Mikä on PCB? Täydellinen opas piirilevyjen valmistukseen, kokoonpanoon ja toimintaperiaatteeseen

Mikä on a PCB ja miten se toimii?

A painettu piirilevy (PCB) on litteä, jäykkä tai taipuisa alusta, joka tukee ja yhdistää sähköisesti elektronisia komponentteja käyttämällä johtavia kuparijälkiä, tyynyjä ja läpivientejä, jotka on syövytetty tai kerrostettu eristysmateriaalikerroksille ja niiden läpi. Jokainen elektroninen laite - älypuhelimesta teollisuusohjaimeen lääketieteelliseen instrumenttiin - toimii, koska sen komponentit on kytketty toisiinsa piirilevyllä.

Piirilevyn toiminta voidaan ymmärtää kolmessa kerroksessa: fyysinen alusta tarjoaa mekaanisen tuen ja sähköisen eristyksen; kuparikerroksen kuvio reitittää sähköiset signaalit ja tehon liitäntäpisteiden välillä; ja levylle asennetut komponentit suorittavat varsinaisia ​​elektronisia toimintoja – vahvistavat signaaleja, kytkentävirtaa, tallentavat tietoja, käsittelykäskyjä tai suodattavat kohinaa.

Useimpien piirilevyjen perusmateriaali on FR-4 lasikuitu epoksilaminaatti — kudottu lasikangas, joka on kyllästetty epoksihartsilla, puristettu jäykiksi levyiksi ja päällystetty kuparifoliolla toiselta tai molemmilta puolilta. FR-4 tarjoaa käytännöllisen yhdistelmän mekaanista lujuutta, sähköeristystä, liekinkestävyyttä ja mittastabiilisuutta, joka sopii useimpiin kaupallisiin ja teollisiin sovelluksiin. Erikoissubstraatteihin kuuluvat Rogersin korkeataajuuslaminaatit RF- ja mikroaaltouunilevyille, polyimidi (Kapton) joustaville piireille ja alumiiniytiminen tai kupariydin metallitaustaiset levyt suuritehoisiin LED- ja tehoelektroniikkasovelluksiin.

PCB:t luokitellaan kerrosten lukumäärän ja rakenteen mukaan:

• Yksikerroksinen piirilevy — kuparijälkiä vain toisella puolella; käytetään yksinkertaisissa, edullisissa tuotteissa, kuten virtalähteissä, LED-ajureissa ja peruskulutuselektroniikassa
• Kaksikerroksinen piirilevy — kuparia molemmilta puolilta, jotka on yhdistetty pinnoitetuilla läpimenevillä rei'illä; laajimmin valmistettu tyyppi, joka kattaa suurimman osan teollisuus-, auto- ja kulutuselektroniikkasovelluksista
• Monikerroksinen piirilevy — 4, 6, 8 tai useampia kuparikerroksia, jotka on laminoitu yhteen eristävän prepreg-materiaalin kanssa; käytetään suuritiheyksissä malleissa, joissa komponenttien lukumäärä, signaalin eheys ja EMI-suojausvaatimukset ylittävät sen, mitä kaksikerroksisella reitityksellä voidaan saavuttaa; älypuhelimet, palvelimet ja ilmailuelektroniikka käyttävät tyypillisesti 8–16 kerroksen levyjä
• HDI (Korkea Density Interconnect) -piirilevy — monikerroksiset levyt, joissa on mikroläpivientireiät (laserporatut reiät, joiden halkaisija on jopa 75 µm), hienojakoisia jälkiä (alle 100 µm) ja upotettuja tai sokeita läpivientejä; mahdollistaa äärimmäisen komponenttitiheyden, jota vaaditaan mobiililaitteissa, puettavissa laitteissa ja kehittyneissä pakkaussovelluksissa
• Joustava ja jäykkä-flex piirilevy — polyimidipohjaiset piirit, jotka taipuvat tai taittuvat kolmiulotteisiksi kokoonpanoiksi; käytetään kameroissa, lääketieteellisissä implanteissa, ilmailu-antureissa ja kaikissa sovelluksissa, joissa piirin on mukauduttava ei-tasomaiseen mekaaniseen verhoon

PCB:n valmistusprosessi: miten piirilevy valmistetaan

Piirilevyjen valmistus - kutsutaan myös PCB-valmistukseksi tai PCB-fabiksi - on prosessi, jossa paljas levy valmistetaan ennen komponenttien asentamista. Se alkaa suunnittelutiedostoilla ja päättyy testattuun, paljaaseen kuparikuvioiseen alustaan, joka on valmis koottavaksi. PCB:n koko valmistusprosessi tavalliselle kaksipuoliselle FR-4-levylle seuraa tätä järjestystä:

1. Suunnittelutiedoston luominen ja DFM-tarkistus - PCB-suunnittelija tulostaa Gerber-tiedostot (tai ODB-muodon), joissa kuvataan jokainen kuparikerros, juotosmaski, silkkipaino, porauspaikat ja levyn ääriviivat. Valmistaja tarkastelee näitä tiedostoja valmistusta varten suunniteltujen sääntöjen mukaisesti: vähimmäisjäljen leveys ja väli, rengasmainen rengaskoko, porattujen reikien muotosuhde ja paneelien käyttötehokkuus.
2. Sisäkerroksen kuvantaminen (monikerroksiset levyt) — Kuparipäällysteiset laminaattipaneelit päällystetään valoherkällä kuivakalvonestoaineella, altistetaan UV-valolle valokuvioidun kalvon tai suoran laserkuvaustyökalun kautta ja kehitetään piirikuvion paljastamiseksi. Paljastunut kupari syövytetään sitten pois kemiallisessa kylvyssä (tyypillisesti kuparikloridi tai ammoniakkietsausaine), jolloin jäljelle jää vain haluttu jälkikuvio. Tämän jälkeen resisti kuoritaan.
3. Laminointi (monikerroksiset levyt) — Sisäkuparikerrokset tarkastetaan automaattisella optisella tarkastuksella (AOI), jonka jälkeen ne pinotaan peräkkäin siten, että niiden väliin on prepreg-levyjä (osittain kovettunut lasi-epoksi) ja ulompi kuparifolio päälle ja alas. Pinoa puristetaan lämmitetyssä hydraulipuristimessa 175–200°C ja 200–400 psi:n paineessa 60–120 minuuttia, jolloin kaikki kerrokset sulatetaan yhdeksi jäykiksi paneeliksi.
4. Poraus — Kovametallikierreporalla varustetut CNC-porakoneet luovat läpimeneviä reikiä läpivientiä ja komponenttijohtoja varten. Nykyaikaisissa suuritiheyksisissä levyissä käytetään laserporausta (CO₂- tai UV-YAG-laserit) alle 150 µm:n mikrorei'ille. Poran kohdistustarkkuus on kriittinen – tuotantoporauksen sijaintitoleranssi on tyypillisesti ±75 µm tai parempi.
5. Sähkötön kuparipinnoitus (PTH - pinnoitettu läpimenoreikä) — ohut kerros (1–3 µm) kuparia kerrostetaan kemiallisesti kaikille porareikien seinämille ja paljaille laminaattipinnoille. Tämä johtava siemenkerros mahdollistaa myöhemmän galvanointivaiheen kuparin keräämisen reikiin määrättyyn pinnoituspaksuuteen, tyypillisesti vähintään 25 µm tynnyrissä IPC-luokan 2 levyille.
6. Ulkokerroksen kuvantaminen ja pinnoitus — Kuparin ulkopinnat päällystetään kuivakalvoresistillä, kuvataan ja kehitetään kuten sisäkerroksissa. Kupari galvanoidaan paljaisiin jälkiin ja reikien seinämiin. Tina- tai tina-lyijypinnoitus levitetään sitten etsausestoaineeksi. Kuivan kalvon poistamisen jälkeen ei-toivottu pohjakupari syövytetään pois ja tinasyövytysestoaine poistetaan, jolloin lopullinen kuparikuvio jää ulkokerroksiin.
7. Juotosmaskin sovellus — nestemäinen valokuvien (LPI) juotosmaski on silkkipainattu tai verhopinnoitettu koko paneelin pinnalle, sitten se valotetaan ja kehitetään avaamaan ikkunoita tyynyjen päälle peittäen samalla kaikki jäljet. Juotosmaski tarjoaa sähköeristyksen, suojaa kuparia hapettumiselta ja estää juotossillan muodostumisen vierekkäisten tyynyjen välillä asennuksen aikana. Yleisin väri on vihreä, vaikka musta, sininen, punainen ja valkoinen ovat vakiovaihtoehtoja.
8. Pintakäsittelysovellus — Paljaat kuparityynyt saavat pintakäsittelyn hapettumisen estämiseksi ja juotettavuuden varmistamiseksi. Tärkeimmät viimeistelyvaihtoehdot ovat: HASL (kuumailmajuotteen tasoitus – taloudellisin, ei sovi hienojakoiseen SMD:hen), ENIG (elektroniton nikkeliimmersiokulta – litteä, luotettava, laajalti käytetty hienojakoisissa ja BGA-tyynyissä), OSP (orgaaninen juotettavuuden säilöntäaine – edullinen, hienojakoinen, yhteensopiva kultaa, yksi reflow –elektroniton paadium), ENEPIG (elecimmertroless). ensiluokkainen viimeistely lankojen liimaukseen ja sekoitettuun teknologiaan) ja upotushopea tai upotustina.
9. Silkkipainatus (legenda). — Viitemerkinnät, komponenttien ääriviivat, napaisuusmerkit, logot ja versioiden tunnisteet painetaan mustesuihku- tai silkkipainatuslevyn pinnalle kovettuneen juotosmaskin päälle.
10. Sähkötesti — paljas lauta testataan lentävällä koettimella tai erityisellä naulapinnalla, joka varmistaa kaikkien verkkojen jatkuvuuden ja oikosulkujen puuttumisen eristettyjen verkkojen välillä. IPC-9252 säätelee paljaiden levyjen sähkötestivaatimuksia.
11. Reititys, pisteytys ja V-uritus — yksittäiset levyt reititetään tuotantopaneelista CNC-jyrsintäkoneilla tai V-uurteella (V-muotoinen ura, joka on leikattu osittain paneelin läpi molemmilta puolilta) irrottamista varten asennuksen jälkeen. Välilehden reititys hiiren puremilla on vakiona epäsäännöllisissä levymuodoissa.

Mikä on PCB-kokoonpano (PCBA)?

PCB-kokoonpano (PCBA) on prosessi, jossa paljas piirilevy täytetään elektronisilla komponenteilla ja juotetaan ne paikoilleen toimivan piirilevyn luomiseksi. Piirilevyjen valmistuksen ja piirilevyjen kokoonpanon välinen ero on olennainen: valmistus tuottaa levyn; kokoonpano sijoittaa ja yhdistää komponentit. A PCBA (painettu piirilevykokoonpano) on valmis yksikkö — levy plus komponentit ja juotosliitokset — valmis integroitavaksi tuotteeseen tai lopputestaukseen.

Nykyaikainen piirilevykokoonpano sisältää kolme pääkomponenttien kiinnitystekniikkaa, jotka yhdistetään usein samalle levylle:

• SMT (Surface Mount Technology) — komponentit, joissa ei ole johtoja tai erittäin lyhyitä lokki-/J-taivutusjohtimia, juotetaan suoraan levyn pinnalla oleviin tyynyihin. SMT mahdollistaa erittäin korkean komponenttitiheyden, ja se käsitellään kokonaan automatisoiduilla koneilla. Yli 90 % modernin elektroniikan komponenteista on SMT-tyyppejä.
• THT (Through-Hole Technology) — komponentit, joiden johdot kulkevat porattujen reikien läpi ja on juotettu vastakkaiselle puolelle. THT tarjoaa vahvemman mekaanisen kiinnityksen kuin SMT, ja se säilyy liittimissä, suurissa kondensaattoreissa, muuntajissa ja komponenteissa, jotka ovat alttiina mekaaniselle rasitukselle.
• Sekoitettu tekniikka — Suurin osa reaalimaailman levyistä yhdistää SMT- ja THT-komponentit, jotka on prosessoitu määritellyssä järjestyksessä: SMT-puoli yksi → reflow → kääntö → SMT-puoli kaksi → reflow → THT-insertio → aalto- tai valikoiva juotos.

Piirilevyn kokoonpanoprosessin vaiheet: Täydellinen sekvenssi

Piirilevyn kokoonpanoprosessi noudattaa hyvin määriteltyä järjestystä. Jokaista vaihetta säätelevät prosessiparametrit – stensiilin paksuus, tahnan viskositeetti, uudelleenvirtausprofiili, aaltojuotteen lämpötila – joita on säädettävä spesifikaatioiden mukaisesti johdonmukaisten, luotettavien juotosliitosten saavuttamiseksi volyymin tuotantonopeuksilla.

1. Juotospastan painatus — ruostumattomasta teräksestä tai nikkelistä valmistettu stensiili, jossa on laserleikatut aukot, jotka vastaavat kutakin SMT-tyynyä, on kohdistettu paljaan piirilevyn päälle seulatulostimessa. Vetolastan terä pakottaa juotospastan (tina-hopea-kupari- tai tina-lyijy-seosjauheen suspensio juoksutusaineessa) aukkojen läpi tyynyille. Kaavainpaksuus (tyypillisesti 100–150 µm) ja aukon mitat säätelevät levitettävän tahnan määrää. Tasainen tahnan tilavuus on suurin yksittäinen juotosliitoksen laadun ennustaja.
2. Juotospastan tarkastus (SPI) — 3D SPI -kone mittaa tahnan tilavuuden, korkeuden, alueen peittävyyden ja X-Y-offsetin jokaiselle levyllä olevalle alustalle heti tulostuksen jälkeen. Levyt, joissa on liimavirheitä - siltaus, riittämätön tilavuus tai virheellinen kohdistus - hylätään tai työstetään uudelleen ennen komponenttien sijoittamista. SPI ennen sijoittelua estää hautakivien tai avoliitoskomponenttien paljon kalliimman vian, joka havaitaan uudelleenvirtauksen jälkeen.
3. SMT-komponenttien sijoitus (poimi ja aseta) — Automaattiset keräilykoneet poistavat SMT-komponentit teippi- ja kela-, alusta- tai putkensyöttölaitteista tyhjösuuttimilla ja asettavat ne juotospastakerrostumille suurella nopeudella. Nykyaikaiset nopeat siruampujat saavuttavat 50 000–100 000 komponentin sijoittelun tunnissa pienille passiivisille; Tarkat sijoituspäät hienojakoisille IC:ille, BGA:ille ja QFN:ille toimivat pienemmillä nopeuksilla näköohjattujen kohdistusjärjestelmien kanssa, jotka saavuttavat ±25 µm:n sijoitustarkkuuden.
4. Reflow juottaminen — täytetty kartonki kulkee kuljettimella monivyöhykkeisen reflow-uunin läpi. Uunin lämpötilaprofiili – esilämmitysramppi, liotusvyöhyke, virtaushuippu ja jäähdytysnopeus – on ohjelmoitu aktivoimaan juoksute, sulattamaan juotosseos (huippulämpötila 235–250 °C lyijyttömälle SAC305:lle tai 210–220 °C luotettavalle lyijyttömälle Sn63Pb37-tyynylle), metalloimaan liitokset ja kostuttamaan liitokset. Typpiatmosfäärin takaisinvirtausta käytetään hapettumisherkissä komponenteissa ja hienojakoisissa kokoonpanoissa.
5. Automatisoitu optinen tarkastus (AOI) — 2D- tai 3D-AOI-järjestelmät kuvaavat jokaisen uudelleenjuovatun levyn komponentin ja juotosliitoksen käyttämällä strukturoitua valoa, useita kameroita tai laserkolmiota. AOI tarkistaa komponenttien läsnäolon, napaisuuden, arvon (värinauhan tai merkinnän mukaan) ja juotosliitoksen muodon. Hyvin ohjelmoitujen AOI-järjestelmien vikojen kattavuus ylittää tyypillisesti 95 % näkyvien vikojen osalta; BGA:n ja QFN:n alla olevat piiloliitokset vaativat röntgentarkastuksen.
6. Läpireikäkomponenttien asennus — THT-komponenteilla varustetuissa levyissä aksiaaliset ja radiaaliset johdot asetetaan manuaalisesti tai robottiliitoskoneilla SMT-reflow-prosessin jälkeen. Liittimet, suuret elektrolyyttikondensaattorit ja muuntajat ovat yleisimpiä THT-komponentteja sekatekniikan kokoonpanoissa.
7. Aaltojuotto tai valikoiva juottaminen — THT-levyt kulkevat sulan juotosaallon yli (tyypillisesti 250–265 °C:ssa), joka koskettaa levyn alapuolta, kastelee läpimeneviä tynnyreitä ja muodostaa fileitä sekä komponenttien että levyjen puolelta. Selektiivisissä juotoskoneissa käytetään miniatyyrisuutinta tai suihkulähdettä tiettyjen läpivientireikien alueiden juottamiseen levyissä, joiden alapuolella on SMT-komponentteja, joita ei voida altistaa koko aallolle.
8. Puhdistus — Sekä sulatus- että aaltojuotosprosesseista syntyvät sulatteen jäännökset poistetaan vesipohjaisilla inline- tai eräpesujärjestelmillä, puolivesipuhdistuksella tai höyrynpoistolla käytetyn juoksutetyypin mukaan. No-clean flux -kokoonpanot voivat ohittaa tämän vaiheen, mutta puhdistus on pakollista lääketieteellisissä, ilmailu- ja erittäin luotettavissa teollisuuskokoonpanoissa.
9. Manuaalinen kokoonpano ja jälkikäsittely — osat, joita ei voida asettaa koneella — käsin kierretyt muuntajat, paristotelineet, johdinsarjan liittimet, puristussovittimet ja tietyt suuret jäähdytyslevyt — asennetaan käsin. Osittainen manuaalinen kokoonpano muuten automatisoidussa linjassa on vakiona tuotteille, joissa on sekakomponenttityyppejä. Tunnistettujen vikojen korjaustyöt suoritetaan kuumailmarework-asemilla, juotosraudoilla ja BGA-palautuslaitteistolla.
10. Mukautettu pinnoite (jos määritelty) — Suojaava polymeeripinnoite – akryyli, silikoni, polyuretaani tai epoksi – levitetään ruiskulla, valikoivasti annostellaan tai kastopinnoitetaan valmiin PCBA:n päälle suojaamaan kosteudelta, pölyltä, kemialliselta korroosiolta ja kondensaatiolta. Vaaditaan auto-, ulko-, meri- ja teollisuuselektroniikassa, joka toimii ankarissa ympäristöissä.
11. Toimintatesti ja ICT — In-circuit test (ICT) käyttää bed-of-nails -kiinnitystä testatakseen testipisteitä kaikkialla ja varmistaakseen komponenttien arvot, jatkuvuuden ja oikosulkujen puuttumisen. Toiminnallinen testi käyttää teho- ja tulosignaaleja varmistaakseen, että koottu kortti suorittaa sille aiotut elektroniset toiminnot spesifikaatioiden mukaisesti. Molemmat testivaiheet tuottavat dataa, jota käytetään prosessin ohjaukseen ja jäljitettävyyteen.

PCB:n valinta ja paikka: SMT-kokoonpanoautomaation ydin

Piirilevyn valinta ja paikka koneet ovat minkä tahansa SMT-kokoonpanolinjan keskeinen laitteisto. Ne muodostavat suurimman osan kokoonpanolinjan pääomakustannuksista ja määrittävät suoraan tuotantotoiminnan nopeuden, tarkkuuden ja joustavuuden. Poiminta- ja sijoituskoneiden toimintatavan ja niiden määrittelyn ymmärtäminen auttaa insinöörejä ja hankintatiimiä yhdistämään laitteiden valmiudet tuotteen vaatimuksiin.

Poiminta- ja sijoituskoneet käyttävät yhtä tai useampaa sijoituspäätä, jotka on asennettu X-Y-portaaliin tai pyörivään tornirakenteeseen. Jokaisessa päässä on poimittavan komponentin kokoinen alipainesuutin. Koneen näköjärjestelmä – tyypillisesti alhaalta valaistu ylöspäin katsova kamera – tallentaa komponentin poiminnan jälkeen mitatakseen sen todellisen sijainnin ja kulman suhteessa suuttimen keskustaan ​​ja kompensoi poiminnan siirtymän ennen komponentin asettamista liimapainetulle levylle.

Koneluokat kuvastavat nopeuden ja sijoitustarkkuuden välistä kompromissia:

• Nopeat siruampujat — pyörivät monisuutinrevolveripäät, jotka asettavat 0402, 0201 ja 01005 passiiviset komponentit 50 000–120 000 CPH:lle (komponentteja tunnissa); sijoitustarkkuus ±50–75 µm 3σ:ssä
• Joustavat sijoituskoneet — useita itsenäisesti ohjattuja päitä, jotka käsittelevät komponentteja 01005:stä 50 × 50 mm:iin asti; 10 000–30 000 CPH; tarkkuus ±25–50 µm 3σ:ssä; työhevoskone sekakomponenttilevyille
• Erittäin tarkat tarkkuussijoittimet — erityiset koneet hienojakoisille CSP:ille, flip chipeille ja optisille komponenteille; 1 000–5 000 CPH; tarkkuus ±10–15 µm 3σ:ssä aktiivisella kohdistuksella

Komponenttien syöttölaitteet — teippi-kelasyöttölaitteet SMD-komponenteille 8, 12, 16 tai 24 mm:n kantonauhalle; matriisialustat IC-paketteja varten; ja puikko- tai putkisyöttimet DIP- ja liitintyyppisille komponenteille – määritä koneen komponenttien kapasiteetti. Hyvin konfiguroitu poiminta-ja-paikkalinja monimutkaiselle PCBA:lle voi suorittaa 100–200 syöttöasemaa samanaikaisesti ja automaattiset syöttölaitteen vaihtohälytykset laukaisevat matalan osan laskurit.

Piirilevyjen suunnittelu ja kokoonpano: miten suunnittelupäätökset vaikuttavat valmistettavuuteen

Piirilevyjen suunnittelu ja kokoonpano ovat syvästi riippuvaisia toisistaan. EDA-ohjelmistossa tehdyt suunnittelupäätökset – tyynyjen mitat, komponenttien etäisyys, sijoittelu, paneelien vertailupaikat, testauspisteiden saavutettavuus – määräävät suoraan, voidaanko levy koota tuotto- ja kustannustavoitteiden mukaisesti vai aiheuttaako se kroonisia vikoja ja uusintatyötä tuotantolinjalla.

Vaikuttavimmat kokoamista varten suunnitteluperiaatteet (DFA), joita jokaisen piirilevysuunnittelijan tulee soveltaa:

• Komponenttien suuntauksen johdonmukaisuus — Kaikkien polarisoitujen komponenttien (kondensaattorit, diodit, IC:t) kohdistaminen samaan suuntaan vähentää merkittävästi sijoitusohjelmointiaikaa ja inhimillisten virheiden riskiä. Kaikki komponenttipin 1 -osoittimet yhdessä kulman suunnassa on kokoonpanoystävällisin asettelutapa.
• Riittävä sisäpihavara — IPC-7351 maakuviostandardit määrittelevät komponenttien pihan rajat. Vierekkäisten osien välisen pihavälin rikkominen estää poiminta-ja aseta-suutinta tyhjentämästä vierekkäisiä osia ja pakottaa manuaalisen sijoituksen tai kokoonpanojärjestyksen kiertämiseen.
• Lähtömerkit — Tarkkaa konenäön rekisteröintiä varten vaaditaan vähintään kolme globaalia mittaria (1 mm:n kupariympyrät kirkkaissa juotosmaskin aukoissa) paneelin kolmessa kulmassa ja paikalliset viitteet hienojakoisten IC:iden ja BGA:iden vieressä. Puuttuvat fiduaalit ovat yksi yleisimmistä valmistus-kokoonpano-liitäntävirheistä.
• Via-in-pad välttäminen — läpivientien asettaminen SMT-tyynyjen sisään saa juotteen imeytymään alas läpivientiholkista uudelleenvirtauksen aikana, jolloin juotosliitos kärsii ja syntyy avoimia tai heikkoja liitoksia. Jos läpivientilevyä ei voida välttää reititystiheyden vuoksi, läpivienti on täytettävä ja suljettava piirilevyn valmistuksen aikana ennen kokoamista.
• Testipisteen sijoitus — Jokaiselle verkolle, jonka halkaisija on vähintään 1 mm, asetetaan helppopääsyiset testityynyt erilliseen testipisteverkkoon, mikä mahdollistaa tehokkaan ICT-kiinnityksen ja vähentää merkittävästi toiminnallisten testien peittoväliä.

Piirilevyn prototyyppi ja kokoonpano: suunnittelutiedostoista ensimmäiseen rakentamiseen

PCB prototyyppi ja kokoonpano Palvelut kurovat umpeen valmiin suunnittelun ja validoidun, tuotettavan tuotteen välillä. Prototyyppien koontiversiot palvelevat erilaisia ​​prioriteetteja kuin volyymituotannossa: painopiste on nopeus ensimmäiseen artikkeliin, joustavuus teknisten muutosten käsittelyssä ja pääsy prosessitietoihin, jotka antavat tietoa suunnittelun tarkistuksista.

PCB-prototyyppiprosessi noudattaa tyypillisesti tätä aikajanaa tavalliselle 4-kerroksiselle FR-4-kortille:

• PCB:n valmistus — 24–72 tuntia nopeutettuun prototyyppivalmistukseen; normaali toimitusaika on 5-10 työpäivää. Useimmat prototyyppivalmistajat tarjoavat verkossa DFM-tarkistuksia ja välitöntä lainausta Gerber-tiedostojen latauksen perusteella.
• Komponenttien hankinta — kriittinen polku useimmille prototyypeille. Pitkäkestoiset IC:t (FPGA:t, erikoistuneet ASIC:t, virranhallintapiirit) saattavat vaatia 8–16 viikkoa jakeluvarastosta tai tehtaan tilauksesta. Prototyyppikoonnukset käyttävät usein olemassa olevaa teknistä inventaariota tai hyväksyvät vaihdot ei-kriittisissä passiivisissa rakennusaikataulun nopeuttamiseksi.
• Kokoonpano — Prototyyppien kokoonpanoajot (tyypillisesti 1–20 levyä) käsitellään samoilla SMT-linjoilla kuin tuotanto, mutta ilman täydellistä jigi- ja kalusteinvestointia. Kaavainpainatus suoritetaan kehystetyllä stensiilillä tai kehyksettömällä kalvolla, joka on kiristetty yleistelineeseen; pick-and-place -ohjelmointi suoritetaan senroid/XY-koordinaattitiedostosta ja Gerber-paketin mukana toimitetusta materiaaliluettelosta.
• Osittainen manuaalinen kokoonpano — Prototyyppimäärät sisältävät usein komponentteja, jotka eivät vielä ole syöttönauhassa (leikattujen nauhojen irtonaiset osat, pussi- ja etikettimäärät tai tekniset näytteet), jotka edellyttävät käsin sijoittelua. Kokeneet prototyyppien kokoajat voivat asettaa 0402- ja jopa 0201-komponentit käsin mikroskoopin alle ja juottaa käsin hienojakoisia QFP- ja QFN-paketteja – ominaisuudet, jotka erottavat toimivan prototyyppitalon puhtaasta volyymituotantolaitoksesta.

PCBA:n valmistus prototyyppivaiheessa myös tavallisesti ei-standardielementtejä: akkuliittimet, näytön liitännän FFC/FPC-liittimet, kotelon napsautusliittimet ja RF-koaksiaaliliittimet – kaikki tyypillisesti käsin koottuja. Automaattisen SMT:n ja osittaisen manuaalisen kokoonpanon yhdistelmä erikoisliittimiä, näyttöjä, akkuja ja koteloita varten on vakiotila prototyyppien ja vähäisten tuotantomäärien rakentamiseen, ja useimmat sopimusvalmistajat järjestävät prototyyppipalvelunsa mukautumaan tähän sekoitettuun työnkulkuun ilman lisämaksuja.

Piirilevyn kokoonpano ja juottaminen: Reflow-, Wave- ja selektiivisiä menetelmiä verrattu

Juottaminen on PCB-kokoonpanon ydinliitosprosessi, ja kullekin liitostyypille valitulla menetelmällä on suuri merkitys liitoksen laatuun, komponenttien lämpörasitukseen ja prosessin tuottoon. Kolme pääasiallista Piirilevyjen kokoonpano ja juottaminen Jokainen menetelmä käsittelee eri komponenttityyppejä ja korttikokoonpanoja.

Juotosmenetelmä määrää myös metalliseoksen spesifikaation. SAC305 (96,5 % tinaa, 3 % hopeaa, 0,5 % kuparia) on hallitseva lyijytön metalliseos uudelleenvirtaus- ja aaltokäyttöön kaupallisessa elektroniikassa – sen sulamispiste on 217 °C, hyvät mekaaniset ominaisuudet ja yhteensopivuus useimpien piirilevypintojen kanssa. Sn63Pb37 eutektinen juote (sulamispiste 183 °C) on edelleen käytössä sotilas-, ilmailu- ja lääketieteellisessä elektroniikassa RoHS-poikkeusten alaisuudessa, jossa sen ylivoimainen lämpöväsymiskestävyys ja alhaisempi käsittelylämpötila arvostetaan ympäristönsuojeluun liittyvien huolenaiheiden sijaan.

PCB-levyn käyttö: Integrointi-, testaus- ja käsittelyohjeet

Kun PCBA on toimitettu, oikea käsittely, integrointi ja alkukäynnistysmenettelyt määrittävät, toimiiko se suunnitellusti ensimmäisestä käyttökerrasta lähtien. Seuraavat ohjeet koskevat koottujen piirilevyjen parissa työskenteleviä insinöörejä, teknikoita ja tuotekehittäjiä.

• ESD-varotoimet — Käsittele PCBA-laitteita aina maadoitetulla ESD-työasemalla rannehihnalla. CMOS-logiikka, MOSFETit ja RF-komponentit voivat vaurioitua pysyvästi alle 100 V:n sähköstaattisten purkausten vuoksi – selvästi ihmisen havainnointikynnyksen alapuolella. Säilytä levyt antistaattisissa pusseissa tai johtavassa vaahdossa, kun niitä ei käytetä.
• Silmämääräinen tarkastus ennen käynnistystä — varmista, ettei vierekkäisten tyynyjen välillä ole näkyviä juotossiltoja, puuttuvia osia, halkeamia tai kohoaneita tyynyjä tai näkyviä vieraita aineita (juotepalloja, lankaleikkeitä) levyn pinnalla. 10-kertainen luuppi tai digitaalinen mikroskooppi riittää alkutarkastukseen.
• Ensimmäinen käynnistysmenettely — syötä teho virtarajoitetun penkkisyötön kautta, joka on asetettu hieman yli levyn odotetun tyhjäkäynnin virrankulutuksen. Jyrkkä virtapiikki käynnistyksen aikana – erityisesti sellainen, joka laukaisee virtarajan – osoittaa juotossillan tai oikosuljetun komponentin, joka on paikannettava ja korjattava ennen normaalia käyttöä.
• Liittimen liitäntävoimat — älä pakota liittimiä. FFC/FPC-nauhaliittimet, korttien väliset liittimet ja hienojakoiset I/O-liittimet vaurioituvat helposti kohdistusvirheestä. Tarkista liittimen suunta silkkipainotekstiä vasten ennen yhdistämistä.
• Lämmönhallinta — varmista, että kaikki suunnittelussa määritellyt jäähdytyselementit, lämpörajapintamateriaalit tai ilmavirtausreitit ovat paikoillaan ennen jatkuvaa käyttöä. Käytössä olevat tehopuolijohteet, jännitesäätimet tai RF-vahvistimet ilman lämmönhallintalaitteita ylittävät liitoslämpötilan rajat sekunneista minuutteihin.
• Kosteusherkkyys — IC:t, joiden MSL (Moisture Sensitivity Level) -luokitus on yli MSL-1, on paistettava ennen uudelleenvirtausta, jos ne ovat altistuneet ympäristön kosteudelle lattian käyttöiän yli. Tämä koskee kokoonpanoprosesseja, ei loppukäyttöä; kootut PCBA:t eivät ole kosteudelle herkkiä normaaleissa käyttölämpötiloissa.