Project CNC

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Microtech1

Isolationsfräsen für die Herstellung von Elektronikplatinen

Mittels einer dreiachsigen CNC-Maschine werden kleine Prototypenserien für die elektronische Schaltungsentwicklung gefertigt.

Es gibt zwei gängige Verfahren, um zweilagige Elektronikplatinen herzustellen:

  1. Ätzverfahren: bei diesem Verfahren wird auf die Kupferschicht einer unbearbeiteten Platine mit ein lichtempfindlicher Lack aufgetragen. Von dem Platinenlayout wird ein Fotofilmpositiv hergestellt und mit diesem der Fotolack mittels UV-Lichtbestrahlung belichtet. Beide Seiten müssen getrennt belichtet werden. Anschließend wird der belichtete Fotofilm mit einem Entwickler an den Stellen entfernt, wo später das Kupfer in einem Ätzverfahren entfernt werden soll. Die unbelichteten Stellen bilden die späteren Leiterbahnen des Platinenlayouts. Nach der Entwicklung wird die Platine mit einem kupferabtragenden Ätzmittel bearbeitet, wodurch die freien Bereiche der Platine weggeätzt werden.

    Dieses Verfahren erfordert eine Vielzahl teils giftiger Chemikalien. Das Belichtungsverfahren ist stark parameterabhängig: die Belichtungszeit hängt von der Dicke und das Alter des Fotofilms sowie von der Beleuchtungsstärke der Lichtquelle ab. Das Fotofimpositiv muß ein sehr hohes Kontrastverhältnis besitzen. Das Ätzverfahren ist ebenfalls stark parametrisiert: die Ätzzeit hängt von der Ätzchemikalie, der freizuätzenden Kupferfläche und dem Sättigungsgrad der Chemikale ab.

    Die Investitionskosten für eine Anlage, mit der zweilagige Platinen mit einer minimalen Leiterbahnbreite von 10mil (250 Mikrometer) hergestellt werden können, liegen im Bereich 5-10 T. Euro. Weiterhin müssen Bohrungen und insbesondere Durchkontaktierungen nachträglich hergestellt werden.

    Verbesserte Ergebnisse gibt es bei modernen Ätz-Galvano-Verfahren, ähnlich dem obigen reinen Ätzverfahren. Diese sind für Kleinserien und Laborbedarf nicht ökonomisch umsetzbar.

  2. Isolationsfräsverfahren: Bei diesem Verfahren wird die Umrandung der Leiterbahnen durch einen spanabhebenden Vorgang freigelegt. Dises Verfahren bedarf keiner Chemikalien. Jedoch setzt es eine dreiachsige CNC-MAschine mit hoher Genauigkeit voraus, da die Leiterbahndicke im Bereich von 30-50 Mikrometern liegt. Dafür können mit der gleichen Maschine auch mit höchster Präzision Bohrlöcher (z.B. für Durchkontaktierungen) gefertigt werden. Die Investitionskosten liegen bei einer hochwertigen, aber selbst gefertigten Maschine inklusive dem Hauptspindelantrieb (Drehzahl bis max. 30000 U/min, Rundlauf besser 20 Mikrometer, Spannzangenausstattung) im Bereich von 4 T. Euro.

Da zweilagige Platinen gefertigt werden sollen, bedarf es einer präzisen Platineneinspannung. Zudem muß die Höhentoleranz bei der Einspannung der Platine kleiner als 20 Mikrometer sein, homogens Platinenmaterial vorausgesetzt. Weiterhin muß eine bei der Bearbeitung der Platine entstehende Staubentwicklung des Glasfaserverbundwerkstoffes vermieden werden. Dazu wird die Platine in eine gering angesetzte Bohremulsion (<1% Ölanteil) getaucht.


Figure 48: MicroTech 1 CNC-Fräsmaschine mit Aufsatz und Halterung für Platinenmaterial.

Die Platinenhalterung (siege Abbildung 48) besteht aus einer Grundplatte und 8 Abstandshaltern, die mit der Maschine selbst plan gefräst wurden. Damit wird sichergestellt, daß später der Platinenfräser immer die gleiche Höhe zur Platinenoberfläche hält. Eine Höhenkorrektur des Fräswerkzeuges, wie sie bei preisgünstigen Anlagen erforderlich ist, ist hier nicht erforderlich. Jeder Abstandshalter ist mit einem zentrischen Gewinde versehen. Schrauben legen dann die Platine eben an diese Abstandshalter an. Die Befestigungslöcher in der Platine wurden ebenfalls mit der CNC-Maschine eng toleriert gefräst. Das stellt sicher, daß bei der Bearbeitung der Platine auf der Rückseite kein Versatz der Platine relativ zum Zentrum entsteht.

Als Isolationsfräser wird ein Gravierstichel aus Hartmetall verwendet. Nur dieses Werkzeug besitzt eine hohe Standzeit und erzeugt nahezu gradfreie Fräsbahnen. Herkömmliche Fräswerkzeuge können das Kupfer gut bearbeiten, sind aber für das Trägermaterial aus Glasfaser-Epoxy-Gewebe völlig ungeeignet. Niedrige Standzeiten und schlechte Fräsergebnisse sind die Folge. Diamantbesetzte Werkzeuge können das Glasfasermaterial gut bearbeiten, sind aber für Kupfer ungeeignet! Löcher und Platinenumrandungen werden mit Fischschwanzfräsern bearbeitet. Für reguläre Platinenbohrungen werden konventionelle Hartmetallbohrer mit großer Spiralsteigung erfolgreich eingesetzt.

Nach der CNC-Fertigung wird die Platinenoberfläche gereinigt und chemisch verzinnt. Anschließend wird die Platine mit einer Nietenpresse durchkontaktiert. Zum Schutz wird schließlich in Ethanol verdünntes Flussmittel auf die Platine dünn aufgetragen.

Ein Beispiel einer mit dem Isolations-Fräsverfahren gefertigten Platine für SMD-Bauteile ist in Abbildung 49 gezeigt.

Figure 49: Beispiel einer mit dem Isolations-Fräsverfahren gefertigten Platine für SMD-Bauteile.