Innovation vorantreiben: Tiefen-Routing-Prozesse – Erreichen unvergleichlicher Präzision in komplexen Leiterplatten

In der PCB-Herstellung erweitert die Nachfrage nach zunehmend komplexen und miniaturisierten Designs ständig die Grenzen traditioneller Fertigungsmethoden, einschließlich Tiefenfräsen.

Tiefenfräsen ist in mehreren wichtigen PCB-Anwendungen unverzichtbar:

• Starr-flexige Leiterplatten:Diese Hybridplatten kombinieren starre Abschnitte mit flexiblen Verbindungen und erfordern eine präzise Tiefenfräsung, um die "Tasse" oben und/oder unten am Flexteil zu entfernen.
• PCBs mit Hohlräumen:Hohlräume werden strategisch innerhalb der Leiterplattenschichten geschaffen, um Komponenten direkt in die Platine zu integrieren oder einzubetten.
• Kupfermünzleiterplatten für Kühlkörper:In Hochleistungsanwendungen sind Kupfermünzen oft in Leiterplatten eingebettet, um als hocheffiziente lokale Kühlkörper zu dienen. Tiefenfräsen werden verwendet, um präzise Taschen für diese Münzen zu schaffen und so eine perfekte Passform zu gewährleisten.

Der Erfolg in diesen Anwendungen erfordert nicht nur robuste Maschinen, sondern auch ausgefeilte Steuerungsfunktionen. PCB-Hersteller verlassen sich auf fortschrittliche Maschinenfunktionen und Prozessmethoden, um ihre Ziele für präzise Tiefenfräsen zu erreichen. Hier werde ich einige wichtige Funktionen vorstellen, die Hersteller befähigen, komplexe Tiefen-Routing-Herausforderungen zu meistern.

Tiefenführung mit einem zweiten Messsystem

Ein häufiges Szenario beim Tiefenfräsen besteht darin, eine konstante Schnitttiefe zu erzeugen, selbst wenn das Platinenpanel selbst nicht vollkommen flach ist – ein häufiges Vorkommen in der Fertigung. In solchen Fällen kann die ausschließliche Nutzung einer vorprogrammierten Z-Achsentiefe von einem festen Bezugspunkt zu inkonsistenten Ergebnissen führen.

Um dies zu umgehen, verwenden Maschinen ein zweites Messsystem, das typischerweise einen Druckfuß mit einem speziellen Einsatz oder einer Bürste umfasst, der präzise die Oberfläche der Leiterplatte berührt. Die Maschine berechnet die Tiefe vom exakten Kontaktpunkt und hält sie während des gesamten Routing-Pfades konstant aufrecht. Diese dynamische Anpassung stellt sicher, dass die gefräste Tiefe relativ zur potenziell unebenen Paneeloberfläche genau ist. Eine typische und kritische Anwendung dieser Technologie ist das Tiefenfräsen zur Eliminierung von Körben in der Fertigung von starren Leiterplatten.

Abbildung 1: Tiefenführung unter Verwendung der Proben des zweiten Messsystems.

Tiefenführung durch elektrischen Kontakt

Während ein zweites Messsystem oft mechanischen Kontakt verwendet, um den Anfangspunkt für Tiefenberechnungen zu bestimmen, bietet das Tiefenrouting vom elektrischen Kontakt eine alternative, präzise Methode, die die elektrischen Eigenschaften der Leiterplatte nutzt. Bei diesem Ansatz muss die als Ausgangspunkt für die Tiefenberechnung vorgesehene Schicht geerdet werden. Das könnte die oberste Kupferschicht oder eine innere Kupferschicht sein. Das elektrisch leitfähige Fräswerkzeug nimmt Kontakt mit dieser geerdeten Schicht auf und löst ein präzises Signal aus, das den Nullpunkt für die Z-Achsen-Tiefenmessung definiert.

Diese Methode ist besonders vorteilhaft für Anwendungen, die extrem enge Toleranzen erfordern und direkt auf eine leitfähige Schicht Bezug nehmen. Sie eliminiert die kleinen mechanischen Variationen, die bei Druckfußsystemen auftreten können, und bietet eine überlegene Wiederholbarkeit, wenn das Ziel ein Kupferelement ist.

Abbildung 2: Tiefenleitung mit elektrischem Kontakt, wobei die obere Schicht geerdet ist.

Abbildung 3: Tiefenführung unter Verwendung elektrischer Kontakt, wobei die innere Schicht geerdet ist.

Polieren

Die Prinzipien des elektrischen Kontakts können auch in einer "Polieren"-Funktion angewendet werden. Diese fortschrittliche Funktion gewährleistet eine außergewöhnlich saubere und präzise gefräste Oberfläche, insbesondere wenn die Tiefenführung dazu gedacht ist, eine Kupferschicht freizulegen, ohne Schäden zu verursachen. Die Maschine führt eine Tiefen-Routing-Operation aus. Wenn das Werkzeug elektrischen Kontakt mit der Zielkupferschicht aufnimmt, stoppt die Z-Achsenbewegung automatisch. Das Werkzeug bewegt sich dann leicht entlang der X- und/oder Y-Achse, hebt sich minimal an der Z-Achse, bewegt sich weiter in den X- und/oder Y-Achsen und senkt sich anschließend, um den elektrischen Kontakt wiederherzustellen. Diese Abfolge wiederholt sich im Rahmen der Polierung.

Diese iterative Mikrobewegung stellt sicher, dass die Maschine die Kupferoberfläche kontinuierlich "fühlt". Das Ergebnis ist eine hochpräzise Tiefenfräsung mit minimalem Durchdringen in das Kupfer, wodurch die Oberfläche durch Entfernung aller verbleibenden Dielektrikerrückstände oder Mikrograte effektiv "poliert" wird, was zu einer sauberen Kupferoberfläche führt, die für weitere Prozesse bereit ist.

Erweiterte Kartierungsmöglichkeiten

Für Anwendungen, die eine gleiche Dicke des verbleibenden Webs (den genauen Abstand zwischen dem Ende der Tiefenführung und der Unterseite des Panels) verlangen, ist eine einfache Fräsung mit konstanter Tiefe oft aufgrund inhärenter Unterschiede in der Plattendicke unzureichend. In solch komplexen Fällen ist es unerlässlich, vor Beginn des Routing-Prozesses eine "Karte" des Rückenpanels (der Unterseite) zu erstellen.

Diese Kartierung beinhaltet hochauflösende Scans oder Messungen der Topographie der unteren Oberfläche. Die resultierenden Daten erzeugen eine digitale "Karte", die die Routingmaschine präzise über die lokalen Dickenvariationen informiert. Das Steuersystem der Maschine passt dann die Z-Achsentiefe für jeden gerouteten Punkt entsprechend dieser Karte an. Dies stellt sicher, dass auch wenn die ursprüngliche Plattendicke variiert, die verbleibende Bahndicke konstant gleichmäßig bleibt.

Abbildung 6: Karte der Rückwandprobe.

Touch-Sonde

Aufbauend auf der Stabilität eines Vakuumtischs oder Adapters bietet das Tiefenrouting mit Touch-Probe-Steuerung die höchste Genauigkeit bei der Hohlraumbildung. Eine spezialisierte Berührungssonde ist auf der Z-Achse montiert und bietet eine unabhängige und hochpräzise Möglichkeit, die tatsächliche Tiefe während des Routing-Prozesses zu überprüfen und zu steuern.

Es gibt verschiedene Möglichkeiten, die Touch-Sonde-Technologie zu nutzen:

1. Einzelne Messung + Routing:

• Messen Sie die Paneloberfläche:Die Touch-Sonde misst präzise einen einzelnen Punkt auf der Paneloberfläche, um eine eindeutige Referenz zu etablieren
• Rout zur definierten Tiefe basierend auf der Paneloberfläche:Der Routingpfad führt auf die programmierte Tiefe aus und bezieht sich auf den gemessenen Oberflächenpunkt

2. Multi-Messung + Routing:

• Messen Sie die Paneloberfläche mit einer Touch-Sonde:Die Touch-Sonde scannt mehrere Punkte auf der Oberfläche des Panels
• Verschiedene Messpunkte auf der Paneloberfläche/Kartierungsprozess:Dadurch entsteht eine detailliertere topografische Karte des benötigten Gebiets
• Routing zu definierter Tiefe basierend auf dem Mittelwert der abgebildten Daten:Der Routingpfad wird dynamisch anhand eines durchschnittlichen oder interpolierten Werts aus den abgebildeten Datenpunkten angepasst, um lokale Oberflächenunregelmäßigkeiten über größere Flächen auszugleichen

3. Messung nach dem Routing:

• Messen Sie die Paneloberfläche:Nehmen Sie eine anfängliche Oberflächenreferenz
• Messen Sie ein niedrigeres, bereits verarbeitetes Niveau und prüfen Sie die Tiefe:Nach einem ersten Routing-Durchgang misst die Touch-Sonde die Tiefe des gerouteten Merkmals, um die Genauigkeit zu überprüfen. Dies könnte ein entscheidender Qualitätskontrollschritt sein.

4. Adaptive Hohlraumleitung:Dies stellt den Höhepunkt der Präzision dar, da ein geschlossenes Rückkopplungssystem verwendet wird:

• Fläche mit einer Berührungssonde messen:Legt die Anfangsreferenz fest
• Routing:Führt einen ersten Routing-Durchgang durch
• Messen Sie die Tiefe mit einer Berührungssonde:Die Sonde misst die nach dem Durchgang erreichte Tiefe
• Endgültige Routing, falls nötig:Wenn die gemessene Tiefe vom Ziel abweicht, führt die Maschine einen finalen, adaptiven Routing-Durchgang durch, um die angegebene Tiefe zu erreichen. Dieser Prozess gewährleistet eine unvergleichliche Genauigkeit.

Lasergehäuse: Wenn das mechanische Routing an seine Grenzen stößt

Obwohl mechanisches Tiefenrouting enorme Fähigkeiten bietet, gibt es Fälle, in denen seine Einschränkungen Lasertechnologie erfordern, um Prozesse zu überschneiden. Solche Fälle treten häufig bei Materialien auf, die mechanisch schwer zu bearbeiten sind, wenn die erforderliche Funktionsgröße und Präzision die mechanischen Fähigkeiten übersteigen oder wenn die thermische Einwirkung minimiert werden muss. Laser, insbesondere hochwertige wie PICO-green, sind perfekt für Aufgaben wie das Entfernen dünner Beschichtungen von Kupferpads oder den Zugang zu Kontaktpads mit minimalem Schaden.

Ein PICO-grüner Laser kann Mikrometer mit minimalem Einfluss auf die nächste Schicht ablassen. Diese kontaktlose, hochpräzise und lokalisierte Energieabgabe sorgt für minimale thermische Auswirkungen auf das umgebende Material und erhält die Integrität empfindlicher Kupferpads und feiner Linienstrukturen. Das Laserskrippen bietet für spezifische Anwendungen eine überlegene Steuerung und Sauberkeit im Vergleich zu mechanischen Methoden.

Zusammenfassung

Die Fähigkeit, hochpräzise Tiefenfräsen durchzuführen, ist grundlegend für die Herstellung heutiger komplexer Leiterplatten, einschließlich starrflexibler Platinen, Leiterplatten mit eingebetteten Bauteilen und solcher, die integrierte Kühlkörper benötigen. Mehrere Maschinenmerkmale spielen eine entscheidende Rolle bei der Genauigkeit der Tiefenrouting. Dazu gehören die bereits erwähnten Funktionen und Fähigkeiten sowie geklemmte Spindeln, die die Werkzeugstabilität verbessern, lineare Antriebe, die präzise und schnelle Bewegung ermöglichen, sowie verstellbare Ventile, die eine genaue Druckregelung des Druckfußes ermöglichen, neben weiteren Faktoren.

Die strategische Kombination und der korrekte Einsatz dieser Maschinenfunktionen (oder Funktionskombinationen), zusammen mit geeigneten Fräswerkzeugen, geeigneten Backup-Materialien und der fachkundigen Arbeit eines erfahrenen Prozessingenieurs, ermöglicht es, die komplexesten und anspruchsvollsten PCB-Designs zu erstellen. Diese fortschrittlichen Fähigkeiten sind unerlässlich, um die komplexen Anforderungen moderner Elektronik zu erfüllen und gewährleisten überlegene Leistung, Zuverlässigkeit und Miniaturisierung.