Jak jest tworzona oraz co zawiera dokumentacja produkcyjna?

W artykule omówiony zostanie proces opracowywania dokumentacji produkcyjnej, z zachowaniem kolejności poszczególnych etapów produkcyjnych, na których jest ona wykorzystywana. W celu lepszego zobrazowania niektórych procesów produkcyjnych przedstawiono ich bardziej szczegółowe opisy.

Projekt oraz technologia wykonania

Upowszechnionym standardem przechowywania dokumentacji projektowej są formaty Gerber RS274-X oraz ODB++, które akceptowane są przez większość renomowanym producentów PCB. Na rynku występuje duża różnorodność oprogramowania CAD wspierającego tworzenie projektów obwodów. Większość programów, w tym najbardziej popularne (Altium Designer, Protel, Eagle), posiada możliwość eksportu danych do ww. formatów.

Dokumentacja projektowa musi być kompletna i nie może powodować trudności w interpretacji oczekiwań konstruktora. Prawidłowej interpretacji sprzyja zachowanie jednoznacznego i zwięzłego nazewnictwa plików oraz usuwanie zbiorów niemających związku z produkcją obwodu, jak np. grupy plików przeznaczonych do montażu.

Poza plikami projektu dokumentacja musi zawierać specyfikację technologii wykonania obwodu. Jest to niezwykle istotny element dokumentacji produkcyjnej określający: wymagane do produkcji materiały, kolejność poszczególnych procesów technologicznych oraz ich parametry. Z pozoru drobne uchybienia w zapisach technologii, np. zbyt ogólne informacje lub ich brak, mogą w efekcie doprowadzić do wyprodukowania obwodów niezgodnych z pierwotnymi założeniami konstruktora.

Tylko nieliczne parametry technologii można skorygować podczas produkcji lub po jej zakończeniu i dlatego niewielu producentów, w tym TS PCB, dopuszcza wprowadzanie korekt. Niestety najczęściej skutki niewłaściwego sformułowania technologii projektu są nieodwracalne.

Obróbka CAM

Początkowym etapem poprzedzającym produkcję jest weryfikacja wykonalności obwodu drukowanego oraz dostosowanie go do wymagań oraz parametrów procesów. Wprowadzenie do projektu modyfikacji sugerowanych przez producenta PCB pozwala ostatecznie uzyskać obwód o wysokiej jakości i niezawodności, który jest zgodny z zamysłem projektanta i normami z rodziny IPC. Zwykle proponowane zmiany dotyczą:

• zachowania minimalnej odległości miedzi od krawędzi, która zagwarantuje odpowiednią izolację elektryczną oraz zapobiegnie jej uszkodzeniu podczas obróbki mechanicznej,
• powiększenia pierścieni wokół otworów lub dodania łezek dla ochrony ciągłości połączeń na granicy przelotka -ścieżka,
• poszerzenia ścieżek o współczynnik trawienia dla zapewnienia odpowiedniej ich szerokości,
• doboru prawidłowych wielkości odsłonięć na masce antylutowniczej, aby nie nachodziła na pady,
• korekty średnic otworów, aby wykonać je w odpowiedniej tolerancji,
• pogrubienia linii opisowych do minimalny wartości, a także przycięcia linii nachodzących na pady oraz leżących poza obrysem płytki.

W profesjonalnej produkcji obwodów drukowanych wykorzystywane są tzw. formaty produkcyjne będące dużymi płytami laminatu o ustandaryzowanych rozmiarze dostosowanym do całego ciągu technologicznego. Podczas przygotowania produkcji inżynier CAM na dostępnym polu roboczym formatu rozmieszcza poszczególne warstwy pojedynczego obwodu lub panelu tak, aby optymalnie wykorzystać jego powierzchnię.

Następnie na ramkach formatów, które leżą poza obszarem roboczym, umieszczane są otwory bazowe i inne znaczniki umożliwiające prawidłowe zamocowanie formatów na poszczególnych maszynach linii produkcyjnej. Takie podejście ułatwia produkcję, zwiększa jej efektywność i powtarzalność.

Odwzorowanie warstw przewodzących

Rys. 1. Naświetlarka OLEC - przygotowanie do naświetlania

Podstawowym składnikiem dokumentacji produkcyjnej są klisze warstw przewodzących. Do odwzorowania mozaik połączeń powszechnie wykorzystuję się fotochemiczną metodę subtraktywnego strawiania zbędnych obszarów miedzi. W tym celu na laminat, który pierwotnie jest całkowicie pokryty miedzią, nakładana jest światłoczuła substancja (fotopolimer), a jego wybrane obszary zostają utwardzone za pomocą promieniowania UV w naświetlarce.

Dla ochrony przed przypadkowym naświetleniem proces odbywa się w pomieszczeniach, gdzie używane są źródła światła pozbawione promieniowania z tego zakresu. Ponadto, dla zachowania wysokiej jakości odwzorowania mozaik, w pomieszczeniach tych utrzymywany jest bardzo wysoki poziom czystości oraz monitorowana na bieżąco wilgotność i temperatura powietrza.

W klasycznej metodzie naświetlania zewnętrznych warstw miedzi używa się drukowanych na tzw. fotoploterze i następnie wywoływanych klisz pozytywowych, gdzie mozaika odwzorowywana jest za pomocą jej czarnych elementów. Później klisze i pokryte fotopolimerem formaty produkcyjne trafiają do naświetlarki pozwalającej na jednoczesne naświetlanie obu stron (top i bottom).

Miedź znajdująca się pod obszarami utwardzonymi zostanie usunięta podczas dalszego procesu trawienia. Warstwy wewnętrzne oraz obwody jednostronne naświetlane są natomiast kliszami negatywowymi, z uwagi na pominięcie procesu metalizacji.

W celu jak najdokładniejszego geometrycznego rozmieszczenie mozaik na kliszy względem formatu produkcyjnego stosowane są specjalne systemy bazowania i naświetlania. Renomowani producenci PCB, w tym TS PCB, używają wysoce zaawansowanych systemów naświetlania. Jednym z nich jest system OLEC gwarantujący automatyczne bazowanie na podstawie punktów referencyjnych umieszczonych na kliszy oraz formacie produkcyjnym (rys. 1).

Innym walorem systemu OLEC jest prostopadłe zorientowanie promieni UV względem laminatu na całej powierzchni, dzięki czemu naświetlanie jest bardzo precyzyjne, a problemy charakterystyczne dla starszych systemów, wynikające ze zmiennego kąta naświetlania i skutkujące podświetlaniem fotopolimeru, obecnie nie występują.

Najnowszej generacji urządzenia umożliwiają bezpośrednie naświetlanie fotopolimeru z pominięciem klisz. Przykładem tego typu naświetlarek dostępnych na rynku jest LEDIA, a jeden z 18 zbudowanych na świecie egzemplarzy tego urządzenia pracuje w TS PCB. Znaczącą przewagą tej technologii jest plotowanie (naświetlanie) obrazów w zmiennej skali, dopasowywanej na bieżąco do rozmiaru formatu produkcyjnego, co eliminuje zjawiska odkształcenia laminatu oraz zapewnia idealne zgranie mozaiki z owiertem.

Maska antylutownicza oraz warstwy opisowe

Rys. 2. Format produkcyjny (na dole) przechodzący przez kurtynę maski (górna część zdjęcia)

W kolejnych etapach produkcji na wytrawione powierzchnie formatów produkcyjnych nakładane są maski antylutownicze (soldermaski) oraz warstwy opisowe elementów, wykonywane za pomocą specjalnej termoutwardzalnej farby światłoczułej. Soldermaski wykonuje się dwoma sposobami: metodą kurtynową (tzw. fotomaska) oraz sitodrukową. W metodzie kurtynowej format produkcyjny przechodzi przez szeroki strumień (wodospad) farby (rys. 2) pokrywającej go w całości.

Wstępne utwardzenie nałożonej warstwy odbywa się w podwyższonej temperaturze i zabezpiecza jej powierzchnię przed uszkodzeniami mechanicznymi podczas kolejnych operacji. Metoda kurtynowa jest bardzo wydajna i dokładna oraz pozwala zachować wysoką czystość powierzchni laminatu. Niestety pojedyncza linia nakładania kurtynowego może wykorzystywać tylko jeden typ farby oraz kolor maski antylutowniczej (najbardziej popularny jest zielony), a jej przezbrojenie jest bardzo kłopotliwe.

Metoda sitodruku daje szerszy wachlarz wyboru typu oraz koloru farby i nie wymaga kosztownego zaplecza maszynowego. Także tutaj soldermaska nakładana jest na cały format produkcyjny, ale poprzez specjalne sito. Metoda ta jest bardziej czasochłonna i trudniej uzyskać parametry obrazu maski równoważne metodzie kurtynowej.

W przypadku warstw opisowych stosuje się dwie metody nakładania: fotodruk, który polega na nakładaniu farby na cały format i wywoływaniu wybranych obszarów oraz sitodruk, gdzie farba opisowa jest nakładana selektywnie w wybranych obszarach i następnie utwardzana. Pierwsza metoda pozwala na uzyskanie obrazu o wysokiej rozdzielczości kosztem użycia większej ilości materiału oraz klisz. Używana jest głównie do projektów o mniejszych powierzchniach oraz takich, w których wymagana jest najwyższa jakości warstw opisowych.

Naświetlenie fotomaski oraz fotoopisu przebiega analogicznie do przypadku wywoływania mozaik, przy wykorzystaniu klisz. Ponieważ konieczna jest zdecydowania większa moc naświetlania niż dla fotopolimeru (głównie z uwagi na grubość), wykorzystanie w tym obszarze metody naświetlania bezpośredniego stwarza trudności technicznie w realizacji.

W przypadku zastosowania do tego celu systemu LEDIA dostarczenie niezbędnej energii naświetlania trwałoby zbyt długo (pojedyncze minuty). Ciekawą alternatywą dla sitodrukowego nakładania warstw opisowych może być użycie do tego celu drukarki automatycznej, która w swoim działaniu przypomina działanie tradycyjnej komputerowej drukarki atramentowej.

Obróbka mechaniczna

Typowa dokumentacja produkcyjna zawiera zestaw plików dla maszyn CNC opisujących obróbkę mechaniczną projektu, najczęściej frezowania. Rozpowszechnionym formatem plików przeznaczonych do obróbki mechanicznej jest Excellon (obecnie w wersji 2), wykorzystywany do bezpośredniego sterowania maszynami CNC.

Prawidłowy plik musi zawierać definicje średnic narzędzi, które mogą być umieszczone w jego nagłówku lub oddzielnym pliku. Należy pamiętać, że producenci PCB podane wymiary narzędzi interpretują jako docelowe średnice otworów lub wymiary szczelin, o ile nie zostało to inaczej określone w specyfikacji technologicznej.

Nagłówek pliku powinien ponadto zawierać dodatkowe informacje o użytej jednostce (mm, cale), skali oraz pominiętym układzie zer wiodących lub znaczących. Otworowanie oraz frezowanie można zapisać również w formacie Gerber, co ma swoje zalety - eliminuje problem centryczności oraz dokładności warstw mechanicznych względem pozostałych.

W przypadku projektów o zróżnicowanej obróbce mechanicznej warto generować osobne pliki dla poszczególnych operacji i prawidłowo je opisać. Takie postępowanie redukuje możliwość błędnej interpretacji zamysłów projektanta. Warto ponadto pamiętać, że każda operacja obróbki mechanicznej może być wykonywana w inny sposób, przez co ma indywidualne charakterystyczne ograniczenia procesowe wpływające na możliwości zastosowania w projekcie.

Dokumentacja produkcyjna zawiera dodatkowe niezbędne komendy, definicje i zmodyfikowane średnice narzędzi, dzięki czemu możliwe będzie osiągnięcie wskazanych w projekcie wymiarów. Jest to istotne zwłaszcza dla otworów i szczelin metalizowanych, dla których należy uwzględnić dodatkową warstwę miedzi galwanicznej oraz powłoki wykańczającej (cynowanie, złocenie). Standardowo średnice narzędzi takich otworów inkrementuje się o 0,1 mm i w ostateczności uzyskuje się otwory o średnicy oczekiwanej przez projektanta, przy zachowaniu typowej tolerancji +0,1/-0,05 mm.

Poza standardowym programem wiercenia i frezowania dokumentacja produkcyjna może zawierać także programy rylcowania i fazowania zawierające głębokość oraz współrzędne położenia linii rylcowania, a także ich głębokości. Najczęściej zarówno rylcowanie, jak i frezowanie nie jest wskazane w projekcie bezpośrednio za pomocą odpowiednich plików, lecz w postaci warstw mechanicznych z obrysem oraz z liniami rozdzielającymi poszczególne obwody np. w panelu. Niestety czasami powoduje to rozbieżności w interpretacji skutkujących pominięciem niektórych elementów obróbki podczas produkcji obwodów.

Testowanie

Dokumentacja produkcyjna obejmuje także programy do testowania optycznego i elektrycznego. Producenci obwodów drukowanych wysokiej jakości, w tym TS PCB, dokonują optycznej inspekcji obwodów AOI, które wykorzystywane są do sprawdzenia mozaik po procesie trawienia. Polega ona na porównaniu zeskanowanego obrazu rzeczywistego obwodu z obrazem wygenerowanym na podstawie przygotowanej dokumentacji produkcyjnej.

W ten sposób są weryfikowane rozbieżności obrazu obwodów wyprodukowanych i określane jest, czy mieszczą się one w dopuszczalnej tolerancji. Inspekcja AOI obwodów jest testem wewnętrznym, wykonywanym niezależnie od wymagań klientów.

Z uwagi na rosnący stopień skomplikowania obwodów drukowanych, poza testowaniem optycznym konieczne jest ich testowanie elektryczne. W tym przypadku program testowania tworzony jest niezależnie od dokumentacji przygotowywanej przez inżynierów CAM, na bazie pierwotnych plików projektu. Dzięki temu sieć połączeń obwodu wyprodukowanego porównywana jest z wzorcem, pozwalając na wychwycenie błędów powstałych podczas produkcji.

Rys. 3. Testery obwodów drukowanych: a) palcowy, b) adapterowy

Najczęściej testowanie elektryczne wykonuje się dwiema technikami: Flying Probe, nazywaną niekiedy testowaniem palcowym (rys. 3a) oraz Bed Of Nails, określaną także jako testowanie adapterowe (rys. 3b). Pierwsza technika polega na kontroli ciągłości oraz pojemności badanych sieci za pomocą ruchomych sond umożliwiających pomiary z obu stron obwodu drukowanego, przez co możliwe jest testowanie najbardziej zaawansowanych obwodów HDI, także umieszczonych w formatach produkcyjnych.

Testery adapterowe mają mniejsze pole robocze oraz ograniczoną rozdzielczość rozmieszczenia igieł testujących i kołków montażowych. Wykonanie adaptera dopasowanego do konkretnego projektu jest procesem czasochłonnym. Ich zasadniczą zaletą jest jednakże niezwykle krótki czas testowania rzędu pojedynczych sekund na obwód lub panel.

Podsumowanie

W artykule przedstawiono przebieg procesu opracowywania dokumentacji produkcyjnej obwodów drukowanych na bazie dokumentacji projektowej dostarczonej przez klienta. Z tego powodu prawidłowe przygotowanie dokumentacji projektu ma kluczowe znaczenie dla przebiegu procesu produkcji, a także zapewnienia jak najwyższej niezawodności oraz jakości obwodów. Należy zatem zachować szczególną uwagę podczas formułowania wymagań technologicznych, a płytki projektować zgodnie z powszechnie stosowanymi standardami oraz wymaganiami producentów PCB.

Łukasz Romik
Inżynier Sprzedaży
TS PCB Techno-Service S.A.
www.pcb-technoservice.eu