PCB-Fräsplatten
Leiterplatten (Leiterplatten, gedruckte Leiterplatten, …) können auf vielfältige Weise hergestellt werden. In diesem Artikel möchten wir zwei Möglichkeiten des PCB-Fräsens vorstellen. Die erste Möglichkeit funktioniert wie folgt:
• Einen Film machen
• Belichtung des lichtempfindlichen Basismaterials
• Entwickeln
• Radierung
• Bohren
• Entschichten
• Beschichtung mit Lötlack
PCB-Isolationsfräsen
Der zweite Weg Leiterplattenherstellung- Das PCB-Fräsen, das auf den ersten Blick attraktiver erscheint, ist ein Isolationsfräsen. Dies erfordert die folgenden Schritte:
• Generierung der Fräsdaten, vorzugsweise als G-Code nach DIN 66025
• Einspannen des Grundmaterials
• Fräsen der Konturen der Leiterbahnen
• Bohren der Löcher für die Bauteile in der gleichen Aufspannung
• Beschichtung mit Lötlack
Folgende Punkte sprechen für das Dämmstofffräsen:
• Die grundlegenden Leiterplattenmaterial ist günstiger
• Die Panik vor Chemikalien fällt ab
• Die Produktion eines einzelnen PCB-Prototyps ist schneller
Dagegen spricht es:
• Sie benötigen eine sündhaft teure CNC-Fräsmaschine sowie die notwendige Steuerelektronik und PCB-Software. Die Gesamtkosten sollten nicht unter 2,000,- Euro liegen, auch nicht im Eigenbau. Als Leiterplattenhersteller in China seit 2006 fertigt MOKO Technology Leiterplatten mit fortschrittlichen CNC-Fräsmaschinen, um eine gute Qualität zu gewährleisten.
• Zum Fräsen werden teure Hartmetallfräser benötigt, die meist nur 1 – 2 europäische Bretter halten
• Das Erstellen der Fräsdaten ist nicht einfach
• Das Einstellen der PCB-Fräsparameter ist schwierig und funktioniert meist nur durch Ausprobieren
• Das Fräsen einer einseitigen europäischen Platte kann mehr als eine Stunde dauern
• Der Frässtaub (Glasfasern!) kann gesundheitsschädlich sein
PCB-Herstellungsverfahren
Falls Sie Ihre Leiterplatten dennoch fräsen möchten, können Sie mit diesem Verfahren die oben abgebildete Platine mit den Abmessungen 100 mm x 60 mm herstellen. Es handelt sich dabei um die Steuerplatine für den Spindelmotor einer Fräsmaschine. Die Platine ist zwar nur einseitig, die Herstellung doppelseitiger Platinen ist jedoch nach dem gleichen Verfahren möglich. Wichtig ist, dass eine Leiterbahnbreite entsteht, die eine Leiterbahnführung zwischen zwei IC-Anschlüssen ermöglicht. Andernfalls lassen sich nur sehr einfache Platinen fräsen. Dass dies gelingt, zeigt die folgende Ausschnittvergrößerung:
Die Leiterbahnbreite sollte etwa 0.3 mm betragen, der Abstand zwischen Leiterbahnen und Lötaugen etwa 0.4 mm. So lässt sich die Platine auch sinnvoll löten, ohne ständig Leiterbahnen miteinander zu verlöten. Voraussetzung hierfür ist allerdings ein guter Lötkolben mit dünner, langer Spitze und gutem Lötdraht (0.5 mm).
Die Software PCB-Gcode
Ohne entsprechende Software geht natürlich nichts. Sie können die Layout-Software Eagle zum Entwerfen der Leiterplatten verwenden. Wenn Sie MOKO Technology finden, erhalten Sie PCB-Design kostenlos für Ihre Leiterplattenherstellung. Eagle bietet eine Freeware-Version zum Ausprobieren und für kleinere Projekte. Dies ist auch für Benutzer interessant, die ein anderes Layout-Programm verwenden, wie wir später sehen werden.
Das Erstellen von PCB-Fräsprogrammen zum Isolationsfräsen gehört allerdings nicht zu den Standardfunktionen von Eagle. Da es aber möglich ist, solche Funktionen durch sogenannte „ULPs“ (User Language Programs) ausführen zu lassen, hat sich ein Mann namens John Johnson die Mühe gemacht, ein entsprechendes ULP zu schreiben.
Das ULP kann von der CadSoft-Downloadseite heruntergeladen werden. Suchen Sie zunächst nach der ULP „pcb-gcode.zip“. Leider gibt es keine Suchfunktion, die ULPs sind aber alphabetisch sortiert. Laden Sie die Zip-Datei herunter und entpacken Sie alle enthaltenen Dateien in das Verzeichnis c:-programs-EAGLE-4.12-ulp.
Wenn Sie jetzt in der Layoutansicht von Eagle in der Befehlszeile „run pcb-gcode -setup“ eingeben, sollte der folgende Konfigurationsbildschirm erscheinen:
Hier stellen Sie folgende Parameter ein:
1. Oberseite (Oberseite der Leiterplatte, Seite des Bauteils)
• Top-Umrisse generieren – Erstellen Sie PCB-Fräsdaten für die Leiterbahnen der Top-
• Top-Bohrer generieren – Erstellen Sie Bohrdaten für die Top
• Top-Fills generieren – Erstellen Sie Fräsdaten, um alles Kupfer zwischen den Leiterbahnen und Lötaugen zu entfernen (normalerweise nicht erforderlich)
2. PCB-Unterseite (Unterseite der Platine)
• Wie die Parameter der oberen
3.PCB-Platine (Parameter, die für die gesamte Platine gelten)
• Fräsen generieren – generiert Fräsdaten aus der Fräsebene der Platine (zB Umrisse oder größere Ausschnitte)
• Isolationsstandard – dies sollte ein sehr kleiner Wert sein, 0.0025 ist OK
• Isolation Maximum – die maximale Breite der Isolierung
• Isolationsschrittgröße – wie viel breiter die Isolierung mit jedem Durchgang wird
4.CB-Einheiten (Maßeinheiten)
• Mikrometer – Tausendstel Millimeter
• Millimeter – Millimeter
• Mils – Tausendstel Zoll
• Zoll – Zoll (25.4 mm)
Klicken Sie anschließend auf den Reiter „Maschine“. Es erscheint folgendes Fenster:
Hier stellen Sie folgende Parameter ein:
5.Z-Achse (Z-Achsen-Einstellungen)
• Z High – Eine Position, die Kollisionen mit Spannvorrichtungen vermeidet
• Z Up — Die Position, an der die Z-Achse bei schneller Positionierung über das Brett gefahren wird. Sollte nicht zu hoch gewählt werden, um Zeit zu sparen.
• Z Down – Eindringtiefe des Fräsers
• Bohrtiefe, etwas mehr als die Dicke der Leiterplatte
• Bohrerverweilzeit – Bohrzeit
• Frästiefe – PCB Frästiefe für Konturen und Ausschnitte, etwas mehr als die Dicke der Platine
6.Werkzeugwechsel
• Position, an der die Z-Achse für einen bequemen Werkzeugwechsel angetrieben wird
Spindel (Frässpindel)
• Spin-Up-Zeit – Zeit in Sekunden, um die Spindel auf Geschwindigkeit zu halten
• Ätzwerkzeuggröße – Breite des Gravurstichs zum Fräsen der Spurumrisse (siehe unten)
7.Vorschubgeschwindigkeiten
• XY – Vorschubgeschwindigkeit für die X- und Y-Achse beim PCB-Fräsen
• Z – Eintauchgeschwindigkeit des Fräsers
Klicken Sie anschließend auf den Reiter „GCode Style“. Es erscheint folgendes Fenster:
Hier kannst du nun einstellen, für welches PC-Steuerprogramm der Code generiert werden soll. Dies erledigt ein sogenannter „Postprozessor“ (.pp). Als Mach3-Fan habe ich „Mach“ gewählt. Sollte es für dein verwendetes Steuerprogramm noch keinen Postprozessor geben, kannst du dir selbst einen erstellen. Gehe dazu wie folgt vor:
• Wählen Sie den Postprozessor, der dem gewünschten am nächsten kommt
• Öffnen Sie anschließend die Datei gcode-defaults.h im Verzeichnis C:-Programme-EAGLE-4.12-ulp mit dem Editor
• Nehmen Sie die notwendigen Änderungen vor
• Ändern Sie nicht die Formatcodes wie „%f“, „%d“ usw.
• Speichern Sie die Datei unter einem neuen Namen, zB „Cover.pp“
Wenn Sie anschließend auf „Akzeptieren“ klicken, werden die Konfigurationsänderungen gespeichert. Ein Klick auf „Akzeptieren und meine Platine erstellen“ speichert die Konfigurationsänderungen und startet die Generierung der Fräs- und Bohrdaten. Ein Klick auf „Abbrechen“ verwirft alle Änderungen.
Generieren von PCB-Fräs- und Bohrdaten in Eagle
Das Generieren der Daten aus Eagle ist sehr einfach, allerdings müssen einige Details beachtet werden, um eine brauchbare Leiterplatte zu erstellen. Zunächst sollten Sie die „Design Rules“ festlegen. Geben Sie dazu „drc“ in die Kommandozeile ein oder klicken Sie auf das entsprechende Symbol. Das Fenster mit den Design Rules erscheint.
Klicke zunächst auf den Reiter „Clearance“ und stelle alle Abstände auf 16mil (0.4 mm) ein. Dies ist zunächst einmal ein guter Ausgangspunkt für eigene Experimente. Klicke anschließend auf den Reiter „Sizes“.
Stellen Sie die minimale Leiterbahnbreite auf 16mil (0.4 mm) ein. Dies ist wichtig für die Arbeit mit dem Autorouter. Klicken Sie anschließend auf „Neu bespannen“.
Stellen Sie die Pads (Bauteilanschlüsse) auf 16mil ein. So stellen Sie sicher, dass diese nicht zu klein werden.
Alle Werte sind diejenigen, mit denen ich arbeite und mit denen ich gute Ergebnisse erzielt habe. Natürlich können Sie mit anderen Werten möglicherweise bessere Ergebnisse erzielen.
Klicken Sie anschließend auf „Prüfen“. Sie erhalten wahrscheinlich eine Fehlermeldungen, die zu geringe Abstände zwischen den Leiterbahnen bemängelt. Passen Sie die Abstände entsprechend an. Zu geringe Abstände bei Leiterbahnen zwischen IC-Ports können Sie jedoch ignorieren. Sie sollten die Leiterbahnen dort auch nicht schmaler machen.
Wenn alles in Ordnung ist, geben Sie „run pcb-gcode“ in die Befehlszeile ein
Anschließend werden folgende Dateien generiert, die alle den Namen Ihrer Schaltplandatei tragen und an die folgende Erweiterungen angehängt werden:
• top.nc: die Leiterbahnumrisse für die Oberseite der Platine
• bot.nc: die Leiterbahnumrisse für die Unterseite der Platine
• tf.nc: Fräsdaten zum Entfernen des restlichen Kupfers auf der Oberseite (normalerweise nicht notwendig)
• bf.nc: Fräsdaten zum Entfernen des restlichen Kupfers auf der Unterseite (normalerweise nicht erforderlich)
• td.nc: Bohrdaten von oben betrachtet. Zu Beginn steht eine Tabelle mit den benötigten Bohrerdurchmessern. Aufgrund der Umrechnung in Zoll und Millimetern gibt es teilweise „knirschende“ Werte. Nimm einfach den Bohrer, der am nächsten kommt.
Diese sind bei der Herstellung einseitiger Platinen zu verwenden, da sonst die Platine gewendet werden müsste.
mt.nc: Fräsdaten für Konturen und Ausschnitte, von oben gesehen.
mb.nc: Fräsdaten für Konturen und Ausschnitte, von unten gesehen.
Diese Dateien werden in dasselbe Verzeichnis wie Ihre Schaltplandatei geschrieben.
Für einen ersten Test kannst du nun die top.nc bzw. bot.nc in Mach3 öffnen und dir das Ergebnis ansehen. Vermutlich liegt die Anzeige der Frässtege außerhalb des Vorschaufensters. Verkleinere daher die Anzeige, bis du die Platine siehst. Verschiebe sie anschließend so lange, bis du ein klares Bild hast:
Klicken Sie auf das Bild, um es in voller Größe anzuzeigen und die Umrisse der Leiterbahnen und Bauteilanschlüsse zu überprüfen. Besonders kritisch sind die Stellen, an denen Leiterbahnen zwischen Bauteilanschlüssen verlaufen. Befindet sich zwischen Leiterbahn und Anschluss keine Frässpur, müssen Sie die Breite des Frässtichs in der Konfiguration (Ätzwerkzeuggröße) reduzieren.
Einspannen der Platine
Um die Platine fräsen zu können, muss man sie zunächst einspannen. Dabei macht es einen wesentlichen Unterschied, ob man mit einem Graviertiefenregler arbeitet oder nicht. Der Graviertiefenregler sorgt dafür, dass der Frässtichel an allen Stellen der Platine immer die gleiche Eintauchtiefe hat. Da der Stichel V-förmig ist, bestimmt die Tiefe die Breite der Isolierung, also des gefrästen Steges. Wird dieser zu breit, verschwinden die Leiterbahnen im Nirvana, wird er zu schmal, bleibt Kupfer stehen und es kommt zu Kurzschlüssen. Der Graviertiefenregler an meiner Maschine sieht so aus:
Das kurze Rohr vorne ist der Anschluss für den Staubsauger, die Mikrometerschraube dient zur Höhenverstellung. Wie der Tiefenregler funktioniert und aufgebaut ist, beschreibe ich an anderer Stelle.
Da der Graviertiefenregler die Platte fest auf die Unterlage drückt, muss er nicht gegen Abheben gesichert werden. Wichtig ist jedoch, die Platte gegen Verrutschen zu sichern. Zu diesem Zweck habe ich einen Rahmen aus 1.0 mm starken Aluminiumblechen auf einer Holzplatte gebaut.
Zwei Blechstreifen bilden einen Winkel, in den die Platine durch zwei Keile aus dem gleichen Material gedrückt wird. Das Bild soll das Prinzip verständlich machen. Diese Art der Befestigung hat für die Serienfertigung den Vorteil, dass die Platinen immer in der gleichen Position eingespannt werden. So kann ich zunächst alle Platinen fräsen und in einem Durchgang bohren, ohne ständig das Programm und das Werkzeug wechseln zu müssen.
Das PCB-Fräswerkzeug
Zum Fräsen können Gravierstiche verwendet werden. Das sind Teile aus Hartmetall-Rundstäben, bei denen im unteren Bereich die Hälfte abgeschliffen ist. Diese werden anschließend in unterschiedlichen Spitzenwinkeln angeschliffen. Der Schleifwinkel ist immer halb so groß wie der Spitzenwinkel. Die Spitze wird leicht angeschliffen, wodurch eine Schneide entsteht. Schnittbreite und Spitzenwinkel können bei der Bestellung ausgewählt werden. Die besten Ergebnisse habe ich bisher mit 0.1 mm Schnittbreite, einem Spitzenwinkel von 40° und einer Frästiefe von 0.2 mm erzielt. Die Zeichnung zeigt einen Trick:
Der Schaftdurchmesser sollte 3 mm betragen, das passt auch zu Proxxon-Spannzangen. Es gibt auch Maschen mit 1/8 Zoll Schaftdurchmesser, die nicht richtig in die 3.2 mm Spannzange passen und zum „Eiern“ neigen. Schau mal bei eBay nach, da gibt es mehrere Anbieter. Achte darauf, dass du Maschen mit fertiger Schnittkante erhältst, Maschen ohne Schnitt musst du selbst mit einer Maschenschleifmaschine schleifen.
Werkstücknullpunkt
Der Werkstücknullpunkt befindet sich in den Fräsdaten oben an der linken Vorderkante der Leiterplatte. Unten hingegen an der rechten Vorderkante. Alle Koordinatenwerte der X-Achse sind negativ!
Höhe
Wenn du mit einem Gravurtiefenschieber arbeitest, weißt du, wie man die Höhe einstellt. Ansonsten ist es am einfachsten, einen Fräser einzuspannen und ihn kurz über das Brett zu fahren. Anschließend die Spannzange lösen und den Fräser auf das Brett fallen lassen. Anschließend den Vorschub wieder festziehen und die Z-Achse auf Null stellen. Nicht vergessen, die Z-Achse wieder etwas nach oben zu fahren!
Eintauchtiefe
Die Eintauchtiefe ist sehr kritisch, da sich daraus die Breite des Leiterplattenfrässteges ergibt. Die Formel hierfür lautet:
Fräser 40°: Breite = Eintauchtiefe * 0.7279
Fräser 60°: Breite = Eintauchtiefe * 1,1547
Man benötigt eine gewisse Mindesteintauchtiefe (meiner Erfahrung nach 0.15 – 0.2 mm), da sonst an den gefrästen Stegen ein Grat entsteht. Da auch Ungenauigkeiten der Maschine eine Rolle spielen, rate ich dazu, einige Abfallstücke auszuprobieren.
Spulengeschwindigkeit
Die Drehzahl der Frässpindel sollte möglichst hoch sein, um einen gratfreien Schnitt zu erzielen. Spindeldrehzahlen ab 20,000 U/min sind in Ordnung. Allerdings sind auf meiner Maschine mit 6,000 U/min auch recht saubere Bretter möglich.
Fräsen
Jetzt kann es losgehen! Achte auch auf den nötigen Sicherheitsabstand des Fräsers und darauf, dass keine Spannmittel im Weg sind. Vergiss nicht, die Spindel einzuschalten! Wahrscheinlich wirst du mit dem ersten Ergebnis nicht zufrieden sein und ein wenig experimentieren müssen.
Bohren
Einer der Reize des Verfahrens besteht darin, dass Sie die Platine sofort bohren können. Dazu benötigen Sie die Bohrdaten der jeweiligen Seite. Die Löcher gehen in jedem Fall durch die ganze Platine, sind aber unten spiegelverkehrt zur Oberseite, d. h. auch bei den Bohrdaten liegt der Nullpunkt der Unterseite rechts vorne. Sobald ein Bohrerwechsel erforderlich ist, stoppt das Leiterplattenfräsprogramm und fährt die Spindel an die von Ihnen für den Werkzeugwechsel angegebene Position.
Doppelseitige Leiterplatte
Wie bereits erwähnt, ist auch die Herstellung doppelseitiger Platinen möglich. Platzieren Sie dazu ein separates, kleines Loch im Layout der Platine und notieren Sie sich die Koordinaten. Geben Sie dazu „info“ in die Befehlszeile ein und klicken Sie auf das Loch. Anschließend erscheint ein kleines Fenster
Die erste Koordinate (52.07) ist die X-Achse, die zweite die Y-Achse, von oben gesehen. Wenn Sie die Platte nach dem Fräsen und Bohren der Oberseite gedreht haben, positionieren Sie den Mittelpunkt der Frässpindel genau über dieser Bohrung und geben Sie die Koordinatenwerte als X- und Y-Positionen in die Steuerung ein. Die X-Koordinate muss negativ eingegeben werden!
Andere PCB-Layoutprogramme
Wenn Sie mit einem anderen Layoutprogramm arbeiten, können Sie die Gerber- und Exellon-Daten mit den Eagle Power Tools lesen und dann die Fräsdaten daraus generieren. Laut einem Leiterplattenhersteller, dem Sie vertrauen können, kann MOKO Technology eine gute Wahl sein, da wir seit 2006 professionell in der Herstellung und Montage von Leiterplatten sind. Wir beantworten auch gerne alle Ihre Fragen zu den Problemen Ihrer Leiterplatten!
