1. Stručný přehled celého procesu

Výrobu elektroniky lze rozdělit na dvě hlavní části. Nejprve se vyrobí holá deska plošných spojů, tedy mechanický a elektrický nosič. Poté se na ni osadí součástky a vznikne PCBA, funkční elektronická sestava.

2. Od návrhových dat k výrobnímu panelu

Výroba nezačíná u stroje, ale u dat. Návrhář vytvoří schéma, rozmístí součástky na desku a navrhne spoje. Výrobce potom nepracuje s obrázkem, ale se sadou vrstev a technologických souborů.

• Gerber / ODB++ / IPC-2581 – vrstvy mědi, nepájivé masky, potisku, pasty a obrysu desky.
• Excellon / drill data – seznam vrtaných otvorů, průměrů a jejich poloh.
• Stack-up – skladba vrstev: měď, dielektrikum, prepreg, tloušťky, impedance.
• BOM – kusovník součástek pro montáž.
• Pick-and-place data – souřadnice, natočení a strana osazení součástek.

Výrobce provede DFM kontrolu – ověří minimální šířky spojů, mezery, průměry otvorů, annular ring, vzdálenost mědi od okraje, možnosti panelizace a případné kolize s výrobními pravidly.

3. Materiál: laminát, měď a prepreg

Základní deskový materiál bývá nejčastěji FR-4, tedy skelná tkanina napuštěná epoxidovou pryskyřicí. Na ní je nalaminovaná měděná fólie. U jednodušších desek je měď z jedné nebo obou stran. U vícevrstvých desek se střídají vodivé měděné vrstvy a izolační vrstvy.

Pro zkušenější návrháře je důležitá nejen tloušťka mědi, ale i skladba vrstev. U rychlých signálů, diferenciálních párů, průmyslového Ethernetu, USB, HDMI nebo RF částí se řeší impedance, návratové proudy, vzdálenost signálové vrstvy od referenční roviny a dielektrické vlastnosti materiálu.

4. Vnitřní vrstvy a fotolitografie

U vícevrstvých DPS se nejprve vyrábí vnitřní vrstvy. Ještě před lisováním musí být hotové, zkontrolované a správně zarovnané.

1. Čištění mědi. Povrch mědi se odmastí a odstraní se oxidy, aby fotorezist dobře přilnul.
2. Nanesení fotorezistu. Používá se suchý film nebo kapalný fotorezist citlivý na UV záření.
3. Osvit motivu. Vzor spojů se přenese přes fotomasku nebo přímo laserem pomocí LDI – Laser Direct Imaging.
4. Vyvolání. Nežádoucí část fotorezistu se odstraní vyvolávací lázní a odkryje měď určená k odleptání.
5. Leptání. Chemická lázeň odstraní nechráněnou měď. Zůstane měděný motiv vodivých cest.
6. Stripování rezistu. Zbylý fotorezist se odstraní, aby na vrstvě zůstala čistá měď.
7. AOI kontrola. Automatická optická kontrola hledá přerušení spojů, zkraty, podletání, nadleptání a jiné vady.

5. Laminace vícevrstvých desek

Vícevrstvá deska je sendvič z měděných vrstev a izolace. Po výrobě vnitřních vrstev se povrch mědi chemicky upraví, aby se zlepšila přilnavost k pryskyřici. Tradičně se používal proces označovaný jako brown oxide, dnes se používají i moderní alternativy s menší tvorbou křehké oxidické vrstvy.

Výrobní panel se skládá ze střídajících se vrstev: core, prepreg, měděná fólie, další core atd. Poté se vloží do lisu. Vysoká teplota roztaví pryskyřici v prepregu a tlak spojí vrstvy do jednoho celku. Po vychladnutí vznikne pevný laminovaný panel.

U složitějších DPS se řeší i sekvenční laminace, například pro blind a buried vias. To znamená, že část vrstev se vyrobí, vyvrtá a prokoví, potom se znovu zalaminuje do další skladby.

6. Vrtání, desmear a prokovení otvorů

Po laminaci je potřeba propojit vrstvy a připravit otvory pro vývodové součástky. Vrtají se dva hlavní typy otvorů: montážní / vývodové otvory a prokovy, tedy vias.

Mechanické vrtání

CNC vrtačky používají velmi malé tvrdokovové vrtáky. Materiál FR-4 je abrazivní, protože obsahuje skelná vlákna, proto se používají tvrdé a přesné nástroje. Desky se často vrtají ve svazku panelů, aby byla výroba rychlejší.

Laserové vrtání

Pro mikroprokovy u HDI desek se používá laser. Laserem lze vytvořit malé slepé prokovy mezi sousedními vrstvami, které by mechanický vrták nezvládl ekonomicky ani rozměrově.

Desmear a aktivace

Při vrtání se může epoxidová pryskyřice zahřát a rozmazat po stěně otvoru. Tento smear by bránil spolehlivému kontaktu s vnitřní mědí. Proto se používá chemický nebo plazmový desmear, který odkryje měděné vrstvy ve stěně otvoru.

Bezproudé a galvanické mědění

Samotný otvor v laminátu je izolant. Nejprve se jeho stěna aktivuje a vytvoří se tenká vodivá vrstva chemickou, bezproudou mědí. Poté následuje galvanické mědění, které zvýší tloušťku mědi ve stěnách otvorů i na povrchu. Tím vznikne elektrické spojení mezi vrstvami.

7. Vnější vrstvy, galvanika a leptání

Po prokovení se vytvoří motiv vnějších vrstev. Princip je podobný jako u vnitřních vrstev, ale navíc se musí zohlednit prokovené otvory a konečná tloušťka mědi.

Typický průmyslový postup může být pattern plating: na panel se nanese rezist, odkryjí se místa, kde má zůstat měď, galvanicky se doplní měď na spoje a do otvorů a často se použije cín jako dočasná leptací maska. Poté se odstraní fotorezist, vyleptá se přebytečná měď a nakonec se odstraní cínová ochrana.

Alternativou je panel plating, kdy se nejprve pokoví celý panel a potom se motiv odleptá. Volba technologie záleží na výrobci, třídě desky, požadovaných parametrech a ekonomice výroby.

8. Nepájivá maska, potisk a povrchové úpravy

Nepájivá maska

Nepájivá maska chrání měděné spoje před oxidací, mechanickým poškozením a nechtěným propojením pájkou. Nejčastěji je zelená, ale barva je spíš výrobní a estetická volba než technická nutnost. Maska může být černá, modrá, červená, bílá, žlutá i fialová.

Moderní masky jsou často LPI – Liquid Photoimageable. Nanese se kapalná vrstva, vysuší se, exponuje přes motiv a vyvolá. Odkryté zůstanou plošky určené k pájení, testovací body a konektory.

Potisk legendy

Servisní potisk obsahuje označení součástek, polarity, testovacích bodů, konektorů, revizi desky a někdy i čárové nebo 2D kódy pro sledovatelnost. Vyrábí se sítotiskem nebo inkjet tiskem.

Povrchové úpravy měděných plošek

Odkrytá měď by rychle oxidovala a špatně se pájela. Proto se na pájecí plošky nanáší povrchová úprava.

9. Kontrola hotové holé desky

Než se deska pošle na osazování, testuje se ještě jako holá DPS. Základní otázky jsou jednoduché: jsou všechny spoje opravdu propojené a nejsou někde zkraty?

• AOI kontroluje tvar spojů, šířky, mezery, zbytky mědi a vady masky.
• Elektrický test ověřuje opens/shorts. Pro série se používá jehlové pole, pro prototypy a menší série flying probe.
• Výbrus ukáže kvalitu prokovení otvoru, tloušťku mědi a stav laminace.
• Impedanční kupóny se používají u desek s řízenou impedancí.
• Rozměrová kontrola hlídá obrys, otvory, frézování a pozice.

10. Osazování součástek: SMT a THT

Po výrobě holé DPS přichází montáž. V moderní elektronice dominuje SMT, protože umožňuje menší rozměry, vyšší hustotu osazení a rychlou automatizaci. THT se ale stále používá pro konektory, výkonové prvky, transformátory, relé, velké kondenzátory a mechanicky namáhané součástky.

SMT linka krok za krokem

1. Stencil printer. Přes nerezovou šablonu se na pájecí plošky nanese pájecí pasta.
2. SPI. 3D kontrola pasty měří objem, výšku a polohu nanesené pasty.
3. Pick-and-place. Osazovací automat bere součástky z cívek, tyčí nebo tray zásobníků a pokládá je na pastu.
4. Reflow pec. Deska projde teplotním profilem, pájecí pasta se roztaví a vytvoří spoje.
5. AOI po reflow. Kontroluje přítomnost, natočení, polaritu a kvalitu pájených spojů.

THT montáž

Vývodové součástky mohou být osazeny ručně nebo automaty pro axiální a radiální součástky. Pájení probíhá vlnou, selektivní vlnou nebo ručně. Smíšené desky často kombinují obě technologie: nejprve SMT, potom THT.

11. Pájení, pájky, tavidla a čištění

Pájecí pasta

Pájecí pasta je směs kovového prášku a tavidla. Kovové částice mají přesně řízenou velikost. Jemnější pasty se používají pro jemné rozteče, ale jsou náročnější na skladování, tisk a oxidaci.

Bezolovnaté a olovnaté slitiny

V běžné evropské produkci se používají hlavně bezolovnaté slitiny, často typu SAC – cín, stříbro a měď. Tradiční SnPb pájky mají nižší teplotu tání a výborné vlastnosti, ale jejich použití je kvůli RoHS v mnoha kategoriích omezené. Některé výjimky existují například pro specifické průmyslové, vojenské, letecké nebo zdravotnické aplikace podle konkrétních pravidel.

Tavidla

Tavidlo odstraňuje oxidy a zlepšuje smáčení pájky. Běžné typy jsou kalafunová, no-clean a vodou smývatelná tavidla. U ručního pájení se stále často používá kalafuna nebo její modernější varianty. V průmyslu je důležité, zda zbytky tavidla mohou na desce zůstat, nebo se musí umýt.

Reflow, vlna a selektivní pájení

Čištění

Po pájení mohou na desce zůstat zbytky tavidel. No-clean zbytky se při splnění podmínek nechávají na desce. Vodou smývatelná tavidla se musí umýt deionizovanou vodou. U náročných průmyslových aplikací se sleduje i iontová kontaminace, protože zbytky chemie mohou ve vlhku způsobovat svody, korozi nebo dendritický růst.

12. AOI, X-ray, ICT, FCT a firmware

Osazená deska může vypadat dobře, ale přesto nemusí fungovat. Proto se kombinuje několik druhů kontrol.

U průmyslové elektroniky bývá důležitá také sledovatelnost: každá deska může mít čárový nebo Data Matrix kód, záznam o šarži, verzi firmware, výsledcích testu a použitých součástkách.

13. Historie a technologické zajímavosti

Zajímavosti pro zkušenější elektroniky

• Teardrops mohou zlepšit mechanickou odolnost přechodu mezi ploškou a spojem, zvlášť u vrtaných otvorů.
• Acid traps u ostrých vnitřních rohů jsou historicky zmiňovaný problém leptání; u moderních procesů je menší, ale zaoblená geometrie je stále dobrý zvyk.
• Via-in-pad je užitečné pro BGA, ale často vyžaduje zaplnění a překovení prokovu, jinak může pájka zatékat do otvoru.
• Tombstoning u malých SMD součástek vzniká nerovnoměrným smáčením a silami povrchového napětí při reflow.
• Voiding pod výkonovými ploškami QFN/DFN a MOSFETů ovlivňuje teplotní odpor i spolehlivost.
• Impedanční návrh není jen šířka spoje; závisí na stack-upu, dielektriku, tloušťce mědi, solder mask a návratové cestě proudu.

14. Používané stroje a zařízení

Výroba holé DPS

Osazování, pájení a testy

15. Používaná chemie

Ve výrobě DPS je chemie stejně důležitá jako stroje. Následující tabulka uvádí typické skupiny látek a jejich účel. Konkrétní složení průmyslových lázní bývá proprietární a řídí se technologickými listy výrobce chemie.

16. Použité zdroje a zajímavé související odkazy

Výroba DPS je široké téma a jednotliví výrobci používají mírně odlišné procesy. Níže jsou zdroje, ze kterých lze pokračovat dál.