BASE DI CONOSCENZA

PROCESSUS DE PRODUCTION D'UN CIRCUIT IMPRIMÉ

Fabrication d'un circuit imprimé multicouche

1.0

Revisione della progettazione e preparazione delle attrezzature di produzione.

La prima fase nel processo di produzione comporta una revisione del pacchetto dei dati di produzione fornito dal progettista e la preparazione delle attrezzature di produzione e dei dati CAM.

1.1

Pacchetto dei dati di produzione

L'output della progettazione di un PCB è un pacchetto di dati fornito al costruttore nel formato standard del settore (Extended Gerber o ODB++). I file Gerber definiscono i vari layers, il solder e le serigrafie. Inoltre, il pacchetto dei dati di produzione include un file di foratura, una netlist e le specifiche generiche.

1.2

La progettazione per la produzione

L'ufficio tecnico provvederà a verificare il pacchetto di dati e controllerà che tutte le informazioni necessarie per la produzione siano chiare e complete. Controlleremo anche che la progettazione e le specifiche siano compatibili con le capacità tecniche di produzione.

1.3

Una volta risolti tutti i quesiti tecnici, verranno preparate le attrezzature per la produzione.

1.31

Preparazione dei quadrotti di lavorazione

I produttori utilizzano quadrotti di lavorazione standard. Il quadrotto di lavorazione deve essere progettato in modo tale da massimizzare l'utilizzo dei materiali di base, tenendo conto delle dimensioni del PCB e delle esigenze di produzione: test coupons, fiducials e bandelle.

production panel
1.32

Preparazione delle pellicole di lavorazione (strumenti fotografici).

Utilizzando un laser plotter, verrà creata una pellicola per ogni strato del PCB. Il laser plotter è posizionato in una camera oscura a temperatura e umidità controllate. Le pellicole dovranno essere registrate le une con le altre per garantire il perfetto allineamento tra gli strati. I fori di registrazione realizzati verranno utilizzati più avanti per allineare le pellicole nel processo di esposizione ai raggi UV. Un altro metodo consiste nell'utilizzare l'imaging diretto a laser (LDI), in cui una camera CCD nella macchina di esposizione effettua l’allineamento.

working film
2.0

Strati interni

Per la preparazione degli strati interni, usiamo un materiale di base composto da fibra di vetro e resina epossidica rivestito da entrambi i lati da una lamina di rame e rimuoviamo il rame in eccesso, lasciando delle tracce di rame (piste) solo nei punti necessari per realizzare il circuito elettrico.

2.1

Materiale di base

Il nucleo dello strato interno, denominato con il termine inglesecore, è costituito da resina epossidica e un tessuto in fibra di vetro rivestito a entrambi i lati da una lamina di rame. Nella maggior parte dei casi viene utilizzato del materiale FR4.
Il rame del rivestimento su entrambi i lati dovrà essere pulito mediante un processo di pulizia per strati interni al fine di rimuovere gli ossidi e le possibili contaminazioni presenti. Contemporaneamente, i rulli spazzola rotanti irruvidiranno la superficie di rame al fine di garantire un'adesione meccanica adeguata.

base material
2.2

Laminazione del dry film

Il core viene fatto passare attraverso una coppia di rulli riscaldati (temperatura di circa 110{1]º[2}C, pressione 3-5 bar) applicando il dry film su entrambi i lati. La superficie diventa sensibile ai raggi UV e, pertanto, la lavorazione successiva avviene esclusivamente in un’area lavorativa con luce gialla.

dray film lamination
2.3

Esposizione degli strati interni

La pellicola per la definizione del layer viene collocata sul laminato, il quale viene esposto a una lampada UV. Le tracce del PCB sono trasparenti nella pellicola e il laminato sottostante è esposto ai raggi UV. Gli strati esposti verranno polimerizzati chimicamente e le piste si induriranno.
L'area coperta dalla parte nera della pellicola polimerizzerà e può essere lavata via nel processo di sviluppo.

exposure
2.4

Processo di sviluppo

Lo sviluppo avviene spruzzando gli strati interni orizzontalmente con una soluzione di carbonato di sodio e poi risciacquandoli con acqua dolce e asciugandoli. Le aree non esposte verranno quindi rimosse.

development process
2.5

Incisione del nucleo degli strati interni

La parte interna viene sottoposta a un altro processo di spruzzatura, risciacquo e asciugatura. Questa volta si utilizzerà una soluzione acida. Questo processo consente di rimuovere il rame dall'area esposta, lasciando rame solo nelle piste e nei pad. Lo spessore del rame degli strati determinerà la velocità del processo. Strati di rame più spessi limiteranno la finezza dello piste.

inner layer
2.6

Strippaggio

Lo strato di vernice viene rimosso facendo passare il materiale attraverso una soluzione di soda caustica.

striping
2.7

Ispezione ottica automatica (AOI)

IGli strati interni vengono sottoposti a un'ispezione ottica automatica al fine di rilevare aperture (open) e corti tra piste (shorts) e verificare che le geometrie del circuito siano conformi rispetto ai dati di progettazione originali.

2.8

Preparazione con ossidazione della superficie in rame

Gli strati interni vengono sottoposti a un processo di preparazione chimica della superficie per irruvidirla e migliorare l'adesione tra la resina PREPREG e la superficie in rame nel processo di laminazione.

3.0

Laminazione

3.1

Stampaggio del materiale

Gli strati vengono impacchettati prima della laminazione. Si inizia con un foglio di rame nella parte inferiore (che verrà utilizzata per costruire lo strato esterno inferiore). Poi viene posizionato uno strato di PREPREG, sopra il PREPREG vengono collocati gli strati interni, separati da strati in PREPREG, sopra gli strati interni viene collocato un altro strato di PREPREG e un secondo foglio di rame (che verrà utilizzata per costruire lo strato esterno superiore). Il PREPREG è una resina epossidica parzialmente indurita con fibra di vetro, polimerizzata dal costruttore del PREPREG. Viene usato come isolante e adesivo tra gli strati del PCB.

material layup
3.2

Laminazione ad alta pressione

Gli strati impacchetati vengono laminati sottovuoto, ad alta temperatura e ad alta pressione. Più PCB, separati da divisori, vengono pressati contemporaneamente. Il calore scioglie e fa indurire la resina epossidica del PREPREG, mentre la pressione ingloba il circuito stampato nella resina fusa.

high pressure
3.3

Rifilatura

Il materiale in eccesso che sporge dal pannello laminato, viene eliminato lasciando il pannello pulito che assume l'aspetto di un pezzo di laminato.

4.0

Foratura

4.1

Analisi ai raggi X

Durante la fase preparatoria, le piazzole, non visibili esternamente negli strati interni, vengono individuati tramite raggi X. L'analisi ai raggi X consente di rilevare le piazzole di registro, e calcolare nuovi fori di riferimento per la foratura.

x-ray
4.2

DForatura

La foratura del PCB viene effettuata utilizzando una perforatrice CNC ad alta velocità (fino a 280.000 giri/min.). I fori dovranno essere quanto più possibile puliti e regolari per consentire una loro placcatura in rame di qualità.Eventualmente, è possibile impilare e forare fino a 3 pannelli contemporaneamente. I pannelli vengono posizionati tra una piastra base e una lamiera superiore in alluminio. La piastra base impedisce di forare la base della macchina e consente di forare più in profondità nel pannello evitando sbavature. La lamiera superiore in alluminio evita di avere sbavature e impedisce eventuali deviazioni del trapano. Entrambe le piastre proteggono le superfici del pannello da danni e graffi.

4.3

Spazzolatura e desmearing

Dopo la foratura, la superficie del PCB viene spazzolata meccanicamente utilizzando dei rulli spazzola oscillanti e rotanti. I fori vengono quindi puliti con una soluzione di permanganato o del plasma di ossigeno al fine di rimuovere la resina eventualmente ancora presente sul rame. I residui di resina sul rame possono impedire un'adeguata conducibilità elettrica tra la placcatura del foro e le piste negli strati.

5.0

Placcatura elettrolitica

5.1

Placcatura elettrolitica

Al fine di creare un collegamento elettrico tra i fori praticati e tutti i layers, si realizza una pellicola conduttiva in rame chimico avente uno spessore di circa 0.5-0.7 micron. Questo strato conduttivo rappresenta la base per il processo di placcatura di rame che verrà effettuato successivamente.

electroless plating
6.0

Strati esterni e placcatura

Questo processo è simile al processo utilizzato per la costruzione degli strati interni. La differenza consiste nel fatto che in questo step si esegue la placcatura dei fori, delle tracce e dei pad degli strati esterni, ricorrendo a un processo di ramatura elettrolitica.

6.1

Laminazione con dry film degli strati esterni

Questo processo corrisponde al processo utilizzato per gli strati interni. Il pannello viene fatto passare attraverso una coppia di rulli riscaldati (temperatura di circa 110{1]º[2}C, pressione 3-5 bar). La superficie in rame diventa sensibile ai raggi UV e, pertanto, la successiva lavorazione avviene esclusivamente in aree lavorative a luce gialla.

6.2

Esposizione e sviluppo

Questo processo corrisponde al processo utilizzato per gli strati interni. Tuttavia, in questo step viene utilizzato un processo di esposizione negativa. Le piste non vengono coperte dal resist e possono essere galvanizzate mediante la placcatura in rame. Le aree tra le piste conduttive sono coperte da laminato polimerizzato.

6.3

Ramatura elettrolitica

Tutte le piste e fori vengono rivestiti con uno strato di rame conduttivo elettrodepositato. I fori creano il collegamento elettrico tra i conduttori sui layers. Per un buon collegamento, le pareti del foro dovranno avere 20-25 micron di rame. Ora lo spessore complessivo del rame sugli strati esterni è stato raggiunto, tenendo conto dello spessore del rame del materiale e dei 25-30 micron extra aggiunti nel processo di placcatura.

copper plating
6.4

Stagnatura

Viene quindi effettuato un secondo processo di placcatura per proteggere i conduttori in rame durante il processo di incisione che seguirà. Pertanto lo strato viene spesso indicato anche con il termine \"etching resist\" (resistente all'incisione).

tin plating
6.5

Strippaggio del dry film dallo esterno

Il dry film viene rimosso in modo da esporre lo strato di rame per l'incisione.

6.6

Incisione e strippaggio dello stagno

Viene effettuato un processo di incisione per rimuovere il rame in eccesso e lasciare il rame solo sulle piste e sulle pad protetti dalla stagnatura. Lo stagno viene rimosso utilizzando acido nitrico.

7.0

Maschera di saldatura

Alla maggior parte dei circuiti stampati si applica una maschera di saldatura per proteggere la superficie di rame che non verrà protetta dalla saldatura durante il processo di assemblaggio e per prevenire corti di saldatura durante l'assemblaggio.

7.1

pannelli vengono spazzolati e puliti.

7.2

pannelli vengono rivestiti a entrambi i lati con inchiostro per maschere di saldatura con uno spessore di 15-25 micron.

7.3

Mediante una stampante UV e un'apposita pellicola, la maschera di saldatura viene indurita nell'area in corrispondenza della quale si desidera che resti.

7.4

I pannelli vengono lavorati tramite uno sviluppatore che rimuove la maschera di saldatura dalle aree che si vogliono mettere a nudo.

7.5

La maschera di saldatura viene ulteriormente indurita in un forno.

solder mask
8.0

Finitura superficiale

Una finitura superficiale saldabile viene applicata alle superfici in rame che non sono coperte dal solder mask. Questo rivestimento protegge il rame fino all'assemblaggio dei componenti e alla loro saldatura sui circuiti stampati. Sono disponibili finiture di superficie di vario tipo. Quelle utilizzate più di frequente sono l'Hot Air Leveling (HAL) e l'Electroless Nickel Immersion Gold (ENIG)..

8.1

HAL

Il processo HAL crea una saldatura su tutti i pad. L'intero pannello viene immerso nel liquido per la saldatura e ripulito tramite aria compressa calda. La saldatura in eccesso (che non si è legata al rame esposto) viene soffiata via mentre i pad in rame e i fori restano placcati.
Il materiale di saldatura utilizzato in questo processo è una lega stagno/piombo o solo stagno (senza piombo).

8.2

ENIG

In questo processo, il nichel viene depositato chimicamente sopra il rame. Successivamente, un sottile strato d'oro viene depositato sul nichel. L'intero processo è automatizzato: i pannelli vengono fatti passare attraverso una serie di serbatoi, il rame viene pulito, viene depositato uno strato di 3-5 micron di nichel e uno strato d'oro di almeno 0,05 micron.

8.3

Placcatura in oro duro

I connettori laterali vengono galvanizzati con 1-1,5 micron di oro su 4-5 micron di nichel placcato. Questo tipo di placcatura viene utilizzato nei casi in cui la placcatura deve sopportare l'erosione di inserzioni multiple.

9.0

Serigrafia componenti

La serigrafia componenti viene stampata sul PCB utilizzando una stampante serigrafica.

legend print
10

Fresatura

Mediante una CNC si separano i singoli PCB dai quadrotti di lavorazione e i PCB vengono fresati nelle diverse forme in base ai dati di progettazione.

routing
11

Collaudo elettrico

Ogni PCB viene elettricamente testato in base ai dati di progettazione utilizzando macchine da test a letti d'ago o un tester a sonde mobili.

lectrical test
12

Controllo qualità finale

È l'ispezione finale del prodotto finito. Si verifica la presenza di eventuali difetti estetici quali graffi e impurità utilizzando lo standard IPC600 come riferimento.

final quality test