Процесс изготовления односторонних печатных плат, преимущества, недостатки и области применения

В современную эпоху интеллектуальных технологий конструкции печатных плат электронных изделий, востребованных рынком, становятся все более сложными, при этом основными тенденциями являются увеличение количества слоев печатной платы и миниатюризация. Тем не менее простые и практичные односторонние печатные платы по-прежнему остаются важным компонентом производства современной электроники. Будь то создание прототипов, электронные проекты «своими руками» или экономичное производство бытовой электроники, односторонние печатные платы являются эффективным и экономичным выбором. Хотя многослойные печатные платы стали предпочтительным выбором для высокоскоростных интеллектуальных приложений с высокой плотностью размещения компонентов, односторонние печатные платы по-прежнему пользуются широкой популярностью благодаря своей высокой экономичности и коротким производственным циклам.

В этой статье вы найдете исчерпывающее описание процесса изготовления односторонних печатных плат: от выбора материалов, технологического процесса и методов обработки поверхности до анализа преимуществ и недостатков, областей применения и будущих изменений в методах производства. Эта информация поможет вам повысить точность принятия решений по проектам и улучшить возможности контроля затрат.

Основные понятия односторонних печатных плат

Односторонние печатные платы широко используются в бытовой электронике благодаря своей низкой стоимости и большому весу. Они также пользуются высоким спросом в сфере бытовой техники и потребительских товаров из-за своей низкой цены и экономичности. Однослойная печатная плата, также называемая однослойной меднооболочечной печатной платой, имеет медную оболочку с одной стороны и стекловолоконную изоляцию на основе эпоксидной смолы — с другой. Толщина варьируется в зависимости от требований к изделию и составляет от 0,8, 1,0, 1,2, 1,6 до 2,0 мм; для индивидуальных или специальных потребностей доступны варианты большей толщины. К однослойным печатным платам предъявляются требования по огнестойкости, например FR4 (класс огнестойкости 4), а материал печатной платы должен соответствовать международным и национальным сертификатам, таким как UL, а также требованиям CCL и RoHS (ограничения на использование опасных веществ), включая требования к содержанию брома, галогенсодержанию материалов, медной фольге, препрегу и химическим добавкам.

Основной технологический процесс изготовления односторонних печатных плат

Односторонняя печатная плата — это базовая печатная плата, на которой компоненты размещены на одной стороне, а дорожки — на другой; дорожки проложены только на одной стороне. Поскольку односторонние печатные платы имеют множество строгих ограничений при проектировании схем (из-за наличия только одной стороны дорожки не могут пересекаться и должны проходить по своим независимым траекториям), понимание процесса изготовления односторонних печатных плат поможет вам оптимизировать проект и снизить количество ошибок.

Резка ламинатов с медным покрытием	При резке ламинатов с медным покрытием следует соблюдать технические условия резки и перед резкой провести термоотжиг платы. .
Шлифовальная пластина	Отрезанный лист с медным покрытием очищается на шлифовальном станке для удаления с поверхности пыли, заусенцев и других загрязнений, что позволяет объединить эти два процесса в один. .
Печатная плата	Схемы печатаются на одной стороне медной фольги; чернила обладают антикоррозионными свойствами.
изучить	Удалите излишки краски, нанесите краску на участки, где её нет, и, если обнаружено много дефектов, необходимо произвести регулировку. Дефектные изделия можно отправить на второй этап травления для очистки от краски, после чего их можно вернуть в этот канал для дальнейшей обработки.
Подготовьтесь	Чернила уже почти высохли.
Гравюра	Процесс, при котором с помощью реагента удаляется избыток меди, а на печатной плате остается медь, покрытая чернилами, с последующим удалением чернил с печатной платы с помощью реагента и её сушкой, представляет собой единый комплексный процесс.
Просверлить установочные отверстия	Просверлите установочные отверстия на травильной пластине
Шлифовальная пластина	Очистите и высушите плату с просверленными позиционирующими отверстиями, точно так же, как и плату № 2.
шелкография	Компоненты вставки наносятся методом трафаретной печати на обратную сторону подложки вместе с некоторыми маркировочными кодами. После трафаретной печати компоненты подвергаются сушке, что позволяет объединить эти два процесса в один.
шлифовальный диск	Очистить ещё раз
Защитный слой от пайки	Зелёный паяльный резист наносится методом трафаретной печати на очищенную подложку. На паяльные площадки нанесение зелёного паяльного резиста не требуется. Затем подложка сушится сразу после печати, что позволяет объединить эти два процесса в один.
формирование	Формирование осуществляется с помощью пуансона. Если обработка V-образной выемки не требуется, формовку можно выполнить в два этапа. Например, для небольших круглых пластин сначала выполняется пробивание со стороны шелкографии к стороне паяльной маски для формирования небольшой круглой пластины, а затем — со стороны паяльной маски к стороне шелкографии для пробивания отверстий для вставки и т. п.
V-образный вырез	Небольшие круглые пластины не требуют обработки методом V-образной прорези; заготовка вырезается из паза с помощью станка.
канифоль	Сначала плату шлифуют для удаления пыли, а затем сушат. Затем на сторону с паяльными площадками наносят тонкий слой канифоли. Эти три операции выполняются за один раз.
Тест FQC	Проверьте, не деформирована ли подложка, а также убедитесь в надлежащем качестве отверстий и печатных дорожек.
сгладить	В данном процессе выравнивание деформированной подложки не требуется.
Упаковка и доставка	Будут организованы индивидуальные условия упаковки и транспортировки в соответствии с проектными требованиями.
Примечание	Процесс шлифования между нанесением трафаретной печати и нанесением паяльной маски можно пропустить. В зависимости от подложки сначала можно нанести паяльную маску, а затем выполнить трафаретную печать.

Материалы, обычно используемые при производстве односторонних печатных плат

Различные материалы напрямую влияют на термостойкость, механическую прочность и конечную стоимость печатной платы. Ниже перечислены распространенные подложки, используемые в односторонних печатных платах (толщина медного слоя на этих подложках обычно составляет от 0,5 унции до 2 унций, при этом стандартная толщина равна 1 унции (примерно 35 микрометров)).

FR4 (стекловолоконная пластина)	Самый распространённый, экономичный и долговечный
Алюминиевая подложка	Он обладает хорошими теплоотводящими свойствами и широко применяется в светодиодном освещении.
CEM-1	Более низкая стоимость, подходит для простых продуктов начального уровня

Преимущества и недостатки односторонние печатные платы

Использование односторонних печатных плат во многих случаях неразрывно связано с их преимуществами. Однако, несмотря на многочисленные преимущества односторонних печатных плат, их ограничения также весьма очевидны в электронной промышленности, где функциональные требования становятся всё более сложными. Мы обобщили преимущества и недостатки односторонних печатных плат следующим образом.

Преимущества односторонних печатных плат

Низкая себестоимость производства	Процесс производства односторонних плат прост и требует лишь травления и гальванического покрытия с одной стороны. Затраты на материалы и производство значительно ниже, чем в случае с двухсторонними и многослойными платами.
Отлаженный производственный процесс	Односторонние панели имеют долгую историю и очень отработанную технологию, при этом в процессе их производства возникает мало технических сложностей. Это не только сокращает производственный цикл, но и снижает долю брака, а также повышает выход готовой продукции.
Простота проектирования и обслуживания	Односторонние платы отличаются простыми правилами компоновки и проще в проектировании, благодаря чему они особенно подходят для начинающих или небольших проектов. Кроме того, благодаря простой схеме устранение неисправностей на них происходит относительно легко, а затраты на техническое обслуживание остаются низкими.
Подходит для массового производства	В случае простых схем, выпускаемых крупными партиями, односторонние печатные платы обеспечивают быстрое и стабильное производство, помогая компаниям сократить сроки поставки.

Недостатки односторонних печатных плат

Ограниченная сложность схемы	Односторонние печатные платы могут вмещать только один слой проводов и не допускают перекрестного соединения, что означает, что они способны удовлетворить лишь простые требования к схемам и с трудом обеспечивают реализацию сложных функций.
Ограниченная производительность	Из-за ограничений, связанных с количеством слоев проводки, односторонние печатные платы с трудом справляются с требованиями высокочастотных, высокоплотных и многофункциональных схем. Они не подходят для применений, требующих высокой производительности.
Низкая плотность компонентов	Односторонняя конструкция ограничивает гибкость размещения компонентов, что является серьезным недостатком в свете современной тенденции к снижению веса и миниатюризации электронных устройств.
Не подходит для высокопроизводительных приложений	В таких высокотехнологичных областях, как производство коммуникационного оборудования, медицинской электроники и аэрокосмической техники, зачастую требуются многослойные печатные платы, обеспечивающие более высокую степень функциональной интеграции и электромагнитной совместимости.

Распространенные методы обработки поверхности односторонних печатных плат

Процесс обработки поверхности односторонних печатных плат в основном заключается в обработке открытых контактов, например с помощью методов HASL (недорогой вариант) или ENIG (золотые контакты более высокого качества), с целью улучшения паяемости и предотвращения окисления. Как правило, при производстве односторонних печатных плат широко используются следующие методы обработки поверхности.

Выравнивание с помощью горячего воздуха

Выравнивание горячим воздухом, также известное как выравнивание припоя горячим воздухом, представляет собой процесс, при котором расплавленный оловно-свинцовый припой наносится на поверхность печатной платы, а затем выравнивается (выдувается) с помощью нагретого сжатого воздуха для формирования покрытия, предотвращающего окисление меди и обеспечивающего хорошую паяемость. В процессе выравнивания горячим воздухом на границе раздела между припоем и медью образуется металлический сплав меди и олова толщиной примерно от 1 до 2 мил.

Оловянный

Поскольку в настоящее время все припои изготавливаются на основе олова, слой олова может быть совместим с любым типом припоя, что делает оловянное гальваническое покрытие перспективной технологией. Однако ранее печатные платы, обработанные методом оловянного гальванического покрытия, были подвержены образованию оловянных кристаллических усов, что приводило к проблемам с надежностью при пайке из-за миграции усов и олова, что ограничивало применение данного процесса. Позже в раствор для погружного оловянного покрытия были добавлены органические добавки, что позволило создать гранулярную структуру оловянного слоя, преодолеть предыдущие проблемы и обеспечить хорошую термическую стабильность и паяемость. Другие методы обработки используются реже; более распространенными являются гальваническое никель-золотое покрытие и безтоковый палладиевый нанос.

Антиоксидант OSP

Технология OSP отличается от других методов обработки поверхностей тем, что она создает барьерный слой между медью и воздухом. Проще говоря, в процессе OSP на чистой, голой медной поверхности химическим путем образуется органическая пленка. Эта пленка устойчива к окислению, термошоку и влаге, защищая поверхность меди от дальнейшего ржавления (окисления, сульфидирования и т. д.) в обычных условиях окружающей среды. В то же время она должна легко и быстро удаляться флюсом во время последующего процесса высокотемпературной пайки для облегчения пайки.

«Серебряное погружение»

Покрытие серебром методом погружения представляет собой процесс, занимающий промежуточное положение между OSP (Optical Sealing Plated) и химическим никелированием/покрытием золотом методом погружения; он относительно прост и быстр. Иммерсионное серебро не покрывает печатную плату толстым защитным слоем; даже под воздействием тепла, влажности и загрязнений оно по-прежнему обеспечивает хорошие электрические характеристики и сохраняет хорошую паяемость, но теряет свой блеск. Поскольку под слоем серебра отсутствует никель, погружное серебрение не обладает всеми преимуществами безтокового никелирования и погружного золочения в плане физической прочности. Покрытие погружным серебром представляет собой реакцию вытеснения, в результате которой образуется слой чистого серебра толщиной почти на субмикронном уровне. Иногда в процесс погружного покрытия также включаются некоторые органические вещества, главным образом для предотвращения коррозии серебра и устранения проблем миграции серебра. Этот тонкий слой органических веществ, как правило, трудно измерить; анализ показывает, что вес органических веществ составляет менее 1%.

Химическое палладиевое покрытие

Процесс безтокового палладиевого покрытия аналогичен процессу безтокового никелирования. Основной этап процесса заключается в использовании восстановителя для восстановления ионов палладия до палладия на каталитической поверхности. Вновь образованный палладий выступает в качестве катализатора, что позволяет создавать слои палладия любой толщины. К преимуществам безтокового палладиевого покрытия относятся высокая надежность сварных соединений, термическая стабильность и гладкая поверхность.

Безтоковый никелирование/покрытие золотом методом погружения (также известное как химическое золочение)

При химическом никелировании/погружном золочении на поверхность меди наносится толстый слой никель-золотого сплава, обладающего превосходными электротехническими характеристиками, что обеспечивает долговременную защиту печатной платы. В отличие от OSP, который выполняет лишь функцию антикоррозионного барьера, этот метод сохраняет свою эффективность и обеспечивает превосходные электротехнические характеристики на протяжении всего срока эксплуатации печатной платы. Кроме того, этот метод обладает устойчивостью к воздействию окружающей среды, которой не могут похвастаться другие методы обработки поверхностей.

Гальваническое никель-золотое покрытие (гальваническое золотое покрытие)

Никель-золотое покрытие является предшественником процессов обработки поверхности печатных плат. Оно существует с момента появления печатных плат и постепенно эволюционировало в другие процессы. Никель-золотое покрытие заключается в том, что сначала на проводники на поверхности печатной платы наносится слой никеля методом гальваники, а затем — слой золота. Никелирование в основном предназначено для предотвращения диффузии между золотом и медью. В настоящее время существует два типа никель-золотого покрытия: мягкое золото (чистое золото, поверхность золота не выглядит блестящей) и твёрдое золото (гладкая и твёрдая поверхность, износостойкая, содержащая кобальт и другие элементы, поверхность выглядит более блестящей).

Мягкое золото в основном используется для проволочной сварки при упаковке микросхем; твердое золото — для электрических соединений в зонах, не подвергающихся пайке (например, на золотых контактах). В обычных условиях пайка приводит к хрупкости гальванического золота, что сокращает его срок службы, поэтому следует избегать пайки на гальваническом золоте; в то же время безтоковый никель/иммерсионное золотопокрытие редко становится хрупким, поскольку слой золота очень тонкий и однородный. .

Типичные области применения односторонних печатных плат

Односторонняя печатная плата — это печатная плата, на которой проводящие цепи расположены только на одной стороне, тогда как другая сторона в основном используется для монтажа компонентов или обеспечения жесткости. Такая простая конструкция делает процесс её изготовления относительно несложным, однако она занимает незаменимое место в следующих областях применения:

Бытовая электроника	Односторонние печатные платы широко используются в бытовой электронике, например в радиоприемниках, калькуляторах и мелкой бытовой технике. К этим изделиям предъявляются менее высокие требования к сложности схем, однако необходимо обеспечить баланс между надежностью и экономичностью.
Светотехническая промышленность	В таких изделиях, как светодиодные светильники, дисплеи и модули подсветки, односторонние печатные платы пользуются большой популярностью благодаря своей высокой теплопроводности и простой конструкции.
Автомобильная промышленность и производство бытовой техники	В традиционной бытовой технике, такой как электрические игрушки, рисоварки и пылесосы, односторонние печатные платы являются экономичным выбором. Кроме того, они часто используются в некоторых некритичных схемах автомобилей, например в модулях управления подсветкой дверей.
Промышленное электронное оборудование	В небольших схемах управления или простых интерфейсных платах, где требования к обработке сигналов невысоки, односторонние платы могут обеспечить стабильную работу и снизить затраты.

Односторонняя Производство печатных плат

Производство односторонних печатных плат развивается под влиянием передовых технологий и постоянно меняющихся требований рынка. Мы проанализировали текущую ситуацию и прогнозируем, что в будущем в сфере производства печатных плат будут происходить инновации в следующих областях.

Аддитивное производство (3D-печать печатных плат)	В методах аддитивного производства не используется субтрактивное травление; вместо этого проводящие чернила наносятся только в тех местах, где это необходимо. Это сокращает количество отходов, обеспечивает быстрое прототипирование и позволяет встраивать компоненты.
Встроенные компоненты	Пассивные и активные компоненты интегрируются непосредственно в слой печатной платы, что позволяет уменьшить занимаемую площадь и повысить производительность.
«Умные» заводы и «Промышленность 4.0»	Устройства Интернета вещей (IoT), мониторинг в режиме реального времени, профилактическое техническое обслуживание и аналитика на основе искусственного интеллекта преобразуют традиционное производство печатных плат в интеллектуальные и оперативные производственные процессы.
Инициативы в области устойчивого развития	Рециркуляция воды, технологии без использования свинца, биоразлагаемые субстраты и энергоэффективное оборудование становятся стандартом для предприятий, заботящихся об окружающей среде.
Передовые материалы	Новые диэлектрики с ультранизкими значениями Dk/Df, улучшенной теплопроводностью и повышенной механической прочностью находят применение в системах следующего поколения — 5G, искусственном интеллекте и автономных системах.

Geyuan Electronics ‘Основные преимущества» в сфере изготовления печатных плат на заказ

Клиенты со всего мира, ищущие профессионального производителя печатных плат, всегда задают следующие вопросы: “Сможете ли вы это сделать?”, “Насколько качественно вы это сделаете?” и “Можете ли вы гарантировать сроки поставки?”. Компания Geyuan Electronics обладает многолетним опытом в сфере производства печатных плат и накопила ряд преимуществ, позволяющих ей более эффективно обслуживать клиентов по всему миру. Мои преимущества в основном включают следующие аспекты.

Процессные и технологические преимущества	Мы можем изготавливать многослойные печатные платы с количеством слоев до 40, соотношением сторон до 15:1, точностью импеданса ±5% и смещением слоев ±0,02 мм — все эти характеристики являются лучшими в отрасли. У нас есть специализированная команда по исследованиям и разработкам, которая постоянно оптимизирует процессы и решает технические задачи, связанные с производством многослойных печатных плат. Например, недавно разработанный нами процесс ламинирования 40-слойных плат обеспечивает выход готовой продукции более 95%, что значительно превышает средний показатель по отрасли, равный 70%.
Услуги по анализу DFM и инженерные возможности	Мы также предлагаем специализированную услугу по аудиту «Проектирование с учетом технологичности» (DFM). После того как клиенты предоставляют нам файлы Gerber, наши инженеры проводят подробный аудит DFM с целью выявления недостатков конструкции, которые могут затруднить производство, таких как чрезмерно тонкие линии, мелкие отверстия или несоответствующая схема слоения. Это позволяет проводить упреждающую оптимизацию и предотвращать проблемы на производстве. Для многих клиентов наши аудиты DFM позволили повысить коэффициент отбраковки с 60% до 98%, что привело к значительной экономии затрат.
Собственные производственные мощности и современное оборудование	Наши собственные производственные базы в Шэньчжэне и Дунгуане (Китай) оснащены полным комплектом высокотехнологичного оборудования для изготовления печатных плат: высокоскоростными сверлильными станами, импортированными из Германии, полностью автоматическими ламинаторами, лазерными экспонирующими устройствами LDI, приборами оптического контроля AOI, тестерами импеданса TDR, рентгеновскими приборами для проверки смещения слоев и т. д. Все это оборудование было введено в эксплуатацию в течение последних трёх лет и по своим техническим характеристикам находится на передовом уровне в отрасли.
Возможности по созданию прототипов и серийному производству	Наши производственные мощности по изготовлению печатных плат позволяют нам выпускать 1 500 прототипов в месяц и 10 000 квадратных метров печатных плат в месяц в серийном производстве, обеспечивая полный цикл от прототипа до серийного производства. Наш цикл поставки прототипов составляет 5 дней для 20-слойных плат, 7 дней для 30-слойных и 10 дней для 40-слойных, что более чем на 30% быстрее, чем в среднем по отрасли. У многих клиентов сжатые сроки; другим заводам требуется 15 дней, но мы можем выполнить заказ за 7 дней, помогая им получить конкурентное преимущество на рынке.
Управление качеством и послепродажное обслуживание	Наш коэффициент выхода готовой продукции при производстве печатных плат достигает более 98%, что значительно превышает средний показатель по отрасли, равный 80%. У нас действует строгая система контроля качества, включающая 12 контрольных точек — от складирования сырья до отгрузки готовой продукции, — что позволяет гарантировать соответствие каждой платы установленным стандартам. Кроме того, мы предоставляем пожизненную гарантию: любая изготовленная нами плата, повреждение которой не связано с человеческой ошибкой, будет отремонтирована бесплатно.
Преимущества услуги	Наш сервис работает на высшем уровне. При возникновении каких-либо проблем у клиентов наши инженеры отвечают в течение 2 часов и предлагают решение в течение 24 часов. Многие клиенты сталкиваются с проблемами со своими платами, и когда они обращаются в другие заводы, то либо сталкиваются с задержками, либо просто не могут до них дозвониться. Но когда они обращаются к нам, мы немедленно анализируем причину, предлагаем решения и, при необходимости, даже бесплатно изготавливаем платы заново.

Обобщить

Даже в современную эпоху «умных» технологий односторонние печатные платы остаются незаменимым и важнейшим компонентом производства электроники. Благодаря низкой стоимости, быстрым срокам изготовления и простоте конструкции они широко используются в сфере образования, предпринимательства и бытовой электроники. Понимание процесса их изготовления, технических требований к конструкции и ценового диапазона поможет вам с большей уверенностью приступать к реализации проектов.

Кроме того, судя по заказам компании ’Гэюань Электроникс» и отзывам клиентов, технологический процесс производства односторонних печатных плат становится всё более отлаженным, а спрос на них растёт. Как в потребительских товарах, так и в других видах продукции однослойные печатные платы всё чаще используются в качестве ключевых компонентов, поскольку позволяют эффективно снизить сложность производства и контролировать затраты. Если у вас есть потребности в производстве однослойных печатных плат, будь то для прототипов или серийного производства, обратитесь в компанию Geyuan Electronics за помощью. Начните свой проект по производству односторонних печатных плат прямо сейчас! Мы с радостью примем ваши проектные файлы, и наша команда создаст для вас высококачественную и экономичную печатную плату.