تصنيع أقراص PCB الصلبة: المواد والعمليات ومعايير الصناعة

تشكل لوحات الدوائر المطبوعة الصلبة (PCBs) العمود الفقري لكل جهاز إلكتروني تقريبًا ، من الهواتف الذكية وأجهزة الكمبيوتر المحمولة إلى الآلات الصناعية والمعدات الطبية. على عكس PCBs المرنة ،الـ PCBات الصلبة تحتفظ بشكل ثابت، توفير الاستقرار الهيكلي للمكونات وضمان أداء موثوق به في التطبيقات الثابتة.من اختيار المواد إلى الاختبار النهائي، والتي تخضع جميعها لمعايير صناعية صارمة لضمان الاتساق والجودة. يستكشف هذا الدليل المواد والعمليات والمعايير الرئيسية التي تحدد تصنيع أقراص PCB الصلبة ،تقديم رؤى حول كيفية تأثير هذه العوامل على الأداءوالتكلفة والموثوقية.

المواد الأساسية في تصنيع أقراص PCB الصلبة
يتم تحديد أداء PCB الصلب بشكل أساسي بواسطة موادها الأساسية ، والتي تشمل الركائز والورق النحاسي والطبقات الواقية.يتم اختيار كل مادة بناء على متطلبات التطبيق للمقاومة الحرارية، الأداء الكهربائي، والتكلفة.

1مواد الركيزة
يشكل الركيزة القاعدة الصلبة لـ PCB ، مما يوفر الدعم الميكانيكي والعزل الكهربائي بين طبقات النحاس. الركيزة الأكثر شيوعا هي:

a.FR-4 هيمنة: الأكسيد الريبوزي المعزز بالألياف الزجاجية (FR-4) هو المعيار الصناعي ، وهو يمثل حوالي 90٪ من PCBs الصلبة.والقدرة على المعالجة تجعلها مثالية لمعظم التطبيقات.
b.المتغيرات عالية الثقافة: تستخدم في بيئات تتجاوز 130 درجة مئوية، مثل أنظمة السيارات تحت الغطاء، حيث يمكن أن يكون FR-4 القياسي ناعمًا أو منقشًا.
c. الأساسيات المتخصصة: تتفوق أساسات الألومنيوم PCB على إبعاد الحرارة ، في حين أن أساسات البوليميد محجوزة لظروف شديدة مثل الفضاء أو الفرن الصناعي.

2أوراق النحاس
أوراق النحاس تشكل آثار موصلة تحمل الإشارات الكهربائية.
a. السماكة: تتراوح من 0.5 أونصة (17 ميكرو مترا) إلى 6 أونصة (203 ميكرو مترا). يستخدم النحاس الأكثر سماكة (2 ′′ 6 أونصة) في أقراص PCB الكهربائية للتعامل مع التيارات العالية ، في حين أن 0.5 ′′ 1 أونصة هي القياسية لآثار الإشارة.
b.معالجة السطح:
النحاس القياسي (STD): التشطيب غير المعتدل مع الخامة المتوسطة (Rz = 1.5 ∼ 3.0μm) للتطبيقات العامة.
النحاس ذو الملف المنخفض جداً (VLP): ناعم للغاية (Rz <1.0μm) لتقليل فقدان الإشارة في تصاميم الترددات العالية (> 1GHz).
النحاس المعالج عكسياً (RT): سطح سلس يواجه الديالكترول لتحسين الالتصاق ، يستخدم في PCBات متعددة الطبقات.

3طبقات الحماية
a.قناع اللحام: طبقة بوليمرية تطبق على آثار النحاس لمنع جسور اللحام أثناء التجميع. وتشمل الأنواع الشائعة فيلمًا سائلًا قابلًا للتصوير (LPI) وفيلمًا جافًا ، متوفر باللون الأخضر (المعيار) ،أسودأو أبيض (للتفتيش عالي التباين).
شاشة الحرير: طبقة مطبوعة من الحبر الايبوكسي التي تسمي المكونات ونقاط الاختبار وعلامات القطبية، مما يساعد في التجميع وإصلاح الأخطاء.

عملية تصنيع PCB الصلبة
يتضمن تصنيع PCB الصلب أكثر من 20 خطوة ، ولكن يمكن تقسيم العملية إلى ست مراحل رئيسية ، كل منها حاسم لضمان الجودة والأداء:
1التصميم وإعداد ملف جيربر
a. تصميم CAD: يستخدم المهندسون برنامج تصميم PCB (Altium ، KiCad) لإنشاء تخطيطات ، وتحديد توجيه المسارات ، ووضع المكونات ، وتراكم الطبقات.
ب. ملفات Gerber: يتم تحويل بيانات التصميم إلى تنسيق Gerber (المعيار الصناعي) للتصنيع ، بما في ذلك التفاصيل مثل أبعاد الأثر وحجم الحفر وطبقات قناع اللحام.
c.تحقق DFM: يحدد برنامج التصميم من أجل القدرة على التصنيع (DFM) المشكلات مثل المسارات الضيقة للغاية أو المسافات غير الكافية أو أحجام الحفر غير القياسية ، مما يقلل من أخطاء الإنتاج.

2. تحضير الركيزة والطلاء النحاسي
a.القطع: يتم قطع أوراق الركيزة الكبيرة (عادة 18 × 24 ×) إلى حجم PCB المطلوب باستخدام المنشارات الدقيقة.
التنظيف: يتم تنظيف الأساسات بمحلول قليرية لإزالة الزيوت والملوثات ، مما يضمن تماسك النحاس القوي.
c. التغليف: يتم ربط ورق النحاس إلى جانب واحد أو كلا جانبي الركيزة باستخدام الحرارة (180 ~ 200 درجة مئوية) والضغط (20 ~ 30 كغ / سم 2). تتطلب أقراص PCB متعددة الطبقات خطوات طبقة إضافية لكل طبقة.

3. التصميم والحفر
a.استخدام مقاوم للضوء: يتم تطبيق مقاوم للضوء حساس للضوء على الركيزة المطلية بالنحاس عن طريق الرش أو الغطس.
ب. التعرض: يتم تعريض الركيزة لأشعة فوق البنفسجية من خلال قناع ضوئي ، مما ينقل نمط العلامات إلى المقاوم الضوئي.
التطور: يتم غسل المقاومة الضوئية غير المعالجة بعيدا، تاركة آثار النحاس المحمية.
d. الحفر: يتم حل النحاس المعرض باستخدام المواد الحمضية (كلوريد الحديد أو كلوريد النحاس) ، تاركاً وراءه نمط الأثر المطلوب.
إزالة: يتم إزالة المقاومة الضوئية المتبقية بالمذيب، مما يكشف عن آثار النحاس.

4الحفر والطلاء
a. الحفر: يتم حفر الثقوب لمكونات الثقوب، والقنوات، وأجهزة التثبيت باستخدام آلات CNC مع قطع الكربيد أو الألماس.15ملم) لـ PCB ذو الكثافة العالية يتم إنشاؤها باستخدام الليزر.
ب. التخلص من الحفر: يتم تنظيف الثقوب لإزالة حفر النحاس والرصيف ، مما يمنع الدوائر القصيرة.
c. التصفية: يتم تصفية طبقة رقيقة من النحاس (5 ‰ 10μm) على جدران الثقوب لربط الطبقات كهربائياً. يمكن أن تستخدم أقراص PCB متعددة الطبقات أيضًا طبقة النحاس غير الكهربائية للتغطية الأفضل.

5قناع اللحام وطبقة الحرير
a.طباعة قناع اللحام: يتم تطبيق قناع اللحام وتقويته بأشعة فوق البنفسجية ، مما يترك وسائد النحاس والقنوات مكشوفة.
طباعة الشاشة الحريرية: يتم طباعة ملصقات العناصر والعلامات باستخدام حبر البوقسي، ثم يتم صقلها عند درجة حرارة 150 درجة مئوية لضمان المتانة.

6الاختبار والتفتيش النهائي
الاختبار الكهربائي:
اختبار الاستمرارية: التحقق من أن جميع الآثار تقود الكهرباء كما هو مصمم.
اختبار Hi-Pot: يطبق الجهد العالي (500 ‰ 1000 فولت) للتحقق من انهيار العزل بين آثار.
التفتيش البصري: تتحقق أنظمة التفتيش البصري الآلي (AOI) من العيوب مثل قناع اللحام المفقود أو آثار غير مرتبة أو أخطاء الحفر.
c.اختبار وظيفي: بالنسبة لـ PCB المعقدة ، تحاكي الاختبارات الوظيفية التشغيل في العالم الحقيقي لضمان عمل المكونات معًا بشكل صحيح.

المعايير الصناعية لـ PCBs الصلبة
يتم حكم تصنيع أقراص PCB الصلبة بمعايير عالمية تضمن الاتساق والموثوقية والسلامة بين المصنعين. تشمل المعايير الرئيسية:
1معايير IPC (جمعية صناعات الاتصال الإلكترونية)
a.IPC-A-600: يحدد معايير القبول لتصنيع PCB ، بما في ذلك العيوب المسموح بها في النحاس ، وقناع اللحام ، والسلسلة.
b.IPC-2221: يوفر معايير التصميم لللوحات المطبوعة، بما في ذلك خطوط توجيهية لعرض المسار، والمسافة، وحجم الثقب.
c.IPC-J-STD-001: يحدد المتطلبات لعمليات اللحام، مما يضمن مفاصل قوية وموثوق بها.

2شهادة UL (مختبرات المؤلفين)
a.UL 94: يختبر قابلية احتراق مواد PCB ، مع تصنيفات مثل V-0 (أعلى مقاومة) لضمان أن PCB لا تنتشر اللهب في حالة الحريق.
b.UL 796: يشهد بناء PCB، وضمان الامتثال لمعايير السلامة للمعدات الكهربائية.

3. RoHS و REACH (المعايير البيئية)
a.RoHS: يحد من المواد الخطرة (الرصاص ، الزئبق ، الكادميوم) في PCB ، مما يتطلب لحامات خالية من الرصاص والمواد المتوافقة.
b.REACH: ينظم المواد الكيميائية المستخدمة في التصنيع ، مما يضمن أن مواد PCB آمنة لصحة الإنسان والبيئة.

تحليل مقارن: PCBات صلبة ذات طبقة واحدة مقابل متعدد الطبقات

اتجاهات تصنيع الأقراص الصلبة
التقدم في التكنولوجيا يقود الابتكارات في إنتاج الـ PCB الصلب:
أ.الترابط عالي الكثافة (HDI): تمكن الشبكات المجهرية، والشبكات المتداخلة، وأعماق المسارات الدقيقة (≤3 مل) من تشغيل أقراص PCB أصغر وأكثر قوة لأجهزة الجيل الخامس ومسرعات الذكاء الاصطناعي.
التشغيل الآلي: أنظمة التفتيش القائمة على الذكاء الاصطناعي والتجميع الروبوتي تقلل من الأخطاء البشرية، وتحسين الإنتاجية والاتساق.
c. الاستدامة: المواد اللاصقة المعتمدة على المياه والنحاس المعاد تدويرها والأساسات البيولوجية تقلل من الأثر البيئي للتصنيع.
التصنيع الإضافي: يتم اختبار آثار الموصلات المطبوعة ثلاثي الأبعاد لإنتاج نماذج أولية سريعة، مما يسمح بتكرار التصميم بشكل أسرع.

الأسئلة الشائعة
س: ما هو الوقت المعتاد لتصنيع أقراص PCB الصلبة؟
الجواب: تتراوح أوقات التوصيل من 2 ′′ 5 أيام لـ PCBs بسيطة ذات طبقة واحدة إلى 5 ′′ 10 أيام لتصاميم متعددة الطبقات (4 ′′ 8 طبقات). قد تستغرق PCBs HDI المعقدة 10 ′′ 15 أيام.

س: كم تكلفة تصنيع الـ (بي سي بي) الصلبة؟
ج: تختلف التكاليف حسب الحجم وعدد الطبقات والحجم: تبدأ PCBs ذات الطبقة الواحدة في (1 ¢) 5 لكل وحدة (حجم كبير) ، في حين يمكن أن تكلف PCBs HDI ذات 8 طبقات (50 ¢) 100 + لكل وحدة (حجم منخفض).

س: ما هو الحجم الأقصى لـ PCB جامد؟
ج: خطوط الإنتاج القياسية تتعامل مع PCBs تصل إلى 24 ′′ × 36 ′′ ، ولكن المصنعين المخصصين يمكنهم إنتاج لوحات أكبر (تصل إلى 48 ′′ × 60 ′′) للتطبيقات الصناعية.

س: هل يمكن إعادة تدوير PCB الصلبة؟
ج: نعم، تحتوي أقراص PCB الصلبة على نحاس قيم (15~20% من الوزن) يمكن إعادة تدويره. كما تستعيد المرافق المتخصصة المعادن الثمينة من أقراص PCB المستخدمة في الإلكترونيات الراقية.

س: ما هو الفرق بين FR-4 و high-Tg FR4 في التصنيع؟
ج: تتطلب FR4 عالية Tg درجات حرارة طبقة أعلى (180 ~ 200 درجة مئوية مقابل 150 ~ 170 درجة مئوية لـ FR4 القياسية) وأوقات تصفية أطول لتحقيق درجة حرارة انتقال الزجاج الأعلى.زيادة تكاليف الإنتاج قليلاً.

الاستنتاج
تصنيع أقراص PCB الصلبة هو عملية دقة (مدفوعة بالدقة) توازن بين علم المواد وتصميم الهندسة ومراقبة الجودة لإنتاج مكونات إلكترونية موثوقة.من اختيار الركائز FR-4 لأجهزة المستهلك إلى مواد الألومنيوم الأساسية لتطبيقات عالية الطاقةمن خلال الالتزام بمعايير مثل IPC-A-600 و RoHS ، يضمن المصنعون أن PCBات جامدة تلبي المتطلبات العالمية للسلامة والموثوقيةوالمسؤولية البيئية.
مع استمرار تطور الإلكترونيات، وتصبح أصغر وأسرع وأقوى، سيتكيف تصنيع أقراص PCB الصلبة، ويتضمن مواد وعمليات جديدة لتلبية الطلبات الناشئة.سواء في الهواتف الذكية، الأجهزة الطبية، أو الآلات الصناعية، لا تزال PCBs صلبة ضرورية للتكنولوجيا الحديثة، ربط المكونات والابتكار.
الخلاصة الرئيسية: تصنيع الأقراص الصلبة هي مزيج من الفن والعلوم، حيث اختيار المواد، والعمليات الدقيقة،والالتزام بالمعايير تجتمع لخلق أساس الأنظمة الإلكترونيةإن فهم هذه العناصر أمر بالغ الأهمية لتصميم وإنتاج أقراص PCB التي تلبي أهداف الأداء والتكلفة والموثوقية.