Bảng mạch in (PCB) là thành phần thiết yếu nhất của thiết bị điện tử hiện đại. Bất kể kích thước, khả năng là nếu bạn mở bất kỳ thiết bị điện tử nào của mình, nó sẽ có một bảng mạch in bên trong. Những bảng mạch này đảm bảo rằng thiết bị hoạt động như mong đợi, duy trì thế giới hiện đại của chúng ta.
Trong khi bảng mạch có mặt ở khắp mọi nơi, quy trình sản xuất mạch tạo ra những bảng mạch này có thể phức tạp. Đây là một quy trình nhiều bước kết nối nhiều quy trình kỹ thuật, nhà thiết kế và nhà sản xuất linh kiện. Hãy cùng tìm hiểu quy trình này bao gồm những gì.
Quy trình sản xuất
Có rất nhiều yếu tố liên quan đến sản xuất mạch, tùy thuộc vào bo mạch . Vật liệu nền, chức năng mong muốn và dung sai độ tin cậy đều có thể ảnh hưởng đến quy trình sản xuất mạch. Chúng ta sẽ thảo luận về quy trình sản xuất mạch tổng quát nhất, tạo thành nền tảng mà các quy trình khác dựa trên.
Bước 1: Từ thiết kế đến sản xuất
Sau khi thiết kế được hoàn thiện, các kỹ sư xuất thiết kế thành các định dạng tệp mà nhà sản xuất sử dụng, thường là một bộ tệp Gerber . Các tệp này mã hóa thông tin cần thiết như lớp đồng, bản vẽ khoan, lớp phủ phủ, v.v. Sau đó, dữ liệu chế tạo được đọc vào phần mềm sản xuất hỗ trợ máy tính hoặc CAM.
Bước 2: Thiết kế ban đầu
Sử dụng máy in plotter đặc biệt, một “phim” hoặc “hình ảnh” của mỗi lớp được tạo ra. Phim này là một bản âm bản của chính bảng mạch. Mỗi lớp của bảng mạch (cả bên trong và bên ngoài) và mặt nạ hàn đi kèm ở trên và dưới đều có lớp riêng. Sau khi các phim được in, chúng được xếp thẳng hàng và một “lỗ ghi” được đục qua để căn chỉnh sau trong quá trình sản xuất mạch.
Bước 3: In và khắc đồng lớp bên trong
Thiết kế được in lên vật liệu nhiều lớp và sau đó đồng được liên kết trước với nó. Đồng sau đó được khắc đi để lộ các dấu vết và vùng đồng lấp đầy theo chỉ dẫn của các tệp Gerber. Điều này có thể được thực hiện thông qua nhiều phương pháp, nhưng một phương pháp phổ biến là tạo ra một lớp màng nhạy sáng được gọi là resist. Chất resist sử dụng các hóa chất phản ứng với ánh sáng, cứng lại sau khi tiếp xúc với tia cực tím. Các khu vực được làm cứng tương ứng với các phần được giữ dưới dạng đồng trên bảng. Các phần đồng không tiếp xúc khác được loại bỏ bằng hóa chất.
Bước 4: Căn chỉnh lớp xếp chồng
Sau khi mỗi lớp được in và làm sạch, các kỹ thuật viên sử dụng “máy đục quang học” và đóng chốt qua các lớp để căn chỉnh chúng.
Bước 4.5: Kiểm tra chất lượng
Không có sửa đổi vật lý nào được thực hiện đối với bảng mạch trong bước này, nhưng đây là một sửa đổi quan trọng. Ở đây, một máy thực hiện kiểm tra quang học bằng cách so sánh PCB với các tệp Gerber, đảm bảo không có lỗi.
Bước 5: Cán màng
Đối với các tấm ván nhiều lớp, quy trình này bao gồm việc áp dụng nhiệt độ và áp suất cao vào các lớp bên trong của tấm ván trong khi sử dụng chất chống khô nhạy sáng.
Bước 6: Khoan lỗ
Dựa trên các tệp Gerber, máy khoan điều khiển bằng máy tính được sử dụng để tạo lỗ định vị, lỗ dẫn hướng và các lỗ chỉ định khác.
Bước 7: Mạ
Một quá trình hóa học được sử dụng để tạo ra một lớp đồng dày một micron trên lớp trên cùng và các lỗ đã được khoan, tạo ra các lỗ thông, cho dù chúng là lỗ xuyên qua, lỗ ẩn hay lỗ chôn .
Bước 8 : Chụp ảnh và khắc lớp ngoài
Một lớp cản quang được phủ lên các lớp bên ngoài và sau đó được chụp ảnh. Sau đó, chúng được mạ tương tự như các lớp bên trong đã thảo luận trước đó, với một lớp thiếc bổ sung để giúp bảo vệ đồng trong quá trình khắc.
Bước 9: Mặt nạ hàn
Một lớp mặt nạ hàn (thường là màu xanh lá cây) được phủ lên bề mặt của bảng mạch. Sau đó, ánh sáng cực tím được chiếu vào bảng mạch để chỉ ra các phần cần loại bỏ.
Bước 10: In lụa
Quá trình phụ gia cuối cùng vào bảng mạch là ứng dụng in lụa hoặc chú thích. Điều này được sử dụng để truyền đạt số ID công ty, nhãn cảnh báo, chỉ định thành phần, định vị chân hoặc bất kỳ thông tin hữu ích nào khác.
Bước 10.5: Kiểm tra độ tin cậy điện
Kiểm tra tính liên tục của mạch được thực hiện để kiểm tra bất kỳ sự ngắt kết nối không mong muốn nào trong đồng. Sau đó, kiểm tra cách ly được thực hiện để kiểm tra các điểm ngắn mạch, đảm bảo mạch được sản xuất theo đúng mục đích.
Lắp ráp mạch điện
Bước 12 xác định kết thúc của quá trình chế tạo bảng mạch. Tuy nhiên, trong quá trình sản xuất toàn bộ mạch cho người tiêu dùng và các bảng mạch tiêu chuẩn hóa cao khác, các bước sau đây tương ứng với việc áp dụng các thành phần để lắp ráp mạch.
Bước 13: Ứng dụng hàn
Khi sử dụng phương pháp hàn phổ biến nhất là hàn chảy, một khuôn kim loại được tạo ra bởi các tệp Gerber được sử dụng để bôi kem hàn chảy vào các đầu nối của miếng đệm liên quan.
Bước 14: Vị trí linh kiện
Sử dụng máy gắp và đặt, các linh kiện từ cuộn được gắp lên và đặt vào đúng vị trí trên bảng mạch, phía trên lớp hàn đã dán.
Bước 15: Hàn
Sử dụng một trong những kỹ thuật hàn chính , các thành phần được hàn vào bảng mạch.
- Hàn sóng sử dụng một làn sóng chất lỏng hàn nóng
- Hàn chảy sử dụng kem hàn nóng chảy
- Hàn mềm sử dụng đèn khò điện hoặc khí để cố định chất độn kim loại giữa bảng mạch và các thành phần
- Hàn cứng chủ yếu được sử dụng để kết hợp hai miếng kim loại rắn như đồng, đồng thau, bạc hoặc vàng
Sau bước cuối cùng này, bảng mạch thường được chạy thử nghiệm độ tin cậy để đảm bảo nó được sản xuất và lắp ráp chính xác.
Vật liệu nền mới
Khi nói đến sản xuất mạch và lựa chọn chất nền phù hợp, hãy cân nhắc trường hợp sử dụng dự kiến của mạch. Chất nền mặc định thường là FR-4, nhưng tùy thuộc vào yêu cầu về nhiệt hoặc thu nhỏ, lõi kim loại hoặc bo mạch mềm có thể là lựa chọn thay thế tốt.
Ngày nay, vật liệu bảng mạch in phổ biến nhất là FR-4, một loại vải sợi thủy tinh dệt với nhựa epoxy. Nó có khả năng hấp thụ nước thấp (khoảng 0,15%), khả năng chống hồ quang tốt và tính chất cách điện mạnh.
Tấm nền gốm có tính linh hoạt, độ bền, độ ổn định và tính chất cách điện mạnh hơn so với FR-4 thông thường. Độ dẫn nhiệt cao và hệ số giãn nở nhiệt của chúng khiến chúng đặc biệt hữu ích trong môi trường có nhiệt độ hoặc áp suất cao. Một số thành phần phổ biến bao gồm nhôm nitride (AlN), alumina (Al2O3), berili oxide (BeO), silicon carbide (SiC) và boron nitride (BN).
Nhôm, các bảng lõi kim loại khác hoặc các tấm nền kim loại cách điện (IMS) cũng là những lựa chọn thay thế phổ biến. Chúng có lớp điện môi mỏng, dẫn nhiệt và thường được sử dụng cho các mạch chạy cực nóng và cần phân phối nhiệt tốt.
Sản xuất bo mạch mềm và mạch linh hoạt
Một lựa chọn thay thế ngày càng phổ biến thứ tư là các chất nền linh hoạt. Chúng bao gồm một lá đồng bọc độc lập, chẳng hạn như lá polyimide kapton hoặc một lớp phủ mỏng có chất làm cứng mỏng. Chúng có thể được sử dụng cho các mạch in linh hoạt hoặc các kết nối linh hoạt và có khả năng chịu nhiệt cao. Các mạch linh hoạt cung cấp nhiều lợi thế như kích thước nhỏ gọn, giảm trọng lượng, kiểm soát trở kháng tốt hơn, không có đầu nối cơ học, v.v.
Tấm nền cứng-mềm , một sự kết hợp giữa tấm nền mềm và tấm nền tiêu chuẩn, mang lại ưu điểm của cả hai. Chúng có quy trình chế tạo tương tự nhau, với một số thay đổi nhỏ. Quy trình sản xuất cứng-mềm như sau:
- Tấm ép có chứa lớp đồng được làm sạch trước.
- Sau khi tạo ra mẫu mạch thông qua phương pháp in lưới hoặc chụp ảnh, mẫu mạch sẽ được khắc lên lớp phủ bằng dung dịch khắc hoặc bình xịt.
- Máy được sử dụng để khoan lỗ, đệm và lỗ xuyên qua.
- Quá trình mạ đồng được sử dụng để phủ đồng lên các tấm và lỗ đã chỉ định.
- Vật liệu phủ, thường được làm từ màng polyimide, được in trên tấm cứng-mềm bằng phương pháp in lưới. Các chất làm cứng bổ sung được thêm vào đây nếu thiết kế yêu cầu.
- Sau đó, tấm flex được cắt ra khỏi tấm ván bằng dao hoặc máy đột thủy lực.
- Sau đó tiến hành thử nghiệm và xác minh điện.
Thiết kế xuất mạch
Quá trình chế tạo PCB rất dài và phức tạp, với nhiều chỗ có thể mắc lỗi. Nếu bạn đang có kế hoạch chế tạo bo mạch của mình nhiều lần, ngay cả một lỗi nhỏ trong thiết kế cũng có thể tốn thời gian, tiền bạc và thậm chí là mạng sống, tùy thuộc vào trường hợp sử dụng bo mạch. Vì lý do này, hãy luôn ghi nhớ thiết kế để sản xuất (DfM) và ưu tiên tính dễ chế tạo là điều quan trọng.
Một mẹo đặc biệt quan trọng để hợp lý hóa quy trình chế tạo PCB của bạn bao gồm thiết lập các ràng buộc DRC. Cách dễ nhất là liên hệ với nhà sản xuất PCB của bạn và tải xuống tệp DRC hoặc quy tắc mà bạn có thể tải lên ứng dụng thiết kế PCB của mình. Theo cách này, bạn có thể đảm bảo rằng thiết kế của mình phù hợp với dung sai của nhà sản xuất.
Hãy chạy kiểm tra DRC trước khi gửi bất kỳ tệp nào của bạn để chế tạo, vì sẽ dễ dàng hơn nhiều để sửa bo mạch của bạn sớm hơn là muộn. Sau khi gửi mạch in của bạn đến nhà sản xuất, họ có thể sẽ tự thực hiện kiểm tra DRC.
