איזה מכשור משמש ליצירת מעגלים מודפסים?

ייצור מעגלים מודפסים כרוך בסדרה של תהליכים מורכבים וציוד מיוחד שמבטיח דיוק, אמינות ויכולת ייצור בקנה מידה גדול.

תוכנות לתכנון בעזרת מחשב (CAD)

לפני שמתחילים בעבודה הפיזית, העיצוב של ה-PCB נוצר באמצעות תוכנות תכנון בעזרת מחשב (CAD). תוכנות אלו מאפשרות למהנדסים לעצב את פריסת המעגל, למקם את הרכיבים במיקומים הנכונים ולהגדיר את המסלולים לחיבורים החשמליים (הידועים גם בשם "עקבות"). תוכנות CAD גם מאפשרות למהנדסים לסמלץ את ביצועי המעגל ולזהות טעויות אפשריות לפני תחילת הייצור.

כלי תוכנה מרכזיים:

• Altium Designer: כלי מקיף המשמש מקצוענים לתכנון מעגלים מורכבים, כולל יכולות סמלול וניתוח.
• EAGLE: בחירה פופולרית לפרויקטים קטנים יותר ולחובבים, עם ממשק ידידותי ותכונות מתקדמות לעיצוב לוחות רב-שכבתיים.
• KiCad: חלופה קוד פתוח המציעה תכונות מתקדמות ללא עלות גבוהה, מה שהופך אותה למועדפת בקרב סטודנטים ומקצוענים כאחד.

פוטופלוטרים

לאחר סיום עיצוב ה-PCB בתוכנת CAD, השלב הבא כולל יצירת המסכה או "תבנית הצילום" שתשמש להדפסת דפוס המעגל על הלוח. פעולה זו מתבצעת באמצעות פוטופלוטר, מכונה ייעודית המייצרת תמונה ברזולוציה גבוהה של פריסת המעגל על סרט שקוף. סרטים אלו משמשים בשלבים הבאים להעברת עיצוב המעגל לחומר ה-PCB.

תכונות עיקריות:

• רזולוציה גבוהה: פוטופלוטרים מסוגלים לייצר תמונות עם פרטים מדויקים, קריטי לעיצובים מעגליים מורכבים.
• יישור מדויק: הפלטור מבטיח שכל שכבה של PCB רב-שכבתי תתיישר באופן מדויק, דבר קריטי לתפקוד תקין של המעגל.

מכונות קידוח

PCBs דורשים לעיתים קרובות חורים מדויקים, הידועים כ"ויו" (vias), המאפשרים מעבר חיבורים חשמליים בין שכבות שונות של הלוח. חורים אלו נוצרים באמצעות מכונות קידוח CNC, שהן כלים מדויקים הנשלטים על ידי מחשב המיועדים לקידוח חורים רבים בדיוק מרבי.

סוגי מכונות קידוח:

• מכונות קידוח CNC: אלו הן הנפוצות ביותר, מסוגלות להתמודד עם דפוסי קידוח מורכבים המבוססים על קבצי העיצוב מתוכנת ה-CAD. הן יכולות לקדוח אלפי חורים בדקה עם קוטר קטן עד 0.1 מ"מ.
• מכונות קידוח בלייזר: עבור PCBs בעלי צפיפות גבוהה עם חורים קטנים במיוחד, נעשה שימוש בקידוח בלייזר. מכונות לייזר מספקות דיוק רב יותר עבור קידוח חורים דקים שאינם אפשריים באמצעות מקדחים רגילים.

הכנת למינטים וציוד חריטה

החומר הבסיסי של PCB הוא מצע מבודד (כגון פיברגלס או אפוקסי) שמצופה בשכבה דקה של נחושת מצד אחד או משני הצדדים. כדי ליצור את המעגל, יש להסיר את הנחושת המיותרת, ולהשאיר רק את העקבות המוגדרים. כאן נכנסים לתמונה ציוד להכנת למינטים וחריטה.

ציוד בשימוש:

• למינציה: הלמינציה המצופה נחושת מצופה תחילה בחומר עמיד לאור, שישמור על האזורים שצריכים להישאר מוליכים במהלך תהליך החריטה.
• מכונות חריטה: לאחר יישום מסכת הצילום וחשיפת הלוח לאור UV, הנחושת החשופה נחרטת באמצעות תמיסות כימיות כמו פריט כלוריד. מכונות החריטה מבטיחות שהנחושת תימס רק באזורים שאינם מוגנים על ידי חומר העמיד.

מכונות פיק אנד פלייס

לאחר שדפוס המעגל נחרט על הלוח, השלב הבא הוא מיקום הרכיבים האלקטרוניים השונים על הלוח. תהליך זה הוא לרוב אוטומטי, במיוחד בייצור המוני, באמצעות מכונות פיק אנד פלייס. מכונות אלו מיועדות למקם במהירות ובדיוק רכיבים קטנים כמו נגדים, קבלים ומעגלים משולבים על ה-PCB.

תכונות עיקריות:

• מהירות ודיוק גבוהים: מכונות פיק אנד פלייס יכולות למקם אלפי רכיבים בשעה, בדיוק קיצוני, כדי להבטיח שכל רכיב מיושר בצורה נכונה עם משטחי ההלחמה.
• מערכות ראייה: מכונות מתקדמות מצוידות במצלמות ומערכות ראייה שמוודאות את כיוון הרכיב ואת דיוק המיקום, מה שמפחית את הסיכון לטעויות.

ציוד הלחמה

לאחר שהרכיבים מונחים במקומם, יש לחבר אותם ללוח בצורה מאובטחת, לרוב באמצעות הלחמה. ישנם סוגים שונים של ציוד הלחמה המשמשים בייצור PCB, בהתאם להיקף וסוג הייצור.

סוגי ציוד הלחמה:

• תנורי ריפלואו: בטכנולוגיית הרכבה על פני השטח (SMT), מורחים משחת הלחמה על ה-PCB לפני מיקום הרכיבים. לאחר מכן מעבירים את הלוח דרך תנור ריפלואו, שבו החום ממיס את ההלחמה ויוצר חיבורים חשמליים בין הרכיבים ללוח.
• מכונות הלחמת גל: עבור רכיבים חודרי-חור, משתמשים לעיתים קרובות בהלחמת גל. ה-PCB עובר מעל גל של הלחמה מותכת, שנצמדת למשטחי המתכת החשופים ולרגלי הרכיבים, ויוצרת חיבורים חזקים.
• תחנות הלחמה ידניות: עבור ייצור קטן או לוחות אב-טיפוס, לעיתים קרובות משתמשים בתחנות הלחמה ידניות עם מלחם. טכנאים מיומנים משתמשים בתחנות אלו לחיבורים מדויקים בהלחמה ידנית.

ציוד להסרת מריחות וגימור פני השטח

בשלבים הסופיים של ייצור לוחות מעגלים מודפסים (PCB), הלוח עובר טיפולים נוספים שמטרתם להבטיח עמידות, ביצועים ואמינות לאורך זמן. תהליכי הסרת מריחות (Desmear) משמשים לניקוי חורים (ויו) לאחר קידוח, בעוד שציוד גימור פני השטח משמש ליישום ציפויים מגנים על ה-PCB.

תהליכים מרכזיים:

הסרת מריחות (Desmearing):

לאחר תהליך הקידוח, עלולה להישאר שכבה דקה של חומר בתוך החורים (ויו). מכונות הסרת מריחות משתמשות בתמיסות כימיות כדי להסיר שאריות אלו, ובכך להבטיח שהחורים יהיו נקיים ומוכנים לציפוי.

גימור פני השטח:

כדי להגן על עקבות הנחושת והמשטחים החשופים מחמצון ושחיקה, לוחות PCB מצופים לרוב בגימורי שטח כמו מסכת הלחמה, זהב, כסף או בדיל. הבחירה בגימור תלויה בשימוש המיועד של הלוח ובסביבת העבודה שלו.

סיכום

יצירת לוחות מעגלים מודפסים היא תהליך מורכב הדורש מגוון רחב של ציוד מיוחד, כל אחד מהם מתוכנן להבטיח דיוק ואיכות בכל שלב בייצור. מתוכנות תכנון ועד מכונות הלחמה, הציוד המשמש בייצור PCB התפתח יחד עם ההתקדמות באלקטרוניקה, ומאפשר ייצור של מכשירים קטנים יותר, חזקים יותר ויעילים יותר.