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プリント回路基板の製造プロセス


目次:

PCB製造プロセスとは何ですか?

プリント回路基板(PCB)の製造プロセスでは、完成品の性能を確保するために複雑な手順が必要です。回路基板は単層、二重、または多層にすることができますが、使用される製造プロセスは、最初の層の製造後にのみ異なります。 PCBの構造の違いにより、製造中に20以上のステップが必要になる場合があります。

プリント回路基板の製造に必要なステップ数は、その複雑さに相関しています。手順をスキップしたり、手順を削減したりすると、回路基板のパフォーマンスに悪影響を与える可能性があります。ただし、正常に完了すると、PCBは主要な電子部品として適切にタスクを実行する必要があります。

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PCBの部品は何ですか?

PCBには4つの主要部分があります:

価格とリードタイムを取得

PCBとPCBの構造の基本について説明したので、PCBを構築する方法のプロセス全体を見ていきます。

PCBはどのように製造されていますか?

PCB設計プロセスのステップは、設計と検証から始まり、回路基板の製造まで続きます。多くのステップでは、精度を確保し、短絡や不完全な回路を防ぐために、コンピューターガイダンスと機械駆動ツールが必要です。完成したボードは、パッケージ化して顧客に納品する前に、厳密なテストを受ける必要があります。

ステップ1:PCBの設計

もちろん、PCB製造の最初のステップは設計です。 PCBの製造と設計は、常に計​​画から始まります。設計者は、概説されているすべての要件を満たすPCBの青写真を作成します。 PCB設計者が使用する最も一般的に使用される設計ソフトウェアは、Extended Gerberと呼ばれるソフトウェアです—IX274Xとしても知られています。

PCB設計に関しては、Extended Gerberは出力フォーマットとしても機能するため、優れたソフトウェアです。拡張ガーバーは、銅層の数、必要なはんだマスクの数、その他のコンポーネント表記など、設計者が必要とするすべての情報をエンコードします。 PCBの設計図がGerberExtendedソフトウェアによってエンコードされると、設計のさまざまな部分と側面がすべてチェックされ、エラーがないことを確認します。

設計者による検査が完了すると、完成したPCB設計はPCB製造会社に送られ、PCBを構築できるようになります。到着時に、PCB設計計画は、製造業者による2回目のチェック(Design for Manufacturing(DFM)チェック)を受けます。適切なDFMチェックにより、PCB設計が少なくとも製造に必要な許容誤差を満たしていることが保証されます。

ステップ2: 設計レビューとエンジニアリングに関する質問

プリント回路基板製造プロセスのもう1つの重要なステップは、潜在的なエラーや欠陥がないか設計をチェックすることです。エンジニアは、PCB設計のすべての部分を調べて、コンポーネントの欠落や誤った構造がないことを確認します。エンジニアから許可を得た後、デザインは印刷段階に移行します。

ステップ3:PCBデザインの印刷

すべてのチェックが完了したら、PCBデザインを印刷できます。建築図面などの他の計画とは異なり、PCB計画は通常の8.5x11枚の用紙に印刷されません。代わりに、プロッタプリンタと呼ばれる特別な種類のプリンタが使用されます。プロッタプリンタは、PCBの「フィルム」を作成します。この「フィルム」の最終製品は、学校で使用されていたOHPフィルムによく似ています。これは、基本的にボード自体のネガフィルムです。

PCBの内側の層は、2つのインクの色で表されます。

PCB設計の外層では、この傾向は逆になっています。クリアインクは銅の経路のラインを指しますが、ブラックインクは銅が除去される領域も指します。

各PCB層とそれに付随するソルダーマスクは独自のフィルムを取得するため、単純な2層PCBには4枚のシートが必要です。各レイヤーに1枚、付随するソルダーマスクに1枚ずつです。

フィルムが印刷された後、それらは並べられ、レジストレーションホールと呼ばれる穴がそれらに開けられます。レジストレーションホールは、プロセスの後半でフィルムを位置合わせするためのガイドとして使用されます。

ステップ4:内層の銅を印刷する

ステップ4は、メーカーがPCBの製造を開始するプロセスの最初のステップです。 PCBデザインがラミネート材料に印刷された後、銅はPCBの構造として機能する同じラミネートに事前に接着されます。次に、銅をエッチングして取り除き、以前の青写真を明らかにします。

次に、ラミネートパネルはレジストと呼ばれる一種の感光性フィルムで覆われています。レジストは、紫外線にさらされると硬化する光反応性化学物質の層でできています。レジストにより、技術者は設計図の写真とフォトレジストに印刷されたものを完全に一致させることができます。

レジストとラミネートが整列すると(以前の穴を使用して)、紫外線が照射されます。紫外線はフィルムの半透明部分を通過し、フォトレジストを硬化させます。これは、経路として保持されることを意図した銅の領域を示しています。対照的に、黒のインクは、硬化することを意図していない領域に光が到達するのを防ぎ、後で除去できるようにします。

ボードが準備されたら、アルカリ溶液で洗浄して、残っているフォトレジストをすべて除去します。次に、ボードを圧力洗浄して、表面に残っているものをすべて取り除き、乾燥させます。

乾燥後、PCBに残しておく必要がある唯一のレジストは、最終的に飛び出してPCBの一部として残る銅の上にあります。技術者はPCBを調べて、エラーがないことを確認します。エラーがない場合は、次のステップに進みます。

ステップ5: 銅を除去するために内層またはコアをエッチングします

プリント回路基板のコアまたは内層は、PCB製造プロセスを続行する前に、余分な銅を除去する必要があります。エッチングでは、ボード上の必要な銅を覆い、ボードの残りの部分を化学物質にさらします。化学エッチングプロセスにより、保護されていない銅がすべてPCBから除去され、ボードに必要な量だけが残ります。

このステップは、その時間または使用される銅エッチング溶剤の量が異なる場合があります。大きなPCBまたはより重い構造のPCBは、より多くの銅を使用する可能性があり、その結果、除去のためにエッチングを受ける必要のある銅が多くなります。したがって、これらのボードには余分な時間または溶剤が必要になります。

プリント回路基板の製造プロセスが多層設計の場合

多層プリント回路基板には、製造中に設計の余分な層を考慮するための追加の手順があります。これらの手順は、単層PCBで使用される手順の多くを反映しています。ただし、ボードの各レイヤーでフェーズが繰り返されます。また、多層PCBでは、通常、銅箔が層間の銅コーティングに置き換わります。

内層イメージング

内層イメージングは​​、PCBデザインの印刷と同じ手順に従います。デザインはプロッタプリンタで印刷され、フィルムが作成されます。内層のソルダーマスクも印刷されます。両方を位置合わせした後、マシンがフィルムにレジストレーションホールを作成して、フィルムを後でレイヤーと適切に整列させるのに役立てます。

内層のラミネート材料に銅を追加した後、技術者は印刷されたフィルムをラミネートの上に置き、見当穴を使用して位置合わせします。

紫外線は、レジストとしても知られるフィルムを露光し、明るい色の領域の化学物質を硬化させて印刷パターンにします。これらの硬化領域はエッチング段階で洗い流されませんが、暗い色のフィルムの下の非硬化領域では銅が除去されます。

内層エッチング

イメージング後、白インクで覆われた領域が硬化しました。この硬化した材料は、エッチング後にボード上に残る下の銅を保護します。

技術者はまずボードをアルカリで洗い流し、硬化しなかった残りのレジストをボードから取り除きます。このクリーニングにより、プリント回路基板の非導電性部分を覆っている領域が露出します。次に、作業者は、ボードを銅溶剤に沈めて露出した銅を溶解することにより、これらの非導電性領域から余分な銅をエッチングします。

ストリッピングに抵抗する

レジストストリッピングステップは、PCB内層の銅を覆っている残りのレジストをすべて除去します。残っているレジストをクリーニングすることで、銅の導電性を妨げるものがなくなるようにします。レジストを除去すると、レイヤーの基本設計を検査する準備が整います。

ポストエッチングパンチ

ポストエッチングパンチは、レイヤーを位置合わせし、レジストレーションホールをガイドとして使用してレイヤーに穴を開けます。この穴と位置合わせのその後の検査と同様に、パンチングは、光学パンチと呼ばれるマシンを正確にガイドするコンピューターから行われます。光学パンチの後、層は内層の自動光学検査(AOI)に移動します。

内層AOI

内層の自動光学検査では、コンピューターを使用して内層を注意深く調べ、表面に残っている可能性のある不完全なパターンやレジストを探します。 PCB層がAOIを通過すると、プロセスを進めます。

内層酸化物

内層に酸化物を塗布することで、内層と外層の間の銅箔と絶縁エポキシ樹脂層の結合が向上します。

レイアップ

多層PCB製造プロセスのレイアップステップは、機械が銅箔層と内層と外層の間の絶縁材料と一緒に層を整列させ、加熱し、結合するのを助けるときに起こります。層の位置合わせとボンディングはプリント回路基板の適切な構造に対して正確でなければならないため、通常、コンピューターがこれらのマシンをガイドします。

ラミネーション

ラミネーションは、熱と圧力を使用して、層間の接着エポキシを溶かします。適切に積層されたPCBは、層間を効果的に絶縁しながら、層をしっかりと保持します。

X線アライメント

積層後に多層基板を穴あけする場合、X線によりドリルビットの位置合わせが保証されます。これらの穴により、多層PCBの層間で接続を行うことができます。したがって、レイヤーの残りの部分と他のレイヤーに対するそれらの配置とサイズの正確さが重要です。層のX線アライメントに続いて、プリント回路基板は穴あけされ、片面または両面PCB基板製造のステップ9でピックアップされます。

ステップ6:レイヤーの配置

PCBの各層が洗浄されると、層の位置合わせと光学検査の準備が整います。以前の穴は、内層と外層を整列させるために使用されます。層を整列させるために、技術者はそれらを光学パンチと呼ばれるタイプのパンチマシンに配置します。光学パンチがピンを穴に通して押し下げ、PCBの層を整列させます。

ステップ7:自動光学検査

光学パンチに続いて、別のマシンが光学検査を実行して、欠陥がないことを確認します。この自動光学検査は非常に重要です。レイヤーを一緒に配置すると、存在するエラーを修正できないためです。欠陥がないことを確認するために、AOIマシンはPCBをメーカーのモデルとして機能する拡張ガーバー設計と比較します。

PCBが検査に合格した後、つまり、技術者もAOIマシンも欠陥を発見しなかった後、PCBの製造と製造の最後の数ステップに進みます。

AOIステップは、プリント回路基板の動作にとって非常に重要です。これがないと、短絡したり、設計仕様を満たしていない、またはエッチング中に除去されなかった余分な銅が含まれている可能性のあるボードが、残りのプロセスを通過する可能性があります。 AOIは、製造プロセスの途中で品質チェックポイントとして機能することにより、欠陥のあるボードの進行を防ぎます。その後、エンジニアがイメージングとエッチングを終えた後、このプロセスが外層に対して繰り返されます。

ステップ8:PCB層のラミネート

プロセスのステップ6で、PCB層はすべて一緒になり、ラミネートされるのを待ちます。レイヤーに欠陥がないことが確認されると、融合する準備が整います。 PCBラミネートプロセスは、レイアップステップとラミネートステップの2つのステップで実行されます。

PCBの外側は、エポキシ樹脂で事前に浸された/事前にコーティングされたグラスファイバーでできています。基板の元の部分も薄い銅箔の層で覆われており、銅の痕跡のエッチングが含まれています。外層と内層の準備ができたら、それらを一緒に押します。

これらの層の挟み込みは、特別なプレステーブルの金属クランプを使用して行われます。各レイヤーは、専用のピンを使用してテーブルにフィットします。ラミネート加工を行う技術者は、まず、プレプレグまたはプリプレグと呼ばれるプレコートエポキシ樹脂の層をテーブルの位置合わせベイスンに配置します。基板の層は、事前に含浸された樹脂の上に配置され、続いて銅箔層が配置されます。次に、銅箔の後にプリプレグ樹脂のシートが続き、プレスプレートと呼ばれる最後の銅片で仕上げられます。

銅製のプレスプレートが配置されると、スタックをプレスする準備が整います。技術者はそれを機械プレスに引き継ぎ、層を一緒に押し下げます。このプロセスの一環として、ピンはレイヤーのスタックに打ち抜かれ、正しく固定されていることを確認します。

層が適切に固定されている場合、PCBスタックは次のプレスであるラミネートプレスに運ばれます。ラミネートプレスは、加熱されたプレートのペアを使用して、層のスタックに熱と圧力の両方を適用します。プレートの熱がプリプレグ内部のエポキシを溶かします—それとプレスからの圧力が組み合わさってPCB層のスタックを融合します。

PCB層が一緒にプレスされたら、実行する必要がある少しの開梱があります。技術者は、上部のプレスプレートとピンを以前から取り外す必要があります。これにより、実際のP​​CBを自由に引っ張ることができます。

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ステップ9:掘削

掘削する前に、X線装置を使用してドリルスポットを特定します。次に、より具体的な穴を開ける前にPCBスタックを固定できるように、レジストレーション/ガイド穴を開けます。これらの穴を開けるときは、コンピューターガイドドリルを使用して、拡張ガーバー設計のファイルをガイドとして使用して、穴を自分で作成します。

掘削が完了すると、端に残っている追加の銅がすべて取り除かれます。

ステップ10:PCBメッキ

パネルに穴を開けたら、メッキの準備が整います。めっきプロセスでは、化学薬品を使用して、PCBのさまざまな層をすべて融合します。徹底的に洗浄された後、PCBは一連の化学薬品に浸されます。この入浴プロセスの一部は、パネルをミクロンの厚さの銅の層でコーティングします。この層は、最上層の上に、ドリルしたばかりの穴に堆積します。

穴が銅で満たされる前に、それらは単にパネルの内側を構成するグラスファイバー基板を露出させるのに役立ちます。それらの穴を銅に浸すと、以前に開けた穴の壁が覆われます。

ステップ11:外層イメージング

プロセスの早い段階(ステップ4)で、フォトレジストがPCBパネルに塗布されました。ステップ11では、フォトレジストの別の層を適用します。ただし、今回はフォトレジストを画像化する必要があるため、フォトレジストは外側の層にのみ適用されます。外層がフォトレジストでコーティングされて画像化されると、前の手順でPCBの内層がメッキされたのとまったく同じ方法でメッキされます。ただし、プロセスは同じですが、外層には、外層の銅を保護するためにスズのメッキが施されています。

ステップ12:外層エッチング

最後に外層をエッチングするときは、エッチングプロセス中に銅を保護するためにスズガードが使用されます。不要な銅は、以前と同じ銅溶剤を使用して除去され、スズがエッチング領域の貴重な銅を保護します。

内層エッチングと外層エッチングの主な違いの1つは、除去が必要な領域をカバーしています。内層は導電性領域にダークインクを使用し、非導電性表面にはクリアインクを使用しますが、これらのインクは外層に逆になります。したがって、非導電層はそれらを覆う暗いインクを持ち、銅は明るいインクを持っています。この淡いインクは、錫メッキが銅を覆い、それを保護することを可能にします。エンジニアは、エッチング中に不要な銅と残りのレジストコーティングを取り除き、AOIとはんだマスキング用の外層を準備します。

ステップ13:外層AOI

内層と同様に、外層も自動光学検査を受ける必要があります。この光学検査により、レイヤーが設計の正確な要件を満たしていることが確認されます。また、前の手順で層から余分な銅をすべて除去して、不適切な電気接続を作成しない、適切に機能するプリント回路基板を作成したことも確認します。

ステップ14:ソルダーマスクアプリケーション

パネルは、ソルダーマスクを塗布する前に徹底的に洗浄する必要があります。きれいになると、各パネルの表面はインクエポキシとソルダーマスクフィルムで覆われます。次に、紫外線がボードに当たって、はんだマスクを除去する必要がある場所を示します。

技術者がソルダーマスクを外すと、回路基板はオーブンに入れられてマスクが硬化します。このマスクは、ボードの銅に腐食や酸化による損傷からの保護を強化します。

ステップ15:シルクスクリーンアプリケーション

PCBはボード上に直接情報を持っている必要があるため、製造業者はシルクスクリーン印刷または凡例印刷と呼ばれるプロセスでボードの表面に重要なデータを印刷する必要があります。この情報には次のものが含まれます:

多くの場合インクジェットプリンタを使用して、上記の情報をプリント回路基板に印刷した後、PCBの表面仕上げが適用されます。その後、テスト、切断、検査の各段階に進みます。

ステップ16:PCBの仕上げ

PCBを仕上げるには、次のような導電性材料でメッキする必要があります。

正しい材料は、設計仕様と顧客の予算によって異なります。ただし、このような仕上げを適用すると、PCBに不可欠な特性が作成されます。仕上げにより、アセンブラは電子部品を取り付けることができます。金属は銅を覆い、空気にさらされると発生する可能性のある酸化から銅を保護します。

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ステップ17:電気的信頼性テスト

PCBがコーティングされ、硬化された後(必要な場合)、技術者はPCBのさまざまな領域で一連の電気テストを実行して、機能を確認します。電気試験は、IPC-9252の規格、未実装のプリント基板の電気試験のガイドラインと要件に準拠する必要があります。実行される主なテストは、回路の導通テストと絶縁テストです。回路導通テストは、「オープン」と呼ばれるPCBの切断をチェックします。一方、回路絶縁テストでは、PCBのさまざまな部品の絶縁値をチェックして、短絡がないかどうかをチェックします。電気テストは主に機能を確認するために存在しますが、初期のPCB設計が製造プロセスにどれだけ耐えたかのテストとしても機能します。

基本的な電気的信頼性テストに加えて、PCBが機能しているかどうかを判断するために使用できる他のテストがあります。これを行うために使用される主なテストの1つは、「釘のベッド」テストとして知られています。このテキストでは、回路基板上のテストポイントにいくつかのスプリングフィクスチャが取り付けられています。次に、スプ​​リングフィクスチャに最大200gの圧力を回路基板上のテストポイントにかけ、PCBがテストポイントでの高圧接触にどれだけ耐えられるかを確認します。

PCBが電気的信頼性テストに合格した場合、およびメーカーが実装することを選択したその他のテストに合格した場合は、次のステップである配線と検査に進むことができます。

ステップ18:プロファイリングとルーティングアウト

プロファイリングでは、製造エンジニアが建設ボードから切り取った個別にプリントされた回路基板の形状とサイズを特定する必要があります。この情報は通常、デザインのガーバーファイルに含まれています。このプロファイリングステップは、マシンが建設ボード上でスコアを作成する場所をプログラミングすることにより、ルーティングプロセスをガイドします。

ルーティングまたはスコアリングにより、ボードを簡単に分離できます。ルーターまたはCNCマシンは、ボードの端に沿っていくつかの小さな部品を作成します。これらのエッジにより、ボードを損傷することなくすばやく切り離すことができます。

ただし、一部の製造業者は、代わりにV溝を使用することを選択する場合があります。このマシンは、ボードの側面に沿ってV字型のカットを作成します。

PCBにスコアを付けるための両方のオプションにより、ボードにひびが入ることなくボードをきれいに分離できます。ボードにスコアを付けた後、製作者はボードを建設ボードから切り離して次のステップに移動します。

ステップ19:品質チェックと目視検査

ボードにスコアを付けて分解した後、PCBは、梱包して出荷する前に1回の最終検査を受ける必要があります。この最終チェックでは、ボードの構造のいくつかの側面を検証します。

ステップ20:梱包と配送

PCB製造の最終段階は、パッケージングと配送です。パッケージングには通常、ほこりやその他の異物を防ぐためにプリント回路基板の周囲をシールする材料が含まれます。密封されたボードは、輸送中の損傷から保護するコンテナに入れられます。最後に、彼らは顧客に配達するために出かけます。

効果的なPCB製造プロセスを実装する方法

多くの場合、PCB製造の設計および製造プロセスには、その背後にあるさまざまなエンティティがあります。多くの場合、契約製造業者(CM)は、相手先ブランド供給(OEM)によって作成された設計に基づいてプリント回路基板を製造する場合があります。これらのグループ間のコンポーネント、設計上の考慮事項、ファイル形式、およびボードマテリアルに関するコラボレーションにより、効果的なプロセスとフェーズ間のシームレスな移行が保証されます。

コンポーネント

設計者は、利用可能なコンポーネントについて製造業者に相談する必要があります。理想的には、製作者は手元の設計に必要なすべてのコンポーネントを持っているでしょう。何かが足りない場合、設計者と製造者は、最小設計仕様を満たしながら、より迅速な製造を保証するための妥協点を見つける必要があります。

Design for Manufacturing(DFM)に関する考慮事項

製造のための設計では、製造プロセスのさまざまな段階で設計をどれだけうまく進めることができるかを考慮します。多くの場合、製造業者(通常はCM)は、OEMが設計段階で相談できる施設のDFMガイドラインのセットを持っています。設計者は、これらのDFMガイドラインを要求して、製造業者の製造プロセスに適応するようにPCB設計に通知することができます。

ファイル形式

OEMとCMの間の通信は、OEMの設計仕様に合わせてPCBを完全に製造するために重要です。どちらのグループも、デザインに同じファイル形式を使用する必要があります。そうすることで、ファイルの形式を変更する必要がある場合に発生する可能性のあるエラーや情報の損失を防ぐことができます。

ボードマテリアル

OEMは、CMが予想するよりも高価な材料でプリント回路基板を設計する場合があります。両当事者は、手元にある材料と、最終的な購入者にとって費用効果を維持しながら、PCB設計に最適なものについて合意する必要があります。

質問についてはミレニアムサーキットにお問い合わせください

PCBの高品質なエンジニアリングと製造は、電子機器の回路基板の動作の重要なコンポーネントです。プロセスの複雑さと、各ステップを実行する必要がある理由を理解することで、各プリント回路基板にかかるコストと労力をよりよく理解できます。

あなたの会社が仕事のためにPCBを必要とするときは、MillenniumCircuitsLimitedまでご連絡ください。私たちは、競争力のある価格のプリント回路基板の大小のバッチをお客様に提供するよう努めています。


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