Fräsen von Leiterplatten - Printed circuit board milling

Eine gefräste Leiterplatte

Leiterplattenfräsen (auch: Isolationsfräsen) ist der Prozess des Entfernens von Kupferbereichen von einer Leiterplattenmaterialplatte , um die Pads, Signalspuren und Strukturen nach Mustern aus einem digitalen Leiterplattenplan, der als Layoutdatei bekannt ist, neu zu erstellen . Ähnlich dem gebräuchlicheren und bekannteren chemischen PCB- Ätzprozess ist der PCB-Fräsprozess subtraktiv: Material wird entfernt, um die erforderliche elektrische Isolierung und Masseflächen zu erzeugen . Im Gegensatz zum chemischen Ätzprozess ist das PCB-Fräsen jedoch in der Regel ein nicht-chemischer Prozess und kann als solcher in einer typischen Büro- oder Laborumgebung ohne Exposition gegenüber gefährlichen Chemikalien durchgeführt werden. Mit beiden Verfahren können hochwertige Leiterplatten hergestellt werden. Beim PCB-Fräsen wird die Qualität einer Leiterplatte hauptsächlich durch die wahre bzw. Im Gegensatz dazu hängt die Qualität einer Leiterplatte beim chemischen Ätzprozess von der Genauigkeit und/oder Qualität der Maske, die verwendet wird, um das Kupfer vor den Chemikalien zu schützen, und dem Zustand der Ätzchemikalien ab.

Vorteile

Das PCB-Fräsen bietet Vorteile sowohl für das Prototyping als auch für einige spezielle PCB-Designs. Der wahrscheinlich größte Vorteil besteht darin, dass zur Herstellung von PCBs keine Chemikalien verwendet werden müssen.

Bei der Erstellung eines Prototyps braucht das Outsourcing eines Boards Zeit. Alternativ können Sie eine Leiterplatte im eigenen Haus herstellen. Im Nassverfahren bereitet die Eigenproduktion Probleme mit Chemikalien und deren Entsorgung. Hochauflösende Platinen im Nassverfahren sind schwer zu realisieren und trotzdem muss man am Ende noch bohren und die Platine aus dem Grundmaterial herausschneiden.

Das Prototyping von CNC-Maschinen kann einen Plattenproduktionsprozess mit schneller Durchlaufzeit ermöglichen, ohne dass eine Nassbearbeitung erforderlich ist. Wenn bereits eine CNC-Maschine zum Bohren verwendet wird, könnte diese einzelne Maschine beide Teile des Prozesses, Bohren und Fräsen, ausführen. Mit einer CNC-Maschine werden Bohren, Fräsen und Schneiden bearbeitet.

Viele einfach zu fräsende Platinen wären durch Nassätzen und anschließendes manuelles Bohren in einer Laborumgebung nur sehr schwer zu bearbeiten, ohne Spitzensysteme zu verwenden, die in der Regel ein Vielfaches teurer sind als CNC-Fräsmaschinen.

In der Massenproduktion wird das Fräsen wahrscheinlich das Ätzen nicht ersetzen, obwohl der Einsatz von CNC zum Bohren der Platten bereits gängige Praxis ist.

Hardware

Ein PCB-Frässystem ist eine einzelne Maschine, die alle erforderlichen Aktionen ausführen kann, um eine Prototypenplatine zu erstellen , mit Ausnahme des Einfügens von Vias und des Durchkontaktierens von Löchern . Die meisten dieser Maschinen benötigen nur einen Standard AC Netzsteckdose und einen Laden-Typ Staubsauger für den Betrieb.

Software

Software zum Fräsen von Leiterplatten wird in der Regel vom CNC-Maschinenhersteller geliefert. Die meisten Pakete können in zwei Hauptkategorien unterteilt werden - Raster und Vektor.

Software, die Werkzeugwege mithilfe der Rasterberechnungsmethode erzeugt, hat in der Regel eine niedrigere Verarbeitungsauflösung als die vektorbasierte Software, da sie auf den empfangenen Rasterinformationen beruht.

Mechanisches System

Die Mechanik hinter einer PCB-Fräsmaschine ist recht einfach und hat ihre Wurzeln in der CNC- Frästechnik. Ein PCB-Frässystem ähnelt einem Miniatur- und hochpräzisen NC-Frästisch. Für die Maschinensteuerung , Positionsinformationen und Maschinensteuerbefehle werden von der Steuerung gesendet Software über eine serielle Schnittstelle oder Parallelport - Verbindung zu der Fräsmaschine On-Board - Controller. Die Steuerung übernimmt dann die Ansteuerung und Überwachung der verschiedenen Positionierkomponenten, die Fräskopf und Portal bewegen und die Spindeldrehzahl regeln. Die Spindeldrehzahlen können je nach Frässystem von 30.000 U/min bis 100.000 U/min reichen, wobei höhere Spindeldrehzahlen einer besseren Genauigkeit entsprechen. Kurz gesagt, je kleiner der Werkzeugdurchmesser, desto höher die Drehzahl, die Sie benötigen. Typischerweise umfasst dieses Antriebssystem nicht überwachte Schrittmotoren für die X/Y-Achse, ein nicht überwachtes Ein-Aus- Magnetventil , einen pneumatischen Kolben oder eine Leitspindel für die Z-Achse und einen Gleichstrommotor- Steuerkreis für die Spindeldrehzahl, keines davon Positionsfeedback geben. Fortschrittlichere Systeme bieten einen überwachten Schrittmotor-Z-Achsen-Antrieb für eine bessere Kontrolle beim Fräsen und Bohren sowie fortschrittlichere HF-Spindelmotor-Steuerkreise, die eine bessere Steuerung über einen breiteren Drehzahlbereich ermöglichen.

X- und Y-Achsen-Steuerung

Für die X- und Y-Achsen - Antriebssysteme der meisten Leiterplattenfräsmaschinen verwenden Schrittmotoren , die eine Präzisionsantrieb Leitspindel . Die Spindel wiederum ist über eine spezielle, präzisionsgefertigte Verbindungsbaugruppe mit dem Portal oder dem Fräskopf verbunden. Zur korrekten Ausrichtung beim Fräsen wird die Fahrtrichtung des Portals bzw. des Fräskopfes über Linear- oder Schwalbenschwanzlager(e) mitgeführt . Die meisten X/Y-Antriebssysteme bieten eine Softwaresteuerung der Fräsgeschwindigkeit durch den Benutzer, die bestimmt, wie schnell die Schrittmotoren ihre jeweiligen Achsen antreiben.

Z-Achsen-Steuerung

Der Antrieb und die Steuerung der Z-Achse werden auf verschiedene Weise gehandhabt. Das erste und gebräuchlichste ist ein einfacher Elektromagnet , der gegen eine Feder drückt. Wenn der Magnet bestromt wird, drückt er den Fräskopf nach unten gegen einen Federanschlag, der den Abwärtsweg begrenzt. Die Absenkgeschwindigkeit sowie die auf den Federanschlag ausgeübte Kraft müssen manuell durch mechanisches Einstellen der Position des Magnetstößels eingestellt werden. Die zweite Art der Z-Achsen-Steuerung erfolgt durch die Verwendung eines pneumatischen Zylinders und eines softwaregesteuerten Absperrschiebers . Aufgrund der kleinen Zylindergröße und des zum Antrieb verwendeten Luftdrucks gibt es nur einen geringen Kontrollbereich zwischen den Auf- und Ab-Anschlägen. Sowohl das Solenoid- als auch das Pneumatiksystem 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, der es ermöglicht, den Fräskopf in kleinen, genauen Schritten nach oben oder unten zu bewegen. Darüber hinaus kann die Geschwindigkeit dieser Schritte eingestellt werden, um zu ermöglichen, dass Werkzeugeinsätze in das Plattenmaterial eingezogen werden, anstatt hineingehämmert zu werden. Die Tiefe (Anzahl der erforderlichen Schritte) sowie die Abwärts-/Aufwärtsgeschwindigkeit werden über die Steuerungssoftware vom Benutzer gesteuert.

Eine der größten Herausforderungen beim Fräsen von Leiterplatten ist die Handhabung von Ebenheitsschwankungen. 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 winzige Höhenunterschiede, die beim Fräsen auftreten, dazu, dass konische Bohrer entweder tiefer einsinken (was einen breiteren Schnitt erzeugt) oder von der Oberfläche abheben und einen ungeschnittenen Abschnitt hinterlassen. Einige Systeme führen vor dem Schneiden flächendeckend Höhenmapping-Sonden durch, um Höhenunterschiede zu messen und die Z-Werte im G-Code vorher anzupassen .

Werkzeuge

Leiterplatten können mit herkömmlichen Schaftfräsern , konischen D-Bit-Fräsern und Spatenfräsern bearbeitet werden . D-Bits und Spatenfräser sind billig und da sie eine kleine Spitze haben, können die Spuren eng beieinander liegen. Die Taylor-Gleichung , Vc T n = C, kann die Werkzeugstandzeit für eine gegebene Oberflächengeschwindigkeit vorhersagen.

Alternativen

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 des Objekts geht. Während mechanisches Fräsen und chemisches Ätzen die physikalische Belastung der Platine exakt beeinflussen, bietet Laserätzen eine berührungslose Oberflächenentfernung, was es zu einer überlegenen Option für Leiterplatten macht, bei denen Präzision und geometrische Genauigkeit von höchster Bedeutung sind, wie z. B. HF- und Mikrowellendesigns. Laserbohren ist präziser, hat im Vergleich zu anderen Techniken einen extrem niedrigen Stromverbrauch, erfordert weniger Wartung, verwendet keine Schmiermittel oder Bohrer, geringer Verschleiß, verwendet keine abrasiven Materialien, ruiniert die Platten nicht, ist umweltfreundlicher, und bei den leistungsstärksten Maschinen erfolgt das Bohren sofort, ist aber teuer. Eine weitere aufkommende Alternative zum Fräsen und Laserätzen ist ein additiver Ansatz, der auf dem Drucken der Leiterbahn basiert. Solche PCB-Drucker gibt es in verschiedenen Preisklassen und mit unterschiedlichen Funktionen, bieten aber auch eine schnelle interne Schaltungsherstellung mit sehr wenig bis gar keinem Abfall. Ein Beispiel für eine solche Technologie, die einfachere PCBs mit geringer Schichtanzahl herstellt, ist Voltera. Ein System am Ende des additiven Fertigungsansatzes mit höherer Schichtanzahl ist die DragonFly-Technologie von Nano Dimension, die komplexe Schaltungen mit hoher Schichtanzahl sowie elektromechanische Teile druckt.

Verweise

Externe Links