Jakie są kluczowe kroki w produkcji wielowarstwowych płytek PCB?

Wielowarstwowa produkcja płytek PCB to wiodąca technologia wspierająca rozwój zaawansowanej elektroniki, umożliwiająca integrację kompaktowych i wydajnych urządzeń o szerokim zastosowaniu w przemyśle elektroniki użytkowej, lotniczym, kosmicznym oraz w instrumentach medycznych. Podczas gdy jedno- lub dwuwarstwowe płytki PCB mają tylko jedną lub dwie warstwy miedzi, wielowarstwowe płytki PCB składają się z trzech lub więcej warstw miedzi ułożonych warstwowo i oddzielonych materiałami izolacyjnymi, co umożliwia bardziej skomplikowaną trasówkę obwodów, większą gęstość montażu elementów oraz lepsze parametry elektryczne. Zrozumienie podstawowych etapów produkcji wielowarstwowych płytek PCB pozwala projektantom, inżynierom i zakupowcom lepiej ocenić jakość, niezawodność oraz możliwości produkcyjne.

Przegląd projektu i przygotowanie techniczne

Oprócz fizycznej produkcji, produkcja wielowarstwowych płytek PCB jest zasadniczo wynikiem etapu projektowania. Gdy tylko otrzyma się pliki Gerbera, szczegóły układu warstw oraz wymagania techniczne, inżynierowie bardzo szczegółowo analizują projekt. Przyglądają się szerokości ścieżek, odstępom, wymaganiom dotyczącym impedancji, wyrównaniu warstw, strukturom przelotek oraz doborowi materiałów.

Symulacja i analiza projektu pod kątem możliwości produkcji (DFM) są obowiązkowe dla bardzo skomplikowanych płytek.

Producenci tacy jak King Field mogą pomóc uniknąć kosztownych poprawek i zagwarantować płynny przebieg produkcji, dostarczając wyniki analizy DFM, w których potencjalne problemy są wykrywane wcześnie, na przykład problemy z integralnością sygnału czy trudności w wierceniu.

Naświetlanie i trawienie warstw wewnętrznych

Każda wewnętrzna warstwa miedzi jest wykonywana oddzielnie. Początkowo powierzchnia laminatu pokrytego miedzią jest oczyszczana, a następnie nanosi się na nią fotorezystor. W sposób bardzo precyzyjny, za pomocą promieni UV, nanosi się wzór obwodu na fotorezystor w procesie zwanym fotostrukturzaniem.

W trakcie wywoływania usuwany jest opornik wystawiony na działanie światła, a miedź niepokryta opornikiem jest chemicznie trawiona za pomocą utleniacza. W tym momencie stosuje się automatyczną kontrolę optyczną (AOI), aby zapewnić zgodność szerokości ścieżek i odstępów z oczekiwaniami oraz sprawdzić integralność wzoru. Ponieważ wady znalezione po laminowaniu nie mogą być już usunięte, konieczne jest zapewnienie wysokiej jakości warstw wewnętrznych.

Oksydowanie warstwy wewnętrznej

Przed laminowaniem warstwy wewnętrzne są traktowane tlenkami lub innymi powierzchniami ułatwiającymi połączenie. W trakcie tej obróbki powierzchnia miedzi jest atomowo chropawiona, co jak się uważa, poprawia przyleganie warstw miedzi do izolacji prepregu podczas laminowania. Przyleganie międzywarstwowe jest bardzo ważnym czynnikiem zapewniającym stabilność mechaniczną i długoterminową niezawodność wielowarstwowych płytek PCB. Ma to szczególne znaczenie dla urządzeń wielowarstwowych, które będą pracować w środowiskach o wysokich temperaturach lub narażone na wibracje.

Kolejność warstw i laminowanie

Laminowanie jest bez wątpienia jedną z najbardziej charakterystycznych faz procesu produkcji wielowarstwowych płytek PCB. Warstwy wewnętrzne układane są z warstwami prepregu (szklotkaniny nasączonej żywicą epoksydową) pomiędzy nimi, a na górze i dole dodawane są zewnętrzne folie miedziane zgodnie z zatwierdzonym projektem układu warstw.

Następnie zestaw wprowadza się do prasy laminacyjnej, gdzie poddaje się go kontrolowanemu cyklowi ciepła i ciśnienia. Ściółka żywicy staje się płynna, przepływa i zastyga, zapewniając silne połączenie wszystkich warstw w jedną solidną płytkę. Precyzyjna kontrola temperatury, ciśnienia i czasu jest konieczna, aby zagwarantować dokładne wyrównanie warstw oraz uniknąć typowych wad, takich jak puste przestrzenie czy odspajanie się warstw.

Wiercenie i tworzenie przelotek

Po laminowaniu płyta wielowarstwowa jest wiercona w celu wykonania otworów na elementy przelotowe oraz przelotki elektryczne łączące warstwy. Otwory mechaniczne wykonywane są za pomocą maszyny wiertniczej CNC, natomiast w przypadku mikroprzelotek w konstrukcjach o wysokiej gęstości połączeń (HDI) może być stosowane wiercenie laserowe.

Ścianki otworów są czyszczone i aktywowane po wierceniu w celu metalizacji otworów. Oczywiste jest, że wiercenie musi być bardzo precyzyjne, ponieważ niedokładności spowodują pogorszenie się połączeń elektrycznych między warstwami.

Metalizacja otworów i powlekanie miedzią

Aby uszczelnić przelotki, na początku nanosi się cienką warstwę miedzi na ścianki otworów metodą bezprądową. Następnie wykonuje się proces powlekania miedzią elektrolityczną w celu zwiększenia grubości warstwy do poziomu zapewniającego niezawodność elektryczną i mechaniczną.

Wytwarzanie obrazu i trawienie warstwy zewnętrznej

Obwód ostatniej warstwy uzyskuje się poprzez naświetlanie warstw zewnętrznych fotorezystem, podobnie jak w przypadku warstw wewnętrznych. Po procesach fotolitografii i wywoływania nadmiar miedzi jest trawiony, pozostawiając ukończone obwody na warstwach zewnętrznych.

Na tym etapie określana jest geometria padów, trasy ścieżek oraz punkty połączeń komponentów, co ostatecznie wpływa zarówno na wydajność montażu, jak i na parametry elektryczne.

Nałożeniu masy lutowniczej

Maska lutownicza to warstwa polimeru podobnego do lakieru, nanoszona na płytkę drukowaną w celu ochrony ścieżek miedzianych przed niepożądanym utlenianiem i zanieczyszczeniami, a także zmniejszenia ryzyka mostków lutowniczych między sąsiednimi padami. Otwory dla padów i przelotek przeznaczonych do lutowania definiowane są wyłącznie w warstwie maski lutowniczej.

Dokładność wyalignowania maski lutowniczej staje się kluczowa podczas produkcji wielowarstwowych płytek drukowanych, szczególnie jeśli komponenty mają małą skokowość wyprowadzeń. W tym celu producenci tacy jak King Field stosują nowoczesne urządzenia do obróbki obrazu i utwardzania, zapewniające jednolite pokrycie oraz trwałą wydajność.

Opracowanie powierzchni

Lutowalność to jedna z zalet warstwy powierzchniowej oprócz ochrony odsłoniętych miedzianych padów. Najczęściej stosowanymi opcjami warstw powierzchniowych są HASL, ENIG, OSP, srebro immersyjne oraz cyna immersyjna. Wybór najbardziej odpowiedniej z nich zależy od takich czynników jak trwałość składowania, metoda montażu oraz parametry elektryczne.

Ze względu na płaską powierzchnię i doskonałą odporność na korozję, w zastosowaniach wymagających wysokiej niezawodności często preferuje się powłokę ENIG.

Testowanie elektryczne i ostateczna kontrola

Testowanie i kontrola są końcowymi etapami produkcji wielowarstwowych płytek PCB. Aby upewnić się, że w żadnej warstwie bardzo złożonej wielowarstwowej struktury nie występują zwarcia ani przerwy, przeprowadza się testy elektryczne w celu sprawdzenia ciągłości i izolacji. Dodatkowo stosuje się inspekcje wizualne, pomiary (kontrole wymiarowe) oraz czasem prześwietlenie rentgenowskie w celu zweryfikowania poprawnego wewnętrznego ustawienia i jakości przelotek.

Tylko te płytki, które spełniają wszystkie wymagane specyfikacje, mogą przejść do etapu pakowania i wysyłki.

Podsumowanie

Produkcja wielowarstwowych płytek PCB jest niezwykle trudna i wymaga wysokiej precyzji, bogatego doświadczenia oraz opracowania i przestrzegania rygorystycznych procedur kontroli jakości na każdym etapie. Dlatego całkowicie logiczne jest, że wydajność i niezawodność produktu zależeć będą bezpośrednio od poprawnego wykonania wszystkich tych kroków, a także przeprowadzonych testów, szczególnie końcowych.

King Field udało się zaoferować wielowarstwowe płytki PCB, które umożliwiają różnym branżom tworzenie nowoczesnych produktów elektronicznych dzięki wykorzystaniu zaawansowanego sprzętu w połączeniu ze ścisłym zarządzaniem procesami. Zrozumienie tych warstw pozwala dokładniej poznać skomplikowane mechanizmy działania współczesnej elektroniki, a także pomaga klientom w podjęciu trafnej decyzji dotyczącej wiarygodnego partnera w zakresie produkcji płytek PCB.