PCB-freesplaten
Printplaten (printplaten, ...) kunnen op vele manieren worden vervaardigd. In dit artikel introduceren we twee manieren om printplaten te frezen. De eerste manier werkt als volgt:
• Een film maken
• Blootstelling van het lichtgevoelige basismateriaal
• Ontwikkelen
• Etsen
• Boren
• Ontlakken
• Coating met soldeerlak
PCB-isolatie frezen
De tweede manier van PCB-productiePCB-frezen, wat op het eerste gezicht aantrekkelijker lijkt, is isolatiefrezen. Dit vereist de volgende stappen:
• Het genereren van de freesgegevens, bij voorkeur als G-code volgens DIN 66025
• Het basismateriaal vastklemmen
• Het frezen van de contouren van de geleiderails
• Het boren van de gaten voor de componenten in dezelfde klemming
• Coating met soldeerlak
Voor het frezen van de isolatie gelden de volgende punten:
• De basis PCB-materiaal is goedkoper
• De paniek met chemicaliën valt weg
• De productie van een enkel PCB-prototype is sneller
Aan de andere kant spreekt het zich uit tegen:
• U hebt een peperdure CNC-freesmachine nodig, inclusief de benodigde besturingselektronica en PCB-software. De totale kosten mogen niet onder de 2,000 euro komen, zelfs niet bij zelfbouw. Als PCB-fabrikant in China sinds 2006 produceert MOKO Technology PCB's met geavanceerde CNC-freesmachines om een goede kwaliteit te garanderen.
• Voor het frezen zijn dure hardmetalen frezen nodig, die doorgaans maar 1 à 2 Europese planken meegaan
• Het aanmaken van de freesgegevens is niet eenvoudig
• Het instellen van de PCB-freesparameters is moeilijk en werkt meestal alleen met vallen en opstaan
• Het frezen van een eenzijdig Europees bord kan meer dan een uur duren
• Het stof van de frees (glasvezels!) kan schadelijk zijn voor de gezondheid
PCB-productieprocedure
Als u toch uw printplaten wilt frezen, volgt hier de procedure om de hierboven afgebeelde printplaat met de afmetingen 100 mm x 60 mm te produceren. Dit is de besturingsprintplaat van de spindelmotor van de freesmachine. De printplaat is slechts enkelzijdig, maar de productie van dubbelzijdige printplaten is volgens hetzelfde proces mogelijk. Het is belangrijk dat er een spoorbreedte kan worden gecreëerd, waardoor een spoor tussen twee IC-aansluitingen mogelijk is. Anders kunnen alleen zeer eenvoudige printplaten worden gefreesd. Dat dit succesvol kan zijn, blijkt uit de volgende uitsnede:
De spoorbreedte moet ongeveer 0.3 mm zijn, de afstand tussen de sporen en de soldeerogen ongeveer 0.4 mm. Dit betekent dat de printplaat ook verstandig gesoldeerd kan worden zonder constant sporen aan elkaar te solderen. Hiervoor is echter een degelijke soldeerbout met een dunne, lange punt en een goede soldeerdraad (0.5 mm) nodig.
De software pcb-gcode
Zonder de juiste software werkt natuurlijk niets. U kunt de layoutsoftware Eagle gebruiken om printplaten te ontwerpen. Als u MOKO Technology vindt, kunt u PCB-ontwerp gratis krijgen bij uw PCB-productiebehoeften. Eagle heeft een gratis versie om uit te proberen en voor kleinere projecten. Dit is ook interessant voor mensen die een ander layoutprogramma gebruiken, zoals we later zullen zien.
Het maken van PCB-freesprogramma's voor isolatiefrezen is echter geen standaardfunctie van Eagle. Maar omdat het mogelijk is om dergelijke functies te laten uitvoeren door zogenaamde "ULP's" (User Language Programs), heeft een man genaamd John Johnson de vaardigheid verworven om een geschikte ULP te schrijven.
De ULP kan worden gedownload van de CadSoft downloadpagina. Zoek eerst naar de ULP "pcb-gcode.zip". Helaas is er geen zoekfunctie, maar de ULP's zijn alfabetisch gesorteerd. Download het zipbestand en pak alle bestanden uit in de map c:-programs-EAGLE-4.12-ulp.
Als u nu "run pcb-gcode -setup" typt in de lay-outweergave van Eagle op de opdrachtregel, zou het volgende configuratiescherm moeten verschijnen:
Hier stelt u de volgende parameters in:
1. Bovenkant (bovenkant van de printplaat, zijkant van het component)
• Genereer bovencontouren – Genereer PCB-freesgegevens voor de geleiderbanen van de bovencontouren
• Genereer topboren – Creëer boorgegevens voor de topboren
• Genereer bovenvullingen – Creëer freesgegevens om al het koper tussen de sporen en soldeerogen te verwijderen (meestal niet vereist)
2. PCB-onderkant (onderkant van de printplaat)
• Hoe de parameters van de top
3. PCB-bord (parameters die van toepassing zijn op het gehele bord)
• Frezen genereren – genereert freesgegevens uit de freeslaag van het bord (bijv. omtrek of grotere uitsparingen)
• Isolatiestandaard – dit moet een zeer kleine waarde zijn, 0.0025 is OK
• Isolatie Maximum – de maximale breedte van de isolatie
• Isolatiestapgrootte – hoeveel breder de isolatie wordt bij elke doorgang
4.CB-eenheden (meeteenheden)
• Microns – duizendsten van een millimeter
• Millimeters – millimeters
• Mils – duizendsten van een inch
• Inch – inch (25.4 mm)
Klik vervolgens op het tabblad 'Machine'. Het volgende venster verschijnt:
Hier stelt u de volgende parameters in:
5. Z-as (Z-as instellingen)
• Z Hoog – Een positie die botsingen met kleminrichtingen vermijdt
• Z Up — De positie waarin de Z-as over het bord wordt bewogen bij snelle positionering. Mag niet te hoog worden gekozen om tijd te besparen.
• Z Down – Intrusiediepte van de frees
• Boordiepte, iets meer dan de dikte van de printplaat
• Boorverplaatsing – Boortijd
• Freesdiepte – PCB Freesdiepte voor contouren en uitsparingen, iets meer dan de dikte van de printplaat
6. Gereedschapswissel
• Positie waarop de Z-as wordt aangedreven voor een gemakkelijke gereedschapswissel
Spindel (freesspindel)
• Opstarttijd – Tijd in seconden om de spindel op snelheid te houden
• Grootte van het etsgereedschap – Breedte van de graveersteek voor het frezen van de tracecontouren (zie hieronder)
7. Voedingssnelheden
• XY – Voedingssnelheid voor de X- en Y-assen tijdens het frezen van PCB's
• Z – Onderdompelsnelheid van de frees
Klik vervolgens op het tabblad 'GCode-stijl'. Het volgende venster verschijnt:
Hier kunt u nu instellen voor welk pc-besturingsprogramma de code gegenereerd moet worden. Dit is wat een zogenaamde "postprocessor" (.pp) doet. Als fan van Mach3 heb ik voor "Mach" gekozen. Als er geen postprocessor is voor het besturingsprogramma dat u gebruikt, kunt u er zelf een aanmaken door het volgende te doen:
• Kies de postprocessor die het dichtst bij de gewenste komt
• Open vervolgens het bestand gcode-defaults.h in de map C:-Programs-EAGLE-4.12-ulp met de editor
• De nodige wijzigingen aanbrengen
• Wijzig de opmaakcodes zoals “%f”, “%d”, enz. niet.
• Sla het bestand op onder een nieuwe naam, bijvoorbeeld “Cover.pp”
Wanneer u vervolgens op Accepteren klikt, worden de configuratiewijzigingen opgeslagen. Klikt u op 'Accepteren en mijn board maken', dan worden de configuratiewijzigingen opgeslagen en worden de frees- en boorgegevens gegenereerd. Klikt u op 'Annuleren', dan worden alle wijzigingen ongedaan gemaakt.
Het genereren van PCB-frees- en boorgegevens in Eagle
Het genereren van gegevens vanuit Eagle is heel eenvoudig, maar er zijn wel wat details nodig om een bruikbare printplaat te maken. Eerst moet u de "Ontwerpregels" instellen. Voer hiervoor "drc" in op de opdrachtregel of klik op het bijbehorende pictogram. Het venster met de ontwerpregels verschijnt.
Klik eerst op het tabblad 'Ruimte' en stel alle afstanden in op 16 mil (0.4 mm). Dit is allereerst een goed startpunt voor je eigen experimenten. Klik vervolgens op het tabblad 'Afmetingen'.
Stel de minimale spoorbreedte in op 16 mil (0.4 mm). Dit is belangrijk bij het werken met de Autorouter. Klik vervolgens op "Restring".
Stel de pads (componentconnectoren) in op 16 mil. Dit voorkomt dat ze te klein worden.
Alle waarden zijn waarden waarmee ik werk en waarmee ik goede resultaten heb behaald. Natuurlijk kun je met andere waarden betere resultaten behalen.
Klik vervolgens op 'Controleren'. U krijgt waarschijnlijk een lijst met fouten die aangeven dat de afstand tussen de sporen te kort is. Pas de afstand dienovereenkomstig aan. U kunt echter de afstand tussen de sporen tussen IC-poorten negeren als er te weinig sporen worden gemaakt. Ook daar mogen de sporen niet smaller worden.
Als alles in orde is, typt u “run pcb-gcode” op de opdrachtregel
Vervolgens worden de volgende bestanden gegenereerd, die allemaal de naam van uw schemabestand hebben, waaraan de volgende extensies zijn gekoppeld:
• top.nc: de trace-contouren voor de bovenkant van het bord
• bot.nc: de trace-contouren voor de onderkant van het bord
• tf.nc: Freesgegevens om het resterende koper aan de bovenkant te verwijderen (meestal niet nodig)
• bf.nc: Freesgegevens om het resterende koper aan de onderkant te verwijderen (meestal niet nodig)
• td.nc: Boorgegevens, van bovenaf gezien. Vooraan staat een tabel met de benodigde boordiameters. Vanwege de omrekening in inches en millimeters met deels "crunch"-waarden. Neem gewoon de boor die het dichtst in de buurt komt.
Deze zijn bedoeld voor de productie van enkelzijdige platen, anders zou de plaat omgedraaid moeten worden.
mt.nc: Freesgegevens voor contouren en uitsparingen, van bovenaf gezien.
mb.nc: Freesgegevens voor contouren en uitsparingen, gezien vanaf de onderkant.
Deze bestanden worden naar dezelfde directory geschreven als uw schemabestand.
Voor een eerste test kun je nu top.nc of bot.nc in Mach3 openen en het resultaat bekijken. Vermoedelijk staat de weergave van de freesbanen buiten het previewvenster. Verklein daarom de weergave totdat je het bord ziet. Verschuif ze vervolgens tot je een duidelijk beeld hebt:
Klik op de afbeelding om deze in volledige grootte te bekijken en controleer de contouren van de sporen en componentconnectoren. Bijzonder kritisch zijn de plaatsen waar sporen worden aangebracht tussen componentaansluitingen. Als er geen freesspoor is tussen het geleiderspoor en de verbinding, moet u de breedte van de freessteek in de configuratie (Etsgereedschapgrootte) verkleinen.
Het vastklemmen van het bord
Om de printplaat te kunnen frezen, moet je hem eerst vastklemmen. Het maakt een groot verschil of je met een graveerdiepteregelaar werkt of niet. De graveerdiepteregelaar zorgt ervoor dat de PCB-freessteek altijd dezelfde insteekdiepte heeft op alle punten van de printplaat. Omdat de stift V-vormig is, bepaalt de diepte de breedte van de isolatie, oftewel het gefreesde web. Wordt deze te breed, dan verdwijnen je sporen in het paradijs, wordt het te smal, stopt het koper en ontstaat er kortsluiting. De diepteregelaar op mijn machine ziet er zo uit:
De korte buis aan de voorkant is de aansluiting voor de stofzuiger, de micrometerschroef wordt gebruikt voor de hoogteverstelling. Ik zal elders beschrijven hoe de diepteregelaar werkt en hoe deze is opgebouwd.
Omdat de graveerdiepteregelaar de plaat stevig op de onderlaag drukt, hoeft deze niet te worden vastgezet tegen loskomen. In plaats daarvan is het belangrijk om de plaat te beveiligen tegen wegglijden. Hiervoor heb ik een frame gemaakt van 1.0 mm dikke aluminium platen op een houten plaat.
Twee plaatstrips vormen een hoek waarin de plaat wordt gedrukt door twee wiggen van hetzelfde materiaal. De afbeelding moet het principe begrijpelijk maken. Deze manier van bevestigen heeft bij serieproductie als voordeel dat de platen altijd in dezelfde positie worden vastgeklemd. Zo kan ik eerst alle platen frezen en in één keer boren zonder steeds van programma en gereedschap te hoeven wisselen.
Het PCB-freesgereedschap
Voor het frezen kunt u graveersteken gebruiken. Dit zijn onderdelen van hardmetalen ronde staven waarvan de helft aan de onderkant is weggeslepen. Deze worden vervolgens onder verschillende punthoeken geschuurd. De slijphoek is altijd de helft van de punthoek. De punt wordt licht geschuurd, waardoor een snijkant ontstaat. Snijbreedte en punthoek kunnen bij de bestelling worden geselecteerd. Tot nu toe heb ik de beste resultaten behaald met een snijbreedte van 0.1 mm, een punthoek van 40° en een freesdiepte van 0.2 mm. De tekening laat een trucje zien:
De schachtdiameter moet 3 mm zijn, wat ook past op Proxxon-spantangen. Er zijn ook steken met een schachtdiameter van 1/8 inch, die niet goed in de 3.2 mm-spantang passen en de neiging hebben om te "eieren". Kijk eens op eBay, daar zijn verschillende aanbieders. Zorg ervoor dat je steken koopt met een afgewerkte snijkant, je moet de steken zelf slijpen zonder te snijden met een stekenslijpmachine.
Werkstuknulpunt
Het werkstuknulpunt bevindt zich in de freesgegevens voor de bovenkant aan de linkervoorkant van de printplaat. Onderaan bevindt het zich echter aan de rechtervoorkant. Alle coördinaatwaarden van de X-as zijn negatief!
Hoogte
Als je met een graveerdiepteregelaar werkt, weet je hoe je de hoogte moet instellen. Anders is de makkelijkste manier om een frees vast te klemmen en deze even over de plank te bewegen. Draai vervolgens de klauw los en laat de frees op de plank vallen. Draai vervolgens de voeding weer vast en zet de Z-as op nul. Vergeet niet de Z-as weer een stukje omhoog te bewegen!
Onderdompelingsdiepte
De dompeldiepte is zeer kritisch, omdat dit de breedte van het PCB-freesweb bepaalt. De formule hiervoor is:
Frees 40°: Breedte = Dompeldiepte * 0.7279
Frees 60°: Breedte = Dompeldiepte * 1,1547
Je hebt een bepaalde minimale insteekdiepte nodig (0.15 – 0.2 mm, naar mijn ervaring), anders ontstaat er een ribbel in de gefreesde banen. Omdat onnauwkeurigheden van de machine ook een rol spelen, raad ik aan om een paar stukjes afval te proberen.
Spindel snelheid:
Het toerental van de freesspindel moet zo hoog mogelijk zijn om een braamvrije snede te bereiken. Spindelsnelheden vanaf 20,000 tpm zijn acceptabel. Op mijn machine met 6,000 tpm zijn echter ook vrij schone platen te verkrijgen.
Frezen
Nu is het tijd om te beginnen! Let ook op de nodige veiligheidsafstand van de frees en zorg dat er geen klemmiddelen in de weg zitten. Vergeet niet de spindel aan te zetten! Je zult waarschijnlijk niet tevreden zijn met het eerste resultaat en zult wat moeten experimenteren.
Boren
Een van de charmes van het proces is dat je direct in de printplaat kunt boren. Hiervoor heb je de boorgegevens van de betreffende pagina nodig. De gaten lopen sowieso door de hele printplaat, maar zijn van onder naar boven in spiegelbeeld. Dat wil zeggen dat ook bij de boorgegevens het nulpunt van de onderkant helemaal vooraan ligt. Zodra er een boorwissel nodig is, stopt het PCB-freesprogramma en beweegt de spindel naar de positie die je voor de gereedschapswissel hebt opgegeven.
Dubbelzijdige printplaat
Zoals reeds vermeld, is het ook mogelijk om dubbelzijdige printplaten te maken. Hiervoor plaatst u een apart, klein gaatje in de lay-out van de printplaat en noteert u de coördinaten. Voer hiervoor "info" in op de opdrachtregel en klik op het gaatje. U ziet dan een klein venster.
De eerste coördinaat (52.07) is de X-as, de tweede is de Y-as, gezien vanaf de bovenkant. Als u de printplaat hebt gedraaid na het frezen en boren van de bovenkant, positioneer dan het midden van de freesspindel precies boven dit gat en voer de coördinaatwaarden in als X- en Y-posities in de controller. U moet de X-coördinaat als een negatieve waarde invoeren!
Andere PCB-layoutprogramma's
Als u met een ander lay-outprogramma werkt, kunt u de Gerber- en Exellon-gegevens inlezen met Eagle Power Tools en hieruit de freesgegevens genereren. Als PCB-fabrikant die u kunt vertrouwen, kan MOKO Technology een goede keuze zijn. Wij zijn al sinds 2006 professionals in het vervaardigen en monteren van printplaten en beantwoorden graag al uw vragen over uw PCB-platen!
