare fotoresist, en dan gesponnen om een uniforme dikte te bereiken (10-30 μm).
Laminatie: op het paneel wordt onder hitte en druk een droge film met fotoresist gewalst, ideaal voor hoogprecisieontwerpen.
Voorbakken: De fotoresist wordt zacht gebakken bij 70°C om oplosmiddelen te verwijderen, zodat hij stevig aan het koper hecht.
Blootstelling: het paneel wordt uitgelijnd met een fotomask (een transparant vel met het in ondoorzichtige inkt gedrukte schakelpatroon) en blootgesteld aan UV-licht.Het UV-licht verhardt de fotoresist in gebieden die niet door het masker worden gedekt.
Alignment Precision: voor meerlagige PCB's zorgen alignment pins en fiduciële merken (kleine koperdoelen) ervoor dat de lagen binnen ±0,02 mm worden geregistreerd, wat cruciaal is voor via-verbindingen.

Stap 4: Ontwikkelen en etsen
Het ontwikkelen verwijdert niet-ontmaskerde fotoresistenten, terwijl het etsen het onderliggende koper oplost, waardoor de gewenste schakelpunten achterblijven.
Procesgegevens:
Ontwikkelen: Panelen worden bespot met een ontwikkelaarsoplossing (bijv. natriumcarbonaat) om niet-ontmaskerde fotoresisten op te lossen, waardoor het koper dat geëtst zal worden, wordt onthuld.
Spoelen: Ontgijnd water verwijdert residuele ontwikkelaar om de reactie te stoppen.
Etsen: blootgesteld koper wordt opgelost met behulp van een etseringsoplossing.
Ferricchloride (FeCl3): wordt gebruikt voor de productie van kleine partijen, kosteneffectief maar minder nauwkeurig.
Koperchloride (CuCl2): Geprefereerd voor de productie in grote hoeveelheden, met een betere controle en recycleerbaarheid.
De etser wordt op het paneel gespoten bij 40 ̊50 ̊C, waarbij de etseringstijd afhankelijk is van de koperdikte (bijv. 60 ̊90 seconden voor 1 oz koper).
Stripping: de overgebleven (geharde) fotoresist wordt verwijderd met een oplosmiddel of alkalische oplossing, waardoor schone kopersporen achterblijven.
Inspectie: AOI-systemen controleren of er geen ondergrits is (te dikke sporen), geen overgrits (te dunne sporen) of geen korte broek tussen de sporen.

Stap 5: Boren
Gaten worden geboord om door-gat componenten, via's (elektrische verbindingen tussen lagen) en montage-hardware op te nemen.
Procesgegevens:
Gereedschapskeuze:
Mechanische boormachines: boormachines met carbide- of diamantenpunten voor gaten ≥ 0,15 mm. Spindelsnelheden variëren van 10.000 ∼ 50.000 RPM om boren te minimaliseren.
Laserboormachines: UV- of CO2-lasers voor microvias (0,05 ∼0,15 mm) in HDI-PCB's, met een hogere precisie en kleinere gaatjes.
Stapelen: Panelen worden gestapeld (meestal 5 ̊10 panelen) om de efficiëntie te verhogen, met aluminium- of fenolplaten tussen hen om slijtage van de boor te verminderen.
Afbreken: De gaten worden gepoetst met slijpmiddelen of behandeld met chemische etchanten om koper- en substraatbrekingen te verwijderen, die kortsluitingen kunnen veroorzaken.
Vervlechting: Bij meerlagige PCB's verwijdert een chemische of plasmabehandeling de hars van de gatwanden, waardoor een betrouwbare bekleding in de volgende stappen wordt gewaarborgd.

Stap 6: Platering
Met de bekleding worden de gaten met geleidend materiaal bekleed, waardoor elektrische verbindingen tussen de lagen mogelijk zijn.
Procesgegevens:
Elektroless Copper Plating: een dunne laag (0,5 ‰ 1 μm) koper wordt op de wanden van gaten en blootgestelde substraatgebieden gedeponeerd zonder gebruik te maken van een elektrische stroom.zelfs in kleine gaten.
Elektroplatering: een elektrische stroom wordt toegepast om de koperschaal (typisch 15-30 μm) op sporen en gatwanden te verdikken.
Versterkt via verbindingen.
Verhoogt de spoorgeleidbaarheid voor krachtige toepassingen.
Beplatingsdiktecontrole: de huidige dichtheid en de beplatingstijd worden nauwkeurig gecontroleerd om een uniforme dikte over het paneel te bereiken.
Tinplating (optioneel): een dunne tinlaag kan worden aangebracht om kopersporen te beschermen tijdens de daaropvolgende verwerking (bijv. soldeermasker).

Stap 7: Applicatie van het soldeermasker
Een soldeermasker is een beschermende polymeercoating die wordt aangebracht op koperen sporen om te voorkomen dat de soldeerbruggen tijdens de assemblage ontstaan en te beschermen tegen oxidatie en milieuschade.
Procesgegevens:
Materiaalkeuze:
Liquid Photoimageable (LPI): wordt aangebracht door middel van sproeien of een gordijncoating, vervolgens gehard met UV-licht.
Droge film: gelamineerd op het paneel, ideaal voor grote productie.
Blootstelling en ontwikkeling: vergelijkbaar met fotoresistverwerking wordt het soldeermasker blootgesteld aan UV-licht via een masker en vervolgens ontwikkeld om koperen pads en vias bloot te stellen.
Verharding: Het paneel wordt gebakken bij 150°C om het soldeermasker volledig te verharden, waardoor chemische weerstand en hechting worden gewaarborgd.
Kleurenopties: Groen is standaard (biedt goed contrast voor inspectie), maar zwart, wit, rood of blauw kunnen voor esthetische of functionele doeleinden worden gebruikt (bijv. wit voor LED-reflectiviteit).

Stap 8: zijdeprinten
Silkscreen voegt tekst, logo's en componenten-identificatoren toe aan het PCB, wat helpt bij assemblage, testen en het oplossen van problemen.
Procesgegevens:
Selectie van inkt: op epoxy gebaseerde inkt wordt gebruikt voor duurzaamheid, met temperatuurbestandheid tot 260 °C (om soldering te overleven).
Afdrukken: Er wordt een stensil (met het zijschermpatroon) aan het PCB uitgelijnd en de inkt wordt door het stensil op het paneel geperst.
Verharding: de inkt wordt gedurende 30 tot 60 minuten bij 150°C verhard, zodat deze stevig vasthoudt en bestand is tegen oplosmiddelen.
Precisie: Het is van cruciaal belang om de onderdelen van de pads op elkaar af te stemmen (± 0,1 mm) om te voorkomen dat kritieke kenmerken zoals polariteitsmerken worden verborgen.

Stap 9: Aanbrengen van oppervlakteafwerking
Oppervlakteafwerking beschermt blootgestelde koperen pads (opening van het soldeermasker) tegen oxidatie en zorgt voor betrouwbare soldeerbaarheid tijdens de assemblage van onderdelen.
Gewone oppervlaktebekleding:

Stap 10: Elektrische testen
Elke PCB ondergaat strenge elektrische tests om ervoor te zorgen dat deze aan de ontwerpvoorschriften voldoet.
Belangrijkste tests:
a.continuïteitsonderzoek: controleert of alle sporen elektriciteit geleiden zoals ontworpen, waarbij wordt gecontroleerd of er geen openingen (gebroken sporen) zijn.
b.Test van isolatieweerstand (IR): meet de weerstand tussen aangrenzende sporen om te waarborgen dat er geen kortsluitingen optreden (meestal > 109Ω bij 500 V).
c. Hi-Pot-test: wordt een hoge spanning (500-1000 V) toegepast tussen geleiders en de grond om te controleren of de isolatie is afgebroken, wat cruciaal is voor de veiligheid in hoogspanningstoepassingen.
d.In-circuit-testing (ICT): voor geassembleerde PCB's verifiëren sondes de waarde van de componenten, de oriëntatie en de verbindingen, waarbij problemen zoals onjuiste weerstanden of omgekeerde dioden worden opgelost.
e.Flying Probe Testing: Geautomatiseerde sondes testen lege PCB's (voordat componenten worden samengesteld) op continuïteit en korte banden, ideaal voor prototypes met een laag volume.

Stap 11: Eindinspectie en verpakking
De laatste stap is ervoor te zorgen dat het PCB aan de kwaliteitsnormen voldoet voordat het naar de klant wordt verzonden.
Procesgegevens:
a.Visuele inspectie: AOI-systemen en handmatige controles verifiëren:
Soldeermasker dekking en uitlijning.
Silkscreen helderheid en plaatsing.
Uniformiteit van het oppervlak.
Geen lichamelijke afwijkingen (krassen, buizen of delaminatie).
b.Dimensionele inspectie: Coördinaten meetmachines (CMM's) verifiëren kritische afmetingen (bijv. gatenposities, plaatdikte) binnen ±0,05 mm.
c.Verpakking: PCB's worden in antistatische zakken of bakken verpakt om schade door elektrostatische ontlading (ESD) te voorkomen.
Routing: CNC-routers snijden langs vooraf bepaalde lijnen.
V-scoring: een V-vormige groef wordt in het paneel gesneden, waardoor handmatige scheiding met minimale spanning mogelijk is.

Vergelijkende analyse: PCB-productie met één of meerdere lagen

Industrienormen voor de vervaardiging van PCB's
De productie van PCB's wordt gereguleerd door wereldwijde normen om kwaliteit en betrouwbaarheid te garanderen:
a.IPC-A-600: Definieert aanvaardbaarheidscriteria voor de vervaardiging van PCB's, met inbegrip van toegestane gebreken in koper, soldeermasker en laminaat.
b.IPC-2221: Biedt ontwerpnormen voor spoorbreedten, afstand en gaten op basis van stroom- en spanningsvereisten.
c.IPC-J-STD-001: Specificeert de vereisten voor het solderen, waardoor sterke en betrouwbare verbindingen tijdens de montage worden gewaarborgd.
d.UL 94: Testt de ontvlambaarheid van PCB-materialen, waarbij voor veiligheidskritische toepassingen een waarde van V-0 (hoogste weerstand) vereist is.
e.RoHS/REACH: Beperking van gevaarlijke stoffen (lood, cadmium) en regulering van het gebruik van chemische stoffen, waardoor de veiligheid van het milieu en de mens wordt gewaarborgd.

Toekomstige trends in PCB-productie
De technologische vooruitgang verandert de PCB-productie:
a.Additieve productie: 3D-printen van geleidende sporen en dielektrische lagen maakt complexe, op maat gemaakte ontwerpen mogelijk met minder materiaalverspilling.
b.AI en automatisering: Machine learning optimaliseert boorpaden, voorspelt apparatuurfouten en verbetert de nauwkeurigheid van AOI, waardoor defecten met 30-50% worden verminderd.
c.High-Density Interconnect (HDI): Microvia's, gestapelde via's en fijnere spoorbreedtes (≤ 2 mils) maken kleinere, krachtigere PCB's mogelijk voor 5G- en AI-toepassingen.
e.Duurzaamheid: waterrecycling, koperherwinning uit etseringsmiddelen en biobased substraten (bijv. epoxy op basis van soja-olie) verminderen de milieueffecten.

Veelgestelde vragen
V: Hoe lang duurt het om een PCB te produceren?
A: De levertijden variëren afhankelijk van de complexiteit: PCB's met een enkele laag duren 2-5 dagen, PCB's met 4-8 lagen duren 5-10 dagen en HDI-boards met een hoog aantal lagen (12+ lagen) kunnen 15-20 dagen duren.De spoeddiensten kunnen deze tijden voor een premie met 30% tot 50% verminderen.- Wat is er?

V: Wat is het verschil tussen de productie van PCB's in prototype en productie?
A: Voor prototypes (1 ‰ 100 stuks) wordt de prioriteit gegeven aan snelheid en flexibiliteit, vaak met behulp van vereenvoudigde processen (bijv. handmatige inspectie).met geautomatiseerd testen en geoptimaliseerde panelen om de kosten per eenheid te verlagen- Wat is er?

V: Hoeveel kost PCB-productie?
A: De kosten zijn afhankelijk van het aantal lagen, de grootte en het volume. Een 2-laag, 10 cm × 10 cm PCB kost 2 ¢ 5 per eenheid in groot volume, terwijl een 8-laag HDI-bord van dezelfde grootte 20 ¢ 50 per eenheid kan kosten.

V: Wat veroorzaakt defecten bij de vervaardiging van PCB's en hoe kunnen deze worden voorkomen?
A: Veel voorkomende gebreken zijn delaminatie (vocht in de ondergrond), kortsluitingen (onvoldoende etsen) en onevenwichtigheid van de lagen (slechte registratie).Substraten voor het bakken om vocht te verwijderen, geautomatiseerde etseringsbewaking en precisie-uitlijningssystemen.

V: Kunnen PCB's gerecycled worden?
A: Ja. PCB's bevatten waardevolle materialen zoals koper (15 ∼ 20% van het gewicht), goud (in oppervlakteafwerking) en glasvezel.Gespecialiseerde recyclers gebruiken mechanische versnippering en chemische processen om deze materialen terug te winnen, waardoor de vraag naar afvalstoffen en grondstoffen wordt verminderd.

V: Wat is het maximale aantal lagen voor een PCB?
A: Commerciële PCB's variëren doorgaans van 1 tot 40 lagen.Hoewel deze geavanceerde lamineer- en boortechnieken vereisen om de betrouwbaarheid te behouden- Wat is er?

V: Hoe beïnvloeden milieufactoren de PCB-productie?
A: Temperatuur- en vochtigheidsbeheersing zijn van cruciaal belang.Fabrikanten onderhouden schoonruimtes met klimaatcontrole (20°C-25°C), 40~60% RH) om deze problemen te voorkomen.

V: Wat is de rol van automatisering in de PCB-productie?
A: Automatisering verbetert de nauwkeurigheid en consistentie tussen de stappen: AOI-systemen inspecteren sporen met een nauwkeurigheid van ± 0,01 mm, robothandlers verminderen menselijk contact (vermindering van verontreiniging),en AI-gedreven software optimaliseert boorpaden om slijtage van gereedschap te verminderenAutomatisering maakt ook 24/7 productie mogelijk en verhoogt de doorvoer.

V: Hoe worden flexibele PCB's anders vervaardigd dan starre PCB's?
A: Flexible PCB's gebruiken in plaats van FR-4 polyimide-substraten, waarvoor gespecialiseerde kleefstoffen en laminatieprocessen nodig zijn om de flexibiliteit te behouden.en hun oppervlakteafwerking (e).b.v. onderdompelingstenen) zijn geselecteerd om herhaalde buigingen te weerstaan.

V: Welke tests zijn vereist voor PCB's die worden gebruikt in veiligheidskritische toepassingen (bijv. medische hulpmiddelen)?
A: PCB's die van cruciaal belang zijn voor de veiligheid worden onderworpen aan uitgebreide tests, waaronder:
1.Thermische cyclus: -40°C tot 85°C gedurende meer dan 1000 cycli om langdurig gebruik te simuleren.
2.Vibratieonderzoek: 10 ‰ 2.000 Hz trillingen om te waarborgen dat de soldeersluitingen en onderdelen intact blijven.
3Röntgenonderzoek: om de kwaliteit en de laagopstelling in meerlagige platen te controleren.
4Certificaties: Naleving van normen zoals IPC-6012 (voor starre PCB's) en ISO 13485 (voor medische hulpmiddelen).

Conclusies
Het PCB-productieproces is een wonder van precisietechniek, waarbij chemische processen, mechanische bewerkingen,en geavanceerde automatisering om een digitaal ontwerp te transformeren in een functioneel circuit boardVan de voorbereiding van het substraat tot de eindtest speelt elke stap een cruciale rol om ervoor te zorgen dat het PCB voldoet aan de elektrische, mechanische en milieueisen.
Het begrijpen van deze stappen is essentieel voor ingenieurs, kopers en hobbyisten, omdat het geïnformeerde beslissingen over ontwerpcompensaties, materiaalkeuze en kostenbeheer mogelijk maakt.Als de elektronica zich blijft ontwikkelen en kleiner wordtDe productie van PCB's zal zich aanpassen, gedreven door innovaties op het gebied van materialen, processen en automatisering.
De productie van PCB's is een zeer gecoördineerd proces waarbij precisie en kwaliteitscontrole van het allergrootste belang zijn.draagt bij aan het vermogen van de raad om betrouwbaar te presteren in de beoogde toepassingDoor zich aan de industriestandaarden te houden en opkomende technologieën te omarmen, kunnen fabrikanten PCB's produceren die voldoen aan de eisen van moderne elektronica.