CC BY
110Компоненты и технологии, № 7'2002
Оборудование фирмы LPKF:
производство печатных плат в домашних условиях
В ходе разработки любого электронного прибора обязательно приходится изготовить несколько его рабочих макетов. Традиционно схема, состоящая из десятка микросхем и транзисторов, легко распаивается на стандартной макетной плате. Хуже обстоит дело при макетировании более сложного изделия, состоящего из многих десятков, а то и сотен элементов, а тем более изделия, изготавливаемого по технологии поверхностного монтажа. Здесь уже не обойтись без полноценной печатной платы.
А что же делать, если макет прибора необходимо через несколько дней, а участок по производству печатных плат принимает заказы только на следующий месяц?
Михаил Петров
Необходимость изготовления макетов печатных плат всегда была камнем преткновения для разработчиков электронных приборов. Ведь далеко не всякую схему можно опробовать на унифицированной макетной плате. Этому препятствует и сложность схемы, и ее функциональное назначение. Вряд ли кому удастся распаять на макетной плате несколько десятков микросхем. И тем более, никому не придет в голову макетировать таким образом, например, высокочастотную микросборку, в которой каждый отдельный проводник является полноценным элементом схемы.
Поэтому во многих случаях не обойтись без изготовления полноценного образца печатной платы. Лет 20 назад такая проблема решалась просто: лак для ногтей, стеклянный рейсфедер, самодельная сверлилка, кусок стеклотекстолита, банка хлорного железа — и через несколько часов макет готов. Но вот появилась необходимость разработать малогабаритный прибор. Вы заложили в проект использование микросхем в корпусах типа TSOP, SOP, ^MAX и столкнулись с непреодолимой проблемой — такие печатные дорожки уже не нарисовать вручную!
Остается другой вариант. Вы разводите печатную плату в одном из широко распространенных программных пакетов, отдаете результаты разводки в производство и через некоторое время получаете готовую плату. Все вроде бы гладко и красиво. Только одна небольшая проблема: время! В лучшем случае задержка на производственном участке составляет не-делю-другую. Через пару недель вы получаете долгожданную плату, распаиваете ее, настраиваете свой прибор и выясняете, что для успешной сдачи его в производство необходимо изменить схему в одном, другом, третьем месте... И снова доработка платы, заказ, производственный цикл. Снова расходы на производство. А главное — снова время, время и время...
Если всего несколько лет назад требовалось от б до В месяцев на претворение идеи в готовую продук-
цию, то сегодня это должно быть выполнено за несколько недель. Вряд ли кто-либо из ваших заказчиков согласится ждать выполнения своего заказа на протяжении полугода. Есть риск, что в таких условиях он уйдет и больше никогда не вернется. Опять мы уперлись в труднопреодолимую проблему.
Механическая обработка печатных плат
Готовое решение было предложено еще в 1976 году сотрудниками фирмы LPKF. Необходимо только с другой стороны посмотреть на сам процесс производства печатной платы. Это сразу ассоциируется с химическим травлением, с хлорным железом. А кто сказал, что химический процесс обязателен? Химики? А вот механики фирмы LPKF говорят, что можно изготовить плату механическим способом — путем прецизионного фрезерования. Берется заготовка из фольгированного диэлектрика и специальный высокоточный станок как бы «обводит» печатные проводники, снимая вокруг них проводящее покрытие при помощи микрофрез.
На первый взгляд может показаться, что таким способом изготавливается только сравнительно «гру-баю» печатнаю плата. Мы привыкли, что при стандартном химическом методе производства можно, например, провести между ножками микросхемы в корпусе типа DIP один, два, а то и три проводника. А что же может механический метод? И тут мы оказываемся приятно удивлены — современный прецизионный станок фирмы LPKF позволяет профрезе-ровать в аналогичной ситуации аж до пяти проводников! И далеко не всякий химический метод может соперничать с таким результатом.
Несмотря на уникальные возможности, долгое время продукция фирмы LPKF не находила серьезного применения в нашей стране. Ведь прецизионный станок и стоит немало. «А за чем, собственно, дело стоит? Возьмем обычный графопостроитель
-Q-
Компоненты и технологии, № 7'2002
и приладим к нему вместо пера малогабаритную сверлильную машинку. Вот вам и готовый станок. И обойдется все это раз в 10 дешевле... » — такие слова приходилось неоднократно слышать на протяжении многих лет.
Да это и понятно. Кто же мог себе позволить в условиях практически полного развала производства потратить десяток-другой тысяч долларов на приобретение станка LPKF?
Но, наконец, отечественная экономика начинает оживать, а вместе с этим и оживает интерес к продукции LPKF. И хотя по-прежнему надо потратить большие деньги на приобретение самого станка и инструмента к нему, однако благодаря этому вы можете значительно сократить сроки новых разработок и опередить конкурентов в борьбе за новые заказы.
Одновременно и сотрудники фирмы LPKF не стоят на месте. Обладая многолетним опытом в области быстрого макетирования печатных плат и гибко реагируя на запросы современного рынка, они предлагают все новые варианты решений. Появилась возможность самостоятельного изготовления макетов многослойных плат. Кроме станков для изготовления макетов печатных плат появились и портативные комплекты оборудования для поверхностного монтажа компонентов.
И наконец, постепенно меняются и сами методы обработки. Ведь по мере увеличения плотности монтажа возросли и требования к производственному оборудованию, а возможности простой механической обработки наконец-то достигли своего предела. На смену механической пришла лазерная обработка материалов.
Производственный цикл
Обладая непревзойденным опытом в области изготовления макетов печатных плат, накопленным начиная с 1976 года, компания LPKF предлагает полный комплекс оборудования и программного обеспечения для быстрого изготовления макетов и мелкосерийного производства печатных плат. «Сердцем» этого комплекса, конечно же, является прецизионный станок ProtoMat, предназначенный для фрезеровки платы. Но один только станок — это еще не решение всех проблем. Для успешного функционирования любого организма необходимы кроме сердца еще и другие жизненно важные органы.
При этом, чтобы вы случайно не приладили голову льва к телу кролика, сотрудники фирмы LPKF всегда готовы взять на себя заботу о подборе комплекта оборудования, необходимого именно для вашего конкретного случая. Обсудив вместе с вами вопросы, связанные с необходимым объемом производства, сложностью разрабатываемых плат и перспективами дальнейшего развития производства, вам будут предложены рекомендации по подбору необходимого комплекта оборудования. Это, конечно, просто рекомендации, вы всегда можете заказать оборудование на свое усмотрение. Но поверьте профессионалам — за их рекомендациями стоят тысячи инсталляций оборудования на протяжении более чем 25 лет. Причем сотрудники фирмы
ЬРКБ всегда очень внимательно следили за требованиями современного рынка и старались не просто поставить заказчикам свое оборудование, но и обеспечить его максимально эффективное использование в каждой конкретной ситуации. Без этого, наверное, вообще не мыслимо существование любой фирмы, успешно работающей на рынке высокотехнологичного оборудования.
Давайте же вместе с вами пройдем последовательно по всему технологическому циклу производства макета печатной платы и посмотрим, что же еще, кроме самого станка, должно входить в состав готового комплекса.
Итак, вы уже развели необходимую плату. Кажется, что вся работа уже закончена и можно передать ее результаты для изготовления макета. Но посмотрите внимательно на рисунок проводников. В нем вроде бы нет ничего необычного. Обычный рисунок для обычного производства, но производства химического!
Чтобы понять, что в этом рисунке не подходит для механического изготовления, предположим предельный вариант — вся ваша плата предназначена для соединения всего двух проводников и поэтому состоит только из двух контактных площадок и одной соединительной дорожки между ними. Плату вы развели в одном из стандартных пакетов проектирования, например в широко распространенной системе Р-САБ. Ваша система проектирования, как и любая другая, предназначена для разводки печатной платы, обеспечивающей необходимое соединение контактных площадок. Поэтому на рисунке платы вы увидите две контактных площадки и сравнительно узкую соединительную дорожку между ними. Ширина дорожки, конечно же, может варьироваться в определенных пределах, заданных конкретной программой, но это все равно соединительная дорожка. Оставшаяся поверхность печатной платы никак не участвует в процессе соединения площадок и проводящее покрытие с нее должно быть удалено в процессе производства. При стандартном методе химического травления печатной платы это приведет разве что к повышенному расходу химических реактивов.
Совсем другое дело, если вы попытаетесь изготовить такую плату на прецизионном фрезерном станке. Представьте себе, что почти все проводящее покрытие должно быть удалено с поверхности платы при помощи микрофрезы рабочим диаметром порядка 100 мкм! Как вы думаете, сколько времени на это понадобится и на каком этапе изготовления первой же платы ваша фреза безнадежно затупится? И вам сразу же станет понятно, что такой рисунок совершенно не пригоден для изготовления печатной платы методом фрезеровки. Каков же выход из сложившейся ситуации?
А выход очень прост. Вам необходимо только отделить вашу дорожку от оставшегося проводящего покрытия. И теперь не понадобится снимать все это покрытие, ведь оно никак не соединено с необходимым вам проводником. А чтобы отделить дорожку от оставшейся поверхности платы, достаточно
просто снять узкую полоску проводящего покрытия по всему контуру проводника. Теперь достаточно только одного прохода микрофрезой по контуру проводящей дорожки — и плата готова.
В реальной жизни, конечно же, все нет так. И реально проводниками занята значительно большая часть поверхности. Но приведенный пример проиллюстрировал нам основную идею подготовки рисунка печатной платы к производству механическим методом.
И теперь вступает в работу программное обеспечение. Причем необходимо отметить, что все необходимое программное обеспечение обязательно входит в комплект поставки самого станка и вам не нужно метаться по окрестным торговым точкам или просторам Интернета в поисках необходимых программ.
CircuitCAM — программа обработки рисунка печатной платы
На приведенном выше примере была продемонстрирована сама необходимость обработки уже готовой разводки печатной платы. Теперь мы посмотрим, как же это осуществляется на самом деле.
Вернемся немного назад, к тому моменту, когда вы закончили разводку платы в одном из пакетов проектирования и получили готовый файл разводки. Программы проектирования бывают разные, и соответственно, кардинально различаются и форматы представления данных в файлах. Но любой пакет проектирования печатных плат предназначен для окончательного вывода информации на исполнительные устройства. А промышленным стандартом входных данных в таких исполнительных устройствах уже давно стали два — GERBER для фотоплоттеров и EXCELLON для автоматических сверлильных станков. И любая программа проектирования печатных плат, кроме всевозможных других вариантов, обязательно поддерживает вывод данных в этих двух стандартах. Именно они и стали основными форматами импорта данных в программу CircuitCAM.
Итак, закончив разводку, вы экспортировали данные в форматы GERBER и EXCELLON и с их помощью перенесли свои данные в программу CircuitCAM. На этом этапе можно просмотреть поступившую информацию и в случае необходимости вручную внести необходимые коррективы в рисунок платы. При последующих модернизациях платы можно даже не возвращаться к программе разводки, а вносить свои изменения непосредственно в программе CircuitCAM.
Затем программой осуществляется оконту-ривание всех печатных проводников. Дальнейшей фрезеровке подлежит только узкий изолирующий контур вокруг каждого проводника. Вся остальная поверхность платы остается нетронутой. Причем уже на этом этапе оконтуривание производится с учетом того инструмента, который будет использоваться для обработки платы. На следующем рисунке приведен фрагмент рисунка печатной платы после предварительной обработки данных.
е
Компоненты и технологии, № 7'2002
Рис. 1. Фрагмент рисунка печатной платы после предварительной обработки в программе CircuitCAM
Красным и синим цветами на рисунке выделены, соответственно, печатные проводники и отверстия для сверления. Зеленым и серым цветами отмечены области, подлежащие обработке инструментами различной толщины. Поверхность материала, закрашенная черным цветом, остается нетронутой в процессе обработки. Легко заметить, что фрезерной обработке подлежит только поверхность, окрашенная в зеленый и серый цвет и составляющая лишь небольшую долю поверхности печатной платы.
Теперь, наконец, данные для работы станка готовы, могут быть сохранены на диске и в дальнейшем использоваться для обработки печатной платы под управлением программы ВоаЫМа81ег.
Воа^МагГвг — программа управления фрезерным станком
Программа ВоаЫМа81ег с предельно простым и дружественным интерфейсом предназначена непосредственно для управления станками семейства Рго1оМа1. Графический интерфейс программы обеспечивает отображение данных, сгенерированных в результате работы программы ЬРКБ СксшйСАМ или любых других входных данных в формате НРОЬ. Вы можете произвольно скомбинировать на макете печатной платы данные из нескольких файлов или же просто размножить готовый рисунок по поверхности всей заготовки. Таким образом можно добиться
оптимального использования площади заготовки печатной платы и оптимизировать использование сменного инструмента.
В процессе работы станка на экране монитора всегда подсвечивается обрабатываемая в данный момент область платы. В любой момент процесс обработки может быть приостановлен для осмотра результатов работы, и затем обработка может быть продолжена. Области, требующие повторной обработки, могут быть легко отмечены на экране монитора. Возможно и непосредственное ручное управление перемещением режущего инструмента по вертикали и горизонтали.
Программа содержит также параметры различных рабочих инструментов и автоматически управляет необходимой скоростью вращения приводного электродвигателя, перемещением рабочей головки по поверхности печатной платы и скоростью сверления отверстий. Кроме этого осуществляется непрерывный контроль над продолжительностью работы каждого используемого инструмента и оператору выдается приглашение на его смену в случае выработки ресурса или при необходимости смены инструмента для осуществления других операций. При использовании станка Рго1оМа1 958 все операции по замене инструмента осуществляются автоматически.
ЬРДО РгоГоМаГ — станок для фрезеровки печатных плат
Наконец-то мы достигли и «сердца» всего производственного комплекса. Все необходимые данные уже готовы и можно приступать непосредственно к фрезеровке платы. На этом этапе вы можете воспользоваться одним из прецизионных сверлильно-фрезерных станков семейства LPKF ProtoMat. Причем с его использованием мы столкнемся еще не раз и на других этапах производства. Так что же отличает такой станок от того самого «графопостроителя, дополненного сверлильной машинкой»? Представим себе конструкцию станка.
Для высокоточной обработки печатной платы используются специальные микрофрезы. Рабочий диаметр стандартной фрезы составляет всего 200 мкм. Диаметр специальной
Рис. 2. Компоновка печатной платы в программе BoаrdMаster
микрофрезы и того меньше — всего 100 мкм. Для фрезеровки материала при помощи такого инструмента требуется огромная скорость вращения. Скорость вращения рабочего инструмента в некоторых моделях семейства РгоІоМаї достигает 100 000 оборотов в минуту. А вам когда-нибудь приходилось видеть в работе электродвигатель с такой скоростью вращения? Это не просто электродвигатель. Это целый узел со специальной подвеской, специальной смазкой. После его включения один только выход на рабочий режим продолжается не одну минуту.
Таблица
Модель ProtoMat 020 ProtoMat 030/5 ProtoMat 060 Рго^Ма С100/НР ProtoMat М30/5 ProtoMat М60 ProtoMat Х60 ProtoMat 955
Рабочая область 200x340 мм 200x340 мм 200x340 мм 200x340 мм 375x540 мм 375x540 мм 530x650 мм 380x420 мм
Разрешение 7.937 мкм 7.937 мкм 7.937 мкм 7.937 мкм 7.937 мкм 7.937 мкм 7.937 мкм 5 мкм
Точность повторения ± 5 мкм ± 5 мкм ± 5 мкм ± 5 мкм ± 5 мкм ± 5 мкм ± 5 мкм ± 5 мкм
Мин. диаметр отверстий 0.5 мм 0.3 мм 0.2 мм 0.2 мм 0.3 мм 0.2 мм 0.2 мм 0.2 мм
Мин. ширина проводника 0.2 мм 0.1 мм 0.1 мм 0.1 мм 0.1 мм 0.1 мм 0.1 мм 0.1 мм
Мин. зазор между проводниками 0.2 мм 0.2 мм 0.1 мм 0.1 мм 0.2 мм 0.1 мм 0.1 мм 0.1 мм
Двигатель привода инструмента Пост. тока Пост. тока, Трехфазный, Трехфазный, Пост. тока, Трехфазный, Трехфазный, Трехфазный,
регулируемый регулируемый регулируемый регулируемый регулируемый регулируемый регулируемый
20000 5000...32000 10000...60000 10000...100000 5000...30000 10000...60000 10000...60000 10000...60000
Скорость вращения инструмента об/мин об/мин об/мин об/мин об/мин об/мин об/мин об/мин
Смена инструмента Полуавтомат Полуавтомат Полуавтомат Полуавтомат Полуавтомат Полуавтомат Полуавтомат Автомат, 30 позиций
Макс. скорость сверления 60 отв./мин 78 отв./мин 90 отв./мин 120 отв./мин 78 отв./мин 90 отв./мин 120 отв./мин 120 отв./мин
Макс. скорость фрезеровки 40 мм/с 40 мм/с 40 мм/с 40 мм/с 40 мм/с 40 мм/с 40 мм/с 60 мм/с
Потребляемая мощность 150 ВА 150 ВА 200 ВА 200 ВА 150 ВА 200 ВА 200 ВА 240 ВА
Габаритные размеры 420x350x565 420x355x565 420x330x565 420x330x565 600x395x760 600x370x760 750x370x900 600x430x750
Вес 24 кг 24 кг 24 кг 25 кг 43 кг 43 кг 69 кг 50 кг
Компоненты и технологии, № 7'2002
А теперь представьте себе, что этот узел необходимо перемещать по всему рабочему полю станка с точностью около 5 мкм! И вы поймете, какой точностью и жесткостью должен обладать его привод. Ведь, например, только для того, чтобы обеспечить необходимую жесткость, в станках Рго1оМа1 используется несущий рабочий стол, изготовленный из литой алюминиевой плиты толщиной 75 мм!
С основными параметрами станков семейства Рго1оМа1 вы можете ознакомиться в таблице.
Итак, вы приобрели один из станков семейства Рго1оМа1. Все необходимые для его работы данные уже подготовлены. Осталось только закрепить печатную плату на специальных направляющих штифтах рабочего стола и можно начинать обработку. Установив в цанговом зажиме станка сверло необходимого диаметра, вы обрабатываете сквозные отверстия платы. После ослабления зажима вы заменяете сверло подходящей микрофрезой, с помощью кнопок ручного управления перемещением инструмента рисуете две-три линии за пределами рабочего участка печатной платы, на которых подбираете необходимую глубину погружения инструмента, и начинается второй этап обработки — фрезеровка изолирующих промежутков вокруг проводников. Немного терпения — и печатная плата готова. На рис. 4 приведен образец печатной платы, изготовленной на станке семейства Рго1оМа1. Чтобы немного представить производительность станка Рго1оМа1, отметим, что суммарное время обработки такой платы составляет 48 минут.
Но это пока только односторонняя плата, а развести необходимую схему вам удалось только на двух сторонах. Как же изготовить двустороннюю плату? Сам по себе процесс ее изготовления практически ничем не отличается от односторонней. Достаточно просто обработать одну сторону платы, перевернуть ее на направляющих штифтах, снова подобрать правильную глубину обработки и совместить рисунок с уже просверленными отверстиями по специальным реперным точкам. Теперь можно начинать фрезеровку и второй стороны. И вот печатная плата вроде бы готова, хотя двусторонняя печатная плата без металлизации отверстий — вещь весьма условно пригодная для использования. Необходимо каким-то образом все же решить проблему металлизации. Эту заботу тоже взяли на себя инженеры компании ЬРКБ.
Оборудование для металлизации отверстий и изготовления многослойных печатных плат
Для полного завершения цикла производства двусторонних печатных плат было предложено несколько различных способов. От наиболее простого и дешевого ручного инструмента для запрессовки в отверстия металлических пистонов до практически полностью автоматизированного комплекса для гальванической металлизации отверстий.
Первый и самый простой вариант металлизации состоял в запрессовке в отверстия металлических пистонов с их последующей пайкой к проводникам печатной платы. Для этого на протяжении продолжительного времени выпускался комплект, получивший название LPKF Copperset. В состав набора входил портативный ручной пресс и специальная проволока из оловянно-свинцового припоя с гальваническим покрытием высокочистой медью толщиной 25...30 мкм. Проволока вставлялась в отверстие печатной платы, обрезалась до необходимой длины и запрессовывалась в отверстие при помощи ручного пресса. При последующей пайке печатной платы проводящее медное покрытие на поверхности проволоки надежно припаивалось к печатным проводникам. В настоящий момент комплекты ЬРКБ Соррегее1 снимаются с производства, но им на смену приходит комплект LPKF EasyContac с почти аналогичным принципом действия.
Начиная с 1995 года компания ЬРКБ предлагает своим заказчикам уникальный комплект оборудования для металлизации отверстий печатных плат — LPKF AutoContac. Нанесение электропроводящего покрытия на стенки отверстий осуществляется после фрезеровки платы с помощью того же самого станка Рго1оМа1 и специально разработанной проводящей пасты. Оборудование обеспечивает практически полностью автоматизированный процесс производства двусторонних печатных плат средней сложности (до 400 отверстий) из различных фольгированных материалов.
Процесс производства двусторонней печатной платы разбивается на несколько этапов:
1. На первом этапе осуществляется сверление отверстий и фрезеровка токопроводящих дорожек на обеих сторонах платы. Этот этап
выполняется при помощи стандартного станка семейства Рго1оМа1 и с использованием стандартного инструмента. На этом этапе процесс обработки платы ничем не отличается от изготовления двусторонней платы без металлизации отверстий.
2. Затем отверстия печатной платы заполняются специальной токопроводящей пастой при помощи насадки, закрепляемой на рабочей головке станка Рго1оМа1. Продавли-вание пасты сквозь отверстия платы осуществляется за счет избыточного давления в дозирующей насадке, создаваемого двухрежимным компрессором, входящим в состав оборудования. Весь процесс заполнения отверстий пастой осуществляется полностью автоматически под управлением персонального компьютера. Специальная библиотека, входящая в состав программы ЬРКБ ВоаЫМа81ег, управляет дозированием токопроводящей пасты для отверстий различного диаметра.
3. На этом этапе двухрежимный компрессор переключается на режим создания необходимого уровня разрежения, и избыточное количество пасты отсасывается из отверстий печатной платы при помощи того же самого дозирующего приспособления и также под управлением персонального компьютера. После осуществления этой операции на стенках отверстий остается строго определенное количество токопроводящей пасты.
4. Теперь остается только окончательно зафиксировать результаты обработки. Для этого печатная плата загружается в любую печь, обеспечивающую нагрев до температуры 160 °С и выдержку при этой температуре на протяжении 30 минут. За это время токопроводящая паста приобретает достаточную механическую прочность и обеспечивает надлежащий электрический контакт между печатными проводниками, расположенными по обе стороны платы.
Максимальной производительности при металлизации отверстий и наибольшей механической прочности покрытия можно достичь при использовании гальванических методов металлизации. Для этого компанией ЬРКБ выпускаются два комплекта оборудования ЬРКБ СоПас II и М1шСоП:ас II. Отличаясь между собой только габаритами и максимальным размером обрабатываемых плат, они обеспечивают гальваническое покрытие отверстий слоем меди толщиной до 35 мкм. Полный цикл включает обработку печатных плат последовательно в 4-х ваннах со специальными растворами и продолжается не более 90 минут. Поскольку оборудование предназначено для использования непосредственно в рабочей лаборатории, особое внимание уделено максимальной простоте обслуживания и организации полностью безотходного производства. Поэтому компания ЬРКБ осуществляет даже прием отработанных реактивов.
Но что же делать, если и двусторонней платы не хватает для разводки схемы и необходимо использование, по крайней мере, 4 про-
е
Компоненты и технологии, № 7'2002
водящих слоев? До недавнего времени процесс макетирования многослойной печатной платы в лабораторных условиях был сопряжен с огромными проблемами. С одной стороны, приобретение оборудования для серийного производства многослойных плат было неоправданно дорогим удовольствием, да и само производство совсем было совсем не адаптировано для изготовления одного или нескольких макетов. С другой стороны, попытки изготовления многослойных плат у сторонних производителей были сопряжены с большими сроками производства, и мало кто из производителей соглашался сделать вам всего одну плату.
Поэтому компанией ЬРКБ была предложена специальная методика производства многослойных печатных плат в лабораторных условиях. Гравировка отдельных слоев платы осуществляется при помощи стандартного станка семейства ЬРКБ Рго1оМа1, объединение отдельных проводящих слоев в единую многослойную структуру осуществляется с помощью специального пресса LPKF MultiPress II с микропроцессорным управлением, а необходимая металлизация отверстий может быть выполнена при помощи оборудования ЬРКБ СоПас II или М1тСоп1ас II.
Процесс производства многослойной печатной платы можно рассмотреть на примере 4-слойной платы:
1. На первом этапе осуществляется фрезеровка двух внутренних слоев печатной платы при помощи стандартного станка семейства Рго^Ма^ На этом этапе процесс обработки платы ничем не отличается от изготовления макета двусторонней печатной платы.
2. Затем печатная плата ламинируется с использованием ЬРКБ МшШРге88 II и специальной фольгированной пленки. После этого полученная 4-слойная заготовка оставляется в покое, по крайней мере, на 2 часа — это необходимо для снятия внутренних напряжений в материале.
3. После необходимой выдержки в печатной плате при помощи станка Рго1оМа1 сверлятся отверстия.
4. С помощью оборудования ЬРКБ Соп1ас II или Мт1Соп1ас II осуществляется металлизация отверстий. Это обеспечивает необходимые электрические соединения между наружными и внутренними слоями платы.
5. И наконец, станок Рго1оМа1 снова используется для фрезеровки токопроводящих дорожек на наружных поверхностях платы. В результате вы получаете готовый макет
многослойной печатной платы, полностью изготовленный в условиях вашей лаборатории.
Поскольку ЬРКБ МшШрге88 II был специально разработан для изготовления макетов многослойных печатных плат в лабораторных условиях, при его разработке были предприняты все возможные меры для максимальной автоматизации процесса работы и простоты обслуживания оборудования неподготовленным персоналом. С помощью ЬРКБ МшШрге88 II можно без проблем изготовить образцы 4- и 6-слойных печатных плат размером до 220x280 мм.
Оборудование для поверхностного монтажа компонентов
В настоящее время практически любой электронный прибор не обходится без использования малогабаритных компонентов для поверхностного монтажа. А это приносит дополнительные проблемы для макетирования. Уже микросхему в корпусе TQFP с расстоянием между выводами 0,5 мм практически невозможно припаять обычным паяльником. А что же делать с корпусом ВОА? Штук 200 выводов, и все под корпусом микросхемы!
Специальное подразделение компании ЬРКБ, расположенное в Словении, обеспечивает выпуск оборудования, позволяющего решить в лабораторных условиях лаборатории и эту проблему. Комплекты оборудования для поверхностного монтажа, как и вся продукция ЬРКБ, обеспечивают комплексное решение. Причем в зависимости от требований конкретного производства предлагаются различные варианты — от самого простого и дешевого ручного до полуавто-матизированного, с контролем размещения компонентов при помощи видеокамеры.
Если вам вообще не требуется специального оборудования для размещения на плате компонентов для поверхностного монтажа, все компоненты достаточно крупногабаритные и могут быть припаяны вручную, то чтобы в процессе пайки случайно не закоротить соседние проводники, достаточно нанести на поверхность платы специальную защитную маску. Нанесение защитной маски значительно облегчает монтаж компонентов, повышает надежность пайки и дополнительно защищает плату от воздействия окружающей среды. Преимущества такой защиты широко известны, и она активно используется при массовом производстве печатных плат. Однако при изготовлении отдельных макетов совершенно нецелесообразна закупка специального оборудования для печати или фотохимического нанесения защитных масок. Поэтому большинство макетов остается без каких-либо защитных масок.
Сотрудники фирмы ЬРКБ предложили альтернативный вариант решения этой проблемы. Защитная маска может быть создана даже на поверхности всего одного образца печатной платы и без использования каких-либо химических реактивов. Вы просто фрезеруете необходимый рисунок маски с помощью того же самого станка Рго1оМа1 на специальной защитной пленке и наносите эту пленку на поверхность платы.
Для процесса нанесения пленки может использоваться специальный малогабаритный пресс ЬРКБ М1п1Рге88, входящий в состав набора Еа8у8оЫег, или стандартный ЬРКБ Мик1Рге88 II, используемый при изготовлении многослойных печатных плат.
Если же ручная пайка компонентов невозможна из-за их малых габаритов, то вам уже никак не обойтись без стандартного технологического процесса поверхностного монтажа, связанного с нанесением на контактные площадки паяльной пасты, установкой компонентов и пайкой их путем нагрева в специальной печи. И здесь фирмой ЬРКБ также предлагается несколько различных комплектов оборудования, использование которых определяется объемами производства и необходимой точностью при позиционировании компонентов. В каждый из комплектов входит портативное устройство для нанесения паяльной пасты, один из вариантов устройства для установки компонентов и печь для пайки смонтированной платы.
На первом этапе процесса монтажа требуется нанести на контактные площадки печатной платы паяльную пасту. В промышленных условиях этот процесс обычно осуществляется при помощи специальных трафаретов и на стационарных станках. Аналогичный, но только настольный вариант предлагается и для макетирования печатной платы. Сам трафарет может быть изготовлен прямо на станке ЬРКБ РгоІоМаї с использованием того же файла разводки, по которому осуществлялась и фрезеровка самой платы. Готовый трафарет закрепляется над поверхностью печатной платы в специальном настольном станке LPKF ZelPrmt, и сквозь отверстия трафарета на контактные площадки платы наносится паяльная паста.
После нанесения пасты плата переставляется в один из станков семейства ZelPlace, с помощью которого осуществляется установка компонентов на поверхность платы. При этом, в зависимости от необходимой
Компоненты и технологии, № 7'2002
точности позиционирования компонентов и степени автоматизации процесса, вы можете выбрать одну из четырех моделей семейства 2е1Р1асе. Диапазон предлагаемых вариантов — от обыкновенной вакуумной присоски до прецизионного трехкоординатного манипулятора с контролем позиционирования компонентов при помощи видеокамеры. Все станки семейства 2е1Р1асе могут оснащаться многопозиционным поворотным магазином для рассыпных компонентов и различными подающими механизмами для компонентов, упакованных в ленте или в стандартных пеналах.
После окончания монтажа печатная плата переносится в печь ЬРКБ ZelFlow, где и осуществляется пайка изделий при температуре до 270 °С. Конструкция Ze1F1ow позволяет использовать ее не только для пайки, но и для нанесения защитных масок Еа8у8оЫег или для температурной обработки электропроводящей пасты в составе комплекта для металлизации отверстий ЬРКБ АШоСойас.
Заключение
В этой статье мы постарались познакомить вас с процессом самостоятельного изготовления одиночных экземпляров или мелких серий печатных плат. И для этого совсем не требуется ни заводских цехов, ни просто отдельного помещения. Ведь в минимальной конфигурации весь производственный комплекс, состоящий из станка Рго1оМа1, системы удаления отходов производства, необходимого запаса расходных материалов и инструмента, занимает приблизительно половину обыкновенного письменного стола. Такой производственный комплекс можно свободно расположить не только прямо в вашей лаборатории, но и даже в жилой квартире. Тем более что поставляемые дополнительно защитные шкафы практически полностью изолируют окружающее помещение от загрязнения продуктами обработки и значительно ослабляют шум, возникающий при работе станка. Даже в максимальной комплектации весь комплекс для производства многослойных печатных плат и поверхностного монтажа компонентов легко разместится в условиях лаборатории.
Следует отметить, что применение оборудования фирмы ЬРКБ не ограничивается только изготовлением печатных плат. Высокая точность
станка Рго1оМа1 в сочетании с исключительной механической прочностью позволяет без проблем гравировать с его помощью не только печатные платы, но и различные полимерные материалы и даже алюминиевые элементы корпусов. А большое рабочее поле некоторых станков семейства позволяет, например, целиком расположить на нем алюминиевую переднюю панель прибора стандарта 19", осуществить фрезеровку необходимых отверстий в панели и гравировку надписей.
На этом и хотелось бы закончить обзор одного из направлений в производственной программе фирмы ЬРКБ. Новые времена требуют развития новых направлений. На смену механической обработке приходит лазерная. Это позволяет не только значительно повысить точность обработки, но и открывает невиданные ранее горизонты. Становится возможной обработка и полимерных, и металлических, и даже керамических изделий. И, наконец, появляется возможность прямого нанесения проводящих дорожек на поверхность полимерных материалов — и своеобразной печатной платой становится уже сам корпус прибора!
Рис. 8. Установка LPKF ZelPlаce для поверхностного монтажа компонентов
О
