ساخت برد مدار چاپی چیست؟

ساخت برد مدار چاپی یک روش پیچیده است که نیازمند انجام مراحل مهمی است. از مرحله طراحی تا بسته‌بندی و تحویل آن به مشتری همگی شامل چندین زیر مجموعه هستند باید با دقت صورت گیرند. چون در صورتی که کمترین خطا در طی این مراحل توسط اپراتور یا دستگاه انجام شود آسیب‌های جدی به محصول نهایی وارد می‌شود.

ابزارهای هدایت شونده کامپیوتری و ماشین‌های خودکار اتوماتیک که در فرآیند ساخت برد مدار چاپی به کار میروند همگی از دقت و کارایی بالایی برخوردار هستند تا تضمینی بر کارایی و کیفیت محصول نهایی باشند. در این مقاله قصد داریم تا به جزئیات رویه و فرآیندهایی که طی هریک از این مراحل رخ می‌دهد بپردازیم.

برد مدار چاپی چیست؟

بردهای مدار چاپی پشتیبان الکتریکی و مکانیکی را برای دستگاه‌های الکترونیکی فراهم می‌کند. جهت اتصال اجزای الکترونیکی با استفاده از مسیرهای رسانا و ردیابی سیگنال از ورق‌های مسی که به روی یک بستر غیر رسانا لمینت می‌شوند، استفاده می‌گردد. کاربرد PCBها به قدری گسترده است که در تمام لوازم الکتریکی خانگی، رایانه، گوشی هوشمند، ماشین‌های اداری و … به کار رفته.

مونتاژ و ساخت برد مدار چاپی نیازمند دقت بالا در هر مرحله است تا اطمینان حاصل شود که نمونه اولیه PCB یا دسته‌ایی آن بدون نقص باشد. جهت جلوگیری از خطای انسانی و تسهیل سرعت در روند تولید، از کامپیوتر و ماشین‌آلات هوشمند استفاده می‌گردد.

مرحله 1: طراحی و خروجی

اولین مرحله در ساخت برد مدار چاپی طراحی آن است. این طرح شماتیکی خواهد بود که روند ساخت صفحه را هدایت می‌کند. معمولا با نرم افزارهای کامپیوتری مثل Altium، Ki CAD، Eagle و … از رایج‌ترین نرم‌افزارهای طراحی هستند.

بیشترین برنامه قابل استفاده برای طراحی Extended Gerber نام دارد علت استفاده بالا از آن هم بخاطر وجود فرمت خروجی آن است. زمانی که طراحی PCB با موفقیت انجام شد الگوریتم‌های نظارتی برنامه Extended Gerber از جوانب مختلف به بررسی می‌پردازند تا هیچ خطایی روی برد نباشد. دیگر عناصر مربوط به عرض مسیر، فاصله لبه‌های تخته و فاصله سوراخ‌ها به دقت بررسی گردد.

زمانی که طراح از ارزیابی رضایت نهایی را داشته باشد طرح نهایی برای تولید نمونه اولیه PCB به خط تولید می‌رود. با این حال سازنده مجدد چک دیگری را انجام می‌دهد که به این مرحله چک طراحی برای ساخت یا DFM گفته می‌شود.

بیشتر بخوانید:

نحوه محاسبه قیمت در طراحی و ساخت PCB

مرحله 2: بررسی طراحی و سوالات مهندسی

یک قدم مهم و کلیدی در فرآیند ساخت برد مدار چاپی این مرحله است. که شامل بررسی طرح برای پیدا کردن عیوب حتمی یا حتی عیوب احتمالی است. مثل خطاهای مربوط به چیدمان PCB یا نقص در دستورالعمل‌های ساخت. یک مهندس طراح در هر مرحله و قسمتی که از برد بازبینی طراحی را انجام می‌دهد مطمئن می‌شود که اجزای گم شده یا ساختارهای نادرست وجود نداشته باشد. ممکن است سوالاتی از این قبیل در مرحله بررسی طراحی برای هر شخصی به وجود آید مثلا: آیا طرح با الزمات پروژه مطابقت دارد؟ آیا این طرح قابل ساخت است؟ آیا مطمئن هستیم که هیچکدام از اشتباهات طراحی رخ نمی‌دهد؟

مرحله 3: چاپ طرح PCB

بعد از انجام تمام بررسی‌ها مرحله بعد، چاپ PCB است. چاپ از طریق چاپگر مخصوصی به نام پلاتر انجام می‌شود. چاپگر فیلمی را می‌سازد که جزییات و لایه‌های برد را نشان می‌دهد چیزی شبیه به نگاتیو عکس. در زمانی که چاپ انجام می‌شود جوهر در لایه‌های داخلی تخته به کار میرود.

جوهر شفاف برای نشان دادن قسمت‌های غیر رسانا مانند پایه فایبرگلاس و جوهر سیاه برای نشان دادن مدارهای مس رسانا و مدارهای PCB استفاده می‌شود. از همین رنگ‌ها در لایه‌های بیرونی نیز استفاده شده. پس از اینکه کار چاپ انجام شد نوبت به مرحله سوراخکاری میرسد.

سوراخکاری بوسیله دستگاه پانچ انجام می‌شود. در ابتدا سوراخی را بعنوان راهنما جهت تراز کردن فیلم‌ها روی صفحه قرار میدهند که این سوراخ در مراحل بعدی سوراخکاری مورد استفاده قرار می‌گیرد.

مرحله 4: چاپ مس برای لایه‌های داخلی

تولید واقعی PCB در این مرحله شروع میگردد. یک لایه یا روکش فویل مسی روی قطعه ورقه ورقه‌ای که طرح PCB چاپ شده است، قرار می‌گیرد. مرحله بعد حکاکی کردن مس است تا طرح اصلی را آشکار سازد.

از یک فیلم حساس به نور که مقاومت نام دارد جهت پوشش پانل لمینت استفاده می‌شود که حاوی مواد شیمیایی واکنش‌گرا نوری است. زمانی که در معرض نور فرابنفش قرار گیرد حالت سخت‌تری به خود میگیرد. نور فرابنفش از قسمت‌هایی از فیلم که درصد خلوص بیشتری دارند عبور میکند و باعث آشکار سازی مسیرهای مس میگردد. در نهایت با شست و شو توسط یک محلول قلیایی و فشار شسته می‌شود تا سایر مواد اضافه حذف گردند. و در نهایت می‌گذاریم تخته خشک شود.

مرحله 5: حکاکی لایه‌های داخلی یا هسته برای حذف مس

وجود هرگونه مس به صورت ناخواسته در لایه‌های PCB باید از بین رود. با استفاده از فرآیند آچینگ شیمیایی تمامیه مس‌های اضافی از بین می‌رود. پس در ابتدا باید دقت داشته باشید که مس را به درستی روی برد بپوشانیم.

لازم بذکر است که جهت ساخت برد مدار چاپی چند لایه، مراحل بیشتری انجام می‌شود. که بسیاری از آن شبیه به مراحلی است که برای تولید PCB یک لایه انجام می‌گردد. یعنی به ازاء هر لایه هر کدام از این مراحل انجام می‌گردد. البته یک استثنای دیگر نیز در ساخت بردهای چند لایه وجود دارد و آن اینکه به جای پوشش مسی از فویل مسی بین لایه‌ها استفاده می‌شود.

مرحله 6: تراز کردن لایه‌ های برد مدار چاپی

سوراخ‌هایی که زودتر حفر شده‌اند جهت تراز کردن لایه‌های داخلی و خارجی هستند. ایجاد این سوراخ‌ها از طریق پانچ نوری انجام می‌گردد. که با ایجاد یک پین بین سوراخ‌ها، سوراخ جدیدی ایجاد می‌کند. از این طریق لایه‌های PCB در یک ردیف قرار گرفته می‌شوند.

مرحله 7: بررسی خودکار نوری

بعد از انجام پانچ نوری، دستگاه دیگری جهت بررسی‌ به صورت خودکار وارد عمل می‌شود تا با دقت بالا تمامی بخش‌ها را چک کند که هیچ نقصی وجود نداشته بشد. اهمیت این مرحله نیز بالا است چرا که اگر لایه‌ها روی یکدیگر قرار گیرند دیگر خطاها قابل جبران نخواهند بود. بعد از گذراندن این مرحله چک کردن توسط مهندسین انجام می‌گردد.

مرحله 8: لمینیت لایه‌های PCB

لمینیت PCB طی دو مرحله انجام می‌گردد و زمانی انجام می‌شود که در لایه‌ها هیچ نقصی وجود نداشته باشد. جهت ادغام لایه‌ها از گیره فلزی روی میز مخصوص استفاده می‌شود. هر لایه با استفاده از یک پین روی میز قرار می‌گیرد.

مرحله 9: سوراخکاری

قبل از انجام سوراخکاری از دستگاه اشعه ایکس برای تعیین دقیق نقاط حفاری استفاده می‌کنند. برای ایجاد سوراخ‌ها از دستگاهی استفاده می‌شود که هدایت آن از طریق کامپیوتر صورت می‌گیرد.

مرحله 10: آبکاری PCB

لایه‌ایی از جنس رزین اپوکسی که از قبل روکش شده به نام prepreg به روی قسمت تراز میز قرار می‌گیرد. بدنبال آن یک لایه فویل مسی و ورق‌های بیشتری از رزین اپوکسی قرار میگیرد. در آخر یک لایه دیگر مس به صفحه پرس معروف است قرار میگیرد و بعد از آن PCB وارد مرحله پرس لمینت می‌گردد که با استفاده از یک صفحه و از طریق وارد کردن گرما و فشار لایه‌ها به یکدیگر فشرده می‌شوند.

مرحله آبکاری بعد از سوراخکاری انجام می‌شود. این کار بوسیله یک محلول شیمیایی برای ایجاد حالتی شبیه به ذوب شدن انجام می‌گردد. سپس بوسیله محلول شست و شو تمیزکاری صورت می‌گیرد.

مرحله 11: تصویربرداری از لایه بیرونی

در این مرحله تخته لایه دیگری از فتوررزیست را دریافت می‌کند و بعد از آن جهت ایجاد سختی بیشتر نور UV به سطح برد تابیده می‌شود. در ساخت برد مدار چاپی لایه بیرونی همانند لایه درونی به مس آغشته می‌شود و یک لایه قلع نیز دریافت می‌کند. علت اضافه کردن قلع جهت حفاظت از لایه مسی حکاکی شده بیرونی است. نام این مرحله آبکاری قلع است.

مرحله 12: اچ کرن لایه بیرونی

اچ کردن به معنی ایجاد خوردگی ضعیف در قسمت‌های ناپایدار سطح نمونه است. به عبارت دیگر نوعی ایجاد خراش شیمیایی است. در مرحله 11 از ساخت برد مدار چاپی که آبکاری قلع در آن انجام شده بود حین رخداد اچ کردن لایه بیرونی، از آسیب‌های احتمالی که به لایه مس قرار است وارد شود جلوگیری می‌گردد.

جهت تفکیک بین لایه‌های داخلی و خارجی از جوهر استفاده می‌شود. لایه‌های داخلی از جوهر تیره جهت مشخص کردن مناطق رسانا و جوهر شفاش برای قسمت‌های غیر رسانا در لایه‌های بیرونی استفاده می‌شود. لازم بذکر است که لایه مس بیرونی میزان جوهر کمتری دارد.

مرحله 13: AOI کردن لایه بیرونی PCB

AOI مخفف Automatic Optical Inspection. در واقع AOI یک دستگاه جهت بررسی بردهای مونتاژ شده است. وظیفه اصلی این برد جدا سازی بردهای سالم و معیوب از یکدیگر است. در این مرحله دیگر هیچ یک از بقایای مس که در مرحله اچ کردن وجود داشت نباید باقی مانده باشد چون بعنوان یک عیب در برد تشخیص داده می‌شود.

مرحله 14: چاپ سولدر ماسک

لایه رویی مسی Solder Mask نامیده می‌شود. قبل از اجرای مرحله ماسک لحیم کاری سطح پانل‌ها تمیز می‌شوند. یک لایه جوهر از فیلم اپوکسی و ماسک لحیم کاری روی هر یک از پانل‌ها اعمال می‌شود. سپس با استفاده از تاباندن نور ماوراء بنفش مشخص می‌شود که سولدر ماسک از کجا باید برداشته شود.

Solder Mask باعث ایجاد لایه سبز رنگ در سطح برد می‌شود. چاپ سولدر ماسک روی لایه مسی است تا در برابر تماس از ترک‌های مسی با فلزات دیگر و لحیم محافظت شود.

بیشتر بدانید:

پوشش نهایی PCB از چیست؟

مرحله 15: استفاده از Silkscreen و Surface Finish

Surface Finish یا پوشش نهایی PCB با هدف جلوگیری از اکسیداسیون ترک‎‌های مسی و جلوگیری از اتصالات اضافی است. چاپ اسکرین یا Silkscreen نوعی تکنیک از چاپ است که بوسیله آن روی برد محل قرار گیری قطعات الکترونیکی، برچسب‌های هشدار، نقاط تست، لوگوی شرکت تولید کننده و شماره فنی درج می‌گردد.

مرحله 16: تکمیل PCB

تکمیل PCB شامل آبکاری سطح برد با مواد رسانا است. فراهم آوردن سطحی که مناسب برای لحیم کاری باشد و برد را در برابر اکسید شدن و قرار گیری در معرض هوا محافظت کند از دیگر بخش‌های این مرحله است. طبق برخی از قوانین و دستورالعمل‌هایی که در رابطه با محدودیت مواد خطرناک یا RoHS و همچنین ضایعات تجهیزات الکترونیکی وجود دارد، روکش‌های سطح برد معمولا بدون سرب در نظر گرفته می‌شوند.

از جمله آنها می‌توان به:

• ENIG پوششی از دو لایه فلز روی فیبر مدار چاپی که به ترتیب طلا، نیکل و مس است.
• ENEPIG لایه‌ایی متشکل از نیکل و طلا
• HASl بدون سرب (لحیم کاری سطح با هوای گرم)
• OSP فرآیندی ارگانیک که در آن لحیم کاری بدون سرب انجام می‌شود و هزینه پایین‌تری دارد.

اشاره کرد.

مرحله 17: تست الکتریکال برد مدار چاپی

در این مرحله از سخت برد مدار چاپی یکسری تست به روی نواحی مختلف برد انجام می‌شود تا از عملکرد آن به صورت کامل مطمئن شویم. تست و آزمایشاتی که قرار است انجام شوند باید مطابق با استاندارهای بین‌المللی که برای ساخت برد مدار چاپی تعریف شده‌اند، باشند. از جمله آنها به IPC-9252 می‌توان اشاره کرد.

یکی دیگر از تست‌های رایج جهت بررسی عملکرد PCB در تولید با حجم کم تا متوسط آزمایش کاوشگر پرنده است. این تست دقت و سرعت بالایی دارد و در طی چند سال اخیر مورد استقبال واقع شده. یکی از مزیت‌های این تست در این است که نیازی به فیکسچر ندارد.

بیشتر بخوانید:

آشنایی با پرکاربردترین تست های الکتریکال PCB

کلام پایانی

برخی مراحل ذکر شده در تهیه و ساخت برد مدار چاپی در این مقاله بسیار جزئی‌تر هستند و در اینجا به صورت کلی به آنها پرداختیم. بنا به نوع محصول نهایی مراحل آن نیز متفاوت است. در صورت نیاز به دریافت مشاوره و ثبت سفارش آنلاین در هر ساعت از شبانه روز با تکمیل فرم ذیل کارشناسان مجموعه با شما در تماس خواهند بود تا بهترین راهنمایی را در این زمینه بعمل آورند.