Các bước quy trình sản xuất PCB: Hướng dẫn toàn diện về xây dựng bảng mạch

Quá trình sản xuất bảng mạch in (PCB) là một quy trình chính xác, nhiều bước, chuyển đổi một thiết kế kỹ thuật số thành một nền tảng vật lý cho các linh kiện điện tử. Từ giai đoạn tạo mẫu đến sản xuất hàng loạt, mỗi bước—từ việc lựa chọn vật liệu đến kiểm tra cuối cùng—đòi hỏi độ chính xác để đảm bảo PCB hoạt động đáng tin cậy trong ứng dụng dự kiến của nó. Cho dù là cho một cảm biến IoT đơn giản hay một trạm gốc 5G phức tạp, việc hiểu quy trình sản xuất là chìa khóa để tối ưu hóa thiết kế, chi phí và hiệu suất.

Hướng dẫn này sẽ chia nhỏ 10 bước cốt lõi của quá trình sản xuất PCB, làm nổi bật các công nghệ chính, kiểm tra chất lượng và sự khác biệt giữa các quy trình tiêu chuẩn và nâng cao. Đến cuối, bạn sẽ có một lộ trình rõ ràng về cách thiết kế của bạn trở thành một bảng mạch chức năng.

Những điểm chính cần ghi nhớ
  a. Quá trình sản xuất PCB bao gồm 10 bước quan trọng, từ cắt vật liệu đến kiểm tra cuối cùng, với mỗi giai đoạn ảnh hưởng đến hiệu suất và chi phí.
  b. Các quy trình nâng cao (ví dụ: khoan laser, kiểm tra quang học tự động) cải thiện độ chính xác nhưng làm tăng 10–30% chi phí sản xuất so với các phương pháp tiêu chuẩn.
  c. Việc lựa chọn vật liệu (FR4 so với Rogers) và số lớp (2 so với 16 lớp) ảnh hưởng đáng kể đến độ phức tạp của quá trình sản xuất và thời gian thực hiện.
  d. Kiểm tra chất lượng ở mỗi bước làm giảm tỷ lệ lỗi từ 10% (không kiểm tra) xuống<1% (kiểm tra toàn diện), giảm chi phí sửa chữa 70%.

Tổng quan về sản xuất PCB: Từ thiết kế đến sản xuất
Quá trình sản xuất PCB chuyển đổi tệp CAD (Thiết kế có sự hỗ trợ của máy tính) thành một bảng vật lý thông qua một loạt các quy trình trừ và cộng. Quy trình làm việc khác nhau tùy theo số lớp, vật liệu và ứng dụng nhưng tuân theo một trình tự cốt lõi nhất quán. Dưới đây là tổng quan cấp cao trước khi đi sâu vào chi tiết:
1. Xem xét thiết kế & Chuẩn bị tệp CAM
2. Cắt vật liệu
3. Tạo hình lớp bên trong
4. Khắc lớp bên trong
5. Cán lớp
6. Khoan
7. Mạ
8. Tạo hình & Khắc lớp ngoài
9. Ứng dụng hoàn thiện bề mặt
1. Kiểm tra & Kiểm tra cuối cùng

Bước 1: Xem xét thiết kế & Chuẩn bị tệp CAM
Trước khi bắt đầu sản xuất, thiết kế phải được xác nhận và chuyển đổi thành các tệp sẵn sàng sản xuất.
  a. Kiểm tra Khả năng sản xuất (DFM): Các kỹ sư xem xét thiết kế CAD để đảm bảo nó đáp ứng các ràng buộc sản xuất (ví dụ: chiều rộng đường dẫn tối thiểu là 0,1mm, kích thước lỗ ≥0,2mm). Các vấn đề như khoảng cách hẹp hoặc các tính năng không được hỗ trợ sẽ được gắn cờ để tránh chậm trễ sản xuất.
  b. Chuyển đổi tệp CAM: Thiết kế được chuyển đổi thành các tệp CAM (Sản xuất có sự hỗ trợ của máy tính), bao gồm dữ liệu lớp, tọa độ khoan và thông số kỹ thuật vật liệu. Phần mềm như định dạng Gerber và ODB++ là tiêu chuẩn.
  c. Phân bảng: Các PCB nhỏ được nhóm thành các bảng lớn hơn (ví dụ: 18"×24") để tối đa hóa việc sử dụng vật liệu và hợp lý hóa sản xuất. Phân bảng làm giảm chi phí từ 20–30% đối với các lần chạy số lượng lớn.
Số liệu chính: Kiểm tra DFM kỹ lưỡng làm giảm việc sửa chữa sau sản xuất 40%.

Bước 2: Cắt vật liệu
Chất nền cơ bản (thường là FR4, một loại epoxy gia cố bằng sợi thủy tinh) được cắt theo kích thước bảng yêu cầu.
  a. Lựa chọn chất nền: FR4 được sử dụng cho 90% PCB do chi phí và tính linh hoạt. Các bảng hiệu suất cao sử dụng Rogers (cho tần số cao) hoặc lõi kim loại (để quản lý nhiệt).
  b. Quy trình cắt: Máy cắt hoặc máy cắt laser tự động cắt chất nền theo kích thước bảng (ví dụ: 12"×18") với dung sai ±0,1mm. Cắt laser chính xác hơn (±0,05mm) nhưng chậm hơn 20% so với cắt cơ học.
  c. Khử ba via: Các cạnh được làm nhẵn để loại bỏ ba via, ngăn ngừa hư hỏng thiết bị trong các bước tiếp theo.

Bước 3: Tạo hình lớp bên trong
Đối với PCB nhiều lớp, các lớp bên trong được tạo hình bằng các đường dẫn đồng bằng phương pháp quang khắc.
  a. Làm sạch: Các bảng được làm sạch bằng hóa chất để loại bỏ dầu, bụi và quá trình oxy hóa, đảm bảo độ bám dính thích hợp của chất cản quang.
  b. Ứng dụng chất cản quang: Một polyme nhạy sáng (chất cản quang) được ứng dụng thông qua lớp phủ con lăn (độ dày: 10–20μm). Chất cản quang lỏng được sử dụng cho các tính năng nhỏ (<0,1mm đường dẫn); màng khô cho các thiết kế lớn hơn.
  c. Phơi sáng: Bảng được phơi sáng bằng ánh sáng UV thông qua mặt nạ quang học (khuôn mẫu của thiết kế mạch). Chất cản quang cứng lại (liên kết chéo) ở những khu vực tiếp xúc, bảo vệ đồng bên dưới.
  d. Phát triển: Chất cản quang chưa cứng lại được rửa trôi bằng dung dịch hóa học (ví dụ: natri cacbonat), để lại mẫu đường dẫn mong muốn được bảo vệ.
Công nghệ tiên tiến: Chụp ảnh trực tiếp bằng laser (LDI) thay thế mặt nạ quang học bằng quét laser, cho phép chiều rộng đường dẫn nhỏ tới 0,025mm cho PCB HDI (Kết nối mật độ cao).

Bước 4: Khắc lớp bên trong
Khắc loại bỏ đồng không mong muốn, chỉ để lại các đường dẫn đã tạo hình.
  a. Các loại chất ăn mòn:
      Sắt clorua: Giá cả phải chăng nhưng chậm hơn; được sử dụng để sản xuất số lượng nhỏ.
      Amoni persulfat: Nhanh hơn, chính xác hơn; lý tưởng cho các thiết kế số lượng lớn, bước nhỏ.
  b. Quy trình: Bảng được nhúng vào hoặc phun bằng chất ăn mòn, hòa tan đồng không được bảo vệ. Thời gian khắc (2–5 phút) được hiệu chỉnh để tránh khắc quá mức (thu hẹp đường dẫn) hoặc khắc không đủ (đồng còn lại).
  c. Tước lớp cản: Chất cản quang còn lại được loại bỏ bằng dung môi hoặc dung dịch kiềm, để lộ các đường dẫn đồng.
Kiểm tra chất lượng: AOI (Kiểm tra quang học tự động) quét các khuyết tật như đường dẫn bị thiếu, đoản mạch hoặc khắc không đủ, bắt 95% lỗi trước khi cán.

Bước 5: Cán lớp
PCB nhiều lớp được liên kết với nhau bằng nhiệt và áp suất.
  a. Chuẩn bị prepreg: Các tấm prepreg (sợi thủy tinh tẩm epoxy chưa đóng rắn) được cắt theo kích thước. Prepreg hoạt động như chất kết dính và chất cách điện giữa các lớp.
  b. Xếp chồng: Các lớp bên trong, prepreg và lá đồng bên ngoài được căn chỉnh bằng các chốt định vị (dung sai: ±0,05mm). Đối với PCB 16 lớp, bước này yêu cầu căn chỉnh chính xác để tránh đăng ký lớp bị sai.
  c. Ép: Lớp xếp chồng được nung nóng (170–180°C) và ép (300–500 psi) trong 60–90 phút, đóng rắn prepreg và liên kết các lớp thành một bảng duy nhất.
Thử thách: Bọt khí giữa các lớp gây ra sự phân lớp. Ép chân không (loại bỏ không khí trước khi đóng rắn) làm giảm rủi ro này 90%.

Bước 6: Khoan
Các lỗ được khoan để kết nối các lớp (via) và gắn các linh kiện (lỗ thông).
  a. Các loại mũi khoan:
    Mũi khoan cơ học: Dành cho các lỗ ≥0,2mm; nhanh nhưng kém chính xác hơn.
    Mũi khoan laser: Dành cho microvia (0,05–0,2mm); được sử dụng trong PCB HDI.
  b. Quy trình: Máy khoan CNC tuân theo tọa độ tệp CAM, khoan tới 10.000 lỗ mỗi giờ. Khoan mổ (rút lại không liên tục) loại bỏ các mảnh vụn, ngăn ngừa tắc nghẽn lỗ.
  c. Khử ba via: Các lỗ được làm sạch để loại bỏ ba via đồng, đảm bảo mạ đáng tin cậy.

Bước 7: Mạ
Các lỗ và lớp ngoài được mạ đồng để tạo ra các kết nối điện giữa các lớp.
  a. Khử vết bẩn: Hóa chất (ví dụ: pemanganat) loại bỏ các vết bẩn epoxy khỏi các lỗ khoan, đảm bảo độ bám dính của đồng.
  b. Mạ đồng không điện: Một lớp mỏng (0,5–1μm) đồng được lắng đọng trên thành lỗ và bề mặt bên ngoài mà không cần điện, tạo ra một lớp nền dẫn điện.
  c. Mạ điện: Bảng được nhúng vào bồn tắm đồng sunfat và dòng điện được áp dụng để làm dày đồng (15–30μm) trên các đường dẫn và thành lỗ. Bước này đảm bảo điện trở thấp (≤10mΩ) trong via.
Tùy chọn nâng cao: Lấp đầy via (mạ điện để lấp đầy hoàn toàn các lỗ) làm tăng độ bền cơ học, lý tưởng cho các ứng dụng rung động cao (ô tô, hàng không vũ trụ).

Bước 8: Tạo hình & Khắc lớp ngoài
Các lớp ngoài được tạo hình tương tự như các lớp bên trong nhưng với các bước bổ sung cho mặt nạ hàn và in lụa.
  a. Tạo hình: Chất cản quang được ứng dụng, phơi sáng và phát triển để xác định các đường dẫn bên ngoài.
  b. Khắc: Đồng không được bảo vệ được loại bỏ, để lại các đường dẫn và miếng đệm bên ngoài.
  c. Ứng dụng mặt nạ hàn: Một polyme màu xanh lá cây (phổ biến nhất) hoặc màu được ứng dụng để che các đường dẫn, để lại các miếng đệm tiếp xúc để hàn. Mặt nạ hàn ngăn ngừa đoản mạch và bảo vệ chống oxy hóa.
  d. In lụa: Mực được in trên mặt nạ hàn để dán nhãn các linh kiện (ví dụ: "R1," "+5V"), hỗ trợ lắp ráp và khắc phục sự cố.
Xu hướng: Mặt nạ hàn trong suốt và in lụa màu trắng ngày càng phổ biến đối với PCB LED, cải thiện sự khuếch tán ánh sáng.

Bước 9: Ứng dụng hoàn thiện bề mặt
Hoàn thiện bề mặt bảo vệ các miếng đệm đồng tiếp xúc khỏi quá trình oxy hóa và đảm bảo hàn đáng tin cậy.

Bước 10: Kiểm tra & Kiểm tra cuối cùng
Bảng thành phẩm trải qua quá trình kiểm tra nghiêm ngặt để đảm bảo chất lượng.
  a. Kiểm tra điện: Máy kiểm tra đầu dò bay kiểm tra các điểm đoản mạch, hở và điện trở trong tất cả các mạng, xác minh kết nối.
  b. AOI: Camera độ phân giải cao kiểm tra các khuyết tật (ví dụ: mặt nạ hàn bị lệch, in lụa bị thiếu).
  c. Kiểm tra tia X: Được sử dụng cho BGA và PCB HDI để kiểm tra các mối hàn ẩn và chất lượng via.
  d. Kiểm tra trở kháng: Đối với PCB tốc độ cao, TDR (Máy đo phản xạ miền thời gian) xác minh trở kháng được kiểm soát (ví dụ: 50Ω, 100Ω) để đảm bảo tính toàn vẹn của tín hiệu.
  e. Khử bảng: Bảng được cắt thành các PCB riêng lẻ bằng cách định tuyến, ghi điểm hoặc cắt laser, tùy thuộc vào thiết kế.

Sản xuất tiêu chuẩn so với sản xuất nâng cao: Những khác biệt chính

Câu hỏi thường gặp
Hỏi: Quá trình sản xuất PCB mất bao lâu?
Đáp: 5–7 ngày đối với PCB 2 lớp tiêu chuẩn; 10–14 ngày đối với bảng HDI 16 lớp. Dịch vụ gấp rút cắt giảm thời gian thực hiện 30% nhưng tăng 50% chi phí.

Hỏi: Điều gì gây ra các khuyết tật trong sản xuất PCB?
Đáp: Các vấn đề thường gặp bao gồm đăng ký lớp bị sai (cán kém), khắc không đủ/quá mức và sai lệch khoan. Kiểm soát quy trình nghiêm ngặt làm giảm các khuyết tật xuống<1%.

Hỏi: Tôi có thể thay đổi thiết kế của mình sau khi quá trình sản xuất bắt đầu không?
Đáp: Thay đổi sau khi cán lớp rất tốn kém (50–100% chi phí ban đầu). Tốt nhất là hoàn thiện thiết kế trong giai đoạn DFM.

Hỏi: Chi phí sản xuất PCB là bao nhiêu?
Đáp: (5–)15 đối với PCB 2 lớp tiêu chuẩn (1000 đơn vị); (20–)50 đối với bảng HDI 16 lớp nâng cao. Vật liệu (ví dụ: Rogers so với FR4) và khối lượng thúc đẩy giá cả.

Hỏi: Số lớp tối đa cho PCB là bao nhiêu?
Đáp: PCB thương mại đạt 40+ lớp (ví dụ: siêu máy tính), nhưng hầu hết các ứng dụng sử dụng 2–16 lớp.

Kết luận
Sản xuất PCB là một quy trình hướng đến độ chính xác, cân bằng độ phức tạp của thiết kế, khoa học vật liệu và công nghệ sản xuất. Từ xem xét thiết kế đến kiểm tra cuối cùng, mỗi bước đóng một vai trò quan trọng trong việc đảm bảo bảng đáp ứng các yêu cầu về điện, cơ học và độ tin cậy.
Việc hiểu các bước này giúp các kỹ sư tối ưu hóa thiết kế về chi phí và hiệu suất—cho dù chọn ENIG thay vì HASL cho thiết bị y tế hay chỉ định khoan laser cho PCB điện thoại thông minh HDI. Khi thiết bị điện tử phát triển, các quy trình sản xuất sẽ tiếp tục phát triển, cho phép các PCB nhỏ hơn, nhanh hơn và đáng tin cậy hơn cho các công nghệ của ngày mai.

Bằng cách hợp tác với nhà sản xuất ưu tiên kiểm tra chất lượng và sử dụng thiết bị tiên tiến, bạn có thể đảm bảo PCB của mình đáp ứng các yêu cầu của ngay cả những ứng dụng đầy thách thức nhất.