Wytwarzanie PCB, montaż płytek oraz warunki do lutowania falowego

Dorastając, czasami czułem się jak dziecko trepa. Mój ojciec pracował w siłach powietrznych, a nie w armii, więc przeprowadzaliśmy się tylko kilka razy. Niemniej jednak, za każdym razem, gdy trafiliśmy do nowego miasta, stawałem przed tymi samymi wyzwaniami, a mianowicie przed próbą dopasowania się do nowego środowiska i nowych ludzi.

Poznawanie procesów tworzenia i montażu płytek PCB oraz tego, jaką rolę odgrywają, odbywa się dość podobnie. Stosowanie odpowiednich praktyk produkcyjnych (DFM) korzystnie wpływa na tworzenie i rozwój projektów, ponieważ to właśnie one umożliwiają stworzenie płytek i zapewniają ich niezawodność. Dlatego też, bardzo ważne jest to, aby wiedzieć, gdzie dokładnie i w jaki sposób można wpłynąć na proces produkcji.

Chociaż istnieją wyraźnie określone etapy produkcji płytek PCB, wyróżnia się też alternatywne techniki i materiały, które mogą być używane przez różnych producentów. Jednym z takich procesów jest metoda lutowania stosowana do zabezpieczenia komponentów. Najbardziej znane i powszechnie stosowane na przestrzeni lat jest lutowanie falowe, które ma zarówno swoje zalety, jak i wady. Spójrzmy na procesy produkcji i montażu płytek PCB oraz zobaczmy, w jaki sposób można zaprojektować płytkę, aby z łatwością zastosować w niej lutowanie falowe.

Proces wytwarzania płytki PCB

Celem produkcji płytki PCB jest przekształcenie projektu wykonanego za pomocą oprogramowania w użyteczne urządzenie, płytkę PCB, która zawiera zdefiniowane przez Ciebie komponenty i połączenia. Pierwszym procesem jest tu właśnie fabrykacja. Polega ona na przygotowywaniu płytki do przyłączenia do niej komponentów. Każdy krok opiera się na poprzednim i przyczynia się do powstania płytki PCB, która zawiera już wszystkie ścieżki, otwory, punkty lutownicze i wszelkie dodatkowe oznaczenia, takie jak logo czy tekst.

Pierwszym krokiem procesu fabrykacji płytki PCB jest stworzenie obrazu jej układu. Ten obraz powinien być identyczny, jak ten stworzony przez Ciebie za pomocą oprogramowania. Możesz go wydrukować na płytce lub nakładce obrazowej. Następny krok to wytrawianie wewnętrznej warstwy płytki, podczas którego usuwa się nadmiar miedzi z wewnętrznych warstw płytki PCB, aby pozostały na nich tylko ścieżki miedziane.

Następnie należy dodać wszystkie warstwy płytki. Proces ten nazywa się budowaniem stosów warstw (ang. layer stackup). Na tym etapie płytka PCB jest już skonstruowana i obejmuje wszystkie warstwy wewnętrzne. Kolejny krok polega na wywierceniu otworów, w tym przelotek i otworów montażowych. Gdy zostanie to wykonane, przeprowadza się wytrawianie warstwy zewnętrznej, które pozostawia ścieżki miedziane na warstwie powierzchniowej. Mając wywiercone otwory, można wykonać galwanizację dla przelotek.

Po tym kroku wykonuje się maskę antylutowniczą, która pokrywa wszystkie obszary płytki, w obrębie których nie powinno zostać zastosowane lutowanie. Należy także dodać symbole, wskaźniki pinu 1, loga i wszelkie grafiki. Na koniec płytkę się czyści i usuwa się z niej wszelkie pozostałości. Podstawa, do której za pomocą lutowania zostaną wkrótce przymocowane wszystkie komponenty, jest już kompletna.

Wiedza na temat tego, jak zoptymalizować proces wytwarzania PCB, pozwoli Ci lepiej spojrzeć na cele końcowe Twojego produktu.

Proces montażu płytki PCB

Po procesie fabrykacji Twoja płytka jest już gotowa do zamontowania na niej komponentów. Każdy krok procesu montażu jest wspierany zabezpieczeniem Twoich komponentów na płytce PCB. Rzeczywista metoda zabezpieczania komponentów polega na ich lutowaniu. Ma to zastosowanie niezależnie od tego, czy komponenty są urządzeniami do montażu przelotowego, czy też powierzchniowego (SMD).(SMD). 

Metody lutowania wykorzystywane do urządzeń przelotowych i powierzchniowych zazwyczaj różnią się od siebie. W zależności od komponentów Twojego projektu, montaż może przebiegać nieco inaczej. Ogólny proces można jednak zdefiniować za pomocą określonego zestawu kroków.

Pierwszą rzeczą, jaką należy wykonać na wytworzonej płytce PCB, jest aplikacja wstępnej warstwy lutowania. Jeśli Twój projekt obejmuje urządzenia do montażu powierzchniowego, należy je umieścić tak, aby były podłączone do odpowiednich padów. Aby odpowiednio je zabezpieczyć, stosuje się lutowanie rozpływowe, w przypadku którego lut jest podgrzewany w piecu w celu utworzenia połączeń.

Na tym etapie należy dokładnie sprawdzić połączenia, aby mieć pewność co do ich poprawnej łączności. Jeśli wystąpi taka potrzeba, wykonaj poprawki, które mogą obejmować ręczne lutowanie lub zmianę pozycji komponentów.

Następnie montowane są komponenty przelotowe, o ile tylko Twój projekt je uwzględnia. Aby zabezpieczyć komponenty przelotowe, można zastosować lutowanie falowe, czyli zdecydowanie najlepszy sposób ich aplikacji.

Możesz zdecydować się na lutowanie falowe w obrębie całej płytki, jeśli wszystkie komponenty Twojego projektu są przelotowe i zostały odpowiednio rozmieszczone, lub selektywne lutowanie falowe w przypadku, gdy do aplikacji lutu wykorzystuje się ukierunkowane rozpylanie strumieniowe. Ponownie przeprowadzana jest też inspekcja połączeń komponentów. Usuwa się wszelkie pozostałości i możliwe zanieczyszczenia poprzez mycie płytek i separację ich na indywidualne jednostki. 

Warunki do lutowania falowego

Lutowanie falowe było pierwszą zautomatyzowaną metodą bezpiecznego mocowania komponentów do płytek PCB. Wraz z upływem lat ta metoda została odpowiednio zaadaptowana, aby nadążać za zmianami w rodzajach i rozmiarach komponentów, które zaczęły pojawiać się na rynku. Obecnie lutowanie falowe konkuruje z innymi metodami, które powstały głównie w celu poprawy precyzji aplikacji lutu. W zależności od wybranych komponentów układu Twojej płytki PCB, lutowanie falowe wciąż może być najlepszą techniką jej montażu.

Lutowanie falowe ma następujące zalety:

• Prędkość – ponieważ wszystkie komponenty konkretnego obszaru są lutowane jednocześnie, lutowanie falowe jest szybsze niż metody wymagające lutowania każdego pada osobno.

• Montowanie komponentów przelotowych – lutowanie falowe zostało opracowane w taki sposób, aby lutować jednocześnie kilka komponentów przelotowych.

Oraz wady:

• Brak precyzji – między padami mogą formować się mostki lutownicze, które z uwagi na bliską odległość względem siebie będą wymagały dodatkowej pracy.

• Zużycie zasobów – lutowanie falowe wymaga więcej lutu, topniku i mocy, niż inne procesy. 

Aby rozwiązać te problemy, opracowane zostało selektywne lutowanie falowe za pomocą natrysku strumieniowego, które zapewnia punktową aplikację. Umożliwia to aplikację lutowania falowego w sytuacjach, które wymagają dużej precyzji.

Lutowanie PCB metodą lutowania falowego zapewnia punktową aplikację

Jak w przypadku wszystkich projektów płytek PCB, należy zastosować odpowiedni projekt dla produkcji (DMF). Może on obejmować łatwiejszą aplikację lutowania falowego, aby dopasować się do produkcji Twojej płytki PCB. 

Fabrykacja i montaż płytki PCB mają na celu stworzenie platformy do umieszczenia komponentów na Twojej płytce, aby jej projekt był realizowany zgodnie z założeniami. Wybór komponentów i ich rodzaju, wraz z odpowiednim pakietem oprogramowania do projektowania płytek PCB, takim jak Altium, oraz właściwymi narzędziami do ich tworzenia, ułatwia zastosowanie lutowania falowego w celu zabezpieczenia przymocowanych do płytki komponentów. 

Aby uzyskać więcej informacji na temat zalet i wad lutowania falowego oraz innych tego typu metod, a także sposobów projektowania płytki PCB przy ich użyciu, skontaktuj się z ekspertem od projektowania PCB w Altium.