Quy trình sản xuất bảng mạch PCB

quy-trinh-san-xuat-bang-mach-pcb

Quy trình sản xuất bảng mạch PCB đòi hỏi một quy trình phức tạp để đảm bảo hiệu suất của thành phẩm. Bảng mạch in có thể là đơn, kép hoặc nhiều lớp, quy trình chế tạo được sử dụng chỉ khác nhau sau khi sản xuất lớp đầu tiên.  Số lượng các bước cần thiết để sản xuất bảng mạch in tương quan với độ phức tạp của chúng. Bỏ qua bất kỳ bước nào hoặc cắt lại quy trình có thể tác động tiêu cực đến hiệu suất của bảng mạch. 

quy-trinh-san-xuat-bang-mach-PCB

Bước 1: Thiết kế bảng mạch in PCB

Bước khởi đầu của bất kỳ quy trình sản xuất bảng mạch PCB chính là thiết kế.  Khi nói đến thiết kế bảng mạch PCB, Extended Gerber là một phần mềm tuyệt vời vì nó cũng hoạt động như một định dạng đầu ra. Gerber mở rộng mã hóa tất cả thông tin mà nhà thiết kế cần, chẳng hạn như số lớp đồng, số mặt nạ hàn cần thiết và các phần ký hiệu thành phần khác. Sau khi bản thiết kế cho PCB được mã hóa bằng phần mềm Gerber Extended, tất cả các phần và khía cạnh khác nhau của thiết kế sẽ được kiểm tra để đảm bảo rằng không có lỗi.

Sau khi nhà thiết kế kiểm tra xong, thiết kế PCB hoàn thiện sẽ được gửi đến nhà chế tạo PCB. Khi đến nơi, kế hoạch thiết kế PCB được nhà chế tạo kiểm tra lần thứ hai, được gọi là kiểm tra Thiết kế cho Sản xuất (DFM). Kiểm tra DFM thích hợp đảm bảo rằng thiết kế PCB đáp ứng tối thiểu dung sai cần thiết cho quá trình sản xuất.

Bước 2: Đánh giá thiết kế bảng mạch PCB

Một bước quan trọng khác của quá trình chế tạo bảng mạch in liên quan đến việc kiểm tra thiết kế để tìm các lỗi hoặc sai sót tiềm ẩn. Một kỹ sư xem xét mọi phần của thiết kế PCB để đảm bảo không có thành phần nào bị thiếu hoặc cấu trúc không chính xác. Sau khi được kỹ sư xác nhận, thiết kế sẽ chuyển sang giai đoạn in.

Bước 3: In thiết kế PCB

Quy trình sản xuất bảng mạch PCB sẽ tiếp tục sau khi tất cả các kiểm tra hoàn tất, thiết kế PCB có thể được in. Không giống như các kế hoạch khác, như bản vẽ kiến ​​trúc, thiết kế bảng mạch PCB không in ra trên một tờ giấy 8,5 x 11 thông thường. Thay vào đó, một loại máy in đặc biệt, được gọi là máy in decal, được sử dụng. Một máy in decal tạo ra một “bộ phim” của PCB. Sản phẩm cuối cùng của “bộ phim” này trông giống như tấm kính trong suốt  – về cơ bản nó là một tấm ảnh âm bản của chính tấm bảng.

quy-trinh-san-xuat-bang-mach-PCB

Các lớp bên trong của PCB được thể hiện bằng hai màu mực:

  • Mực đen:  Được sử dụng cho các vết đồng và mạch của PCB
  • Mực trong:  Biểu thị các khu vực không dẫn điện của PCB, như đế sợi thủy tinh

Sau khi phim được in, chúng được xếp thành hàng và một lỗ, được gọi là lỗ đăng ký. Lỗ đăng ký được sử dụng như một hướng dẫn để căn chỉnh các phim sau này trong quá trình.

Đọc thêm: Bảng mạch PCB là gì ? Tìm hiểu chung về mạch PCB

Bước 4: In đồng cho các lớp bên trong

Bước 4 là bước đầu tiên trong quá trình nhà sản xuất bắt đầu sản xuất bảng mạch PCB. Sau khi thiết kế PCB được in lên một miếng laminate, đồng sau đó sẽ được liên kết trước với chính miếng laminate đó, dùng làm cấu trúc cho PCB. Sau đó, đồng được khắc đi để lộ ra bản thiết kế trước đó.

Tiếp theo, tấm laminate được bao phủ bởi một loại phim nhạy quang gọi là chất cản quang. Chất cản quang được làm bằng một lớp hóa chất phản ứng quang đông cứng lại sau khi chúng tiếp xúc với tia cực tím. Chất cản quang cho phép các kỹ thuật viên có được sự kết hợp hoàn hảo giữa các bức ảnh của bản thiết kế và những gì được in cho máy chụp ảnh.

quy-trinh-san-xuat-bang-mach-pcb

Khi chất cản quang và tấm laminate được xếp – sử dụng các lỗ trước đó – chúng sẽ nhận được một luồng ánh sáng cực tím. Tia cực tím đi qua các phần mờ của phim, làm cứng chất cản quang. Điều này cho thấy các khu vực đồng được giữ làm đường dẫn. Ngược lại, mực đen ngăn không cho ánh sáng chiếu đến những vùng không cần thiết cứng lại để sau này có thể loại bỏ chúng.

Sau khi bảng đã được chuẩn bị xong, nó được rửa bằng dung dịch kiềm để loại bỏ các chất cản quang còn sót lại. Sau đó, tấm ván được rửa bằng áp lực để loại bỏ bất cứ thứ gì còn sót lại trên bề mặt và để khô.

Sau khi làm khô, chất cản quang duy nhất còn lại trên PCB nằm trên phần đồng. Một kỹ thuật viên xem xét các PCB để đảm bảo rằng không có lỗi. Nếu không có lỗi nào thì chuyển sang bước tiếp theo của quy trình sản xuất bảng mạch PCB.

Bước 5:  Loại bỏ đồng ở lớp hoặc lõi bên trong 

Lõi hoặc các lớp bên trong của bảng mạch in cần phải loại bỏ thêm đồng trước khi quá trình chế tạo PCB có thể tiếp tục, chỉ để lại lượng đồng cần thiết của bo mạch. Bước này có thể thay đổi theo thời gian hoặc lượng dung môi khắc đồng được sử dụng. PCB lớn hoặc những loại có cấu trúc nặng hơn có thể sử dụng nhiều đồng hơn, dẫn đến nhiều đồng phải trải qua quá trình khắc để loại bỏ. Do đó, các bảng này sẽ cần thêm thời gian hoặc dung môi.

Bước 6: Căn chỉnh lớp

Sau khi từng lớp của PCB đã được làm sạch, chúng đã sẵn sàng để căn chỉnh lớp và kiểm tra quang học. Các lỗ trước đó được sử dụng để căn chỉnh các lớp bên trong và bên ngoài. Để căn chỉnh các lớp, kỹ thuật viên đặt chúng vào một loại máy đột được gọi là máy đột quang. Đục quang truyền một chốt xuyên qua các lỗ để xếp các lớp của bảng mạch in.

Đọc thêm: TOP 4 cách kiểm tra PCB hiệu quả nhất hiện nay 

Bước 7: Kiểm tra ngoại quan sản phẩm

Sau khi đục lỗ quang học, một máy khác thực hiện kiểm tra ngoại quan sản phẩm (AOI) để đảm bảo không có khuyết tật. Việc kiểm tra ngoại quan sản phẩm trong quy trình sản xuất bảng mạch PCB là cực kỳ quan trọng vì một khi các lớp được đặt lại với nhau, bất kỳ lỗi nào tồn tại đều không thể sửa được. Để xác nhận rằng không có khuyết tật, máy AOI so sánh PCB với thiết kế Extended Gerber, đóng vai trò là mô hình của nhà sản xuất.

Sau khi PCB được kiểm tra – nghĩa là cả kỹ thuật viên và máy AOI đều không tìm thấy bất kỳ lỗi nào – nó sẽ chuyển sang một vài bước cuối cùng của quá trình sản xuất và chế tạo PCB.

quy-trinh-san-xuat-bang-mach-pcb

Bước AOI rất quan trọng đối với hoạt động của bảng mạch in. Nếu không có nó, các bảng mạch có thể bị đoản mạch, không đáp ứng các thông số kỹ thuật thiết kế hoặc có thêm đồng không được tháo ra trong quá trình khắc có thể đi qua phần còn lại của quá trình. AOI ngăn chặn các bo mạch bị lỗi tiếp tục bằng cách đóng vai trò như một điểm kiểm tra chất lượng giữa quá trình sản xuất. Sau đó, quá trình này lặp lại đối với các lớp bên ngoài sau khi các kỹ sư hoàn thành việc tạo hình và khắc chúng.

Đọc thêm: 13 nguyên nhân gây lỗi bảng mạch PCB mà “dân kĩ thuật” nên biết (Phần 1)

Bước 8: Cán các lớp PCB

Ở bước thứ sáu của quy trình sản xuất bảng mạch PCB, các lớp PCB đều ở với nhau, chờ được dát mỏng. Khi các lớp đã được xác nhận là không có khuyết tật, chúng đã sẵn sàng để được hợp nhất. Quá trình cán PCB được thực hiện theo hai bước: bước xếp lớp và bước cán mỏng.

Bên ngoài của PCB được làm bằng các mảnh sợi thủy tinh đã được ngâm trước / phủ một lớp nhựa epoxy. Miếng đế ban đầu cũng được bao phủ trong một lớp lá đồng mỏng mà bây giờ có chứa các bản khắc cho các dấu vết đồng. Khi các lớp bên ngoài và bên trong đã sẵn sàng, đã đến lúc đẩy chúng lại với nhau.

Việc kẹp các lớp này được thực hiện bằng cách sử dụng kẹp kim loại trên một bàn ép đặc biệt. Mỗi lớp phù hợp với bàn bằng ghim chuyên dụng. Kỹ thuật viên thực hiện quy trình cán bắt đầu bằng cách đặt một lớp nhựa epoxy đã được phủ sẵn được gọi là đã ngâm tẩm hoặc tẩm sẵn – lên bồn căn chỉnh của bàn. Một lớp đế được đặt trên nhựa đã ngâm tẩm trước, tiếp theo là một lớp lá đồng. Lần lượt, lá đồng được tiếp theo bởi nhiều tấm nhựa đã được ngâm tẩm trước, sau đó được hoàn thiện bằng một mảnh và một mảnh đồng cuối cùng được gọi là tấm ép.

Khi tấm ép đồng đã ở đúng vị trí, tập giấy đã sẵn sàng để ép. Kỹ thuật viên đưa nó qua máy ép cơ học và ép các lớp xuống và lại với nhau. Là một phần của quá trình này, các chốt sau đó được đục lỗ xuyên qua chồng các lớp để đảm bảo rằng chúng được cố định đúng cách.

Nếu các lớp được cố định đúng cách, ngăn xếp PCB sẽ được đưa đến lần ép tiếp theo, một máy ép cán. Máy ép cán sử dụng một cặp tấm được nung nóng để tác động cả nhiệt và áp lực lên chồng lớp. Nhiệt của các tấm làm tan chảy lớp epoxy bên trong prepeg – nó và áp lực từ máy ép kết hợp để kết hợp chồng các lớp PCB lại với nhau.

Khi các lớp PCB được ép lại với nhau, cần phải thực hiện một chút thao tác giải nén. Kỹ thuật viên cần tháo tấm ép phía trên và các chân ra khỏi đó, sau đó cho phép họ kéo PCB thực tế ra ngoài.

Bước 9: Khoan

Trước khi khoan, một máy X-quang được sử dụng để xác định vị trí các điểm khoan. Sau đó, các lỗ đăng ký / hướng dẫn được khoan để ngăn xếp PCB có thể được bảo vệ trước khi khoan các lỗ cụ thể hơn. Khi đến thời điểm để khoan những lỗ này, một máy khoan dẫn hướng bằng máy tính sẽ được sử dụng để tự tạo các lỗ, sử dụng tệp từ thiết kế Gerber Mở rộng làm hướng dẫn.

Khi quá trình khoan hoàn tất, bất kỳ đồng bổ sung nào còn sót lại ở các cạnh sẽ được loại bỏ.

Đọc thêm: 13 nguyên nhân gây lỗi bảng mạch PCB mà “dân kĩ thuật” nên biết (Phần 1)

Bước 10: Mạ bảng mạch PCB

Sau khi tấm đã được khoan, nó đã sẵn sàng để được mạ. Quá trình mạ sử dụng một loại hóa chất để hợp nhất tất cả các lớp khác nhau của PCB với nhau. Sau khi được làm sạch kỹ lưỡng, PCB được ngâm trong một loạt hóa chất. Một phần của quá trình này bao phủ bảng điều khiển một lớp đồng dày cỡ micron, lớp này được lắng đọng trên lớp trên cùng và vào các lỗ vừa được khoan.

Bước 11: Hình ảnh lớp ngoài

Trước đó trong quy trình sản xuất bảng mạch PCB (Bước 4), một chất cản quang đã được áp dụng cho bảng điều khiển PCB. Trong Bước 11, đã đến lúc áp dụng một lớp chất cản quang khác. Tuy nhiên, lần này chất cản quang chỉ được áp dụng cho lớp bên ngoài, vì nó vẫn cần được chụp ảnh. Sau khi các lớp bên ngoài đã được phủ bằng chất cản quang và chụp ảnh, chúng sẽ được mạ giống hệt như cách các lớp bên trong của PCB được mạ ở bước trước. Tuy nhiên, trong khi quy trình giống nhau, các lớp bên ngoài được mạ một lớp thiếc để giúp bảo vệ lớp đồng bên ngoài.

Bước 12: Khắc lớp bên ngoài

Khi đến lúc khắc lớp bên ngoài lần cuối, bộ phận bảo vệ bằng thiếc được sử dụng để giúp bảo vệ đồng trong quá trình khắc. Bất kỳ đồng không mong muốn nào được loại bỏ bằng cách sử dụng cùng một dung môi đồng trước đó, với thiếc bảo vệ đồng có giá trị của khu vực khắc.

Một trong những điểm khác biệt chính giữa lớp khắc bên trong và bên ngoài bao phủ các khu vực cần loại bỏ. Trong khi các lớp bên trong sử dụng mực tối cho các vùng dẫn điện và mực trong cho các bề mặt không dẫn điện, các loại mực này được đảo ngược cho các lớp bên ngoài. Do đó, các lớp không dẫn điện có mực tối bao phủ chúng, và đồng có mực sáng. Mực nhẹ này cho phép lớp mạ thiếc bao phủ đồng và bảo vệ nó. Các kỹ sư loại bỏ đồng không cần thiết và bất kỳ lớp phủ chống lại nào còn lại trong quá trình khắc, chuẩn bị lớp bên ngoài cho AOI và mặt nạ hàn.

Bước 13: Kiểm tra ngoại quan sản phẩm lớp ngoài

Cũng như lớp bên trong, lớp bên ngoài cũng phải trải qua quá trình kiểm tra ngoại quan sản phẩm. Việc kiểm tra ngoại quan sản phẩm này đảm bảo lớp đáp ứng các yêu cầu chính xác của thiết kế. Nó cũng xác minh rằng bước trước đã loại bỏ tất cả đồng thừa ra khỏi lớp để tạo ra một bảng mạch in hoạt động đúng cách sẽ không tạo ra các kết nối điện không đúng cách.

quy-trinh-san-xuat-bang-mach-pcb

Bước 14: Ứng dụng mặt nạ hàn

Các tấm yêu cầu làm sạch kỹ lưỡng trước khi thi công mặt nạ hàn. Sau khi làm sạch, mỗi bảng điều khiển có lớp màng mặt nạ hàn và epoxy mực phủ trên bề mặt. Tiếp theo, tia cực tím chiếu vào bảng để chỉ ra vị trí cần loại bỏ mặt nạ hàn.

Sau khi kỹ thuật viên tháo mặt nạ hàn, bảng mạch in sẽ được đưa vào lò để chữa mặt nạ. Mặt nạ này cung cấp cho đồng của bo mạch thêm lớp bảo vệ khỏi bị hư hại do ăn mòn và oxy hóa.

Đọc thêm: 13 nguyên nhân gây lỗi bảng mạch PCB mà “dân kĩ thuật” nên biết (Phần 2)

Bước 15: Ứng dụng Skillscreen

 Bởi vì PCB cần có thông tin trực tiếp trên bảng, các nhà chế tạo phải in dữ liệu quan trọng trên bề mặt của bảng trong một quy trình được gọi là ứng dụng  Skillscreen hoặc in chú giải. Thông tin này bao gồm những điều sau:

  • Số ID công ty
  • Nhãn cảnh báo
  • Các nhãn hiệu hoặc logo của nhà sản xuất
  • Số bộ phận
  • Bộ định vị ghim và các dấu tương tự

Sau khi in các thông tin trên lên các bảng mạch in, thường bằng máy in phun, các PCB sẽ được hoàn thiện bề mặt. Sau đó, họ tiếp tục các giai đoạn thử nghiệm, cắt và kiểm tra.

Bước 16: Hoàn thiện bảng mạch PCB

Việc hoàn thiện PCB yêu cầu mạ bằng các vật liệu dẫn điện là bước tiếp theo của quy trình sản xuất bảng mạch PCB chẳng hạn như sau :

  • Bạc ngâm: Suy hao tín hiệu thấp, không chứa chì, tuân thủ RoHS, lớp sơn hoàn thiện có thể bị oxy hóa và xỉn màu
  • Vàng cứng: Bền, thời hạn sử dụng lâu dài, tuân thủ RoHS, không chứa chì, đắt tiền
  • Vàng ngâm niken không điện (ENIG): Một trong những lớp hoàn thiện phổ biến nhất, thời hạn sử dụng lâu dài, tuân thủ RoHS, đắt hơn so với các tùy chọn khác
  • Máy hàn bằng khí nóng (HASL): Tiết kiệm chi phí, bền lâu, có thể làm lại, chứa chì, không tuân thủ RoHS
  • HASL không chì: Tiết kiệm chi phí, không chứa chì, tuân thủ RoHS, có thể làm lại
  • Thiếc ngâm (ISn): Phổ biến cho các ứng dụng vừa vặn với máy ép, dung sai chặt chẽ cho các lỗ, tuân thủ RoHS, việc xử lý PCB có thể gây ra các vấn đề về hàn, râu thiếc
  • Chất bảo quản khả năng hàn hữu cơ (OSP): Tuân thủ RoHS, tiết kiệm chi phí, thời hạn sử dụng ngắn
  • Vàng ngâm palađi không niken không điện (ENEPIG ): Độ bền hàn cao, giảm ăn mòn, yêu cầu xử lý cẩn thận để có hiệu suất phù hợp, ít tiết kiệm chi phí hơn so với các lựa chọn không sử dụng vàng hoặc palađi

quy-trinh-san-xuat-bang-mach-pcb

Chất liệu chính xác phụ thuộc vào quy cách thiết kế và chi phí. Tuy nhiên, việc áp dụng các lớp hoàn thiện như vậy tạo ra một đặc điểm cần thiết cho bảng mạch PCB. Các lớp hoàn thiện cho phép một nhà lắp ráp gắn các thành phần điện tử. Các kim loại cũng bao phủ đồng để bảo vệ đồng khỏi quá trình oxy hóa có thể xảy ra khi tiếp xúc với không khí.

Bước 17: Kiểm tra độ tin cậy điện

Sau khi PCB đã được phủ và bảo dưỡng (nếu cần), kỹ thuật viên sẽ tiến hành kiểm tra pin trên các khu vực khác nhau của PCB để đảm bảo chức năng. Thử nghiệm điện phải tuân theo các tiêu chuẩn của IPC-9252. Các thử nghiệm chính được thực hiện là thử nghiệm tính liên tục của mạch và thử nghiệm cách ly. Kiểm tra tính liên tục của mạch sẽ kiểm tra bất kỳ sự ngắt kết nối nào trong PCB, được gọi là “mở”. Mặt khác, kiểm tra cách ly mạch sẽ kiểm tra các giá trị cách ly của các bộ phận khác nhau của PCB để kiểm tra xem có bất kỳ lỗi nào không. Trong khi các bài kiểm tra điện chủ yếu tồn tại để đảm bảo chức năng, chúng cũng hoạt động như một bài kiểm tra xem thiết kế PCB ban đầu đã đứng vững như thế nào đối với quy trình sản xuất bảng mạch PCB.

Bước 18: Lập hồ sơ và định tuyến

Việc lập hồ sơ yêu cầu các kỹ sư chế tạo xác định hình dạng và kích thước của các bảng mạch in riêng lẻ được cắt ra từ bảng xây dựng. Thông tin này thường có trong các tệp Gerber của thiết kế. Bước lập hồ sơ này hướng dẫn quá trình định tuyến bằng cách lập trình nơi máy sẽ tạo điểm trên bảng xây dựng.

Định tuyến ra, hoặc tính điểm, cho phép tách các bảng dễ dàng hơn. Một bộ định tuyến hoặc máy CNC tạo ra một số mảnh nhỏ dọc theo các cạnh của bảng. Các cạnh này có thể làm cho bảng nhanh chóng bị vỡ ra mà không bị hư hại.

Bước 19: Kiểm tra chất lượng

Sau khi chấm điểm và tách các bảng ra, PCB phải trải qua một lần kiểm tra cuối cùng trước khi đóng gói và vận chuyển. Lần kiểm tra cuối cùng này xác minh một số khía cạnh của việc xây dựng bảng:

  • Kích thước lỗ phải phù hợp trên tất cả các lớp và đáp ứng các yêu cầu thiết kế.
  • Kích thước bảng phải phù hợp với kích thước trong thông số kỹ thuật thiết kế.
  • Các nhà chế tạo phải đảm bảo sự sạch sẽ để các bảng không có bụi trên chúng.
  • Bảng thành phẩm không được có gờ hoặc cạnh sắc.
  • Tất cả các bảng không đạt yêu cầu kiểm tra độ tin cậy điện phải được sửa chữa và kiểm tra lại.

Bước 20: Đóng gói và giao hàng

Công đoạn cuối cùng của quá trình sản xuất PCB là đóng gói và giao hàng. Bao bì thường bao gồm vật liệu bịt kín xung quanh bảng mạch in để tránh bụi và các vật liệu lạ khác. Các tấm ván kín sau đó đi vào các thùng chứa để bảo vệ chúng khỏi bị hư hại trong quá trình vận chuyển. Cuối cùng, họ đi giao hàng cho khách.

Đọc thêm: Kiểm tra ngoại quan sản phẩm (AOI) là gì?