Étapes du processus de fabrication de PCB: un guide complet pour la construction de circuits imprimés

La fabrication de circuits imprimés (PCB) est un processus précis en plusieurs étapes qui transforme une conception numérique en une plateforme physique pour les composants électroniques.Chaque étape, de la sélection du matériau à l'essai final, exige une précision suffisante pour que le PCB fonctionne de manière fiable dans l'application prévue.Que ce soit pour un simple capteur IoT ou une station de base 5G complexe, comprendre le processus de fabrication est essentiel pour optimiser la conception, le coût et les performances.

Ce guide détaille les 10 étapes principales de la fabrication de PCB, mettant en évidence les technologies clés, les contrôles de qualité et les différences entre les processus standard et avancés.vous aurez une feuille de route claire de la façon dont votre conception devient une carte de circuit fonctionnel.

Les principaux enseignements
a. La fabrication de PCB implique 10 étapes critiques, de la découpe du matériau à l'essai final, chaque étape ayant une incidence sur les performances et le coût.
b.Les procédés avancés (p. ex. forage laser, inspection optique automatisée) améliorent la précision mais augmentent les coûts de production de 10 à 30% par rapport aux méthodes standard.
c. La sélection des matériaux (FR4 par rapport à Rogers) et le nombre de couches (2 par rapport à 16 couches) affectent de manière significative la complexité de fabrication et le délai de réalisation.
d.Les contrôles de qualité à chaque étape réduisent le taux de défauts de 10% (pas d'inspections) à moins de 1% (essais complets), ce qui réduit les coûts de retravail de 70%.

Vue d'ensemble de la fabrication de PCB: de la conception à la production
La fabrication de circuits imprimés convertit un fichier CAD (Computer-Aided Design) en une carte physique par une série de processus soustractifs et additifs.et application mais suit une séquence de base cohérenteVous trouverez ci-dessous une vue d'ensemble de haut niveau avant de plonger dans les détails:
1Révision de la conception et préparation du fichier CAM
2.Coupe de matériaux
3. Imagerie de la couche intérieure
4.Couche intérieure gravure
5.Lamination par couche
6- Le forage.
7- Je vais le planter.
8.Imagerie et gravure de couche externe
9Application de finition de surface
1- Épreuves finales et inspection

Étape 1: Examen de la conception et préparation du fichier CAM
Avant le début de la fabrication, le dessin doit être validé et converti en fichiers prêts à être fabriqués.
a.Contrôle de la conception en fonction de la fabrication: les ingénieurs examinent la conception CAO pour s'assurer qu'elle répond aux contraintes de fabrication (par exemple, une largeur minimale de trace de 0,1 mm, une taille de trou ≥ 0,2 mm).Les problèmes tels que l'espacement serré ou les fonctionnalités non prises en charge sont signalés pour éviter les retards de production.
b.Conversion de fichiers CAM: la conception est convertie en fichiers CAM (Computer-Aided Manufacturing), qui incluent les données de couche, les coordonnées de forage et les spécifications des matériaux.Des logiciels comme les formats Gerber et ODB++ sont standard.
c.Panélisation: les petits PCB sont regroupés en panneaux plus grands (par exemple, 18 "× 24") pour maximiser l'utilisation des matériaux et rationaliser la production.
Métrique clé: un contrôle minutieux de la FDM réduit de 40% les retouches après fabrication.

Étape 2: découpe du matériau
Le substrat de base (généralement FR4, une époxy renforcée de verre) est coupé à la taille de panneau requise.
a.Sélection du substrat: le FR4 est utilisé pour 90% des PCB en raison de son coût et de sa polyvalence. Les cartes hautes performances utilisent Rogers (pour la haute fréquence) ou le noyau métallique (pour la gestion thermique).
b.Processus de coupe: ciseaux ou découpeurs laser automatisés coupent le substrat à des dimensions de panneau (par exemple, 12 "× 18 ") avec une tolérance de ± 0,1 mm. La coupe laser est plus précise (± 0,01 mm).05 mm) mais 20% plus lente que la tonte mécanique.
c. Déboulage: les bords sont lissés pour éliminer les éboulements, ce qui empêche les dommages aux équipements dans les étapes suivantes.

Étape 3: Imagerie de la couche interne
Pour les PCB multicouches, les couches internes sont moulées avec des traces de cuivre à l'aide de la photolithographie.
a. Nettoyage: les panneaux sont nettoyés chimiquement pour éliminer l'huile, la poussière et l'oxydation, ce qui assure une adhésion adéquate de la photorésistance.
b.Application photorésistante: un polymère photosensible (photorésistant) est appliqué par revêtement à rouleaux (épaisseur: 10 ‰ 20 μm).film à sec pour les modèles plus grands.
c.Exposition: le panneau est exposé à la lumière UV à travers un photomasque (stensil de la conception du circuit).
d. Développement: la photorésistance non durcie est lavée avec une solution chimique (par exemple, du carbonate de sodium), laissant le motif de trace souhaité protégé.
Technologie avancée: l'imagerie directe au laser (LDI) remplace les photomasques par le balayage au laser, permettant des traces de largeurs aussi petites que 0,025 mm pour les PCB HDI (interconnexion haute densité).

Étape 4: gravure de la couche intérieure
La gravure élimine le cuivre indésirable, ne laissant que les traces de motifs.
a.Types de gravure:
Chlorure de fer: abordable mais plus lent; utilisé pour une production à faible volume.
Persulfate d'ammonium: plus rapide, plus précis; idéal pour les conceptions à volume élevé et à haute résonance.
b.Procédure: le panneau est immergé ou pulvérisé avec un graveur, qui dissout le cuivre non protégé.Le temps de gravure (2 ̊5 minutes) est calibré pour éviter une gravure excessive (traces de rétrécissement) ou une gravure insuffisante (cuivre résiduel).
c.Stripping de résistance: la résistance photoresistante restante est éliminée avec un solvant ou une solution alcaline, révélant les traces de cuivre.
Vérification de la qualité: l'AOI (Automated Optical Inspection) vérifie les défauts comme les traces manquantes, les courts métrages ou les sous-graffitis, capturant 95% des erreurs avant la stratification.

Étape 5: Lamination des couches
Les PCB multicouches sont liés entre eux par chaleur et pression.
a.Préparation de préprég: des feuilles de préprég (fibre de verre imprégnée d'époxy non durci) sont coupées à leur taille.
b.Stap-Up: les couches internes, les prepregs et les feuilles de cuivre externes sont alignés à l'aide de broches d'outillage (tolérance: ± 0,05 mm). Pour les PCB à 16 couches, cette étape nécessite un alignement précis pour éviter une erreur d'enregistrement de couche..
c. Pression: la pile est chauffée (170°C à 180°C) et pressée (300°C à 500 psi) pendant 60 à 90 minutes, durcissant les couches de pré-pressage et de collage en un seul panneau.
Défi: les bulles d'air entre les couches provoquent la délamination, ce qui est réduit de 90% par la pression sous vide (qui élimine l'air avant le durcissement).

Étape 6: forage
Des trous sont forés pour connecter des couches (vias) et des composants de montage (trous).
a.Types de forage:
Forage mécanique: pour les trous ≥ 0,2 mm; rapide mais moins précis.
Forage laser: pour les microvias (0,05 ∼0,2 mm); utilisé dans les PCB HDI.
b.Procédure: les machines de forage CNC suivent les coordonnées du fichier CAM, forant jusqu'à 10 000 trous par heure.
c. Déboulage: les trous sont nettoyés pour éliminer les éboulements de cuivre, ce qui assure un revêtement fiable.

Étape 7: plaquage
Les trous et les couches extérieures sont recouverts de cuivre pour créer des connexions électriques entre les couches.
a. Démaquillant: les produits chimiques (par exemple, le permanganate) éliminent les taches époxy des trous forés, assurant ainsi l'adhérence du cuivre.
b.Copper plating sans électro: une fine couche (0,5 μm) de cuivre est déposée sur les parois des trous et sur les surfaces extérieures sans électricité, créant une base conductrice.
c. électroplatement: le panneau est immergé dans un bain de sulfate de cuivre et un courant est appliqué sur du cuivre épais (15 ‰ 30 μm) sur les traces et les parois des trous.
Option avancée: par remplissage (électroplaté pour remplir complètement les trous) ajoute une résistance mécanique, idéale pour les applications à fortes vibrations (automobile, aérospatiale).

Étape 8: Imagerie et gravure de la couche externe
Les couches extérieures sont moulées de manière similaire aux couches intérieures, mais avec des étapes supplémentaires pour le masque de soudure et la sérigraphie.
a. Imagerie: la photorésistance est appliquée, exposée et développée pour définir les traces extérieures.
b.Graffage: le cuivre non protégé est enlevé, laissant des traces extérieures et des tampons.
Application du masque de soudure: un polymère vert (le plus courant) ou coloré est appliqué pour couvrir les traces, laissant les coussinets exposés à la soudure.
d.Impression par sérigraphie: l'encre est imprimée sur le masque de soudure pour étiqueter les composants (par exemple, "R1," "+5V"), ce qui facilite l'assemblage et le dépannage.
Tendance: les masques de soudure transparents et les écrans de soie blancs sont de plus en plus populaires pour les PCB LED, améliorant la diffusion de la lumière.

Étape 9: Application de la finition de surface
Les finitions de surface protègent les plaquettes de cuivre exposées de l'oxydation et assurent une soudure fiable.

Étape 10: Épreuve finale et inspection
Le panneau fini est soumis à des tests rigoureux pour assurer sa qualité.
a. Test électrique: un testeur de sonde volante vérifie la présence de courts, d'ouvertures et de résistance dans tous les filets, en vérifiant la connectivité.
b.AOI: les caméras haute résolution vérifient les défauts (par exemple, masque de soudure mal aligné, sérigraphie manquante).
c. Inspection par rayons X: utilisée pour les PCB BGA et HDI pour vérifier les joints cachés des soudures et la qualité.
d. Épreuves d'impédance: pour les circuits imprimés à grande vitesse, un TDR (réflectomètre de domaine temporel) vérifie l'impédance contrôlée (p. ex. 50Ω, 100Ω) afin d'assurer l'intégrité du signal.
e. Dépanélisation: le panneau est coupé en PCB individuels en utilisant le routage, le marquage ou la découpe laser, selon la conception.

Fabrication standard par rapport à la fabrication avancée: principales différences

Questions fréquemment posées
Q: Combien de temps faut-il à la fabrication des PCB?
R: 5 à 7 jours pour les PCB standard à 2 couches; 10 à 14 jours pour les cartes HDI à 16 couches.

Q: Quelles sont les causes des défauts de fabrication des PCB?
R: Les problèmes courants incluent l'erreur d'enregistrement des couches (mauvaise stratification), le sous-/sur-grattage et le désalignement des forages.

Q: Puis-je modifier ma conception après le début de la fabrication?
R: Les modifications effectuées après la stratification sont coûteuses (50 à 100% du coût initial).

Q: Combien coûte la fabrication de PCB?
R: (5 ¢) 15 pour les PCB standard à 2 couches (1000 unités); (20 ¢) 50 pour les cartes HDI avancées à 16 couches. Matériau (par exemple, Rogers vs FR4) et prix de l'entraînement en volume.

Q: Quel est le nombre maximal de couches pour les PCB?
R: Les PCB commerciaux atteignent plus de 40 couches (par exemple, les supercalculateurs), mais la plupart des applications utilisent 2 à 16 couches.

Conclusion
La fabrication de PCB est un processus de précision qui équilibre la complexité de la conception, la science des matériaux et la technologie de fabrication.Chaque étape joue un rôle essentiel pour s'assurer que la carte répond aux exigences électriques, les exigences mécaniques et de fiabilité.
La compréhension de ces étapes aide les ingénieurs à optimiser les conceptions pour les coûts et les performances, que ce soit en choisissant l'ENIG plutôt que le HASL pour un appareil médical ou en spécifiant le forage laser pour un PCB HDI pour smartphone.À mesure que l'électronique évolue, les processus de fabrication continueront d'évoluer, permettant des PCB plus petits, plus rapides et plus fiables pour les technologies de demain.

En vous associant à un fabricant qui accorde la priorité aux contrôles de qualité et utilise des équipements de pointe, vous pouvez vous assurer que vos PCB répondent aux exigences même des applications les plus difficiles.