כדי לענות על הדרישות ההולכות וגדלות של תעשיית האלקטרוניקה להיקפי ייצור, שליטה בעלויות ואמינות גבוהה, תהליכי ייצור לוחות מודפסים (PCB – Printed Circuit Board) התפתחו למספר מסלולים שונים. כל שיטה שונה מבחינת התאמת חומרים, השקעת ציוד ראשונית, כלכלת נפח וצפיפות ההולכה שניתן להשיג.
המדריך הזה מסכם שש שיטות ייצור PCB נפוצות, כדי שלקורא יהיה קל להבין את מהלך העבודה הבסיסי, היתרונות והחסרונות המרכזיים, והיכן נהוג להשתמש בכל גישה.
1. חיתוך בסטנץ' / Punching – מסלול זול ללוחות חד-צדדיים בנפחים גדולים
חיתוך בסטנץ' (Stamping / Punching) משמש לרוב עבור לוחות חד-צדדיים זולים, הנפוצים במכשירי צריכה רבים.
איך זה עובד (ברמת־על)
- תחילה נוצר דפוס ההולכה על הלוח.
- נעשה שימוש בחומר בסיס חסכוני, למשל אפוקסי מחוזק בסיבי נייר (paper-fiber-reinforced epoxy).
- הקדחים נוצרים בעזרת תבנית חיתוך (Punch Die).
- קונטור הלוח נחתך בעזרת תבנית שנייה, אשר “מוציאָה” את צורת ה-PCB מלוח גדול יותר.
חסכון בעלויות באמצעות ייצור בנֵתָנים (Panels) ו־Depaneling
בייצור המוני, יצרנים מרכיבים בדרך כלל מספר לוחות בתוך נֵתֶן ייצור אחד, כדי להפחית את עלויות הטיפול והעיבוד.
- נתן סטנדרטי מכיל לרוב כמה לוחות זהים.
- לאחר ההרכבה והבדיקה, מפרידים את הלוחות מן הנתן בתהליך מבוקר המכונה בדרך כלל Depaneling.
- גישה זו מצמצמת עבודה ידנית, טיפול וחלקים מתים בתהליך – ובכך תורמת להורדת מחיר היחידה.
יישומים מתאימים
- מוצרים חד-צדדיים, רגישים למחיר, ובנפחי ייצור גדולים
- פחות מתאים לעיצובים עם צפיפות חיבורים גבוהה (HDI), חומרים מורכבים או לוחות רב-שכבתיים
2. Roll-to-Roll (R2R) – המסלול הזול ביותר לייצור המוני של מעגלים גמישים
ייצור Roll-to-Roll (R2R) הוא שיטה קלאסית לייצור כמויות גדולות של מעגלים גמישים (FPC – Flexible Printed Circuits). כאשר הנפח מספיק גדול, זו נחשבת לאחת השיטות הזולות ביותר למעגלים גמישים.
מאפיינים עיקריים
- עלות יחידה נמוכה בנפחים גבוהים, אך נדרשים כלי עבודה והכנת תהליך משמעותיים, ולכן זה מתאים בעיקר לפרויקטים בעלי נפח ייצור גבוה מאוד.
- מעגלים גמישים המיוצרים ב-R2R יכולים להיות חד-צדדיים או דו-צדדיים.
יישומים אופייניים
דוגמאות אופייניות למעגלים גמישים המיוצרים בתצורת R2R:
- מעגלי חיבור לראשי הדפסה (Printhead interconnects)
- חיבורי ראשי דיסק קשיח (Disk drive head interconnects)
- מעגלים פנימיים במצלמות ובמצלמות וידאו (Camcorders)
רצף התהליך (בדומה לדפוס רציף)
ייצור R2R דומה להדפסת עיתונים: גליל ארוך של למינציה מצופה נחושת נע דרך קו רציף הכולל בדרך כלל:
- הדפסת דפוס המוליכים
- תהליך צריבה (Etching)
- יצירת חורים
- בדיקות
- חיתוך / הפרדה מהגליל לגיליונות או רצועות
בנוסף, כולל התהליך לעיתים קרובות למינציה של Coverlay – שכבת כיסוי על גבי שכבת הבידוד וההולכה – לצורך:
- בידוד חשמלי
- הגנת פני השטח
- שיפור העמידות המכאנית
3. למינציה – הבסיס ללוחות רב-שכבתיים (מעל שתי שכבות)
כאשר לוח מודפס דורש יותר משתי שכבות, למינציה הופכת לצעד חיוני. הלמינציה מחברת מספר שכבות בעלות דפוסי הולכה ללוח אחד מגובש.
תהליך סטנדרטי (ברמת-על)
A) בניית השכבות הפנימיות (“Cores”)
- דפוסי המוליכים של השכבות הפנימיות נצרבים על יריעות למינציה.
- יריעות מנושאות אלו נקראות בדרך כלל Cores.
B) בניית הערימה בעזרת Prepreg וניירות נחושת
- את ה-Cores מפרידים באמצעות שכבות Prepreg (סיבי זכוכית ספוגים בשרף).
- הערימה נבנית לפי תכנון ה-Stack-up / Layup הנדרש.
- ניירות נחושת מונחים בצדדים החיצוניים כדי ליצור את השכבות החיצוניות.
C) חום ולחץ להזרמת השרף ולהתקשותו
- הערימה נלחצת בתוך מכבש למינציה.
- החום מרכך ומזרימָּה את השרף שב-Prepreg, ממלא רווחים סביב המוליכים ומדביק את השכבות זו לזו.
- לאחר הקירור, השרף מתקשה ונוצר נתן PCB רב-שכבתי קשיח.
D) שלבים בהמשך התהליך
לאחר הלמינציה, הנתן ממשיך לרוב ל־קידוח ול־ציפוי (Plating) של חורים מוליכים ואלמנטים נוספים לקישור בין שכבות.
הערה לגבי חומרים מיוחדים (כמו פוליאימיד)
חלק מהחומרים – למשל Polyimide (PI) – אינם משתמשים תמיד באותו מנגנון Prepreg לחיבור. במקרים כאלה עשויים היצרנים להשתמש ב־דבקים ייעודיים במהלך הלמינציה כדי להבטיח חיבור אמין בין השכבות.
4. תהליך סובטרקטיבי – הדרך הדומיננטית ליצור דפוסי נחושת
התהליך הסובטרקטיבי (Subtractive Process) הוא השיטה הקלאסית והנפוצה ביותר ליצירת מסלולי נחושת בייצור PCB.
עיקרון בסיסי
- מתחילים בלמינציה שיש עליה שכבת נחושת מלאה.
- מורחים שכבת רזיסט (Resist) להגנה על הנחושת אותה רוצים להשאיר.
- מעבירים את הנתן בתהליך צריבה (Etching) להסרת הנחושת הלא מוגנת.
- התוצאה: הנחושת הלא רצויה “נגרעת”, ונשאר דפוס ההולכה המבוקש.
מדוע זו השיטה הנפוצה ביותר?
- תהליך בשל ומובן היטב.
- אקוסיסטם רחב של ציוד וספקים תומך בו.
- מתאים למגוון גדול של עיצובים מסורתיים של PCB ולדרישות ייצור שונות.
5. תהליך אדיטיבי – “בניית” נחושת רק במקום שבו צריך אותה
התהליך האדיטיבי (Additive Process) פועל בכיוון ההפוך לצריבה הסובטרקטיבית. במקום להתחיל משכבת נחושת עבה בכל מקום, המטרה היא להפקיד נחושת רק באזורים הנדרשים, ואז לבנות אותה בעובי הרצוי.
גישה כללית
מסלול אופייני בתהליך אדיטיבי כולל:
- הכנת האזורים המיועדים להפקדה (לעיתים באמצעות שלבי הפעלה / רגישות כימית – Sensitization)
- הפקדת שכבת נחושת דקה בשיטה כימית (Electroless Copper) ליצירת מסלול מוליך התחלתי
- שימוש ב־ציפוי אלקטרוליטי (Electroplating) כדי לעבות את הנחושת באזורים הרצויים עד לעובי הסופי
חשיבות
לשיטות אדיטיביות מיוחסת לעיתים קרובות היכולת להפחית בזבוז חומר ולהקטין את צריכת חלק מהכימיקלים, בהשוואה להסרה של כמויות גדולות של נחושת באמצעות צריבה. מידת הישימות בפועל תלויה בסוג המוצר וביכולות התהליך של היצרן.
6. חיווט דיסקרטי (Multiwire) – שיטה נישתית ליצירת שכבות הולכה
חיווט דיסקרטי, המכונה לעיתים Multiwire, הוא תהליך פחות נפוץ ליצירת שכבות הולכה בלוח.
רעיון בסיסי
- חוטי מתכת עגולים משובצים או נלחצים לתוך חומר בידוד רך ליצירת שכבת ההולכה.
- שכבת בידוד זו מונחת על גבי ליבת Power-Plane, וכך נבנית סביבו תצורת חיווט.
שימוש בתעשייה
מספר מצומצם יחסית של יצרנים משתמשים כיום בטכנולוגיית Multiwire. לעומת שיטות רב-שכבתיות מקובלות, היתרונות שלה לרוב מוגבלים ליישומים נישתיים ולדרישות תכן ספציפיות.
איך לחשוב על השיטות האלו במבט מהיר
- Stamping / Punching – מתאים ביותר ללוחות חד-צדדיים זולים בנפחים גדולים, עם יצירת חורים וקונטור מכאנית מהירה.
- Roll-to-Roll – פתרון מוביל לייצור המוני של מעגלים גמישים, עם יעילות מצוינת בעלות כאשר הנפח גדול מאוד.
- Lamination – עמוד השדרה של ייצור לוחות רב-שכבתיים, משלב Cores, Prepreg ורדידי נחושת תחת חום ולחץ.
- Subtractive – השיטה השכיחה ביותר לדפוסי נחושת – מגינים על מה שרוצים, ומצרבים את השאר.
- Additive – מפקידים ובונים נחושת רק היכן שצריך, עם פוטנציאל להפחתת בזבוז חומר בהתאם ליישום.
- Discrete Wiring / Multiwire – גישה ייעודית ופחות נפוצה ליצירת שכבות הולכה באמצעות חוטים משובצים.
מסקנה
בחירת שיטת הייצור הנכונה ל-PCB תלויה בעיקר ב-סוג הלוח (קשיח, גמיש, רב-שכבתי), נפח הייצור וצפיפות ההולכה הנדרשת. אם מתאמים גורמים אלו כבר בשלבי התכנון המוקדמים עם יכולות היצרן, ניתן להפחית סיכונים, לשלוט בעלויות ולהעלות את התשואה והאמינות.
למידע מעמיק יותר, מומלץ לעיין במאמרים הנלווים שלנו על תכנון Stack-up ללוחות מודפסים, סוגי ויות (Vias) וציפוי, וכן ההבדלים בין Flex לבין Rigid-Flex.
