Leiterplattenfräsen – Wikipedia

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Eine gefräste Leiterplatte

Leiterplattenfräsen (auch: Isolationsfräsen) ist der Prozess des Entfernens von Kupferbereichen von einer Leiterplatte aus Leiterplattenmaterial, um die Pads, Signalspuren und Strukturen gemäß Mustern aus einem als a bezeichneten digitalen Leiterplattenplan wiederherzustellen Layoutdatei.[1] Ähnlich wie beim allgemeineren und bekannteren chemischen PCB-Ätzverfahren ist das PCB-Fräsprozess subtraktiv: Das Material wird entfernt, um die erforderlichen elektrischen Isolations- und Masseebenen zu erzeugen. Im Gegensatz zum chemischen Ätzprozess ist das PCB-Fräsen jedoch typischerweise ein nicht chemischer Prozess und kann daher in einer typischen Büro- oder Laborumgebung ohne Exposition gegenüber gefährlichen Chemikalien durchgeführt werden. Mit beiden Verfahren können hochwertige Leiterplatten hergestellt werden.[2] Beim PCB-Fräsen wird die Qualität einer Leiterplatte hauptsächlich durch die tatsächliche oder gewichtete Fräsgenauigkeit und -steuerung des Systems sowie durch den Zustand (Schärfe, Temper) der Fräser und ihre jeweiligen Vorschub- / Drehzahlen bestimmt. Im Gegensatz dazu hängt beim chemischen Ätzprozess die Qualität einer Leiterplatte von der Genauigkeit und / oder Qualität der Maske ab, die zum Schutz des Kupfers vor den Chemikalien und dem Zustand der Ätzchemikalien verwendet wird.[3]

Vorteile[edit]

Das Fräsen von Leiterplatten bietet Vorteile sowohl für das Prototyping als auch für einige spezielle Leiterplattenkonstruktionen. Der wahrscheinlich größte Vorteil ist, dass man keine Chemikalien zur Herstellung von PCBs verwenden muss.

Beim Erstellen eines Prototyps braucht das Auslagern eines Boards Zeit. Alternativ können Sie eine Leiterplatte im eigenen Haus herstellen. Bei Verwendung des Nassverfahrens stellt die Eigenproduktion Probleme mit Chemikalien und deren Entsorgung dar. Hochauflösende Leiterplatten im Nassverfahren sind schwer zu erreichen, und wenn dies erledigt ist, muss die Leiterplatte noch gebohrt und schließlich aus dem Grundmaterial herausgeschnitten werden.

Das Prototyping von CNC-Maschinen kann einen schnellen Produktionsprozess für Platten ermöglichen, ohne dass eine Nassbearbeitung erforderlich ist.[4] Wenn bereits eine CNC-Maschine zum Bohren verwendet wird, kann diese einzelne Maschine beide Teile des Prozesses ausführen, Bohren und Fräsen. Mit einer CNC-Maschine werden Bohren, Fräsen und Schneiden verarbeitet.[5]

Viele Platten, die einfach zu fräsen sind, lassen sich nur schwer durch Nassätzen und anschließendes manuelles Bohren in einer Laborumgebung verarbeiten, ohne erstklassige Systeme zu verwenden, die normalerweise ein Vielfaches der Kosten von CNC-Fräsmaschinen kosten.[6]

In der Massenproduktion ist es unwahrscheinlich, dass das Fräsen das Ätzen ersetzt, obwohl die Verwendung von CNC bereits Standard beim Bohren der Platten ist.

Hardware[edit]

EIN Leiterplattenfrässystem ist eine einzelne Maschine, die alle erforderlichen Aktionen zum Erstellen einer Prototypkarte ausführen kann, mit Ausnahme des Einfügens Durchkontaktierungen und durch Lochbeschichtung. Die meisten dieser Maschinen benötigen für den Betrieb nur eine Standard-Wechselstromsteckdose und einen Staubsauger.

Software[edit]

Software zum Fräsen von Leiterplatten wird normalerweise vom Hersteller der CNC-Maschine geliefert. Die meisten Pakete können in zwei Hauptkategorien unterteilt werden – Raster und Vektor.[7]

Software, die Werkzeugpfade mithilfe der Rasterberechnungsmethode erstellt, weist tendenziell eine geringere Verarbeitungsauflösung auf als die vektorbasierte Software, da sie auf den empfangenen Rasterinformationen basiert.[8][9]

Mechanisches System[edit]

Die Mechanik hinter einer Leiterplattenfräsmaschine ist recht einfach und hat ihre Wurzeln in der CNC-Frästechnologie. Ein PCB-Frässystem ähnelt einem kleinen und hochgenauen NC-Frästisch. Zur Maschinensteuerung werden Positionsinformationen und Maschinensteuerungsbefehle von der Steuerungssoftware über eine serielle oder parallele Schnittstelle an die integrierte Steuerung der Fräsmaschine gesendet. Die Steuerung ist dann für das Antreiben und Überwachen der verschiedenen Positionierungskomponenten verantwortlich, die den Fräskopf und das Portal bewegen und die Spindeldrehzahl steuern. Die Spindeldrehzahlen können je nach Frässystem zwischen 30.000 und 100.000 U / min liegen. Höhere Spindeldrehzahlen bedeuten eine bessere Genauigkeit. Kurz gesagt, je kleiner der Werkzeugdurchmesser, desto höher die benötigte Drehzahl.[10] Typischerweise umfasst dieses Antriebssystem nicht überwachte Schrittmotoren für die X / Y-Achse, einen nicht überwachten Ein-Aus-Magneten, einen pneumatischen Kolben oder eine Leitspindel für die Z-Achse und einen Gleichstrommotor-Steuerkreis für die Spindeldrehzahl, von denen keiner Positionsfeedback geben. Weiterentwickelte Systeme bieten einen überwachten Schrittmotor-Z-Achsenantrieb für eine bessere Kontrolle beim Fräsen und Bohren sowie fortschrittlichere Steuerkreise für HF-Spindelmotoren, die eine bessere Steuerung über einen größeren Drehzahlbereich ermöglichen.

X- und Y-Achsensteuerung[edit]

Für die X- und Y-Achsen-Antriebssysteme verwenden die meisten Leiterplattenfräsmaschinen Schrittmotoren, die eine Präzisions-Leitspindel antreiben. Die Gewindespindel ist wiederum durch eine spezielle präzisionsgefertigte Verbindungsbaugruppe mit dem Portal oder dem Fräskopf verbunden. Um die korrekte Ausrichtung während des Fräsens aufrechtzuerhalten, wird die Fahrtrichtung des Portals oder des Fräskopfs mithilfe von linearen oder schwalbenschwanzförmigen Lagern entlang geführt. Die meisten X / Y-Antriebssysteme bieten dem Benutzer über Software eine Steuerung der Fräsgeschwindigkeit, die bestimmt, wie schnell die Schrittmotoren ihre jeweiligen Achsen antreiben.

Z-Achsen-Steuerung[edit]

Antrieb und Steuerung der Z-Achse werden auf verschiedene Arten gehandhabt. Der erste und häufigste ist ein einfacher Magnet, der gegen eine Feder drückt. Wenn der Magnet erregt ist, drückt er den Fräskopf gegen einen Federanschlag, der den Abwärtsweg begrenzt. Die Sinkgeschwindigkeit sowie die auf den Federanschlag ausgeübte Kraft müssen manuell eingestellt werden, indem die Position des Magnetkolbens mechanisch eingestellt wird. Die zweite Art der Z-Achsen-Steuerung erfolgt durch Verwendung eines Pneumatikzylinders und eines softwaregesteuerten Absperrschiebers. Aufgrund der geringen Zylindergröße und des Luftdrucks, der zum Antreiben verwendet wird, gibt es wenig Kontrollbereich zwischen den Aufwärts- und Abwärtsanschlägen. Sowohl das Magnetventil als auch das pneumatische System können den Kopf nur an den Endpunkten positionieren und sind daher nur für einfache Auf- / Ab-Fräsaufgaben nützlich. Die letzte Art der Z-Achsen-Steuerung verwendet einen Schrittmotor, mit dem der Fräskopf in kleinen, genauen Schritten nach oben oder unten bewegt werden kann. Ferner kann die Geschwindigkeit dieser Schritte angepasst werden, um zu ermöglichen, dass Werkzeugbohrer in das Plattenmaterial hineingelegt werden, anstatt hineingehämmert zu werden. Die Tiefe (Anzahl der erforderlichen Schritte) sowie die Abwärts- / Aufwärtsgeschwindigkeit werden vom Benutzer über die Steuerungssoftware gesteuert.

Eine der größten Herausforderungen beim Fräsen von Leiterplatten besteht darin, Schwankungen der Ebenheit zu bewältigen. Da herkömmliche Ätztechniken auf optischen Masken beruhen, die direkt auf der Kupferschicht sitzen, können sie sich an leichte Biegungen im Material anpassen, sodass alle Merkmale originalgetreu nachgebildet werden.

Beim Fräsen von Leiterplatten führen jedoch geringfügige Höhenschwankungen beim Fräsen dazu, dass konische Bits entweder tiefer sinken (wodurch ein breiterer Schnitt entsteht) oder von der Oberfläche aufsteigen und einen ungeschnittenen Abschnitt hinterlassen. Führen Sie vor dem Schneiden einiger Systeme auf der ganzen Linie Höhenabbildungssonden durch, um Höhenschwankungen zu messen und die Z-Werte im G-Code vorher anzupassen.

Werkzeuge[edit]

Leiterplatten können mit herkömmlichen Schaftfräsern, konischen D-Bit-Schneidern und Spatenfräsern bearbeitet werden. D-Bits und Spatenmühlen sind billig und da sie einen kleinen Punkt haben, können die Spuren nahe beieinander liegen. Taylors Gleichung, Vc T.n = C, kann die Standzeit für eine bestimmte Oberflächengeschwindigkeit vorhersagen.[11]

Alternativen[edit]

Ein Verfahren mit ähnlichen Vorteilen wie das mechanische Fräsen ist das Laserätzen und das Laserbohren. Das Ätzen von Leiterplatten mit Lasern bietet die gleichen Vorteile wie das mechanische Fräsen in Bezug auf schnelle Durchlaufzeiten, aber die Art des Laserätzprozesses ist sowohl dem Fräsen als auch dem chemischen Ätzen vorzuziehen, wenn es um physikalische Variationen geht, die auf das Objekt ausgeübt werden.[12] Während mechanisches Fräsen und chemisches Ätzen die Platine exakt physikalisch belasten, bietet das Laserätzen eine berührungslose Oberflächenentfernung. Dies macht es zu einer überlegenen Option für Leiterplatten, bei denen Präzision und geometrische Genauigkeit im Vordergrund stehen, wie z. B. HF- und Mikrowellendesigns.[13] Laserbohren ist präziser, hat im Vergleich zu anderen Techniken einen extrem geringen Stromverbrauch, erfordert weniger Wartung, verwendet keine Schmiermittel oder Bohrer, geringe Verschleißraten, verwendet keine abrasiven Materialien, ruiniert die Platten nicht, ist umweltfreundlicher, und bei den leistungsstärksten Maschinen erfolgt das Bohren sofort, ist jedoch teuer. Eine zusätzliche Alternative zum Fräsen und Laserätzen ist ein additiver Ansatz, der auf dem Drucken der leitenden Spur basiert. Solche Leiterplattendrucker sind zu verschiedenen Preisen und mit unterschiedlichen Merkmalen erhältlich, bieten aber auch eine schnelle Herstellung eigener Schaltkreise mit sehr wenig bis gar keinem Abfall. Ein Beispiel für eine solche Technologie, die einfachere Leiterplatten mit geringer Schichtanzahl herstellt, ist Voltera.[14] Ein System am Ende der additiven Fertigung mit höherer Schichtanzahl ist die DragonFly-Technologie von Nano Dimension [15] Hier werden komplexe Schaltungen mit hoher Schichtanzahl sowie elektromechanische Teile gedruckt.

Verweise[edit]

  1. ^ Khandpur, RS (2005). Leiterplatten: Design, Herstellung, Montage und Prüfung. Tata McGraw-Hill Ausbildung. ISBN 9780070588141.
  2. ^ Baschirotto, A.; Dallago, E.; Malcovati, P.; Marchesi, M.; Venchi, G. (2007-02-01). “Ein Fluxgate-Magnetsensor: Von der Leiterplatte zur mikrointegrierten Technologie”. IEEE-Transaktionen zur Instrumentierung und Messung. 56 (1): 25–31. doi:10.1109 / TIM.2006.887218. ISSN 0018-9456.
  3. ^ Datta, M.; Osaka, Tetsuya; Schultze, J. Walter (20.12.2004). Mikroelektronische Verpackung. CRC Drücken Sie. p. 185. ISBN 9780203473689.
  4. ^ Fertigungstechnik. Penton / IPC., Incorporated. 1987.
  5. ^ “PCB Rapid Prototype | WellPCB”. www.wellpcb.com. Abgerufen 2017-05-27.
  6. ^ Richard Sewell. “Gefräste Leiterplatte für eine kugelgelagerte Sequenzer-Steuerfläche (Das Xylobearningococonutofivefivefiveophone)”. Jarkman Enterprises.
  7. ^ Piatt, Michael J.; Brown, Mark E.; Walters, Michael A. (1991). “Verfahren zur Herstellung von Leiterplatten”.
  8. ^ Doudkin, Alexander; Inyutin, Alexander (01.08.2014). “DIE ÜBERPRÜFUNG DER FEHLER- UND PROJEKTREGELN AUF DEM PCB-LAYOUT-BILD”. Internationales Journal of Computing. 5 (3): 107–111. ISSN 2312-5381.
  9. ^ Vona, MA; Rus, D. (April 2005). “Voronoi-Werkzeugwege für das mechanische Ätzen von Leiterplatten: Einfache und intuitive Algorithmen mit der 3D-GPU”. Tagungsband der IEEE International Conference on Robotics and Automation 2005: 2759–2766. doi:10.1109 / robot.2005.1570531. ISBN 978-0-7803-8914-4.
  10. ^ “Fräsmaschinenspezifikationen”. LPKF Laser & Elektronik.
  11. ^ Yoon, Hae-Sung; Mond, Jong-Seol; Pham, Minh-Quan; Lee, Gyu-Bong; Ahn, Sung-Hoon (2013). “Kontrolle der Bearbeitungsparameter für Energie- und Kosteneinsparungen beim Bohren von Leiterplatten im Mikromaßstab”. Zeitschrift für sauberere Produktion. 54: 41–48. doi:10.1016 / j.jclepro.2013.04.028.
  12. ^ “PCB Manufacturing”. www.ourpcb.com. Abgerufen 2017-10-18.
  13. ^ “LPKF Redirect”. www.lpkfusa.com. Abgerufen 2017-05-27.
  14. ^ “Voltera”.
  15. ^ “NanoDImension”.

Externe Links[edit]