Как производятся материнские платы

Как производятся материнские платы

Автор: Олег Нечай

Опубликовано 02 июля 2012 года

Подавляющее большинство материнских плат для компьютеров во всём мире производится на острове Тайвань и в материковом Китае, там же в большинстве случаев разрабатывается и конструкция этих плат. Более того, даже эталонные конструкции ("референсный дизайн") системных плат чаще всего создаются не в американских офисах, а всё там же, на Тайване, в непосредственной близости от фабрик, где эти платы будут выпускаться. В отличие, кстати, от видеокарт, конструированием которых занимаются исключительно штатные инженеры AMD и NVIDIA.

После утверждения эталонной конструкции системной платы, которую разработчики наборов системной логики рассылают своим партнёрам, в компаниях-производителях "материнок" начинается работа по созданию собственных моделей. Как правило, на базе чипсетов одного семейства или даже одного и того же набора микросхем проектируется три варианта плат: недорогой, для компьютеров среднего класса и высокопроизводительный для энтузиастов.

Современная материнская плата

В зависимости от класса рисуется оптимальная разводка, подбирается конструкция стабилизатора питания (24-, 12- или 8-фазный), количество слотов расширения, набор дополнительных контроллеров, а также набор портов. Конкуренция на этом рынке чрезвычайно высока, поэтому на выбор дополнительного оснащения влияет не только мода, но и себестоимость. Кроме того, у каждого производителя плат есть собственные "фишки", которые он старается представить как конкурентное преимущество своей продукции: это и различные системы "разгона", и дублирование микросхем BIOS, и индикаторы POST-кодов, и кнопки включения и перезагрузки, и масса прочих "дополнительных удобств", не слишком востребованных при обычной работе за компьютером.

Однако некоторые фирменные технологии действительно дают преимущество в качестве и надёжности. К примеру, в системных платах Gigabyte между слоями печатной платы проложен двухграммовый слой меди, который позволяет отводить значительную часть тепла от микросхем процессора и чипсета, а также от стабилизатора напряжения. Разумеется, это несколько повышает себестоимость производства, однако благодаря внедрению такого слоя настолько снижается число возвратов, что с недавнего времени все материнские платы Gigabyte, независимо от класса, стали выпускаться по такой технологии.

Многие операции, например впаивание микросхем и других электронных компонентов, автоматизированы, но целый ряд действий осуществляется вручную: в частности, все слоты устанавливаются руками работников, точнее, юных работниц. Помимо аппаратного контроля качества существует и старый добрый визуальный контроль под гигантскими лупами с подсветкой.

Оптимизация производства на заводах по производству электронных плат чрезвычайно высока. Фактически предприятия не останавливаются ни на секунду: на Тайване обычно приняты три восьмичасовые рабочие смены, а в Китае не редкость и две двенадцатичасовые. При этом уровень зарплат рабочих на Тайване выше, чем в Китае, и более высокотехнологичные изделия обычно собираются на тайваньских заводах, даже если у той же фирмы есть фабрика на материковом Китае. Нередко фабричные комплексы на Тайване объединены с конструкторскими бюро, и на них обкатываются новые решения. Такие комплексы могут быть в кратчайшие сроки переналажены на выпуск какого-то другого типа продукции или аналогичной, но по изменённой технологии.

Для сборки электронных плат не требуется такая же "чистая комната", как, например, для литографии микросхем, достаточно соблюдения элементарных правил чистоты (спецодежда, перчатки, бахилы, маска). При работе обязательно ношение электростатических браслетов - без них можно случайно повредить сразу несколько микросхем. И, наконец, перед входом в рабочую зону вы должны пройти через шлюз "воздушный душ", сдувающий с одежды пылинки и мелкие частички, способные нарушить требуемый уровень чистоты в цехе.

Процесс изготовления материнской платы можно разделить на четыре основные стадии - поверхностного монтажа, ручной установки крупных DIP-элементов (то есть компонентов с "ножками"), тестирования и упаковки. Сами печатные платы поступают из специализированного цеха, причём этот цех может находиться в материковом Китае, а сборочные мощности - на Тайване. Большинство, в том числе и крупных фирм, заказывают "травление" (в кавычках, потому что сегодня это гораздо более сложный процесс, чем тридцать лет назад) плат сторонним компаниям, способным изготовить изделия требуемой многослойности и сложности разводки. Некоторые фирмы, например ECS, делают платы самостоятельно и выполняют заказы других производителей.

Многослойность печатной платы требуется прежде всего для того, чтобы бороться с перекрёстными помехами различных цепей и негативным влиянием компонентов друг на друга. Сегодня норма - 6 слоёв, не редкость и 8-10 слоёв, хотя ещё совсем недавно хватало четырёх: на нижнем и верхнем находились сигнальные цепи, а на внутренних - цепь питания и заземление. По такой же схеме выпускаются и платы с большим числом слоёв, хотя в них уже может быть несколько сигнальных слоёв и несколько слоёв с цепями питания. Встречается и такая экзотика, как платы, вообще не имеющие сигнальных линий на внешних поверхностях: все они запрятаны внутрь. Подобные решения применяются во встраиваемых системах с повышенными требованиями к безопасности: с них гораздо сложнее считать сведения о производимых операциях, чем с обычных плат, где сигнальные цепи обращены наружу.

Многослойные платы производятся из тонких двух- или однослойных плат, полученных традиционными способами (травления, гравировки и т.п.), которые прессуются в одну через препреги - прокладки из композитных материалов с полимерной пропиткой. Такой "бутерброд" запекается в печи, после чего осуществляется травление верхнего и нижнего сигнальных слоёв. В готовой и отмытой плате сверлятся отверстия с последующей металлизацией, после чего она покрывается защитным лаком - как правило, какого-то "фирменного" цвета, характерного для каждой марки.

На первом этапе сборки платы подаются в автомат, наносящий капельки горячего припоя в необходимых местах, после чего они поступают в аппарат-укладчик с запасом разных чипов, которые буквально выстреливаются с высочайшей скоростью (около десятой доли секунды) в печатную плату. Затем плата подаётся в специальную печь, снова расплавляющую припой, чтобы комплектующие надёжнее закрепились в своих местах.

После печи плата проходит сначала автоматизированный тест при помощи стробоскопа, определяющего правильность расположения компонентов, затем - тест электрических цепей, а потом и визуальный осмотр.

На втором этапе вручную добавляются более крупные DIP-компоненты с "ножками": это слоты PCI, слоты для модулей памяти, а также все порты и разъёмы. Для закрепления этих компонентов плата помещается в машину для пайки волной припоя.

Затем на плату устанавливаются элементы системы охлаждения, после чего вновь следует аппаратное тестирование электрических цепей и визуальный осмотр.

Каждый из двух этапов сборки осуществляется на отдельных линиях, часто в отдельных цехах.

После собственно изготовления плата проходит сразу три заключительных теста. Первый тест - на полную функциональность: плата устанавливается на специальный стенд, и на ней собирается полноценная система. Компьютер запускается, и проверяются все заложенные конструкторами возможности, все порты и контроллеры. При необходимости осуществляется мелкий ремонт.

Второй тест - испытание на отказ, при котором каждый экземпляр в составе собранной работающей системы сначала подвергается нагреву до 45?C, а затем охлаждается до -10?C. Платы располагаются за специальным стеклом, и за ними можно наблюдать. Кроме того, все важнейшие электронные параметры контролируются на мониторах. Обычно для этого теста используются различные бенчмарки, серьёзно нагружающие систему, например свежие версии 3DMark. При этом может прогоняться несколько тестов с различными видеокартами разных производителей.

И, в очередной раз, все платы ждёт тщательный визуальный осмотр: человек способен обнаружить такие дефекты, которые не смогли выявить даже многочисленные тесты в сложнейших условиях.

Успешно прошедшие тестирование платы отправляются на упаковку, где для каждой платы собирается коробка, в которую помещается плата, различные аксессуары (рамка для портов, планки с дополнительными портами, реобасы для установки на лицевую панель системного блока и т.п.), а также диски с драйверами и бумажные руководства по установке. В конце коробка надёжно запечатывается в плёнку. Весь процесс от начала сборки до упаковки у крупнейших производителей занимает всего порядка пятнадцати минут.