تولید یک PCB (Printed Circuit Board) شامل چند مرحله است که از جمله آنها میتوان به آبکاری PCB اشاره کرد.
آبکاری یا فرایند نگهداری برد در اصل شامل پوشش یک لایه محافظ بر روی برد است که از دو هدف اصلی پیروی میکند:
۱) حفاظت برد در برابر آسیبهای مکانیکی، حرارتی، شیمیایی و الکتریکی؛
۲) برای جلوگیری از نفوذ رطوبت و خاک و گرد و غبار به داخل برد.
انواع روش آبکاری PCB
در زیر، به برخی از انواع روش آبکاری PCB اشاره میکنیم:
1) روش Hot Air Solder Leveling (HASL):
در این روش، بعد از جوشکاری، PCB به عنوان یک واحد به یک مخزن از فلزات مذاب (معمولاً قلع و روی) فرو میرود. پس از این کار، PCB با یک لایه محافظ که معمولاً از استاندارد HASL استفاده میشود، پوشیده میشود.
یکی از روشهای متداول آبکاری PCB، روش Hot Air Solder Leveling (HASL) است که در آن، یک لایه نازک از قلع و قرص سطح PCB با استفاده از هوا داغ و ماده فوق الذکر روی سطح قرار میگیرد. این روش به دلیل سادگی و قیمت مناسب، هنوز هم در صنعت PCB استفاده میشود. اما این روش همراه با مزایا و معایبی است که در زیر به بررسی آنها میپردازیم:
مزایا:
قیمت مناسب: یکی از مزایای این روش، هزینه کمتر نسبت به روشهای دیگر آبکاری PCB است.
سرعت تولید: این روش به دلیل سادگی و عدم نیاز به تجهیزات پیچیده، قابلیت تولید سریع PCB های کوچک را داراست.
کیفیت سطحی: HASL به دلیل ترکیبات قلع و قرص میتواند سطح بسیار صاف و خوبی ایجاد کند که به نتیجه براق و شفافی منجر میشود.
معایب:
ناهمواری سطح: یکی از معایب این روش، سطح ناهموار PCB پس از آبکاری است. این امر میتواند باعث ایجاد خطاهای الکتریکی شود.
نفوذ قلع به داخل مس: قلع و قرص میتوانند به داخل مس نفوذ کنند و مانع اتصال الکتریکی شوند.
خطر سمیت قلع: قلع، مادهای سمی است که ممکن است در طول زمان باعث آلودگی زیست محیطی شود.
مشکلات ناشی از دما: این روش برای آبکاری PCB های حساس به دما مناسب نیست. چون دمای بالای هوای داغ میتواند باعث تغییر شکل PCB و ایجاد مشکلات الکتریکی شود.
در کل، روش HASL به دلیل قیمت مناسب و سرعت تولید بالا، هنوز هم در صنعت PCB استفاده میشود، اما به دلیل مشکلات ناشی از ناهمواری سطح، نفوذ قلع به داخل مس، خطر سمیت قلع و مشکلات ناشی از دما، این روش توسط روشهای جدیدتری مانند OSP و ENIG جایگزین شده است.
2) روش ENIG (Electroless Nickel Immersion Gold):
آبکاری نیکل وطلا در این روش، بعد از جوشکاری، پس از پاکسازی و شستشوی PCB، یک لایه از نیکل بدون الکترولیز بر روی سطح فیبر مدار چاپی تشکیل میشود. سپس، یک لایه ظریف طلا به عنوان ماده اتصال کننده بر روی لایه نیکل افزوده میشود.
یکی از روشهای محبوب برای آبکاری PCB است و در بسیاری از برنامههای صنعتی مورد استفاده قرار میگیرد. در این روش، ابتدا به سطح PCB یک لایه نیکل الکترولیز نشده به وسیله روشهای شیمیایی به نام روش الکترولیزی نیکل برای ساخت لایههای نازک اعمال میشود. سپس به لایه نیکل از روش غوطهوری در محلول طلا برای ساخت لایه طلا پرداخته میشود.
مزایای استفاده از روش ENIG شامل موارد زیر است:
از آنجا که مرحله الکترولیزی انجام نمیشود، احتمال ورود قلع به داخل مس وجود ندارد و باعث کاهش احتمال خطاهای الکتریکی در PCB میشود.
لایه طلا به دلیل خواص الکتریکی و حرارتی خود، میتواند به عنوان یک ماده مناسب برای پوشش دادن اتصالات در PCB استفاده شود.
مقاومت بسیار خوب در برابر خوردگی و سایش دارد و به راحتی از عوامل محیطی مانند هوا، رطوبت، گرد و غبار و… تحت تاثیر قرار نمیگیرد.
لایه نیکل آبکاری شده در این روش باعث افزایش مقاومت مکانیکی و سختی سطح PCB میشود.
قابلیت تولید مقیاس بزرگ، تکرارپذیری و همچنین کنترل کیفیت بالایی دارد.
بعضی از معایب روش ENIG شامل موارد زیر است:
هزینه بالای اجرای این روش نسبت به روشهای دیگر، از جمله HASL، OSP و Immersion Tin است.
برخی از محلولهای استفاده شده در این روش، محدودیتهای سمیت و زیستمحیطی دارند و نیکل به عنوان فلزی توسط بعضی از افراد حساسیتی به آن دارند و ممکن است باعث بروز حساسیتهای پوستی شود.
لایه طلا در این روش نسبت به روشهای دیگر نازکتر است و ممکن است در برخی برنامههایی نیاز به لایه طلا با ضخامت بیشتر باشد.
در کل، روش ENIG به عنوان یکی از روشهای پرکاربرد در صنعت PCB شناخته شده است و با توجه به مزایا و معایب آن، میتوان این روش را برای برنامههای مختلف در نظر گرفت.
3) روش OSP (Organic Solderability Preservatives):
آبکاری با مواد ارگانیک در این روش، یک لایه از OSP بر روی سطح PCB تشکیل میشود. OSP یک لایه نازک از پلیمرهای ارگانیک است که برای جلوگیری از اکسیداسیون و آسیب به سطح PCB استفاده میشود.
روشی است که در اواخر دهه ۱۹۹۰ معرفی شد و از آن زمان به عنوان یک روش مناسب برای آبکاری PCB مورد استفاده قرار میگیرد. برخلاف روشهای دیگر که باعث تشکیل لایههای فلزی روی سطح PCB میشوند، در روش OSP از یک لایه آلی به نام OSP برای پوشش دادن به سطح PCB استفاده میشود.
مزایای روش OSP عبارتند از:
قیمت پایینتر نسبت به روشهای دیگر از جمله HASL و ENIG.
عدم نیاز به تجهیزات پیچیده و هزینه بالا مانند تجهیزات مربوط به روش ENIG.
برخلاف روشهای دیگر که نیاز به آبکاری مجدد دارند، OSP قابلیت بازیافت دوباره دارد.
این روش به خوبی با لحیمهای حرارتی کار میکند و اتصالات با کیفیتی تولید میشود.
به عنوان معایب روش OSP میتوان به موارد زیر اشاره کرد:
به علت استفاده از لایه آلی OSP به جای فلز، مقاومت الکتریکی بالایی در سطح PCB ایجاد میشود.
لایه OSP نسبت به لایههای فلزی در روشهای دیگر ضعیفتر است و آسیب پذیرتر در برابر خطاهای پردازشی مانند خراش و خوردگی است.
در کل، روش OSP به دلیل هزینه کمتر و قابلیت بازیافت دوباره، برای برنامههایی که نیاز به طول عمر کوتاهتری دارند و در محیطهایی با شرایط خاص استفاده میشوند، مناسب است.
4) روش Immersion Tin:
آبکاری با غوطه وری قلع در این روش، یک لایه بسیار نازک از استاندارد Sn بر روی سطح PCB ایجاد میشوداین لایه به وسیله فرآیند غوطهوری ایجاد میشود که برای آن از یک محلول شیمیایی استفاده میشود.
لایه Sn به عنوان یک محافظ بر روی سطح PCB عمل میکند و مانع از اکسیداسیون و از بین رفتن مس در محلهای غیر لایهبرداری میشود.
با استفاده از قلع بدون الکتریسیته، یکی از روشهای معمول آبکاری PCB است که در آن از یک حوض قلع برای پوشش دادن به سطح PCB استفاده میشود. در ادامه، مزایا و معایب این روش را بررسی میکنیم:
مزایای روش Immersion Tin عبارتند از:
اتصالات الکتریکی با کیفیت و استحکام بالا به دلیل پوشش فلزی یکنواخت روی سطح PCB.
نیاز به محیط کمتر برای عملیات آبکاری، زمان آبکاری کوتاهتر و هزینه پایینتر نسبت به روشهای دیگر از جمله ENIG.
استفاده از فلزی که از قلع تشکیل شده است، بسیار سبک و با دوام است.
این روش قابلیت بازیافت دوباره دارد و برای کاهش آسیب به محیط زیست بسیار مناسب است.
به عنوان معایب روش Immersion Tin میتوان به موارد زیر اشاره کرد:
سطح پوشش فلزی روی PCB نسبت به روشهای دیگر ضعیفتر است و آسیب پذیرتر در برابر خطاهای پردازشی مانند خراش و خوردگی است.
آبکاری با استفاده از قلع بدون الکتریسیته به دلیل نیاز به دقت و شرایط دمایی و رطوبتی خاص، کنترل سخت و نیاز به تجهیزات پیچیدهتری نسبت به OSP دارد.
برخلاف OSP، پوشش فلزی روی سطح PCB مستقیماً با فلز نیست ولیهای از فلز است که به دلیل احتمال تشکیل شکستگی در لایه های پوشش دهی، قابلیت پرکردن سوراخهایی که در زمان حفر در PCB به وجود میآیند را کاهش میدهد.
در کل،روش Immersion Tin یکی از روشهایی است که برای PCB هایی که در محیطهای با خطرات شیمیایی یا در دماهای بالا استفاده میشوند، بسیار مناسب است.
همانطور که اشاره شد، یکی از معایب روش Immersion Tin، ضعف پوشش فلزی روی PCB نسبت به روشهای دیگر است. بنابراین، استفاده از این روش برای PCB هایی که برای آنها نیاز به استحکام و پایداری بالا در برابر خطاهای پردازشی دارید، توصیه نمیشود.
از طرفی، این روش به دلیل نیاز به محیط کمتر و هزینه پایینتر، میتواند برای مقیاس بندی بزرگ PCB ها مناسب باشد. علاوه بر این، استفاده از قلع بدون الکتریسیته که در این روش استفاده میشود، بسیار سبک و با دوام است.
در نهایت، روش Immersion Tin به دلیل قابلیت بازیافت دوبارهای که دارد، برای کاهش آسیب به محیط زیست بسیار مناسب است
5) روش Immersion Silver:
آبکاری غوطه وری در نقره در این روش، یک لایه بسیار نازک از نقره بر روی سطح PCB ایجاد میشود. برای ایجاد این لایه از فرآیند غوطهوری با یک محلول شیمیایی استفاده میشود. لایه نقره به عنوان یک محافظ در برابر اکسیداسیون و از بین رفتن مس در محلهای غیر لایهبرداری عمل میکند.
از روشهایی است که برای PCB هایی که برای آنها نیاز به سطحی صاف و بدون اکسیداسیون دارید، مناسب است. این روش باعث تشکیل یک لایه نازک از نقره روی سطح PCB میشود که به وسیلهی این روش، تشکیل میشود.
مزایا
از مزایای روش Immersion Silver میتوان به خواص پیوستگی، سطح صاف، پایداری در برابر اکسیداسیون و عدم پدید آوردن نقاط کور و خطاهای دیگر پردازشی اشاره کرد. همچنین، این روش میتواند باعث کاهش هزینههای پردازش باشد زیرا که نسبت به روشهای دیگر مانند ENIG هزینه کمتری دارد.
معایب
از طرفی، یکی از معایب روش Immersion Silver، ضعف پوشش فلزی روی PCB نسبت به روشهایی مانند HASL و ENIG است. همچنین، این روش به دلیل شکنندگی بالا و ایجاد پدیده های نامطلوب در برخی موارد از جمله افزایش خوردگی، کاهش تابش UV و ایجاد پوسترهای ناخوشایند، برای برخی PCB ها مناسب نیست.
در نهایت، روش Immersion Silver به دلیل ظرفیت بازیافت دوبارهای که دارد، برای کاهش آسیب به محیط زیست بسیار مناسب است.
6) روش Electroplating:
در این روش، یک لایه محافظ بر روی سطح PCB با استفاده از الکترولیز ایجاد میشود. این روش شامل یک پوشش از مس بر روی سطح PCB است که برای آن از یک محلول شیمیایی و جریان الکتریکی استفاده میشود.
برای تولید PCB با استفاده از یک فرایند الکتروشیمیایی استفاده میشود. در این روش، فلزاتی مانند مس، نقره، طلا و غیره با استفاده از فرایند الکتریکی به روی سطح PCB نشر میشوند.
مزایا
از مزایای روش Electroplating میتوان به کیفیت بالا، ضخامت قابل تنظیم، پایداری و مقاومت بالا در برابر اکسیداسیون و طول عمر بیشتر سطح PCB اشاره کرد. همچنین، این روش به راحتی میتواند با توجه به نیاز مشتریان برای PCB های با سطحهای پوشش داده شده با فلز، تنظیم شود.
به طور کلی، روش Electroplating باعث تولید PCB با کیفیت و با قابلیت تنظیم ضخامت فلزات مختلف میشود که برای بسیاری از مصارف PCB مورد نیاز است.
معایب
از معایب روش Electroplating میتوان به هزینه بالای تولید، پیچیدگی فرایند تولید و نیاز به تجهیزات خاص و مهارتهای بالا برای استفاده از این روش اشاره کرد. همچنین، به دلیل اینکه این روش نیازمند گرفتن توجه به جزئیات زیادی است، برای تولید PCB هایی که بسیار ساده هستند، ممکن است گزینه مناسبی نباشد.
بنابراین، با توجه به هزینه بالای تولید و نیاز به مهارتهای خاص، روش Electroplating بیشتر برای تولید PCB های با کیفیت بالا و در مصارفی که به ظاهر و کیفیت PCB حساسیت زیادی وجود دارد، مناسب است.
به طور کلی، انتخاب روش آبکاری PCB برای هر پروژه به عواملی مانند اندازه و تعداد سوراخها، تعداد لایهها، اندازه و نوع قطعات و نیز دسترسی به فنآوری و مواد مورد نیاز برای هر روش، بستگی دارد.و هر روش آبکاری مزایا و معایب خود را دارد و انتخاب بهترین روش، بستگی به نیازها و محدودیتهای پروژه دارد. به طور کلی، در صورتی که نیاز به دقت بالا و تولید بزرگراههای تراک و سوراخ باشد، روشهای Liquid Photo Imaging و Direct Imaging میتوانند بهترین گزینه باشند، در حالی که در صورتی که نیاز به سرعت و قابلیت تولید در خط تولید بالا باشد، روش Silk Screening مناسب تر است.
به علاوه، برای انجام آبکاری PCB نیاز به تجهیزات و موادی مانند اسیدها، حلالها، ماسکها، لامینیتها، فیلمهای حساس به نور و … دارید که باید با دقت و با رعایت اصول ایمنی و بهداشتی استفاده شوند. عدم رعایت اصول ایمنی و بهداشتی در انجام آبکاری میتواند خطراتی برای سلامتی افراد و محیط زیست ایجاد کند.
همچنین، برای تولید PCB با کیفیت بالا و در دقت بالا، نیاز به تجهیزات و ماشین آلات پیشرفتهای دارید که نیاز به آموزش و دانش فنی برای استفاده از آنها دارد. علاوه بر این، برای تولید PCB در مقیاس صنعتی، نیاز به برنامهریزی و مدیریت مناسب تولید، کنترل کیفیت، طراحی، امنیت و … دارید که نیاز به دانش و تجربه کافی دارد.
در کل، تولید PCB یک فرآیند پیچیده و حساس است که نیاز به تجهیزات پیشرفته، دانش فنی، مدیریت مناسب و رعایت اصول ایمنی و بهداشتی دارد. با این حال، به کمک روشهای مدرن آبکاری PCB، میتوان به راحتی PCB با کیفیت بالا و در دقت بالا تولید کرد.
در ضمن، با رشد فناوری، متدهایی برای تولید PCB با کیفیت بالاتر و در دقت بالاتر پدیدار شده است. به عنوان مثال، تکنولوژی SMT (Surface Mount Technology) که به جای استفاده از قطعات الکترونیکی سنتی، از قطعات کوچک و سطحی استفاده میکند. این تکنولوژی به علت دقت بالا و حجم کوچکتر، برای انجام PCB های پیچیده و با تعداد زیادی از قطعات الکترونیکی مناسب است.
در حال حاضر، PCB هایی با قابلیت انعطاف بالا و ترکیبی از تکنولوژیهای مختلف، مانند PCB های چندلایه، PCB های Flex PCB و PCB های Rigid-Flex PCB نیز تولید میشوند. این نوع PCB ها به دلیل قابلیت انعطاف بالا و ظرفیت حمل بار بالاتر، برای کاربردهایی مانند صنایع خودروسازی، هوافضا، الکترونیک پوشیدنی و … مناسب هستند.
در کل، PCB ها یکی از اجزای اصلی تجهیزات الکترونیکی هستند که در تمامی صنایع الکترونیکی مورد استفاده قرار میگیرند. با رشد فناوری، روشهای مختلفی برای تولید PCB با کیفیت بالا و در دقت بالا پدیدار شده است که این امکان را به ما میدهد تا تجهیزات الکترونیکی با کیفیت بالا و قابل اعتماد تولید کنیم.