فرایند تولید PCB

برد مدار چاپی یا PCB (printed circuit board) یک شکل پیاده سازی مدارات الکترونیکی است که امروزه جزء جدا ناشدنی بیشتر دستگاه های الکترونیکی است. آشنایی با نحوه‌ی ساخت PCB دید ارزشمندی به طراحان می‌دهد تا در هنگام طراحی مدارات الکترونیکی برای چاپ، نکات لازم را رعایت کنند. در این مقاله به بررسی بستر های استفاده شده در ساخت PCB، مراحل تولید و لایه های PCB خواهیم پرداخت.

PCB چیست؟

برد مدار چاپی یا PCB همانطور که گفته شد یک شکل پیاده ‌سازی و ساخت مدارات الکترونیکی است که امروزه به صورت گسترده‌ای از آن استفاده می‌شود. پیش از گسترش PCB ها مدارات را به وسیله سیم کشی می‌ساختند که درین حالت ابعاد مدار و هزینه ساخت آن بسیار بالا بود. امروزه وجود PCB ها این مشکل را رفع کرده است.

 

بستر این برد یک ماده غیر رساناست که لایه های رسانا (عموما مس) روی آن چاپ شده اند به طوری که در دو طرف، یک رزین اپوکسی تقویت شده با الیاف شیشه (فایبر گلاس)، فویل مسی است چسبانده شده است.

فرایند ساخت

فرایند های متفاوتی در ساخت PCB استفاده می‌شود. در ادامه یک روش مرسوم را بررسی می کنیم.

گاو اول) انتقال از روی فایل به روی فیلم

در فرایند ساخت ابتدا با استفاده از چاپگری به نام plotter، طرح مدار را روی صفحه ای پلاستیکی با طرح نگاتیو چاپ می‌کنند. این فرایند برای تمام لایه های PCB و solder mask صورت می‌گیرد و تمام لایه ها روی فیلم چاپ می‌شوند. برای مثال در مجموع، یک PCB دو لایه به چهار ورق نیاز دارد: دو تا برای لایه ها و دو لایه برای soldermask. باید دقت کرد که فیلم ها همتراز باشند و دقیقا روی هم قرار گیرند.

 

 

گام دوم) ایجاد ترک

هدف ایجاد فیلم در مرحله قبل ترسیم شکلی از مسیر مسی است. اما باید شکل روی فیلم را روی یک فویل مسی چاپ کنیم. برای اینکار ابتدا تمام سطح پنل با یک لایه پلیمر حساس به نور (photo resist) پوشیده می‌شود. (فتورزیست ماده ایست که پس از تابش نور فرابنفش به آن سفت و سخت می‌شود.) سپس فیلم نگاتیو چاپ شده، روی پنل قرار می‌گیرد. در این مرحله نور فرابنفش به سطح پنل تابیده می‌شود و نور تنها به جاهایی از سطح فتورزیست می‌رسد که روی فیلم نگاتیو سوراخ است و امکان عبور دارد. در نتیجه قسمت هایی از فتورزیست که در معرض نور قرار داشت سفت می‌شود و به لایه مسی زیرین می‌چسبد. قسمت های دیگر فتورزیست که در معرض نور قرار نگرفته اند و سفت نشده اند، به کمک یک محلول قلیایی پاک می‌شوند.

اگر برد دولایه باشد، این فرایند برای هر دو سمت مسی پنل تکرار می‌شود. در برد های دو لایه همانند برد یک لایه و برخلاف برد های چند لایه یک عایق در بین لایه ها قرار دارد.

 

گام سوم) حذف قسمت های ناخواسته‌ی مس

در این حالت قسمت هایی از صفحه مسی که می‌خواستیم باقی بماند، به وسیله ی فتورزیست سفت شده محافظت می‌شوند و می‌توانیم قسمت های ناخواسته مسی را از روی سطح پاک کنیم. سپس با محلولی که مس را از بین می‌برد، مس روی قسمت های ناخواسته پاک می‌شوند و در ادامه زمانی که مس ناخواسته پاک شد، فتورزیستی که برای محافظت ترک ها روی لایه های مسی قرار داشت نیز پاک می‌شود. طرحی که روی پنل در این حالت وجود دارد، ترک های رساناییست که لازم بود روی سطح برد وجود داشته باشند. اگر برد یک لایه یا دو لایه باشد، در این مرحله برد آماده است. برای برد های چند لایه این فرایند برای هر لایه تکرار می‌شود.

 

گام چهارم) روی هم قرار دادن لایه ها

این مرحله برای برد هایی اجرا می‌شود که بیشتر از 2 لایه هستند. درین صورت تمام لایه های درونی (بجز لایه رو و زیر) تا بدینجا با روشی که در بالا گفته شد ساخته شده اند و باید روی هم قرار بگیرند. این مرحله بسیار حساس است و نیاز به دقت بالا دارد. اگر خطایی رخ دهد و لایه های برد هم تراز با هم قرار نگیرند، عملکرد مدار مختل می‌شود. بررسی همترازی لایه ها با استفاده از تجهیزات دقیق نوری انجام می‌شود. در زیر ساختار یک برد 4 لایه و یک برد 6 لایه مشخص شده است.

در برد های بیشتر از دو لایه در بین لایه ها، یک prepreg قرار می‌گیرد که عایق بین لایه ها باشد و آن ها را به هم متصل کند. قطر و جنس آن با توجه به فرکانس کاری و مشخصات مدار متفاوت انتخاب می‌شود. پس از قرار دادن دقیق تمام لایه ها، با استفاده از حرارت و دما، لایه ها به هم متصل می‌شوند. برای لایه رویی و زیر برد، مرحله دو مجددا انجام شده تا تمام لایه ها تشکیل شوند.

گام پنجم) سوراخ کاری

در این مرحله باید سوراخ ها (مربوط به پایه قطعات و وایا) روی برد ایجاد شود. برای یافتن محل های سوراخ کاری، یک مکان یاب اشعه ایکس نقاط هدف مته مناسب را شناسایی می کند. سپس، سوراخ ‌هایی روی برد ایجاد می‌شود تا محل دقیق قرارگیری مته را برای سوراخ کاری مشخص کند. مته روی محل های مناسب قرار می‌گیرد و تمام حرکات آن با کامپیوتر کنترل می‌شود. سپس سوراخ هارا ایجاد می کنند. و در ادامه مس اضافی به وجود آمده اطراف آن ها پاک می‌شود.

پس از این مرحله برد چند بار با مکانیزم ها و مواد شیمیایی متفاوت شسته می‌شود و مس روی ترک ها مجددا تقویت می‌شود. متالیزه سوراخ ها برای اتصال وایا نیز درین مرحله صورت می‌پذیرد.

گام ششم) ایجاد solder mask

در این مرحله چاپ محافظ یا solder mask روی برد قرار می‌گیرد. سپس برد وارد محفظه ای ‌می‌شود تا چاپ محافظ روی آن تثبیت شود.

گام هفتم) ایجاد Silkscreen

اکنون نوشته ها و مطالب چاپی روی برد به وسیله ink-jet روی آن نوشته می‌شود. در نهایت pcb وارد آخرین مرحله‌ی تثبیت می‌شود.

گام هشتم) برش کاری

در این قسمت با توجه به ابعاد برد با استفاده از فرز برش کاری صورت می‌گیرد. و اگر برش خاصی روی برد وجود داشته باشد، درین مرحله ایجاد می‌شود.

روش بیشتر استفاده شده در ایران- برای برد های عمومی

• روش ها و فرابند های دیگری نیز وجود دارد که مراحل آن با مراحل بالا ممکن است متفاوت باشد. یکی از این روش ها را در ادامه شرح خواهیم داد. در این روش ابتدا سوراخ کاری روی فیبر اصلی (شامل بستر که دو طرف آن لایه مسی قرار دارد) انجام می‌شود. سپس جهت زدودن اکسید قبلی، سطح فیبر برس زده می‌شود. در ادامه برد در محلول آماده ساز قرار می‌گیرد تا رزین آپوکسی داخل سوراخ ها متورم شده و عمل متالیزه کردن سوراخ ها با مس در مراحل بعدی بهتر انجام گیرد.
• سپس برد در محلول پاک کننده قرار می‌گیرد. محلولی که پایه آن پرمنگنات است و تمام آلودگی ها را از سطح برد پاک می‌کند. اگر در سوراخ ها زائده های رزین قرار گرفته باشد، آن ها نیز در این مرحله محو خواهند شد و باعث افزایش چسبندگی مس در داخل سوراخ ها می‌شود.
• زمانی که برد کاملا تمیز شد، برای حذف عوامل پرمنگنات باقی مانده، برد را وارد محلول خنثی کننده و پس از آن وارد محلول پاک کننده قلیایی می کنند.
• در ادامه توسط محلول conditioner، کاتالیستی سوراخ ها را می پوشاند که باعث می‌شود چسبیدن ذرات مس به بدنه سوراخ ها بهتر شود. در این مرحله برد وارد محلول مس شیمیایی می‌شود و لایه ای به ضخامت 0.4 میکرون از مس تمام برد را می‌پوشاند و مس درون سوراخ ها نیز قرار خواهد گرفت.
• سپس در ادامه یک لایه لمینت روی برد چسبانده می‌شود. (لمینت یک ماده‌ی حساس به نور است و در اثر تابش نور از بین می‌رود.) زمانی که لمینت به روی برد چسبید، یک طرح چاپ شده از مدار اصلی (photo pattern) روی آن پرس می‌شود. نور UV به برد تابیده میشود. نور از photo pattern عبور می کند و لمینت زیر آن را از بین میبرد.درین حالت لمینت تنها در قسمت هایی باقی می ماند که میخواستیم آنجا مس باشد.
• سپس با محلول مس بری قسمت های مس اضافی سطح پاک می شود و پس از آن با محلول stripper باقی لمینت ها نیز پاک می شود و تنها خطوط ترک ها و سوراخ ها باقی می ماند.
• در این مرحله سطح برد به غیر از سوراخ ها (پد ها) توسط چاپ محافظ solder mask پوشانیده می‌شود. سپس برد را وارد آلیاژ قلع و سرب مذاب می کنند. و این آلیاژ روز پد ها و درون سوراخ ها را می پوشانند. برای کیپ نشدن سوراخ ها پس از خارج کردن برد از مخزن، آن را در معرض هوای گرم با فشار بالا قرار می گیرد و آلیاژ به طور یکنواخت در دیواره و سزح بیرونی سوراخ ها قرار می گیرد. در پایان بعد از برش کاری، برد آماده است.

 

نکاتی درباره جنس فیبر مدار چاپی

در انتخاب فیبر مدارات چاپی، به نکات زیر توجه میشود.

1. خواص حرارتی (مانند دمای تغییر حالت، دمای تجزیه، ضریب انبساط حرارتی و رسانایی گرمایی)
2. ویژگی های الکتریکی (مانند ثابت دی الکتریک، ضریب اتلاف، مقاومت ویژه و قدرت الکتریکی قبل از شکست)
3. خواص شیمیایی (اشتعال پذیری، جذب رطوبت، مقاومت شیمیایی مخصوصا در مقابل مواد شیمیایی استفاده شده در فرایند چاپ)
4. ویژگی مکانیکی (چگالی، استحکام خمشی و …)

در نهایت با توجه به کاربرد مدار و ویژگی های هر پنل، فیبر مورد نظر انتخاب می‌شود. امروزه محبوب ترین جنس فیبر استفاده شده برای مدارات چاپی، FR4 می باشد. “FR” نشان می دهد که ماده مقاوم در برابر شعله است (flame retardant) و “4” نشان دهنده رزین اپوکسی تقویت شده با شیشه است. در واقع FR4 استانداردی است که توسط NEMA (انجمن ملی تولیدکنندگان برق) برای لمینت رزین اپوکسی تقویت شده با شیشه تعریف شده است.

اگرچه فیبر FR4 به علت وجود تلفات دی الکتریک بالا، عملکرد خوبی در مدارات سرعت بالا (در حد گیگاهرتز) ندارند اما به خاطر مزایای زیادش از جمله سبک وزنی، محکم بودن برد نسبت به وزن، عایق قوی بودن و مقاومت در برابر رطوبت و دما، کاربرد گسترده ای پیدا کرده است.

 

خلاصه

در این مقاله درباره فرایند چاپ PCB اطلاعات جامعی داده شد. فهمیدیم که برای چاپ از روش دقیق لیتوگرافی استفاده می‌شود. به این صورت که برای برد های یک و دو لایه صفحه فیبر که دو سمت آن مس نشانده شده است، لمینت کاری میشود و نقشه مدار روی آن قرار می گیرد. با تابش نور لمینت قسمت های اضافی پاک شده و سپس مس زیر آن پاک می شود. پس از حذف کامل لمینت ترک ها روی فیبر ایجاد شده اند. سپس سوراخ کاری و متالیزه در صورت لزوم انجام می‌شود و در نهایت چاپ محافظ و چاپ راهنما ایجاد می گردد. طراحی و سفارش برد مدار چاپی در مرکز ذهن دیجیتال صورت می‌گیرد. در این رابطه بررسی کمترین قیمت و بالاترین کیفیت برای تولید PCB مد نظر قرار گرفته می‌شود.