Введение

Фрезерование печатных плат

Фрезерование печатных плат (также: изоляционная фрезеровка) – это процесс фрезерования, используемый для удаления участков меди с листа материала печатной платы (ПП) для воссоздания контактных площадок, проводников и структур в соответствии с образцами из проекта цифровой платы, известного как файл макета. Подобно более распространенному и известному химическому процессу травления печатных плат, процесс фрезерования ПП является вычитающим: материал удаляется для создания необходимой электрической изоляции и земляных плоскостей. Однако, в отличие от химического травления, фрезерование ПП обычно не является химическим процессом и, следовательно, может быть выполнено в обычной офисной или лабораторной среде без контакта с опасными химическими веществами. Высококачественные печатные платы могут быть изготовлены обоими способами. В случае фрезерования ПП качество платы в основном определяется фактической или взвешенной точностью и контролем фрезерования системы, а также состоянием (остротой, закалкой) фрезерных инструментов и их соответствующими скоростями подачи и вращения. В отличие от этого, при химическом травлении качество платы зависит от точности и/или качества маски, используемой для защиты меди от химических веществ, и состояния травильного раствора.

Преимущества

Фрезерная обработка печатных плат имеет преимущества как для прототипирования, так и для некоторых специальных конструкций печатных плат. Главное преимущество заключается в том, что для производства печатных плат не требуется использовать химические вещества. Создание прототипа с помощью сторонних производителей занимает время. Альтернативой является изготовление печатной платы собственными силами. При использовании травления, производство собственными силами связано с проблемами, связанными с химикатами и их утилизацией. Печатные платы с высоким разрешением, изготовленные методом травления, сложно получить, и даже в этом случае все равно необходимо сверлить и вырезать плату из базового материала. Прототипирование на станках с ЧПУ обеспечивает быстрый процесс производства плат без необходимости травления. Если станок с ЧПУ уже используется для сверления, то один и тот же станок может выполнять обе операции – сверление и фрезерование. Станки с ЧПУ используются для сверления, фрезерования и резки. Многие платы, которые легко фрезеруются, было бы очень сложно обработать методом травления и последующим ручным сверлением в лабораторных условиях без использования передовых систем, которые обычно стоят во много раз дороже фрезерных станков с ЧПУ. В массовом производстве фрезерование вряд ли заменит травление, хотя использование ЧПУ уже является стандартной практикой для сверления плат.

Оборудование

Система фрезеровки печатных плат – это единый станок, способный выполнять все необходимые операции для изготовления прототипа платы, за исключением формирования переходных отверстий и гальванического покрытия сквозных отверстий. Для работы большинству таких станков требуется только стандартная розетка переменного тока и обычный промышленный пылесос.

Программное обеспечение

Программное обеспечение для фрезеровки печатных плат обычно поставляется производителем станка с ЧПУ. Большинство программ можно разделить на две основные категории — растровые и векторные. Программы, создающие траектории инструмента с использованием растрового метода вычислений, как правило, имеют более низкое разрешение обработки, чем векторные, поскольку они опираются на полученную растровую информацию.

Механическая система

Механизм фрезерной машины для печатных плат достаточно прост и основан на технологии фрезерных станков с ЧПУ. Система фрезеровки печатных плат аналогична миниатюрному и высокоточному фрезерному столу. Для управления машиной информация о позиционировании и команды управления передаются из управляющего программного обеспечения через последовательный или параллельный порт связи на бортовой контроллер фрезерной машины. Контроллер, в свою очередь, отвечает за управление и мониторинг различных компонентов позиционирования, которые перемещают фрезерную головку и портал, а также регулируют скорость шпинделя. Скорость вращения шпинделя может варьироваться от 30 000 до 100 000 об/мин в зависимости от системы фрезеровки, при этом более высокая скорость шпинделя обеспечивает лучшую точность. Вкратце, чем меньше диаметр инструмента, тем выше требуются обороты в минуту. Обычно эта система привода состоит из неконтролируемых шаговых двигателей для осей X и Y, неконтролируемого соленоида, пневматического поршня или трапецеидального винта для оси Z и схемы управления двигателем постоянного тока для регулировки скорости шпинделя, ни один из которых не обеспечивает обратную связь по положению. Более продвинутые системы оснащены контролируемым шаговым двигателем для оси Z, что обеспечивает более точное управление при фрезеровке и сверлении, а также более совершенными схемами управления шпинделем, обеспечивающими лучший контроль в более широком диапазоне скоростей.

Контроль оси X и Y

Для приводных систем осей X и Y большинство фрезерных станков с ЧПУ используют шаговые двигатели, которые приводят в движение прецизионный винт. Этот винт, в свою очередь, соединен с порталом или фрезерной головкой посредством специального, изготовленного с высокой точностью соединительного узла. Для поддержания правильного выравнивания во время фрезерования направление движения портала или фрезерной головки направляется вдоль с помощью линейных или ласточкиных подшипников. Большинство систем привода X/Y обеспечивают пользовательское управление скоростью фрезерования через программное обеспечение, определяющее скорость вращения шаговых двигателей для каждой оси.

Контроль оси Z

Привод и управление осью Z реализуются несколькими способами. Первый и наиболее распространенный – это простой соленоид, который давит на пружину. При подаче напряжения на соленоид, он опускает фрезерную головку вниз, упираясь в пружинный упор, который ограничивает ход вниз. Скорость опускания, а также величина усилия, прикладываемого к пружинному упору, должны устанавливаться вручную, посредством механической регулировки положения штока соленоида. Второй тип управления осью Z осуществляется с помощью пневматического цилиндра и управляемого программно клапана. Из-за небольшого размера цилиндра и давления воздуха, используемого для его приведения в действие, диапазон регулирования между верхним и нижним упорами невелик. Как соленоидная, так и пневматическая системы не могут позиционировать головку где-либо, кроме крайних положений, и поэтому пригодны только для простых операций фрезерования типа "вверх/вниз". Третий тип управления осью Z использует шаговый двигатель, позволяющий перемещать фрезерную головку небольшими, точными шагами вверх или вниз. Более того, скорость этих шагов можно регулировать, чтобы плавно вводить режущий инструмент в материал платы, а не вдавливать его. Глубина (количество шагов), а также скорость опускания/подъема находятся под управлением пользователя через управляющее программное обеспечение. Одна из основных сложностей при фрезеровании печатных плат – компенсация неровностей поверхности. Поскольку традиционные методы травления используют оптические шаблоны, которые непосредственно контактируют с медным слоем, они могут адаптироваться к любым незначительным изгибам материала, обеспечивая точное воспроизведение всех элементов. Однако при фрезеровании печатных плат любые малейшие колебания высоты, возникающие в процессе фрезерования, приводят к тому, что конические фрезы либо углубляются сильнее (создавая более широкий прорезь), либо поднимаются над поверхностью, оставляя невырезанный участок. Перед началом резки некоторые системы выполняют зондирование поверхности для измерения перепадов высоты и предварительной корректировки значений Z в G-коде.

Инструментальная работа

ПХД могут быть обработаны концевыми фрезами, коническими фрезами и шпоночными фрезами. Фрезы типа "D" и шпоночные фрезы недороги, и благодаря своей небольшой режущей кромке позволяют располагать проводники близко друг к другу. Уравнение Тейлора, Vc Tn = C, позволяет прогнозировать ресурс инструмента при заданной скорости резания.

Альтернативы

Метод, обладающий аналогичными преимуществами, что и механическая фрезеровка, – это лазерная гравировка и лазерное сверление. Гравировка печатных плат лазером предлагает те же преимущества, что и механическая фрезеровка, в отношении быстрых сроков изготовления, но природа процесса лазерной гравировки предпочтительнее как фрезеровки, так и химического травления, когда речь идет о физических воздействиях на объект. В то время как механическая фрезеровка и химическое травление оказывают физическое напряжение на плату, лазерная гравировка обеспечивает бесконтактное удаление материала с поверхности, что делает ее превосходным вариантом для печатных плат, где точность и геометрическая точность имеют первостепенное значение, например, для радиочастотных и микроволновых устройств. Лазерное сверление более точное, имеет чрезвычайно низкое энергопотребление по сравнению с другими технологиями, требует меньшего обслуживания, не использует смазочные материалы или сверла, характеризуется низким износом, не применяет абразивные материалы, не повреждает платы, более экологично, а на самых мощных станках сверление происходит мгновенно, но является дорогостоящим. Дополнительной, развивающейся альтернативой фрезеровке и лазерной гравировке является аддитивный подход, основанный на печати проводящих дорожек. Такие принтеры для печатных плат предлагаются в различных ценовых категориях и с разными характеристиками, но также обеспечивают быстрое внутрипроизводственное изготовление схем с минимальным количеством отходов или без них. Примером такой технологии, которая производит более простые печатные платы с небольшим количеством слоев, является Voltera. Система, относящаяся к более высокому количеству слоев в аддитивном производстве, – это технология DragonFly от Nano Dimension, которая печатает сложные схемы с большим количеством слоев, а также электромеханические компоненты.