Jak się robi płytki drukowane PCB. Nie tylko dla elektroników

Płytka drukowana, obwody drukowane, PCB to określenia jednego z najważniejszych elementów urządzeń elektronicznych. To do płytki PCB jest przytwierdzona większość części elektronicznych i w niej poprowadzono połączenia pomiędzy nimi. I wszystko wskazuje na to, że przez najbliższe kilka lat nic się nie zmieni. Dlatego niezależnie, czy staniesz kiedykolwiek przed problemem wykonania płytki do własnego projektu, czy po prostu pasjonujesz się elektroniką, artykuł może Cię zainteresować.

W karierze domorosłego projektanta urządzeń elektronicznych następuje moment, gdy jego dzieła wyrastają z fazy „wyszywanek”, czyli drutów wtykanych w deweloperskie płytki stykowe. Mogą wtedy zacząć lutować elementy do płytek z gotowymi połączeniami, przecinając zbędne i mostkując konieczne lub zaprojektować własne obwody. I tu znów pojawiają się dwie możliwości. Zaprojektowaną płytkę można wykonać samodzielnie lub zlecić jej wyprodukowanie firmie. Pierwsza droga wymaga projektu płytki, drukarki laserowej, papieru kredowego, żelazka lub rozpuszczalników, laminatu PCB, środka do trawienia, wiertarki z maleńkimi wiertełkami i sporo wprawy oraz cierpliwości. Ta druga tylko projektu i niezbyt wielkiej kwoty pieniężnej.

Wirtualna wycieczka po JLCPCB

W kraju i poza jego granicami jest wiele wytwórni zajmujących się produkcją PCB na zamówienie, nawet w małych ilościach. Oto zdjęcia z wnętrza jednej z największych JLCPCB.

Proces produkcji płytek z obwodami drukowanymi jest podobny niezależnie od ilości. W praktycznie ten sam sposób tworzy się płytki dla kilku prototypów, jak i dla dużych serii. Sam proces jest wieloetapowy.

Najpierw pliki GERBER wygenerowane w aplikacjach do projektowania obwodów są kontrolowane. Muszą spełniać pewne wymagania co do minimalnej szerokości ścieżki, odstępu między nimi, czy średnic otworów.

Następnie bezpośrednio na kliszach drukowany jest wzór obwodów. Oraz wzór solder maski. Ta ostatnia określa, które pola na płytce powinny zostać odsłonięte do lutowania. Sposób obrazowania obwodów jest różny zależnie do tego, czy dotyczy warstw zewnętrznych, czy wewnętrznych (jeżeli występują). Warstwy wewnętrzne będą wytrawiane bezpośrednio z miedzi, więc na folii odpowiada im kolor czarny. Warstwy zewnętrzne są tworzone w inny sposób. Na warstwę miedzi nanoszona jest galwanicznie warstwa cyny, która będzie chronić miedź przed trawieniem. Dlatego folie dla warstw zewnętrznych są jakby pozytywowe, a wewnętrznych negatywowe. Dlaczego dowiecie się niebawem.

Następnie laminat z warstwami miedzi jest przycinany na wymiar pasujący do maszyn i procesu.

Warstwy wewnętrzne (jeżeli płytka ma więcej warstw niż górną i dolną), są powlekane materiałem światłoczułym, na który jest następnie naświetlony wzór za pomocą ultrafioletu. W miejscach, gdzie folia była czarna, materiał się nie utwardzi i zostanie wypłukany, odsłaniając miedź. Będzie ona wytrawiona w kolejnym procesie. Po wytrawieniu następuje wypłukanie warstwy ochronnej, suszenie oraz zabezpieczenie płyty z wewnętrznymi obwodami przed porysowaniem.

Kolejny etap to automatyczna inspekcja optyczna. System połączony z kamerami wychwytuje ewentualne zwarcia obwodów lub ich przerwy, które mogą powstać z powodu zanieczyszczeń w procesie naświetlania i utrwalania warstwy chroniącej przed trawieniem.

Wytrawione i skontrolowane laminaty z obwodami wewnętrznymi są klejone z zewnętrznymi, jeszcze bez wytrawionych obwodów, za pomocą specjalnych mat z włókna szklanego nasączonego żywicą. Ma to miejsce w prasach hydraulicznych pod wysokim ciśnieniem i w podwyższonej temperaturze.

Od tego momentu proces wykonania płytek jedno lub dwuwarstwowych przebiega identycznie jak cztero i więcej warstwowych.

Następny etap to wiercenie otworów. Otwory mogą być różne zależnie od ich przeznaczenia. Niektóre służą do połączenia obwodów z różnych warstw i będą „zaślepione”. Inne również mogą łączyć obwody, ale służą do mocowania i podłączenia elementów przewlekanych, czyli tych, co mają wąsy i nóżki wtykane w płytkę i przechodzące na wylot. Ostatni rodzaj to otwory montażowe. Z ich pomocą płytka będzie połączona z resztą konstrukcji. Wiercenie to proces automatyczny. Służą do tego specjalne wiertarki CNC i zestawami wierteł oraz frezów o różnych średnicach. Firma JLCPCB potrafi wykonywać nawet otwory o średnicy 0,2 mm.

Następny etap jest bardzo interesujący. Płytki z otworami w kąpieli chemicznej są pokrywane dodatkową cieniutką warstwą miedzi. Chodzi głównie o pokrycie wewnętrznej warstwy kanałów w otworach miedzią, której warstwa w następnych procesach zostanie pogrubiona.

Po chemicznym procesie nanoszenia miedzi następuje powleczenie płytek foto czułą warstwą ochronną i naświetlenie wzoru ścieżek, ale tym razem odwrotnie. Miejsca, gdzie miedź ma pozostać, są czarne. Po utwardzeniu warstwy ochronnej i usunięciu zbędnej następuje galwaniczny proces pokrywania miedzią. Miedź odkłada się w otworach grubszą warstwą i przy okazji dodatkowo pogrubia miejsca tam, gdzie mają być ścieżki. Po tym etapie nanoszona jest również galwanicznie warstwa cyny. Oczywiście tylko na odsłonięte elementy.

Kolejny etap to usunięcie utwardzonej fotochemicznie warstwy ochronnej i wytrawienie miedzi, która nie została pokryta cyną w poprzednim kroku procesu. Właśnie dlatego układ kolorów maski jest odwrotny niż dla warstw wewnętrznych. Po tym kroku dopiero na zewnętrznych warstwach pojawiają się obwody, a zbędna miedź znika. Efekt procesu znów jest kontrolowany tak jak w przypadku warstw wewnętrznych.

W następnym kroku, na płytkę z obwodami nanoszona jest laminat ochronny – solder maska. Będzie on optycznie utwardzony nadfioletem przez klisze przygotowane na początku procesu. Miejsca przeznaczone do lutowania, czyli odkryte nie zostaną utwardzone i warstwa ochronna zostanie wypłukana. Solder maska ma zazwyczaj kolor zielony, tak charakterystyczny dla większości płytek z obwodami. Jednak można zamówić inne kolory: żółty, czerwony, czarny, niebieski.

Po tym nanoszona jest metodą sitodruku lub druku atramentowego „legenda”, czyli warstwa opisowa. Na niej są często umieszczane schematyczne rysunki elementów, ich nazwy oraz parametry, ale można też dodać np. własne logo.

Dalej na odsłonięte elementy obwodów, tam, gdzie będą przylutowywane elementy, nanoszona jest warstwa ochronna zapobiegająca utlenianiu miedzi i ułatwiająca lutowanie. Może to być powłoka niklowo–złota lub częściej warstwa stopu cyny z, lub bez ołowiu.

Przed nami już tylko trzy etapy. Duże płyty z obwodami muszą zostać pocięte na poszczególne projekty. Mogą one mieć różne kształty w tym dość złożone. Np. owalne. Mogą posiadać również wewnętrzne nacięcia np. w celu montażu lub oddzielenie obwodów z wysokim napięciem.

Po tym płytki przechodzą kontrolę obwodów za pomocą „latającego próbnika”. Dwie elektrody są automatycznie dociskane do odkrytych elementów – styków i jest sprawdzana oporność. Głowice wykonują kilkanaście testów w ciągu sekundy. Dzięki temu mamy pewność, że w płytce nie ma zwarć i przerw w obwodach.

Ostatni etap to kontrola jakości i pakowanie.

O tym, jak projektuje się obwody na Macach, jak zlecić wykonanie płytek dla naszych projektów oraz jak przebiega cały proces od zamówienia po otrzymanie gotowych, przeczytacie niebawem w Mój Mac Magazynie.

Zdjęcia: JLCPCB