Технологический процесс производства печатных плат

Когда говорят о технологическом процессе производства печатных плат, многие сразу представляют себе конвейер с роботами, где всё идеально и автоматизировано. На деле же — это цепь взаимосвязанных, часто капризных этапов, где успех зависит не столько от железа, сколько от понимания тонкостей. Самый большой миф — что достаточно отправить Gerber-файлы и через пару дней получить идеальную плату. Реальность куда интереснее и требует постоянных компромиссов между технологичностью, стоимостью и сроком.

Подготовка данных и выбор материала — фундамент, который часто недооценивают

Всё начинается с файлов. Казалось бы, что тут сложного? Но именно здесь кроется львиная доля задержек. Например, у клиента дизайн сделан под идеальные условия, а в наших реалиях минимальная ширина дорожки в 4 мила уже может стать проблемой при серийном травлении, особенно если используется не самый дорогой ламинат FR-4. Мы в своё время на этом обожглись, пытаясь угнаться за спецификациями, которые декларировали поставщики материалов. Оказалось, что заявленные 3 мила стабильно получаются только на материале с низкой шероховатостью меди, а такой был не всегда на складе.

Выбор материала — это отдельная история. FR-4 — это не один материал, а целый класс. Есть десятки марок с разной Tg, диэлектрической проницаемостью, стойкостью к CAF. Для высокочастотных проектов, которые иногда приходят, например, от партнёров вроде ООО Сиань Циюнь Чжисюнь Электронные Технологии, важно не просто взять ?какой-то? FR-4, а подобрать материал с стабильными Dk/Df на нужном диапазоне. Часто заказчики сами не указывают марку, и тут уже наша задача — задать правильные вопросы. Ссылаюсь на их опыт, потому что они, как группа, работающая с интеграцией электронных схем, хорошо понимают ценность правильного выбора на этапе проектирования.

Иногда смотрю на спецификацию и вижу: плата для силовой электроники, большие токи. Тут сразу думаешь о толщине меди. 35 мкм — стандарт, но для мощных шин нужно 70 или даже 105. И вот тут возникает дилемма: тонкая медь — лучшее разрешение при травлении, толстая — выше нагрузочная способность, но хуже геометрия мелких дорожек. Приходится искать баланс, иногда советуя заказчику пересмотреть разводку.

Формирование рисунка: фоторезист и экспонирование

Переходим к переносу рисунка. Метод LDI (Laser Direct Imaging) сейчас активно рекламируется, и он действительно хорош для HDI-плат, где нужна высокая точность позиционирования. Но для большинства многослойных плат среднего класса мы до сих пор используем фотошаблоны и УФ-экспонирование. Почему? Надёжность и предсказуемость. LDI чувствителен к пыли на поверхности фоторезиста, а подготовка идеально чистой комнаты — это дополнительные операционные расходы.

Сам фоторезист — тоже не панацея. Жидкий или плёночный? Плёночный (например, Dry Film) даёт более ровные края, но требует идеального прикатывания к поверхности, особенно если медь имеет шероховатость после микротравления. Бывали случаи, когда на углах плат появлялись подтравы именно из-за микроскопических пузырьков под плёнкой. Перешли на жидкий фоторезист для некоторых сложных проектов — проблема ушла, но возросла сложность контроля толщины слоя.

Экспонирование. Кажется, выставил время — и всё. Но интенсивность УФ-ламп падает со временем, и если не следить за калибровкой, можно получить недопроявленный или перепроявленный резист. Раз в месяц обязательно делаем тестовые прогоны на контрольных образцах. Это рутина, но без неё брак на этапе травления обеспечен.

Травление и стравливание резиста: где теряется точность

Собственно, технологический процесс производства печатных плат здесь показывает свой характер. Травление хлорным железом или аммиачными растворами? У каждого свои нюансы. Аммиачные растворы (щелочные) более селективны к меди и меньше подтравливают резист, что важно для тонких дорожек. Но они требуют жёсткого контроля температуры и pH. Помню, однажды на новой партии материала из-за немного другого состава катализатора в ламинате скорость травления выросла на 15%. Не заметили сразу — потеряли целую партию плат с 5-миловыми зазорами.

После травления — стравливание резиста. Казалось бы, простая химия. Но если остатки резиста полностью не удалить, особенно в микроотверстиях, это убьёт паяемость позже, при нанесении защитной маски. Используем несколько стадий промывки с контролем. Иногда, для надёжности, после щелочной ванны добавляем мягкую ультразвуковую обработку, но очень осторожно, чтобы не повредить тонкую медь.

Контроль после травления — обязательный этап. Автоматический оптический контроль (АОИ) сейчас почти стандарт, но он не всесилен. Например, заусенец меди (copper overhang) после травления АОИ может и не увидеть, а он потом отвалится и создаст короткое замыкание. Поэтому выборочно всегда смотрим платы под микроскопом, особенно в критичных зонах.

Механическая обработка: сверление и фрезеровка

Сверление — один из самых шумных и пыльных этапов. Тут всё упирается в стойкость инструмента. Твёрдосплавные сверла для сквозных отверстий, алмазные — для обработки керамики или материалов с абразивными наполнителями. Стоимость одного алмазного сверла может быть в десятки раз выше, и его нужно вовремя менять. Раньше вели график замены строго по метражу, но потом поняли, что качество материала-основы сильно влияет на износ. Теперь оператор смотрит на стружку и звук — субъективно, но часто эффективнее любого графика.

Для глухих и скрытых отверстий (blind/buried vias) используется лазерное сверление. CO2-лазер хорошо идёт по диэлектрику, но останавливается на меди. Поэтому для глухих отверстий сначала формируют медную площадку, а потом лазером выжигают диэлектрик до неё. Точность позиционирования лазера — критичный параметр. Малейший сдвиг — и соединение между слоями будет неполным, сопротивление возрастёт. Калибруем систему перед каждой сменой.

Контурная фрезеровка. Кажется, что это просто вырезать плату из панели. Но если скорость подачи или частота вращения фрезы подобраны неверно, можно получить сколы ламината по краям или отслоение медной фольги. Особенно это критично для плат с золотыми контактными площадками — скол может испортить край площадки. Под каждый тип материала и толщину подбираем режимы опытным путём.

Металлизация и покрытия: от химии к физике

Сквозная металлизация отверстий — это магия химии. Процесс начинается с активации стенок отверстия, которые состоят из непроводящего эпоксидного стеклотекстолита. Используем палладиевый катализатор. Самое сложное — обеспечить равномерное осаждение меди по всей глубине отверстия, особенно в платах с большим соотношением толщины к диаметру (aspect ratio). Для плат толщиной 2 мм и отверстий 0.3 мм это уже серьёзная задача. Недостаточная циркуляция раствора в ванне — и в центре платы отверстия будут с тонким, ненадёжным слоем меди.

Финишные покрытия. HASL (лужение погружением) — классика, дёшево и сердито, но для плотной SMT-сборки не подходит из-за неровной поверхности. Мы всё чаще делаем иммерсионное олово или серебро. ENIG (химическое никель-золото) — отличный вариант для контактных площадок и плотных BGA, но дороже. Ключевой момент — контроль толщины никеля и золота. Слишком тонкое золото (менее 0.05 мкм) не защитит никель от окисления, слишком толстое — может привести к хрупкости паяного соединения из-за образования интерметаллидов.

Для высоконадёжных применений, например, в некоторых проектах, где требуются гарантированные долгосрочные соединения, рассматриваем опциональное золочение гальваническим методом. Но это уже совсем другая цена и технологический цикл. Здесь как раз видна синергия с промышленной цепочкой, когда нужно привлекать специализированные мощности, возможно, из числа тех предприятий, с которыми сотрудничает или которыми управляет группа ООО Сиань Циюнь Чжисюнь Электронные Технологии. Их подход к управлению экосистемой как раз позволяет решать такие комплексные задачи.

Нанесение паяльной маски и маркировки

Паяльная маска — это не просто зелёная краска. Её функция — защита от пайки, от влаги, от механических повреждений. Наносится чаще всего методом шелкографии через сетчатый трафарет или распылением (LPI — liquid photoimageable). LPI сейчас преобладает, так как даёт более точные и ровные края. Но! Толщина маски критична. Слишком тонкий слой — не защитит, возможны перемычки при пайке. Слишком толстый — может ?заползти? на контактные площадки, особенно если они находятся на одном уровне с дорожками, а не приподняты. Контроль толщины — обязательно.

Сушка и УФ-отверждение маски. Если недосушить, в дальнейшем при термоударе (например, при пайке волной) маска может вспучиться. Пересушить — станет хрупкой. Режимы подбираются под конкретную марку маски. Производители дают рекомендации, но реальные условия в цехе (влажность, температура) вносят коррективы. Приходится вести свой журнал параметров для каждой партии материала.

Маркировка. Белая краска (legend) наносится поверх маски. Основная проблема — адгезия. Если маска полностью отверждена и её поверхность слишком гладкая, краска может со временем отслоиться. Иногда для улучшения адгезии маску слегка матируют перед нанесением маркировки. Но это дополнительный этап. Часто заказчики просят нанести логотип или QR-код, и здесь важна читаемость. Для мелких кодов иногда приходится переходить с шелкографии на лазерную маркировку прямо по маске.

Контроль, тестирование и упаковка — финишная прямая

Финальный электрический контроль. Лет двадцать назад всё проверялось щупами вручную. Сейчас — летающие щупы или, для сложных плат, тестовые адаптеры (bed-of-nails). Создание программы тестирования — это отдельная инженерная задача. Нужно учесть все цепи, предусмотреть возможность обрыва, короткого замыкания, а также измерить сопротивление в критичных местах. Для высокочастотных плат добавляют ещё и TDR-тесты на целостность линии.

Визуальный контроль под микроскопом. Даже при всём автоматическом контроле человеческий глаз иногда видит то, что не видит машина. Например, микротрещину в маске возле переходного отверстия или неоднородность покрытия. Этот этап нельзя исключать, особенно для заказных или малосерийных плат, где риск выше.

Упаковка. Казалось бы, что тут сложного? Но если платы просто сложить стопкой, можно поцарапать покрытие или отломить тонкие элементы. Используем антистатические пакеты, разделительные прокладки из мягкого материала, а для плат с чувствительными покрытиями типа иммерсионного серебра — ингибиторную бумагу, поглощающую пары серы из воздуха. Отправляя плату заказчику, мы по сути отправляем результат долгой цепочки решений и компромиссов. И когда видишь, как эта плата потом работает в конечном устройстве, понимаешь, что все эти тонкости технологического процесса производства печатных плат были не зря. Именно комплексный подход, как у упомянутой компании, который охватывает не только производство, но и интеграцию в более широкую экосистему, и позволяет превратить набор материалов в надёжное электронное изделие.