Настанова з інноваційних рішень компанії LPKF для створення прототипів електронної апаратури, частина 1

Настанова з інноваційних рішень компанії LPKF для створення власних прототипів електронної апара­тури у лабораторних умовах із численними приклада­ми та поясненнями включно виробництво друкованих плат представлена у цій публікації.

Перехід від розробки до готового прототипу за кілька годин, а також виконання на власному вироб­ництві невеликих партій радіоелектронної апарату­ри «на вимогу» – все це можливо з обладнанням та технологіями компанії LPKF. Створення власних (in­house) прототипів у лабораторних умовах, які відріз­няються високою надійністю, може бути виконано у найкоротші терміни з мінімальним впливом на на­вколишнє середовище. Технічна інформація, що мі­ститься в цій настанові, призначена для розкриття особливостей продукції компанії LPKF і містить орі­єнтований на практичне використання огляд іннова­ційних рішень цієї компанії для створення власних прототипів із численними прикладами застосуван­ня. Завдяки вичерпному набору методів та засобів створення та складання прототипів друкованих плат їх можна виготовляти безпосередньо розробниками радіоелектронної апаратури у лабораторних умо­вах. Для створення прототипів друкованої плати від ідеї до готового виробу компанія LPKF надає все не­обхідне обладнання, включно прикладне програмне забезпечення (ПЗ), що дає змогу перетворити роз­роблений виріб у діючий прототип.

За такою технологією на першому етапі плоттер або лазерна система ізолює провідникові (як прави­ло, мідні) доріжки на діелектричному матеріалі підк­ладки друкованої плати.

На наступних етапах створюється друкована плата з електронними компонентами як заверше­ний виріб.

Структурування друкованих плат. Плоттери ProtoMat, рис.1, для друкованих плат компанії LPKF є світовим стандартом з точності, гнучкості та про­стоти експлуатації.

Рис. 1. Плоттер ProtoMat S104

Ці плоттери фрезерують друко­вані плати та значно скорочують час виготовлення прототипів друкованих плат, що дозволяє суттєво зменшити час розробки нових електронних виробів. Високошвидкісні шпинделі зі швидкістю від 30 000 до 100 000 обертів за хвилину, механічна роздільна здатність до 0,25 мкм і надзвичайно висока повто­рюваність технологічних процесів гарантують, що найтонші структури плати можуть бути надійно ство­рені включно для радіочастотних і мікрохвильових застосувань. Системи ProtoMat також можуть свердлити отвори для двосторонніх і багатошаро­вих друкованих плат для монтажу електронних ком­понентів. Системи ProtoLaser забезпечують безкон­тактне структурування без механічних засобів і вже попередньо можуть бути налаштовані для багатьох типів підкладок і електропровідних шарів. Завдяки своїм можливостям при створенні друкованих плат на основі керамічних матеріалів для радіочастотних застосувань системи ProtoLaser не мають аналогів в світі. У цих системах точне лазерне структурування поверхні плати доповнюється операціями механіч­ного свердління та різання завдяки додатковому шпинделю.

Технологія поверхневого монтажу (SMT-техно- логія), це технологія, за якою електронні SMD-ком- поненти встановлюються безпосередньо на поверх­ню друкованої плати. Процес виготовлення прото­типу за SMT-технологією включає друк паяльною пастою, а також монтаж SMD-компонентів. Ство­рення власних прототипів за SMT-технологією в ла­бораторних умовах економить час і гарантує, що ре­зультати оригінальної розробки залишаться недо­ступними для третіх сторін. Обладнання компанії LPKF забезпечує необхідну точність для виробів за SMT-технологією.

Свердління та обробка наскрізних отворів. Одним з етапів процесу є покриття наскрізних отво­рів. Системи ProtoMat або ProtoLaser, рис. 2, сверд­лять отвори в двосторонніх або багатошарових дру­кованих платах. Наскрізне покриття отворів може бути виконано шляхом гальванічного нанесення струмопровідної пасти або за допомогою технології клепки залежно від області застосування друкова­них плат. Компанія LPKF пропонує професійні систе­ми для всіх цих методів.

Рис. 2. Система ProtoLaser

Багатошаровість. Навіть багатошарові друко­вані плати можуть бути виготовлені у лабораторнихумовах за короткий період на професійному рівні. Система MultiPress S4 надає розробникам найсу­часніший прес для багатошарового ламінування (включно з вакуумізацією) для використання у лабо­раторних умовах.

Відокремлення друкованих плат є ще одним процесом, який виконує система ProtoMat. Одна або кілька друкованих плат, які розташовані на базо­вій підкладці, можуть бути відокремлені за допомо­гою механічного фрезерного інструменту або оптич­ною системою ProtoLaser.

Паяльні маски. Використання паяльних масок часто є необхідним процесом SMT-технології. Нане­сення паяльної маски на плату запобігає подальшо­му короткому замиканню та корозії друкованої пла­ти. Система ProMask – це просте у використанні рі­шення для нанесення захисної маски. Система Leg­end Printing також пропонує екологічне та просте у використанні рішення для маркування компонентів друкованої плати або нанесення власного логотипу виробника.

Трафарети з паяльною пастою. Пасту для SMD-компонентів наносять на всі контактні площин­ки за допомогою трафарету з паяльною пастою. Трафарети для прототипу можна виготовити за до­помогою системи ProtoMat або лазерної системи. Потім вони друкуються за допомогою спеціального трафаретного принтера, такого як ProtoPrint S4.

Монтаж SMD-компонентів. Монтаж SMD-ком- понентів на друкованій платі вимагає високої точно­сті. Ручна та повністю автоматична система скла­дання, така як ProtoPlace E4 або ProtoPlace S4, вико­ристовується для прототипів друкованої плати, де точне розміщення компонентів контролюється за допомогою системи камер або за допомогою комбі­нації камери та відповідного програмного забезпе­чення.

Пайка оплавленням. Останнім виробничим етапом створення прототипів за SMT-технологією є пайка оплавленням. Печі оплавлення ProtoFlow S4 нагрівають паяльну пасту з попередньо встановле­ними електронними компонентами і відрегульова­ними температурними профілями. Після затвердін­ня паяльної пасти компоненти з’єднуються з пла­тою, в результаті чого отримуємо повністю готовий виріб.

Односторонні друковані плати. Основний ма­теріал односторонньої друкованої плати складаєть­ся з електроізоляційної підкладки, покритої провід­ним матеріалом. Підкладки FR4 (армована скловолокном епоксидна смола) є найпоширенішими на сьогодні, а для провідного шару зазвичай ви­користовується мідь. Мідний шар позначається в мікрометрах або у вазі міді в унціях на квадратний фут. Типова товщина шару становить 35 мкм (вага 1 унція). У деяких випадках поверхня міді покриваєть­ся додатковим металом, наприклад, нікелем, оло­вом або золотом. Товщина підкладки FR4 колива­ється від 0.25 до 3.125 мм, а найбільш поширена товщина підкладки становить 0.8 або 1.6 мм.

Двосторонні друковані плати. Верхня та нижня поверхні двосторонніх друкованих плат (рис. 3) по­криті провідниковим матеріалом (зазвичай міддю). Плоттери для друкованих плат компанії LPKF осна­щені механічними довірчими системами або каме­рами для автоматичного визначення положення, які допомагають у свердлінні та фрезеруванні двосто­ронніх друкованих плат. Це гарантує, що структури провідникових доріжок з обох сторін плати збігають­ся.

Рис. 3. Двостороння друкована плата

Кожна система ProtoLaser постачається з ва­куумним столом і камерою опорного вирівнювання. Друкована плата не тільки механічно підтримує електронні компоненти, але й з’єднує їх через мере­жу провідників, забезпечує екранування від елек­тромагнітних перешкод і розсіювання тепла. У все більш складному технологічному процесі в одному просторі доводиться розміщувати все більше і біль­ше провідників і компонентів. Для цього при ство­ренні прототипу пропонуються різні технічні рішен­ня і підходи.

Багатошарові друковані плати. Системи Pro­toMat і ProtoLaser забезпечують швидку розробку багатошарових друкованих плат (рис. 4). Вони мо­жуть складатися з двосторонніх внутрішніх плат і од­ностороннього зовнішнього шару. Для електричного з’єднання шарів застосовуються отвори з покриттям.

Рис. 4. Багатошарова друкована плата

Плати для радіочастотних та мікрохвильових схем. Ці плати складаються з матеріалів зі спеці­альними електричними та механічними властиво­стями (рис. 5), наприклад, полімерної смоли, армо­ваної скловолокном. Підкладки типу RO4000® до­датково містять керамічні частинки. Обробка повер­хонь таких підкладок вимагає максимальної точно­сті: плоттери ProtoMats із високою швидкістю шпин­деля або лазерні плоттери ProtoLasers забезпе­чують точне виготовлення таких плат відповідно до вимог технічної документації.

Рис. 5. Радіочастотна друкована плата

Гнучкі та жорсткі друковані плати. Гнучкі дру­ковані плати (рис. 6) зазвичай виготовляються з поліімідних плівок із мідними провідниками. Жорсткогнучкі друковані плати утворюються шляхом об’єд­нання гнучких і жорстких підкладок. Процес виготов­лення жорстких і гнучких друкованих плат подібний до процесу виготовлення багатошарових друкова­них плат. Лазерне різання (випаровування) метале­вого шару виконується на гнучких підкладках за до­помогою плотерів ProtoLasers.

Рис. 6.  Гнучка і жорстко-гнучка друковані плати

Програмне забезпечення (ПЗ) компанії LPKF Smart Prototyping Assistant. Під час інсталяції ПЗ CircuitPro може адаптувати етапи процесу у відповід­ності від кількості потрібних прототипів. ПЗ CircuitPro імпортує проєктні дані з систем CAD/EDA. Вірту­альний експерт з планування процесу виробництва (Мастер) пропонує користувачеві ввести такі дані, як кількість шарів, тип матеріалу підкладки і вимоги до подальшої обробки. ПЗ спрощує створення дру­кованої плати за допомогою зрозумілих покрокових процедур.

Програмне забезпечення CircuitPro включає роз­ширені алгоритми для механічного фрезерування або лазерної обробки металевого шару. Передбаче­на перевірка технологічних процесів, яка може бути виконана відповідним обладнанням. CAM ПЗ CircuitPro — це покоління потужного програмного за­безпечення, яке гарантує потрібну точність оброб­ки. ПЗ розроблене компанією LPKF і поєднує підго­товку даних і управління обладнанням за допомогою однією програми. На наступному кроці ПЗ CircuitPro генерує у діалоговому вікні набір інструментів для ізоляції провідникових доріжок і створює контури друкованої плати.

Подальше управління проєктуванням бере на себе віртуальний експерт або майстер, який крок за кроком супроводжує користувача через увесь ви­робничий процес. Після переходу від перегляду технологічних операцій з CAM-процесу до вибору відповідного обладнання компанії LPKF ПЗ CircuitPro пропонує користувачеві ввести необхідні вла­стивості матеріалу підкладки та визначає розташу­вання обладнання над робочою поверхнею плати. Потім це відображається на віртуальній робочій по­верхні плати на моніторі комп’ютера і з цього мо­менту можна починати процес її виробництва. На одній підкладці можна розташувати декілька друко­ваних плат.

Під час обробки плати віртуальний експерт під­казує користувачеві, коли необхідне ручне втручан­ня. Ці втручання можуть включати перевертання плати, покриття отворів або заміну інструменту. Якщо дані конкретного технологічного циклу будуть збережені, вони у любий час можуть бути доступними для запуску наступного технологічного процесу. Це дозволяє системам ProtoMats і ProtoLasers знач­но прискорити весь робочий процес.

Структурування та обробка друкованих плат. Піс­ля розробки топології друкованої плати ПЗ Circuit- Pro імпортує її для обробки поверхні плати. Залежно від конструктивних вимог можна вибрати потрібний метод обробки друкованої плати: механічний – шля­хом фрезерування різними системами ProtoMat або оптичний – лазерними системами ProtoLaser.

Створення провідникових доріжок шляхом меха­нічного фрезерування. За допомогою процесу фре­зерування створюються зовнішній і внутрішній шари друкованої плати. При цьому провідний матеріал ви­даляється з ізоляційного шару за допомогою висо- кошвидкісного шпинделя та фрезерних інструмен­тів. Чим вища швидкість, тим точніші інструменти можна використовувати для фрезерування. Це особливо корисно для радіочастотних та мікро­хвильових застосувань. Двигуни шпинделя підтри­мують низьке биття, що забезпечує точне виготов­лення провідникових доріжок, включно відстані між ними. Усі доріжки та місця пайки ізольовані за допо­могою фрезерного інструмента. Це гарантує чисто­ту країв, що позитивно впливає на електричні вла­стивості друкованої плати. Менші фрезерні інстру­менти використовуються лише в місцях з меншими відстанями. На початку процесу фрезерування гли­бина фрезерування встановлюється відповідно до глибини проникнення в матеріал діелектричної підк­ладки. Для регулювання глибини фрезерування можна використовувати різні методи: якщо встанов­лено автоматичну заміну інструментів, то інструмен­ти для свердління та фрезерування автоматично за­мінюються в процесі виготовлення друкованої пла­ти. Заміна інструменту поєднується з автоматичним регулюванням глибини фрезерування. При ручній заміни інструменту глибина фрезерування регу­люється мікрометричним гвинтом. Термін служби різних інструментів зберігається у програмному за­безпеченні. Попереджувальне повідомлення вказує, коли необхідна заміна інструменту. Шумопоглинаю- чий корпус плоттера мінімізує шум і забезпечує оп­тимальну безпеку праці в будь-якому робочому се­редовищі. Приклади друкованих плат, створених методом фрезерування, наведені на рис. 7, 8, 9.

Рис. 7. Одношарова друкована плата

Рис. 8. Провідникові доріжки, створені методом фрезерування

Рис. 9. Радіочастотна друкована плата

Лазерне структурування. Лазер забезпечує найкращі умови для прямого структурування друко­ваних плат з мідним покриттям. Висока точність ха­рактеризує лазерний процес для структурування радіочастотних прототипів. Лазерна мікрообробка забезпечує високу щільність енергії на найменшій площі, високі можливості фокусування та контроль параметрів лазера. Оскільки шари в композитних матеріалах мають різні пороги абляції (абляція – це видалення надлишкового металу з металевого шару шляхом випаровування), у лазерному структуруванні використовується запатентований процес цілес­прямованого випаровування або розшарування.

У структуруванні керамічних підкладок провідні металеві шари не розшаровуються, а випаровують­ся завдяки високій енергії лазера. Лазерне випаровування може досягати ізоляційних відстаней до 15 мкм. Для свердління та розділення товстих багато­шарових друкованих плат рекомендується викори­стовувати механічні інструменти. Системи Proto­Laser S4, U4 і R4 (рис. 10) також можуть свердлити лазером і різати до певних обмежень, залежних від матеріалу підкладки (рис. 11).

Рис. 10. Плоттер ProtoLaser S4

Рис. 11. Друкована плата з підкладкою FR4, вироблена плоттером ProtoLaser S4

Крім того, УФ-лазери незамінні для “сліпої” об­робки плати. Плоттер ProtoLaser H4 забезпечує ме­ханічне свердління та фрезерування. Надзвичайно ефективне структурування схеми виконується за допомогою інфрачервоного лазера, а механічне свердління гарантує ідеально прямі та чисті отвори навіть на товстіших підкладках і багатошарових пла­тах.

Програмне забезпечення. Програмне забез­печення CircuitPro CAM є основою для не дуже складної роботи з системами ProtoMats і Proto­Lasers. Це ПЗ перетворює проєктні рішення зі зви­чайних програм в системи управління структуруван- ням, що дає змогу оптимізувати елементи компону­вання і забезпечує перевірку вимог до проєктуван- ня. Крім того, це ПЗ відшаровує провідниковий шар (як правило, мідь) з меншою енергією, щоб запобігти пошкодженню підкладки. Цей запатентований процес дозволяє використовувати лазер для пря­мого структурування друкованих плат зі швидкістю абляції до 12 см² за хвилину.

Оскільки це має мінімальний вплив на матеріал підкладки, її виміряний опір ізоляції після процесу випаровування буде відповідати вимогам стандарту IPC TM 650. Все це дозволяє будь-якому користу­вачеві з легкістю створювати як окремі друковані плати, так і невеликі партії плат. Обладнання компа­нії LPKF ідеально підходить для високопродуктивних аналогових, цифрових, радіочастотних і мікрохвиль­ових систем, рис. 11. Такі опції, як вакуумний стіл або система огляду, ще більше спрощують викори­стання цього обладнання та зводять до мінімуму не­обхідне втручання користувача у технологічний про­цес.

Лазерна мікрообробка матеріалів. Лише по­глинена енергія впливає на взірець друкованої пла­ти. Лазерний промінь відрізняється від звичайного світла декількома основними ознаками. Він є моно­хроматичним і має малий розкид частот. У той же час велика кількість енергії зосереджена в активній зоні, рис 12, тісно пов’язаній з діаметром променя. Програмне забезпечення компанії LPKF дозволяє регулювати параметри лазера для різних типів дру­кованих плат. Довжина хвилі лазера, рис. 13, відріз­няється залежно від випромінюючого лазерного джерела – це ключовий аспект широкого застосу­вання лазера. Різні матеріали мають різні властиво­сті поглинання. Чим вище поглинання матеріалу, тим більшу кількість енергії передає лазер. Компанія LPKF пропонує кілька моделей лазерних систем.

ProtoLaser для розробки друкованих плат. Лазерний промінь взаємодіє з металевим шаром підкладки трьома способами, а саме через:

• пропускання – це частина лазерного променю, що проходить крізь підкладку
• відбиття – це частина лазерного променю, від­битого підкладкою

поглинання – це лазерний промінь, який впли­ває на матеріал підкладки друкованої плати. Погли­нена енергія збуджує електрони в матеріалі мішені. Це має три різні наслідки:

• хімічні зв’язки розриваються під впливом вхід­ної енергії лазера
• матеріал металевого шару плавиться або випа­ровується за рахунок енергії лазера
• висока енергія імпульсу випаровує матеріал (рис. 12).

Рис. 12. На взірець впливає лише поглинена енергія лазера

Швидке лазерне випаровування з запатентованою обробкою компанії LPKF і з параметрами, що регулюються оператором, робить процес виготов­лення прототипів друкованих плат економічно ефек­тивним, швидким і надійним. Лазерна мікрообробка матеріалів є однією з основних досягнень компанії LPKF. Моделі ProtoLasers розрізають, свердлять і структурують тонкі багатошарові, жорсткі, жорстко- гнучкі та гнучкі друковані плати. Ці моделі надзви­чайно точні, нешкідливі у використанні та високо­продуктивні. Гравірування, надрізування та марку­вання були одними з типових застосувань для ла­зерних систем першого покоління. На сьогодні діа­пазон застосування таких систем суттєво розши­рився і зараз включає, наприклад, виготовлення не­видимих мікроструктурованих взірців на плівках і скляних підкладках для сенсорних екранів. Мікро- обробка кераміки є одною з основних можливостей систем ProtoLaser. Використовуючи лазери з різною довжиною хвилі (рис. 13), їх можна застосовувати для прямого структурування шляхом випаровування провідникового покриття та для точного різання/надрізання матеріалу друкованої плати.

Рис. 13. Залежність рівня абсорбції від довжини хвилі лазерів і їх використання для різних технологічних процесів і матеріалів

ВИСНОВКИ

У статті викладені основні технологічні процеси виготовлення прототипів радіоелектронної апарату­ри в лабораторних умовах. На прикладі устаткуван­ня компанії LPKF для таки процесів розкриті особли­вості і переваги швидкого створення прототипів друкованих плат різної складності і різного призначення безпосередньо в лабораторіях, в яких роз­робляється радіоелектронна апаратура. Особливо­сті сімейства багатофункціональних плоттерів ком­панії LPKF, а також методи створення фінішних виро­бів на базі такої технології будуть розглянуті у на­ступному номері журналу ЕКіС.

ПОСИЛАННЯ

https://www.lpkf.com/fileadmin/mediafiles/Down- load-Center/en/2_DQ_TechGuide_EN.pdf