Řízení inovací: Procesy hloubkového směrování – dosažení bezkonkurenční přesnosti u složitých desek plošných spojů

Při výrobě desek plošných spojů poptávka po stále složitějších a miniaturizovaných návrzích neustále posouvá hranice tradičních výrobních metod, včetně hloubkového směrování.

Hloubkové směrování je nepostradatelné v několika klíčových aplikacích PCB:

• Desky plošných spojů Rigid-flex:Tyto hybridní desky kombinují tuhé sekce s flexibilním propojením, což vyžaduje přesné hloubkové vedení pro odstranění "šálku" na horní a/nebo spodní straně ohebné části.
• Desky plošných spojů s dutinami:Dutiny jsou strategicky vytvářeny ve vrstvách PCB pro integraci nebo vkládání komponent přímo do desky.
• Měděné mince PCB pro chladiče:V aplikacích s vysokým výkonem jsou měděné mince často zabudovány do desek plošných spojů, aby sloužily jako vysoce účinné lokalizované chladiče. Hloubkové frézování se používá k vytvoření přesných kapes pro tyto mince, které zajišťují dokonalé uchycení.

Úspěch v těchto aplikacích vyžaduje nejen robustní strojní vybavení, ale také sofistikované řídicí funkce. Výrobci desek plošných spojů spoléhají na pokročilé funkce stroje a procesní metodiky, aby splnili své cíle přesného hloubkového směrování. Zde prozkoumám některé klíčové funkce, které výrobcům umožňují zvládnout složité výzvy hloubkového směrování.

Hloubkové frézování s druhým měřicím systémem

Běžný scénář hloubkového směrování zahrnuje vytvoření konstantní hloubky řezu, i když samotný panel PCB není dokonale plochý – což je ve výrobě častý jev. V takových případech může spoléhání se pouze na předem naprogramovanou hloubku osy Z z pevného referenčního bodu vést k nekonzistentním výsledkům.

K překonání tohoto problému používají stroje druhý měřicí systém, který obvykle zahrnuje přítlačnou patku vybavenou specializovanou vložkou nebo kartáčem, který se přesně dotýká povrchu desky plošných spojů. Stroj vypočítává hloubku od přesného okamžiku dotyku a udržuje ji konzistentně po celé trase. Toto dynamické nastavení zajišťuje, že hloubka trasy je přesná vzhledem k potenciálně nerovnému povrchu panelu. Typickou a kritickou aplikací této technologie je hloubkové směrování pro eliminaci kelímků při výrobě rigid-flex PCB.

Obrázek 1: Hloubkové frézování pomocí druhého vzorku měřicího systému.

Hloubkové vedení od elektrického kontaktu

Zatímco druhý měřicí systém často používá mechanický kontakt ke stanovení počátečního bodu pro výpočty hloubky, hloubkové směrování z elektrického kontaktu nabízí alternativní a přesnou metodu, která využívá elektrické vlastnosti desky plošných spojů. Při tomto přístupu musí být hladina určená jako výchozí bod pro výpočet hloubky uzemněna. Může to být vrchní měděná vrstva nebo vnitřní měděná vrstva. Elektricky vodivý frézovací nástroj se dotýká této uzemněné vrstvy a spouští přesný signál, který definuje nulový bod pro měření hloubky v ose Z.

Tato metoda je zvláště výhodná pro aplikace vyžadující extrémně úzké tolerance a přímý odkaz na vodivou vrstvu. Eliminuje drobné mechanické odchylky, které se mohou vyskytnout u systémů s tlakovými patkami, a nabízí vynikající opakovatelnost, když je cílem měděný prvek.

Obrázek 2: Hloubkové vedení pomocí elektrického kontaktu s uzemněnou horní vrstvou.

Obrázek 3: Hloubkové vedení pomocí elektrického kontaktu s uzemněnou vnitřní vrstvou.

Leštění

Principy elektrického kontaktu lze uplatnit i ve funkci "leštění". Tato pokročilá funkce zajišťuje výjimečně čistý a přesně vedený povrch, zejména pokud je hloubkové frézování určeno k odhalení měděné vrstvy bez poškození. Stroj provede operaci hloubkového směrování. Když se nástroj dostane do elektrického kontaktu s cílovou měděnou vrstvou, pohyb osy Z se automaticky zastaví. Nástroj se poté mírně posouvá podél osy X a/nebo Y, v ose Z se minimálně zvedne, pokračuje v pohybu v osách X a/nebo Y a následně se sníží, aby znovu navázal elektrický kontakt. Tato sekvence se opakuje jako součást operace leštění.

Tento iterativní mikropohyb zajišťuje, že stroj nepřetržitě "cítí" měděný povrch. Výsledkem je vysoce přesné hloubkové vedení s minimálním pronikáním do mědi, které účinně "leští" povrch odstraněním všech zbývajících zbytků dielektrika nebo mikrootřepů, což vede k čistému měděnému povrchu připravenému pro následné procesy.

Pokročilé možnosti mapování

Pro aplikace vyžadující stejnou tloušťku zbývajícího pásu (přesná vzdálenost mezi koncem hloubkového frézování a spodním povrchem panelu) je jednoduché frézování s konstantní hloubkou často nedostatečné kvůli inherentním odchylkám v tloušťce panelu. V takových složitých případech je nutné před zahájením procesu směrování vytvořit "mapu" záložního panelu (spodní povrch).

Toto mapování zahrnuje skenování s vysokým rozlišením nebo měření topografie povrchu dna. Výsledná data vytvářejí digitální "mapu", která přesně informuje směrovací stroj o lokálních změnách tloušťky. Řídicí systém stroje pak upraví hloubku osy Z pro každý routovaný bod podle této mapy. Tím je zajištěno, že i když se původní tloušťka panelu liší, zbývající tloušťka pásu je trvale stejnoměrná.

Obrázek 6: Mapa vzorku zadního panelu.

Dotyková sonda

Hloubkové frézování s ovládáním dotykovou sondou, které staví na stabilitě poskytované vakuovým stolem nebo adaptérem, nabízí nejvyšší úroveň přesnosti pro vytváření dutin. Na ose Z je namontována specializovaná dotyková sonda, která poskytuje nezávislý a vysoce přesný prostředek pro ověření a kontrolu skutečné hloubky během procesu frézování.

Technologie dotykové sondy lze použít několika způsoby:

1. Jednorázové měření + směrování:

• Změřte povrch panelu:Dotyková sonda přesně měří jediný bod na povrchu panelu a vytváří tak definitivní referenci
• Frézování na definovanou hloubku na základě povrchu panelu:Trasa trasy se provádí do naprogramované hloubky s odkazem na měřený bod povrchu

2. Vícenásobné měření + směrování:

• Změřte povrch panelu dotykovou sondou:Dotyková sonda snímá více bodů po povrchu panelu
• Různé měřicí body na povrchu panelu/proces mapování:Vzniká tak podrobnější topografická mapa potřebného území
• Směrování do definované hloubky na základě střední hodnoty mapovaných dat:Trasa trasy je dynamicky upravována na základě průměrné nebo interpolované hodnoty z mapovaných datových bodů, čímž se kompenzují lokalizované nepravidelnosti povrchu na větších plochách

3. Měření po trasování:

• Změřte povrch panelu:Pořizování počáteční reference povrchu
• Změřte nižší, již zpracovanou úroveň a zkontrolujte hloubku:Po počátečním průchodu směrováním měří dotyková sonda hloubku směrovaného prvku, aby ověřila přesnost. To by mohl být kritický krok kontroly kvality.

4. Adaptivní směrování dutin:To představuje vrchol přesnosti s využitím systému zpětné vazby s uzavřenou smyčkou:

• Změřte povrch dotykovou sondou:Stanoví počáteční odkaz
• Směrování:Provede počáteční průchod směrování
• Měření hloubky pomocí dotykové sondy:Sonda měří hloubku dosaženou po průchodu
• Konečné routování v případě potřeby:Pokud se naměřená hloubka odchyluje od cíle, stroj provede konečný, adaptivní průchod směrování, aby dosáhl stanovené hloubky. Tento proces zajišťuje bezkonkurenční přesnost.

Laserové pouzdra: Když mechanické frézování narazí na své limity

Zatímco mechanické hloubkové frézování nabízí obrovské možnosti, existují případy, kdy jeho omezení vyžadují laserovou technologii pro procesy skivingu. Tyto případy často nastávají při práci s materiály, které jsou mechanicky obtížně obrobitelné, když požadovaná velikost prvku a přesnost překračují mechanické možnosti nebo když je třeba minimalizovat tepelný ráz. Lasery, zejména ty špičkové, jako je PICO-green, jsou ideální pro úkoly, jako je odstraňování tenkých vrstev z měděných podložek nebo přístup ke kontaktním podložkám s minimálním poškozením.

PICO-zelený laser může odstranit mikrony s minimálním dopadem na další vrstvu. Tato bezkontaktní, vysoce přesná a lokalizovaná dodávka energie zajišťuje minimální tepelný dopad na okolní materiál a zachovává integritu citlivých měděných podložek a jemných struktur. Laserové lyžování poskytuje vynikající kontrolu a čistotu ve srovnání s mechanickými metodami pro konkrétní aplikace.

Shrnutí

Schopnost provádět vysoce přesné hloubkové směrování je zásadní pro výrobu dnešních složitých návrhů desek plošných spojů, včetně desek s pevným ohybem, desek plošných spojů se zabudovanými součástmi a těch, které vyžadují integrované chladiče. Několik funkcí stroje hraje klíčovou roli při zajišťování přesnosti hloubkového směrování. Patří mezi ně dříve diskutované funkce a možnosti, stejně jako upnutá vřetena, která zvyšují stabilitu nástroje, lineární pohony, které umožňují přesný a rychlý pohyb, a nastavitelné ventily, které umožňují přesnou regulaci tlaku na tlakové patce, mimo jiné.

Strategická kombinace a správné použití těchto funkcí stroje (nebo kombinace funkcí) spolu se správnými směrovacími nástroji, vhodnými záložními materiály a odbornou prací zkušeného procesního inženýra umožňují vyrábět ty nejsložitější a nejnáročnější návrhy desek plošných spojů. Tyto pokročilé funkce jsou nezbytné pro splnění složitých požadavků moderní elektroniky, zajištění vynikajícího výkonu, spolehlivosti a miniaturizace.