Fraisage de circuits imprimés
Les cartes (circuits imprimés, etc.) peuvent être fabriquées de nombreuses manières. Cet article présente deux méthodes de fraisage de PCB. La première est la suivante :
• Faire un film
• Exposition du matériau de base photosensible
• Développer
• Gravure
• Forage
• Décapage
• Revêtement avec vernis à souder
Fraisage d'isolation de PCB
La deuxième façon de Fabrication de PCBLe fraisage de circuits imprimés, plus attrayant à première vue, est un fraisage d'isolant. Il nécessite les étapes suivantes :
• Génération des données de fraisage, de préférence sous forme de code G selon DIN 66025
• Serrage du matériau de base
• Fraisage des contours des pistes conductrices
• Perçage des trous pour les composants dans le même serrage
• Revêtement avec vernis à souder
Les points suivants parlent en faveur du fraisage de l'isolation :
• La base Matériel PCB est moins cher
• La panique liée aux produits chimiques disparaît
• La production d'un seul prototype de PCB est plus rapide
En revanche, il s'oppose à :
Vous avez besoin d'une fraiseuse CNC extrêmement coûteuse, ainsi que de l'électronique de commande et du logiciel de circuit imprimé nécessaires. Le coût total ne devrait pas être inférieur à 2,000 2006 euros, même en autoconstruction. Fabricant de circuits imprimés en Chine depuis XNUMX, MOKO Technology fabrique des circuits imprimés avec des fraiseuses CNC de pointe pour garantir une qualité irréprochable.
• Des fraises en carbure coûteuses sont nécessaires pour le fraisage, qui ne durent généralement que 1 à 2 planches européennes
• La création des données de fraisage n’est pas facile
• Le réglage des paramètres de fraisage du PCB est difficile et ne fonctionne généralement qu'avec des essais et des erreurs
• Le fraisage d'une planche européenne unilatérale peut prendre plus d'une heure
• La poussière de fraisage (fibres de verre !) peut être nocive pour la santé
Procédure de fabrication de PCB
Si vous souhaitez néanmoins usiner vos circuits imprimés, voici la procédure à suivre pour produire la carte illustrée ci-dessus, aux dimensions 100 mm x 60 mm. Il s'agit de la carte de commande du moteur de broche de la fraiseuse. La carte est simple face, mais la production de cartes double face est possible selon le même procédé. Il est important de créer une largeur de piste suffisante pour réaliser une trace entre deux connexions de circuits intégrés. Sinon, seules des cartes très simples peuvent être usinées. La réussite de cette opération est illustrée par l'agrandissement de la découpe suivante :
La largeur des pistes doit être d'environ 0.3 mm, et la distance entre les pistes et les plots de soudure d'environ 0.4 mm. Cela signifie que le circuit imprimé peut être soudé sans problème sans souder constamment les pistes entre elles. Cependant, cela nécessite un fer à souder performant avec une panne fine et longue et un fil de soudure de bonne qualité (0.5 mm).
Le logiciel pcb-gcode
Sans logiciel approprié, rien ne fonctionne. Vous pouvez utiliser le logiciel de conception Eagle pour concevoir vos circuits imprimés. Si vous utilisez MOKO Technology, vous pouvez également concevoir vos circuits imprimés gratuitement, même pour vos besoins de fabrication. Eagle propose une version gratuite pour tester et réaliser des projets plus modestes. Cette version est également intéressante pour ceux qui utilisent un autre logiciel de conception, comme nous le verrons plus loin.
Cependant, la création de programmes de fraisage de circuits imprimés pour le fraisage d'isolants n'est pas une fonctionnalité standard d'Eagle. Mais comme ces fonctions peuvent être exécutées par des « ULP » (User Language Programs), un homme nommé John Johnson a eu l'idée d'écrire un ULP adapté.
L'ULP peut être téléchargé depuis la page de téléchargement de CadSoft. Commencez par rechercher l'ULP « pcb-gcode.zip ». Malheureusement, il n'y a pas de fonction de recherche, mais les ULP sont triés par ordre alphabétique. Téléchargez le fichier zip et décompressez tous les fichiers qu'il contient dans le répertoire c:-programs-EAGLE-4.12-ulp.
Maintenant, si vous tapez « run pcb-gcode -setup » dans la vue de disposition d'Eagle sur la ligne de commande, l'écran de configuration suivant devrait apparaître :
Ici, vous définissez les paramètres suivants :
1. Face supérieure (haut de la carte PCB, côté du composant)
• Générer les contours supérieurs – Générer des données de fraisage PCB pour les pistes conductrices du haut
• Générer des forages supérieurs – Créer des données de forage pour les forages supérieurs
• Générer des remplissages supérieurs – Créer des données de fraisage pour supprimer tout le cuivre entre les traces et les yeux de soudure (généralement non requis)
2. Côté inférieur du PCB (bas de la carte)
• Comment les paramètres du haut
3. Carte PCB (paramètres qui s'appliquent à l'ensemble de la carte)
• Générer le fraisage – génère des données de fraisage à partir de la couche de fraisage de la carte (par exemple, contour ou découpes plus grandes)
• Valeur par défaut d'isolement – cela devrait être une très petite valeur, 0.0025 est OK
• Isolation maximale – la largeur maximale de l'isolation
• Taille de l'étape d'isolation – à quel point l'isolation devient plus large à chaque passage
4.CB Units (unités de mesure)
• Microns – millièmes de millimètre
• Millimètres – millimètres
• Mils – Millièmes de pouce
• Pouces – pouces (25.4 mm)
Cliquez ensuite sur l'onglet « Machine ». La fenêtre suivante apparaît :
Ici, vous définissez les paramètres suivants :
5. Axe Z (paramètres de l'axe Z)
• Z High – Une position qui évite les collisions avec les dispositifs de serrage
• Z haut — Position à laquelle l'axe Z est déplacé sur la carte lors d'un positionnement rapide. Ne pas choisir une position trop haute pour gagner du temps.
• Z Down – Profondeur d'intrusion de la fraise
• Profondeur de perçage, légèrement supérieure à l'épaisseur du circuit imprimé
• Drill Dwell – Temps de forage
• Profondeur de fraisage – Profondeur de fraisage PCB pour les contours et les découpes, légèrement supérieure à l'épaisseur de la carte
6. Changement d'outil
• Position sur laquelle l'axe Z est entraîné pour un changement d'outil pratique
Broche (broche de fraisage)
• Temps de rotation – Temps en secondes pour maintenir la broche à la vitesse
• Taille de l'outil de gravure – Largeur du point de gravure pour le fraisage des contours de la trace (voir ci-dessous)
7. Débits d'alimentation
• XY – Vitesse d'avance pour les axes X et Y pendant le fraisage du PCB
• Z – Vitesse d’immersion de la fraise
Cliquez ensuite sur l'onglet « Style GCode ». La fenêtre suivante apparaît :
Vous pouvez maintenant définir pour quel programme de contrôle PC le code doit être généré. C'est ce que fait un « post-processeur » (.pp). Étant fan de Mach3, j'ai choisi « Mach ». Si le programme de contrôle que vous utilisez ne dispose pas de post-processeur, vous pouvez en créer un vous-même en procédant comme suit :
• Choisissez le post-processeur qui se rapproche le plus de celui souhaité
• Ouvrez ensuite le fichier gcode-defaults.h dans le répertoire C:-Programs-EAGLE-4.12-ulp avec l'éditeur
• Effectuer les modifications nécessaires
• Ne modifiez pas les codes de format tels que « %f », « %d », etc.
• Enregistrez le fichier sous un nouveau nom, par exemple « Cover.pp »
Cliquez ensuite sur « Accepter » pour enregistrer les modifications de configuration. Cliquez sur « Accepter et créer ma carte » pour enregistrer les modifications de configuration et lancer la génération des données de fraisage et de perçage. Cliquez sur « Annuler » pour annuler toutes les modifications.
Génération de données de fraisage et de perçage de PCB dans Eagle
Générer des données depuis Eagle est très simple, mais quelques détails doivent être pris en compte pour créer un circuit imprimé utilisable. Tout d'abord, vous devez définir les « Règles de conception ». Pour ce faire, saisissez « drc » dans la ligne de commande ou cliquez sur l'icône correspondante. La fenêtre des règles de conception apparaît.
Cliquez d'abord sur l'onglet « Dégagement » et définissez toutes les distances sur 16 mil (0.4 mm). C'est un bon point de départ pour vos propres expériences. Cliquez ensuite sur l'onglet « Tailles ».
Réglez la largeur minimale de la piste à 16 mil (0.4 mm). Ceci est important pour l'Autorouter. Cliquez ensuite sur « Restring ».
Réglez les pastilles (connecteurs de composants) sur 16 mil. Cela garantit qu'elles ne deviennent pas trop petites.
Toutes ces valeurs sont celles avec lesquelles je travaille et qui m'ont permis d'obtenir de bons résultats. Bien sûr, d'autres valeurs peuvent vous permettre d'obtenir de meilleurs résultats.
Cliquez ensuite sur « Vérifier ». Vous obtiendrez probablement une liste d'erreurs signalant des distances trop faibles entre les traces. Modifiez l'espacement en conséquence. Vous pouvez toutefois ignorer les distances trop faibles entre les traces effectuées entre les ports du circuit intégré. Elles ne devraient pas non plus rendre les traces plus étroites.
Si tout va bien, tapez « run pcb-gcode » sur la ligne de commande
Les fichiers suivants sont ensuite générés, chacun portant le nom de votre fichier schématique, auquel sont attachées les extensions suivantes :
• top.nc : les contours du tracé du haut de la carte
• bot.nc : les contours de tracé pour le bas de la carte
• tf.nc : données de fraisage pour éliminer le cuivre restant sur le dessus (généralement pas nécessaire)
• bf.nc : Données de fraisage pour éliminer le cuivre restant sur le fond (généralement pas nécessaire)
• td.nc : Données de perçage, vues de dessus. Au début, un tableau indique les diamètres de perçage requis. En raison de la conversion, les valeurs sont en pouces et millimètres, avec des valeurs partiellement « cruciales ». Il suffit de choisir le foret le plus proche.
Ceux-ci doivent être utilisés dans la production de panneaux unilatéraux, sinon le panneau devrait être retourné.
mt.nc : Données de fraisage pour les contours et les découpes, vues du dessus.
mb.nc : Données de fraisage pour les contours et les découpes, vues du bas.
Ces fichiers sont écrits dans le même répertoire que votre fichier schématique.
Pour un premier test, vous pouvez ouvrir le fichier top.nc ou bot.nc dans Mach3 et visualiser le résultat. Il est probable que l'affichage des voiles de fraisage se trouve en dehors de la fenêtre d'aperçu. Réduisez donc la taille de l'affichage jusqu'à ce que la carte soit visible. Déplacez-les ensuite jusqu'à obtenir une image nette :
Cliquez sur l'image pour l'agrandir et vérifier les contours des pistes et des connecteurs des composants. Les emplacements des pistes entre les connexions des composants sont particulièrement critiques. En l'absence de trace de fraisage entre la piste conductrice et la connexion, vous devez réduire la largeur du point de fraisage dans la configuration (Taille de l'outil de gravure).
Serrage de la planche
Pour fraiser la carte, il faut d'abord la serrer. Utiliser ou non un contrôleur de profondeur de gravure est un atout majeur. Ce contrôleur garantit que le point de fraisage du circuit imprimé a toujours la même profondeur d'immersion en tout point de la carte. Le point étant en forme de V, la profondeur détermine la largeur de l'isolant, c'est-à-dire la bande fraisée. Si celle-ci est trop large, vos pistes disparaissent complètement, et le cuivre s'arrête, provoquant des courts-circuits. Le contrôleur de profondeur de ma machine ressemble à ceci :
Le petit tuyau à l'avant sert au raccordement de l'aspirateur, tandis que la vis micrométrique permet de régler la hauteur. Je décrirai le fonctionnement du régulateur de profondeur, qui est intégré ailleurs.
Comme le contrôleur de profondeur de gravure appuie fermement la plaque sur le support, il n'est pas nécessaire de la sécuriser contre le soulèvement. Il est plutôt important de la sécuriser contre tout glissement. Pour cela, j'ai construit un cadre composé de tôles d'aluminium rigides de 1.0 mm posées sur une plaque de bois.
Deux bandes de tôle forment un angle dans lequel la planche est pressée par deux cales de même matériau. L'image illustre le principe. Ce type de fixation présente l'avantage, pour la production en série, de maintenir les planches toujours dans la même position. Je peux ainsi fraiser toutes les planches et les percer en une seule passe, sans avoir à changer constamment de programme et d'outil.
L'outil de fraisage PCB
Vous pouvez utiliser des points de gravure pour le fraisage. Il s'agit de pièces en carbure dont la moitié inférieure est rectifiée. Celles-ci sont ensuite poncées à différents angles de pointe. L'angle de rectification est toujours égal à la moitié de l'angle de pointe. La pointe est légèrement poncée pour obtenir une arête de coupe. La largeur de coupe et l'angle de pointe peuvent être sélectionnés lors de la commande. Jusqu'à présent, j'ai obtenu les meilleurs résultats avec une largeur de coupe de 0.1 mm, un angle de pointe de 40° et une profondeur de fraisage de 0.2 mm. Le dessin illustre une astuce :
Le diamètre de la tige doit être de 3 mm, ce qui est compatible avec les pinces Proxxon. Il existe également des points de suture avec un diamètre de tige de 1/8 pouce, qui ne s'adaptent pas correctement à la pince de 3.2 mm et ont tendance à « ovuler ». Consultez eBay : plusieurs vendeurs proposent ce type de point. Assurez-vous d'obtenir des points de suture avec un bord de coupe fini ; vous devez les affûter vous-même sans les couper avec une ponceuse à points.
Point zéro de la pièce
Le point zéro de la pièce se situe sur le bord avant gauche du circuit imprimé dans les données de fraisage du haut. En revanche, en bas, il se situe sur le bord avant droit. Toutes les valeurs de coordonnées de l'axe X sont négatives !
Hauteur
Si vous utilisez un curseur de profondeur de gravure, vous savez comment régler la hauteur. Sinon, le plus simple est de serrer une fraise et de la déplacer brièvement sur la planche. Desserrez ensuite le mandrin et posez la fraise sur la planche. Resserrez ensuite l'avance et réglez l'axe Z à zéro. N'oubliez pas de remonter légèrement l'axe Z !
Profondeur d'immersion
La profondeur d'immersion est cruciale, car elle détermine la largeur de la bande de fraisage du circuit imprimé. La formule est la suivante :
Fraise 40° : Largeur = Profondeur d'immersion * 0.7279
Fraise 60° : Largeur = Profondeur d'immersion * 1,1547
Une profondeur d'immersion minimale est requise (0.15 à 0.2 mm selon mon expérience), sinon une crête se formera au niveau des bandes fraisées. Les imprécisions de la machine jouant également un rôle, je vous conseille d'essayer quelques chutes.
Vitesse de broche
La vitesse de la broche de fraisage doit être la plus élevée possible pour obtenir une coupe sans bavure. Une vitesse de broche à partir de 20,000 6,000 tr/min est acceptable. Cependant, ma machine à XNUMX XNUMX tr/min produit également des planches parfaitement nettes.
Fraisage
Il est temps de commencer ! Veillez également à respecter la distance de sécurité nécessaire avec la fraise et à ce qu'aucun dispositif de serrage ne gêne. N'oubliez pas de mettre la broche en marche ! Vous ne serez probablement pas satisfait du premier résultat et devrez faire quelques essais.
Forage Horizontaux
L'un des avantages de ce procédé est la possibilité de percer la carte immédiatement. Pour cela, vous avez besoin des données de perçage de la page correspondante. Les trous traversent la carte dans tous les cas, mais sont symétriques du bas vers le haut ; ainsi, avec les données de perçage, le point zéro du bas est situé juste devant. Dès qu'un changement de foret est nécessaire, le programme de fraisage s'arrête et déplace la broche à la position spécifiée pour le changement d'outil.
PCB double face
Comme mentionné précédemment, la production de cartes double face est également possible. Pour cela, percez un petit trou dans le plan de la carte et notez ses coordonnées. Pour cela, saisissez « info » dans la ligne de commande et cliquez sur le trou. Une petite fenêtre s'affichera alors.
La première coordonnée (52.07) correspond à l'axe X, la seconde à l'axe Y, vu du dessus. Si vous avez tourné la carte après avoir fraisé et percé le dessus, positionnez le centre de la broche de fraisage exactement au-dessus de ce trou et saisissez les valeurs des coordonnées X et Y dans le contrôleur. La coordonnée X doit être négative !
Autres programmes de conception de circuits imprimés
Si vous travaillez avec un programme de mise en page différent, vous pouvez lire les données Gerber et Exellon à l'aide des outils Eagle Power, puis générer les données de fraisage à partir de celles-ci, et en tant que fabricant de PCB en qui vous pouvez avoir confiance, MOKO Technology peut être un bon choix car nous sommes professionnels dans la fabrication et l'assemblage de circuits imprimés depuis 2006, nous sommes également ouverts pour répondre à toutes vos questions sur les problèmes de vos cartes PCB !
