Innovationstreiber: Tiefenfräsprozesse – Erreichen einer beispiellosen Präzision bei komplexen Leiterplatten

In der Leiterplattenfertigung verschiebt die Nachfrage nach immer komplexeren und miniaturisierten Designs kontinuierlich die Grenzen traditioneller Fertigungsmethoden, einschließlich Tiefenfräsen.

Tiefenfräsen ist in mehreren wichtigen Leiterplattenanwendungen unverzichtbar:

• Starrflex-Leiterplatten:Diese Hybrid-Boards kombinieren starre Abschnitte mit flexiblen Verbindungen, die eine präzise Tiefenführung erfordern, um den "Cup" an der Ober- und/oder Unterseite des Flex-Teils zu entfernen.
• Leiterplatten mit Hohlräumen:Hohlräume werden strategisch innerhalb der Leiterplattenschichten erstellt, um Komponenten direkt in die Leiterplatte zu integrieren oder einzubetten.
• Kupfermünz-Leiterplatten für Kühlkörper:In Hochleistungsanwendungen werden Kupfermünzen häufig in Leiterplatten eingebettet, um als hocheffiziente lokalisierte Kühlkörper zu dienen. Durch die Tiefenfräsung werden präzise Taschen für diese Münzen geschaffen, die eine perfekte Passform gewährleisten.

Der Erfolg in diesen Anwendungen erfordert nicht nur robuste Maschinen, sondern auch ausgefeilte Steuerungsfunktionen. Leiterplattenhersteller verlassen sich auf fortschrittliche Maschinenfunktionen und Prozessmethoden, um ihre präzisen Tiefenfräsziele zu erreichen. Hier werde ich einige wichtige Funktionen untersuchen, die es Herstellern ermöglichen, komplexe Herausforderungen beim Tiefenrouting zu meistern.

Tiefenfräsen mit einem zweiten Messsystem

Ein häufiges Szenario beim Tiefenrouting besteht darin, eine konstante Schnitttiefe zu erzeugen, selbst wenn die Leiterplatte selbst nicht perfekt flach ist – was in der Fertigung häufig vorkommt. In solchen Fällen kann es zu inkonsistenten Ergebnissen führen, wenn man sich ausschließlich auf eine vorprogrammierte Z-Achsentiefe von einem festen Referenzpunkt verlässt.

Um dies zu überwinden, verwenden die Maschinen ein zweites Messsystem, das in der Regel einen Druckfuß umfasst, der mit einem speziellen Einsatz oder einer Bürste ausgestattet ist, die die Oberfläche der Leiterplatte genau berührt. Die Maschine berechnet die Tiefe ab dem genauen Moment des Kontakts und behält sie über den gesamten Fräsweg konstant bei. Diese dynamische Anpassung stellt sicher, dass die gefräste Tiefe relativ zur potenziell unebenen Plattenoberfläche genau ist. Eine typische und kritische Anwendung dieser Technologie ist das Tiefenfräsen zur Eliminierung von Bechern bei der Herstellung von Starrflex-Leiterplatten.

Abbildung 1: Tiefenrouting anhand der zweiten Messsystemproben.

Tiefenführung vom elektrischen Kontakt

Während ein zweites Messsystem häufig den mechanischen Kontakt verwendet, um den Ausgangspunkt für Tiefenberechnungen zu ermitteln, bietet das Tiefenrouting vom elektrischen Kontakt eine alternative, präzise Methode, die die elektrischen Eigenschaften der Leiterplatte nutzt. Bei diesem Ansatz muss der Layer, der als Ausgangspunkt für die Tiefenberechnung festgelegt wurde, geerdet werden. Dies kann 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 Tiefenmessung der Z-Achse definiert.

Dieses Verfahren ist besonders vorteilhaft für Anwendungen, die extrem enge Toleranzen und einen direkten Bezug zu einer leitfähigen Schicht erfordern. Es eliminiert die geringfügigen mechanischen Abweichungen, die bei Druckfußsystemen auftreten können, und bietet eine überlegene Wiederholbarkeit, wenn es sich bei dem Ziel um ein Kupfermerkmal handelt.

Abbildung 2: Tiefenverlegung durch elektrischen Kontakt mit geerdeter Deckschicht.

Abbildung 3: Tiefenfräsung durch elektrischen Kontakt mit der geerdeten Innenlage.

Polieren

Die Prinzipien des elektrischen Kontakts können auch in einer "Polier"-Funktion angewendet werden. Diese fortschrittliche Funktion sorgt für eine außergewöhnlich saubere und präzise gefräste Oberfläche, insbesondere wenn das Tiefenfräsen darauf abzielt, eine Kupferschicht freizulegen, ohne Schäden zu verursachen. Die Maschine führt einen Tiefenfräsvorgang aus. Wenn das Werkzeug elektrischen Kontakt mit der Zielkupferschicht aufnimmt, stoppt die Bewegung der Z-Achse automatisch. Das Werkzeug bewegt sich dann leicht entlang der X- und/oder Y-Achse, hebt sich minimal in der Z-Achse, bewegt sich weiter in der X- und/oder Y-Achse und senkt sich anschließend ab, um den elektrischen Kontakt wiederherzustellen. Diese Sequenz wiederholt sich im Rahmen des Poliervorgangs.

Diese iterative Mikrobewegung sorgt dafür, dass die Maschine die Kupferoberfläche kontinuierlich "tastet". Das Ergebnis ist eine hochpräzise Tiefenfräsung mit minimalem Eindringen in das Kupfer, die die Oberfläche effektiv "poliert", indem alle verbleibenden dielektrischen Rückstände oder Mikrograte entfernt werden, was zu einem sauberen Kupferfinish führt, das für nachfolgende Prozesse bereit ist.

Erweiterte Mapping-Möglichkeiten

Bei Anwendungen, die eine gleichmäßige Dicke der verbleibenden Bahn (den genauen Abstand zwischen dem Ende der Tiefenfräsung und der Unterseite der Platte) erfordern, ist eine einfache Fräsung mit konstanter Tiefe aufgrund der inhärenten Schwankungen der Plattendicke oft nicht ausreichend. In solch komplizierten Fällen ist es unerlässlich, eine "Map" des Back-up-Panels (der unteren Fläche) zu erstellen, bevor der Routing-Prozess beginnt.

Diese Kartierung beinhaltet ein hochauflösendes Scannen oder Messen der Topographie der Bodenoberfläche. Aus den resultierenden Daten entsteht eine digitale "Landkarte", die die Fräsmaschine genau über die lokalen Dickenschwankungen informiert. Die Steuerung der Maschine passt dann die Tiefe der Z-Achse für jeden gefrästen Punkt entsprechend diesem Kennfeld an. Dadurch wird sichergestellt, dass auch bei Schwankungen der ursprünglichen Plattenstärke die verbleibende Bahndicke gleichbleibend gleichmäßig ist.

Abbildung 6: Karte des Beispiels für die Rückwand.

Messtaster

Aufbauend auf der Stabilität eines Vakuumtisches oder Adapters bietet die Tiefenfräsung mit Taststeuerung ein Höchstmaß an Genauigkeit bei der Kavitätenbildung. Auf der Z-Achse ist ein spezieller Messtaster montiert, der eine unabhängige und hochpräzise Möglichkeit bietet, die tatsächliche Tiefe während des Fräsvorgangs zu überprüfen und zu kontrollieren.

Es gibt mehrere Möglichkeiten, die Messtastertechnologie zu nutzen:

1. Einzelnes Messen + Routing:

• Messen Sie die Oberfläche der Platte:Der Messtaster misst präzise einen einzelnen Punkt auf der Plattenoberfläche, um eine definitive Referenz zu erstellen
• Fräsen auf definierte Tiefe basierend auf der Plattenoberfläche:Der Routing-Pfad wird in der programmierten Tiefe ausgeführt und bezieht sich auf den gemessenen Oberflächenpunkt.

2. Multi-Messen + Routing:

• Messen Sie die Plattenoberfläche mit einem Messtaster:Der Messtaster scannt mehrere Punkte auf der Oberfläche des Panels
• Unterschiedliche Messpunkte auf der Plattenoberfläche/Mapping-Prozess:Dadurch entsteht eine detailliertere topografische Karte des benötigten Gebiets
• Rout zur definierten Tiefe basierend auf dem Mittelwert der kartierten Daten:Der Routing-Pfad wird dynamisch auf der Grundlage eines durchschnittlichen oder interpolierten Werts aus den kartierten Datenpunkten angepasst, um lokalisierte Oberflächenunregelmäßigkeiten über größere Flächen hinweg auszugleichen

3. Messen nach dem Routing:

• Messen Sie die Oberfläche der Platte:Erfassen einer ersten Oberflächenreferenz
• Messen Sie eine niedrigere, bereits bearbeitete Ebene und überprüfen Sie die Tiefe:Nach einem ersten Routing-Durchlauf misst der Messtaster die Tiefe des gefrästen Merkmals, um die Genauigkeit zu überprüfen. Dies könnte ein kritischer Schritt der Qualitätskontrolle sein.

4. Adaptives Kavitäten-Routing:Dies stellt den Gipfel der Präzision dar, bei dem ein geschlossenes Feedback-System zum Einsatz kommt:

• Messen Sie die Oberfläche mit dem Messtaster:Legt den Startbezug fest
• Routing:Führt einen ersten Routing-Durchlauf durch
• Messen Sie die Tiefe mit a mit einem Messtaster:Die Sonde misst die Tiefe, die nach dem Durchgang erreicht wird
• Endgültige Streckenführung, falls erforderlich:Weicht die gemessene Tiefe vom Ziel ab, führt die Maschine einen abschließenden, adaptiven Fräsgang durch, um die angegebene Tiefe zu erreichen. Dieses Verfahren gewährleistet eine beispiellose Genauigkeit.

Lasergehäuse: Wenn das mechanische Fräsen an seine Grenzen stößt

Während das mechanische Tiefenfräsen immense Möglichkeiten bietet, gibt es Fälle, in denen seine Grenzen Lasertechnologie für Schälprozesse erfordern. Diese Fälle treten häufig auf, wenn es sich um mechanisch schwer zu bearbeitende Materialien handelt, wenn die erforderliche Strukturgröße und Präzision die mechanischen Fähigkeiten übersteigt oder wenn thermische Einwirkungen minimiert werden müssen. Laser, insbesondere High-End-Laser wie PICO-green, eignen sich perfekt für Aufgaben wie das Entfernen dünner Beschichtungen von Kupferpads oder den Zugang zu Kontaktpads mit minimaler Beschädigung.

Ein PICO-grüner Laser kann Mikrometer mit minimalen Auswirkungen auf die nächste Schicht abtragen. Diese berührungslose, hochpräzise und lokalisierte Energieabgabe sorgt für minimale thermische Auswirkungen auf das umgebende Material und bewahrt die Integrität empfindlicher Kupferpads und Fine-Line-Strukturen. Das Laserschälen bietet im Vergleich zu mechanischen Methoden für bestimmte Anwendungen eine überlegene Kontrolle und Sauberkeit.

Zusammenfassung

Die Fähigkeit, ein hochpräzises Tiefenrouting durchzuführen, ist von grundlegender Bedeutung für die Herstellung der heutigen komplexen Leiterplattendesigns, einschließlich Starrflex-Leiterplatten, Leiterplatten mit eingebetteten Komponenten und solchen, die integrierte Kühlkörper erfordern. Mehrere Maschinenmerkmale spielen eine entscheidende Rolle bei der Gewährleistung der Genauigkeit des Tiefenfräsens. Dazu gehören unter anderem die bereits besprochenen Funktionen und Fähigkeiten sowie geklemmte Spindeln, die die Werkzeugstabilität erhöhen, Linearantriebe, die eine präzise und schnelle Bewegung ermöglichen, und einstellbare Ventile, die eine genaue Druckregelung des Druckfußes ermöglichen.

Die strategische Kombination und der richtige Einsatz dieser Maschinenfunktionen (oder ein Mix von Funktionen), zusammen mit den richtigen Routing-Werkzeugen, geeigneten Backup-Materialien und der fachkundigen Arbeit eines erfahrenen Verfahrenstechnikers, ermöglichen es, die kompliziertesten und anspruchsvollsten Leiterplattendesigns herzustellen. Diese fortschrittlichen Funktionen sind unerlässlich, um die komplexen Anforderungen der modernen Elektronik zu erfüllen und überlegene Leistung, Zuverlässigkeit und Miniaturisierung zu gewährleisten.