Cały proces produkcji oraz kluczowe kwestie dotyczące płytek drukowanych o grubości 20–40 warstw

Płytki drukowane (PCB) stanowią podstawę nowoczesnych urządzeń elektronicznych, zapewniając niezbędne połączenia między komponentami. Wielowarstwowe płytki PCB, w których ułożono wiele warstw obwodów, stanowią znaczący skok technologiczny, umożliwiający produkcję bardziej złożonych i kompaktowych urządzeń. Proces produkcji płytek PCB o grubości 20–40 warstw znacznie różni się od procesu produkcji zwykłych płytek PCB i wiąże się z rygorystycznymi wymaganiami na każdym etapie. Zespół Geyuan Electronics opracował kompletny opis procesu produkcji płytek PCB o grubości 20–40 warstw. Niniejszy artykuł szczegółowo omawia kluczowe aspekty procesu produkcji płytek PCB o grubości 20–40 warstw, wyjaśniając najważniejsze kwestie związane ze złożonymi etapami, które są niezbędne do przekształcenia rysunków projektowych w gotowy produkt.

Przygotowanie materiału i wydajność cięcia

Cięcie płytek stanowi pierwszy etap produkcji wszystkich płytek drukowanych (PCB) i ma bezpośredni wpływ na stabilność dostaw surowców dla kolejnych etapów procesu. Precyzja i szybkość działania urządzeń tnących muszą być dostosowane do rodzaju zamówienia; w przypadku zwykłych płytek FR-4 oraz płytek wysokoczęstotliwościowych i szybkich należy stosować różne parametry cięcia. Utrzymanie wskaźnika strat przy cięciu w granicach 5% wymaga precyzyjnego obliczenia planu panelizacji; niektóre fabryki poprawiły wykorzystanie materiału o 12% dzięki inteligentnemu oprogramowaniu do rozmieszczania elementów. Linie produkcyjne muszą utrzymywać co najmniej dwugodzinny zapas bezpieczeństwa, aby uniknąć przestojów spowodowanych niewystarczającymi rezerwami materiałowymi.

Precyzyjna optymalizacja produkcji grafiki warstwy zewnętrznej

Technologia bezpośredniego naświetlania LDI poprawia dokładność linii do poziomu 25 μm, zmniejszając odchylenie wyrównania o 60% w porównaniu z tradycyjnym naświetlaniem folii. W przypadku drukowania powłoki lutowniczej napięcie siatki należy utrzymywać powyżej 30 N/cm², a kąt rakli ustawiony na 65° pozwala uzyskać optymalną grubość farby. System ostrzegania o zatkaniu dysz w drukarce atramentowej do znaków pozwala zwiększyć czas sprawności urządzenia do 92%, a dokładność druku musi być zapewniona w zakresie błędu ±50 μm.

Wytwarzanie obwodów warstwy wewnętrznej i kontrola AOI

Obwody warstwy wewnętrznej stanowią podstawę wielowarstwowych płytek drukowanych; jeśli pojawią się problemy z warstwą wewnętrzną, wszystkie kolejne etapy procesu pójdą na marne. W naszych obwodach warstwy wewnętrznej stosujemy technologię naświetlania laserowego LDI, dzięki czemu osiągamy dokładność obwodów na poziomie ±0,02 mm, znacznie wyższą niż w przypadku tradycyjnego naświetlania foliowego. Po ukończeniu warstwy wewnętrznej należy przeprowadzić kontrolę AOI (Automated Optical Inspection – automatyczną kontrolę optyczną) w celu wykrycia wszystkich zwarć, przerw w obwodzie i luk, a także odrzucenia wszelkich wadliwych płytek, aby zapobiec ich przejściu do kolejnego etapu produkcji. Jeśli zakład nie przeprowadza kontroli AOI warstwy wewnętrznej lub jeśli kontrola ta nie jest rygorystyczna, wadliwe płytki trafią do procesu laminowania, co ostatecznie sprawi, że cała płytka stanie się bezużyteczna i spowoduje znaczne straty finansowe.

Kontrola wydajności przenoszenia wzoru na warstwę wewnętrzną

Stabilność procesów laminowania suchą warstwą i naświetlania ma bezpośredni wpływ na jakość obwodów warstw wewnętrznych. Stabilność energetyczną naświetlarki należy utrzymywać w zakresie ±3%, a regularna kalibracja urządzenia do pomiaru natężenia światła pozwala zmniejszyć liczbę wad wywoływania o 30%. Błąd dokładności automatycznego systemu pozycjonowania powinien wynosić mniej niż 20 μm; w przypadku płytek HDI należy przejść na sprzęt o dokładności rzędu 10 μm. Wahania stężenia roztworu trawiącego należy monitorować w czasie rzeczywistym; hydrometr online w połączeniu z automatycznym systemem uzupełniania może poprawić równomierność trawienia o 18%.

Kontrola kluczowych parametrów w procesie laminowania

Laminowanie stanowi kluczowy etap produkcji sklejki 20–40-warstwowej, a jednocześnie jest etapem, na którym najczęściej pojawiają się problemy. Trzy kluczowe parametry laminowania to: temperatura, ciśnienie i czas.

• Temperatura: Szybkość nagrzewania nie powinna być zbyt duża – zazwyczaj wynosi 2–3 ℃/minutę – aby zapobiec zbyt szybkiemu przepływowi prepregów wewnątrz i wynikającemu z tego przesunięciu warstw; temperatura szczytowa zależy od rodzaju prepregu i zazwyczaj wynosi 180–200 ℃.
• Ciśnienie: Ciśnienie należy zwiększać stopniowo. Należy zacząć od niskiego ciśnienia, aby umożliwić pełne rozprzestrzenienie się prepregów, a następnie zastosować wysokie ciśnienie w celu zapewnienia mocnego połączenia międzywarstwowego. Zbyt duże ciśnienie może spowodować przesunięcie warstw, natomiast zbyt małe ciśnienie może doprowadzić do rozwarstwienia i powstawania pęcherzyków.
• Czas: Czas izolacji powinien być wystarczająco długi, aby umożliwić pełne utwardzenie prepregów; w przypadku płytek 20-warstwowych czas izolacji wynosi zazwyczaj 2 godziny, natomiast w przypadku płytek 40-warstwowych powinien przekraczać 4 godziny.

Kontrola prasowania na gorąco w procesie laminowania

W przypadku sklejki 20–40-warstwowej decyduje o wytrzymałości wiązania międzywarstwowego. Temperatura prasowania na gorąco dla zwykłych materiałów o wysokiej wartości TG wynosi zazwyczaj 180 ℃ ± 5 ℃, natomiast materiały o wysokiej wartości TG wymagają temperatur powyżej 220 ℃. Regulację gradientu ciśnienia w prasie należy dostosować do grubości warstw; czas laminowania sklejki 40-warstwowej jest o 40% dłuższy niż w przypadku sklejki 20-warstwowej. Nadmierne schłodzenie po laminowaniu może spowodować wypaczenie płyty; zastosowanie metody chłodzenia segmentowego pozwala poprawić płaskość o 25%.

Optymalizacja procesu wiercenia i metalizacji otworów

Podczas metalizacji otworów w płytkach drukowanych o grubości 20–40 warstw należy zoptymalizować gęstość prądu oraz czas trwania procesu powlekania miedzią, aby zapewnić równomierną grubość warstwy miedzi i uniknąć problemów, takich jak otwory bez miedzi lub z nadmiernie cienką warstwą miedzi. Podobnie parametry wiercenia w przypadku takich płytek wielowarstwowych również wymagają optymalizacji w oparciu o grubość płytki, średnicę otworu oraz liczbę warstw.

• Prędkość obrotowa: Im większy jest stosunek grubości do średnicy, tym wyższa musi być prędkość obrotowa. Przy stosunku grubości do średnicy wynoszącym 15:1 prędkość obrotowa musi osiągnąć 180 000 obrotów na minutę.
• Prędkość posuwu: Prędkość posuwu nie powinna być zbyt duża, ponieważ może to łatwo doprowadzić do złamania wiertła. Zazwyczaj powinna wynosić 0,5–1 mm/minutę.
• Usuwanie wiórów: W przypadku głębokich otworów należy często usuwać wióry, aby zapobiec ich zatykaniu otworu i złamaniu wiertła.

Precyzyjne sterowanie wierceniem mechanicznym

Koordynacja prędkości obrotowej wrzeciona wiertarskiego i posuwu wpływa na jakość ścianek otworu oraz trwałość wiertła. W przypadku obróbki mikrootworów o średnicy Φ0,2 mm prędkość obrotową wrzeciona należy zwiększyć do 180 000 obr./min, a posuw zmniejszyć do 1,2 m/min. Szlifowanie wiertła więcej niż 5 razy prowadzi do zwiększenia odchylenia średnicy otworu; wdrożenie systemu zarządzania żywotnością narzędzi w czasie rzeczywistym może zmniejszyć wskaźnik pękania narzędzi o 15%. Utrzymanie poziomu podciśnienia w systemie odpylania powyżej 650 mmHg pozwala skutecznie usuwać pył powstający podczas wiercenia.

Kontrola jednolitości powłok miedzianych nakładanych chemicznie

W procesie metalizacji otworów należy zachować równowagę między osadzaniem w głębokich otworach a pokryciem powierzchni. Zwiększenie częstotliwości cyrkulacji roztworu do 3 razy na minutę pozwala zmniejszyć różnicę grubości powłoki w obrębie otworu do 8 μm. Utrzymanie stężenia palladu w roztworze aktywującym w zakresie 0,8–1,2 g/l oraz stosowanie automatycznego analizatora do badania roztworu galwanicznego co godzinę pozwala wydłużyć jego żywotność o 30%. W przypadku trudnych otworów przelotowych o stosunku grubości do średnicy wynoszącym 8:1 technologia galwanizacji impulsowej może poprawić głębokość powłoki o 40%.

Obróbka powierzchni i kontrola końcowa

W przypadku wielowarstwowych płytek drukowanych o grubości 20–40 warstw do obróbki powierzchniowej stosuje się zazwyczaj złocenie zanurzeniowe lub twarde złocenie, ponieważ te dwie metody zapewniają wysoką niezawodność i nadają się do zastosowań z najwyższej półki. Grubość powłoki złota immersyjnego powinna wynosić od 0,05 do 0,1 μm, a grubość powłoki niklowej od 3 do 5 μm; zbyt gruba lub zbyt cienka warstwa wpłynie na jakość lutowania. Kontrola końcowa obejmuje testy sondą latającą i kontrolę wzrokową, a także testy impedancji i niezawodności. W przypadku płytek przeznaczonych do zastosowań wojskowych lub motoryzacyjnych wymagane są dodatkowe testy, takie jak cykle temperaturowe w wysokich i niskich temperaturach, test w komorze solnej oraz testy wibracyjne, aby zapewnić prawidłowe działanie w trudnych warunkach środowiskowych.

Wybór procesu obróbki powierzchniowej

Różne metody obróbki powierzchni mają bezpośredni wpływ na konfigurację linii produkcyjnej i jej wydajność. Linie do chemicznego złocenia wymagają oddzielnego, wolnego od zanieczyszczeń warsztatu, a przetworzenie każdej partii zajmuje około 45 minut. Linie do cynowania charakteryzują się wyższą wydajnością, ale wymagają utrzymywania temperatury stopionego lutu na poziomie 265 ℃ ± 5 ℃. Obróbka metodą OSP, choć szybka, charakteryzuje się krótkim okresem przydatności i musi być ściśle zintegrowana z procesami montażowymi. Urządzenia do selektywnego złocenia wymagają precyzyjnego systemu masek, co wydłuża czas obróbki o 60% w porównaniu ze złoceniem całej płytki.

Dopasowanie synchronizacji połączeń między urządzeniami

Zrównoważenie wydajności urządzeń we wszystkich procesach wymaga precyzyjnych obliczeń. Wydajność dozowników środków chemicznych i urządzeń obróbczych powinna być skonfigurowana w stosunku 1:1,2, aby uniknąć opóźnień w przetwarzaniu. Cykl prasowania na gorąco w laminatorze określa rozsądną wydajność strefy buforowej materiału na środkowych i późniejszych etapach, co zazwyczaj wymaga elastyczności na poziomie 30%. Zakładowy system zarządzania wizualizacją, dzięki pulpitom nawigacyjnym działającym w czasie rzeczywistym, może poprawić efektywność koordynacji procesów o 20%.

Wpływ przepisów dotyczących ochrony środowiska na moce produkcyjne

Wahania temperatury i wilgotności przekraczające ±2℃ w pomieszczeniu czystym mogą prowadzić do osłabienia przyczepności suchej warstwy. System utrzymywania stałej temperatury musi zapewniać temperaturę 22±1℃ oraz wilgotność 55±5%. Wydajność wywiewu powietrza podczas procesu trawienia powinna wynosić 15 wymian powietrza na godzinę, a wysokość warstwy wypełnienia w wieży do oczyszczania kwaśnych gazów odlotowych powinna wynosić co najmniej 1,8 metra. Rezystywność systemu wody czystej powinna być utrzymywana na poziomie powyżej 15 MΩ·cm, a wahania ciśnienia w rurociągach muszą być kontrolowane w granicach 0,2 MPa.

Główne problemy związane z jakością i sposoby ich zapobiegania w produkcji płytek drukowanych o grubości 20–40 warstw

nazwa	powód	środki zaradcze
Niewspółosiowość warstw	Podczas laminowania pod wpływem wysokiej temperatury i ciśnienia wewnętrzny materiał nośny rozszerza się i kurczy nierównomiernie, co powoduje, że otwory w poszczególnych warstwach nie są idealnie wyrównane.	Do pomiaru odchylenia wykorzystuje się precyzyjną wiertarkę rentgenowską, a do dokładnego pozycjonowania przed laminowaniem – automatyczne urządzenie do wyrównywania z matrycą CCD.
Rozwarstwianie i pęcherzenie	Wchłanianie wilgoci lub słabe wiązanie materiału płytki mogą powodować wewnętrzne rozszerzanie się gazu w wysokiej temperaturze (260°C) panującej w piecu do ponownego topienia w procesie SMT.	Przed wysyłką gotowe produkty poddawane są rygorystycznemu wypalaniu w wysokiej temperaturze oraz osuszaniu, a krzywa prasowania i jakość zbrązowienia są ściśle kontrolowane w trakcie procesu produkcyjnego.
Awaria CAF (przewodu przewodzącego anodowego)	W warunkach dużej gęstości i wysokiego napięcia wiązki włókien szklanych znajdujące się między ściankami porów ulegają migracji chemicznej, co prowadzi do wycieku lub zwarcia.	Należy wybierać podłoża o doskonałej odporności na CAF (takie jak FR-4 o wysokiej odporności termicznej oraz systemy żywic o niskim współczynniku rozszerzalności cieplnej) oraz zoptymalizować parametry wiercenia w celu ograniczenia powstawania mikropęknięć w ściankach otworów.

20–40 warstw wielowarstwowe płytki drukowane

Poniżej przedstawiamy podsumowanie zalet wielowarstwowych płytek drukowanych 20-40:

Zaleta wynikająca z dużej gęstości montażu

W porównaniu z płytkami jednostronnymi, płytki wielowarstwowe o liczbie warstw wynoszącej 20–40 pozwalają zwiększyć gęstość dzięki zastosowaniu wielu warstw. Płytki jednostronne mają ścieżki przewodzące tylko po jednej stronie, co ogranicza możliwości ich projektowania, podczas gdy płytki wielowarstwowe pozwalają na zintegrowanie większej liczby funkcji na mniejszej powierzchni. Na przykład w płytach głównych komputerów płytki wielowarstwowe o liczbie warstw wynoszącej 20–40 mogą pomieścić różne układy scalone, interfejsy itp., zapewniając zaawansowane funkcje na ograniczonej przestrzeni oraz zwiększając wydajność i szybkość działania.

Zastosowanie niewielkich rozmiarów

Płytki PCB wielowarstwowe 20–40 zwiększają powierzchnię płytki drukowanej poprzez dodanie kolejnych warstw, co skutecznie zmniejsza jej ogólne wymiary. Płytki jednostronne często wymagają dużej powierzchni, aby spełniać swoje funkcje, podczas gdy wielowarstwowe płytki drukowane pozwalają na stosowanie płytek o dużej pojemności w niewielkich urządzeniach. Na przykład w inteligentnych bransoletkach, dzięki zastosowaniu wielowarstwowych płytek drukowanych, na niewielkiej przestrzeni zintegrowano obwody dla licznych czujników, procesorów i innych komponentów.

Lekki

Wielowarstwowe płytki PCB o liczbie warstw wynoszącej 20–40 mogą pełnić tę samą funkcję co wiele płytek jednowarstwowych, przy czym charakteryzują się mniejszymi rozmiarami, mniejszą liczbą elementów łączących oraz mniejszą masą. W przypadku niektórych niewielkich urządzeń elektronicznych stosowanych w przemyśle lotniczym i kosmicznym, gdzie masa ma kluczowe znaczenie, te wielowarstwowe płytki PCB pozwalają zmniejszyć całkowitą masę, obniżyć zużycie energii oraz poprawić przenośność.

20–40 warstw wielowarstwowe płytki drukowane

Poniżej przedstawiamy zestawienie wad płytek drukowanych o grubości 20–40 warstw:

Czynniki powodujące wysokie koszty

Produkcja 20–40 wielowarstwowych płytek drukowanych jest skomplikowana, podczas gdy proces wytwarzania płytek jednostronnych jest prosty. Te wielowarstwowe płytki drukowane wymagają wielu etapów, takich jak laminowanie wielowarstwowe i precyzyjne wyrównywanie, a koszty materiałów są również wysokie, co skutkuje stosunkowo wysokimi kosztami i ogranicza zastosowanie niektórych produktów, w przypadku których istotnym czynnikiem jest cena.

Produkcja zajmuje dużo czasu

Zwiększona liczba warstw znacznie wydłuża czas produkcji płytek wielowarstwowych. Płytki jednostronne wymagają mniejszej liczby procesów i charakteryzują się krótszym cyklem produkcyjnym, podczas gdy obróbka, laminowanie, wiercenie i inne etapy związane z każdą warstwą płytki wielowarstwowej o liczbie warstw wynoszącej 20–40 są czasochłonne, co wpływa na cykle produkcyjne oraz tempo wprowadzania produktów na rynek.

Rygorystyczne wymagania dotyczące badań

Płytki PCB o grubości 20–40 warstw stanowią wyzwanie ze względu na ich złożoną strukturę wewnętrzną. Na przykład wielowarstwowe płytki PCB stosowane w telefonach komórkowych charakteryzują się gęstym układem obwodów i licznymi połączeniami międzywarstwowymi, co wymaga precyzyjnych testów maszynowych, takich jak badania parametrów elektrycznych i kontrola rentgenowska, mających na celu wykluczenie zwarć, przerw w obwodach i innych usterek, a tym samym zapewnienie jakości produktu. .

Wnioski

Produkcja 20–40-warstwowych płytek drukowanych wymaga skrupulatnej obróbki i precyzyjnej kontroli na każdym etapie — od nanoszenia wzoru na warstwach wewnętrznych, przez wytwarzanie warstw zewnętrznych, aż po cięcie i kształtowanie. Każdy etap ma na celu zapewnienie wydajności płytki, jej niezawodności oraz zgodności ze specyfikacjami projektowymi, w tym przenoszenie wzoru, trawienie, laminowanie, wiercenie, galwanizację, nakładanie maski lutowniczej, sitodruk oraz ostateczne kształtowanie. W przypadku płytek jednowarstwowych lub dwuwarstwowych można pominąć kilka etapów, natomiast w przypadku złożonych płytek wielowarstwowych liczba etapów może sięgać nawet dwudziestu lub więcej. Powyższe informacje podsumowują kluczowe kwestie, które należy wziąć pod uwagę w procesie produkcji płytek wielowarstwowych 20–40. Jeśli mają Państwo jakiekolwiek pytania lub chcieliby Państwo omówić tę kwestię bardziej szczegółowo, prosimy o kontakt z zespołem ds. produkcji płytek PCB w firmie Geyuan Electronics.