Прототипное изготовление плат сухим методом

скачать (8764.1 kb.)

  1   2
Содержание
1. «Сухой» метод изготовления печатных плат

2. Оборудование фирмы LPKF: производство печатных плат в домашних условиях

. Лазерные разработки расширяют возможности LDI

Заключение

Список использованной литературы

1. «Сухой» метод изготовления печатных плат
Очевидно, что экспериментальное производство не ориентировано на поставку плат на рынок массовой продукции. Его задача воспроизводить проект с наименьшими временными и финансовыми издержками. Для его создания достаточно ограничиться минимальными капитальными затратами, небольшой численностью персонала и невысоким уровнем его профессионализма в области химических технологий. Объем такого производства печатных плат - 0,1…0,3 м2/ч - достаточен для удовлетворения нужд проектных организаций. Если такое производство оперативно решает задачи создания полноценных образцов электронных модулей, пригодных для запуска в серию, что называется «с листа», для НИИ и КБ оно становится рентабельным.

При оформлении лицензии на право деятельности экспериментальные производства печатных плат (ПП) всегда попадают под пресс Санэпидемнадзора (СЭС) из-за возможных промышленных стоков, присущих традиционным технологиям. Решение проблемы создания очистных сооружений, как правило, невозможно из-за отсутствия места, средств и желания. Поэтому проектные организации интуитивно ищут альтернативные методы изготовления печатных плат, не создающие подобных проблем.

Для удовлетворения этой потребности создан комплекс процессов, при котором формирование рисунка производят механическим скрайбированием контура проводников. Образующиеся изоляционные зазоры отделяют проводники и контактные площадки от общего массива фольги, формируя топологический рисунок платы (рис.1)

Рис. 1. Скрайбирование зазоров на внутренних слоях



Если достаточно такой конструкции платы, вредные отходы производства полностью отсутствуют. Если же на плате необходимо выполнить паяльную маску и маркировку, в отходах появляются отработанные содовые растворы, идентичные бытовым стокам при стирке белья, которые СЭС волновать не должны. В «сухой» технологии многослойных печатных плат (МПП) неизбежно появляется необходимость в химической и гальванической металлизации отверстий для электрического соединения с внутренними слоями. Но хотя эти процессы и относятся к разряду «мокрых», промстоков они не создают.

Сравнительные данные по отходам производства традиционной и «сухой» технологии приведены в (табл. 1.)

Кроме того, «сухая» технология позволяет быстро (за 2…3 часа) изготовить макетные образцы и полноценные платы, выдерживающие испытания по полному набору воздействий ГОСТ 23752 «Платы печатные. ОТУ». Естественно возникает вопрос: «Почему же промышленность не использует «сухую» технологию при таких ее преимуществах?» Ответ прост - печатные платы потому и называются «печатными», что процессы их изготовления предполагают большие тиражи, которые, как в издательском деле, используют процессы полиграфии. Большие разовые затраты на подготовку производства(допечатные процессы) окупаются только при больших тиражах. В «сухих» процессах отсутствуют операции, а значит, и оборудование для изготовления фотошаблонов, фотолитографии, травления, удаления отработанных фоторезистов. За счет этого сокращаются затраты и время изготовления печатных плат, но только для единичных образцов, хотя это и увеличивает объем прямых издержек, приходящихся на одну плату. Но они гораздо меньше, чем если бы одну, две, десять плат изготавливали по традиционной технологии, когда только подготовка производства оценивается в $200…400.

«Сухая» технология в подготовке производства не нуждается. Изготовление платы начинается с момента получения РСВ-файла. Суть «сухой» технологии состоит в скрайбировании, то есть своеобразной фрезеровке (вместо химического травления) фольги по контуру проводников и контактных площадок (рис. 1). Скрайбирование производят специальным инструментом. Предлагается набор всевозможных инструментов для разного применения (рис. 2)

печатный плата скрайбировние фрезерный
Рис. 2. Набор инструмента для скрайбирования и сверления


Подобные методы формирования проводников относятся к реализации межсоединений в плоскостях X-Y. Межсоединения в направлении Z в традиционных технологиях выполняются металлизацией сквозных отверстий. В «сухой» технологии можно было бы использовать альтернативные методы: опаивание штыря с двух сторон платы, установка пустотелых заклепок и заполнение отверстий токопроводящими пастами. Опаивание штыря можно использовать, если платы изготавливаются для собственных нужд. Тогда эта операция выполняется попутно при монтаже платы. Пустотелые заклепки с опаиванием придают плате законченный вид. Но при опрессовке обычные пустотелые заклепки деформируются так, что в отверстии образуются пазухи, где может оставаться флюс.

Диаметр опрессованной заклепки становится неопределенным(рис. 3, а).Для предотвращения этих явлений в качестве заклепок предлагаются трубки, заполненные припоем (рис. 3, б). При опрессовке таких трубок давление в первую очередь передается на припой, и он раздавливает трубку таким образом, что она плотно прижимается к стенкам отверстия платы, обеспечивая герметичность для предотвращения проникновения технологических загрязнений, в том числе флюса. Диаметр такого отверстия становится вполне определенным (рис. 3, в).
Рис. 3 а, Пустотелая заклепка

Рис. 3 б, Трубка, наполненная припоем, с надрезами для обламывания заклепок

Рис. 3 в. Заклепка, наполненная припоем, расклепанная в отверстии


Если сформированный подобной заклепкой элемент является монтажным, при пайке припой из заклепки отсасывается известными приемами. Для многослойных плат соединение заклепкой с внутренними слоями крайне ненадежно. Поэтому единственный способ формирования межсоединений в многослойных структурах - металлизация отверстий химическими и электрохимическими методами. Последовательность операций изготовления МПП по «сухой» технологии проиллюстрирована на рис. 4.

Рис. 4. Иллюстрация схемы процесса изготовления МПП «сухим» методом.


В комплект оборудования для изготовления ДПП входит сверлильно-фрезерный одношпиндельный CNC-станок с программным обеспечением обконтуривания проводников IsoCAM, адаптированным к PCAD-файлам. Для формирования монтажных и переходных отверстий имеются специализированные комплекты заклепок диаметром 0,6…1,5 мм и специальный ручной пресс для их расклепывания. «Сухое» производство ДПП размещается на площади 12 м2. Стоимость комплекта оборудования для ДПП составляет около $20 тыс. Для изготовления МПП к этому комплекту добавляют одноэтажный лабораторный пресс, компактную лабораторную линию химико-гальванической металлизации и инструментальное оснащение системы совмещения слоев МПП. Комплекс для изготовления МПП может разместиться на площади 18 м2. Стоимость комплекта оборудования для изготовления МПП составляет примерно $100 тыс. В эту сумму включена стоимость обучения, технологической документации, шефмонтажа, выпуска установочной партии. «Сухое» производство обслуживается одним или двумя обученными операторами. Малые тиражи печатных плат, повышенный расход инструмента (сверл и фрез) не создают «сухой» технологии преимуществ на рынке продаж. Но быстрое изготовление прототипов в лабораторных условиях зачастую является ее решающим преимуществом. Себестоимость печатных плат по «сухой» технологии можно оценить, используя данные, приведенные в табл. 2.
Таблица 2. Составляющие затрат для оценки себестоимости изготовления плат по «сухой» технологии, $/дм2


Рис. 5. Фотография микрошлифа сквозного металлизированного отверстия


2. 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? 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, µMAX 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 неделю-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 6 до 8 месяцев на претворение идеи в готовую продукцию, 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 «грубую» печатную 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 профрезеровать 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 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.

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 P-CAD. 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. CircuitCAM - программа обработки рисунка печатной платы, BoardMaster - программа управления фрезерным станком

Наконец-то мы достигли и «сердца» всего производственного комплекса. LPKFProtoMat - станок для фрезеровки печатных плат.

Представим себе конструкцию станка. Для высокоточной обработки печатной платы используются специальные микрофрезы. Рабочий диаметр стандартной фрезы составляет всего 200 мкм. Диаметр специальной 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 ProtoMat 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.
Рис. 3. Внешний вид сверлильнофрезерного станка семейства ProtoMat


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 ProtoMat используется несущий рабочий стол, изготовленный из литой алюминиевой плиты толщиной 75 мм!

Чтобы немного представить производительность станка ProtoMat, отметим, что суммарное время обработки такой платы составляет 48 минут.
  1   2



Рефераты Практические задания Лекции
Учебный контент

© ref.rushkolnik.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации