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Rapid PCB-Prototyping Leiterplatten per Isolationsfräsen selber herstellen

| Autor / Redakteur: Prof. Dr.-Ing. Francesco P. Volpe * / Franz Graser

Wer unabhängig von Leiterplattenlieferanten sein will, muss selber ätzen oder über eine Isolationsfräsmaschine verfügen. Der Beitrag beschreibt den Prozess vom Layout über die Erzeugung der Gerber-Daten bis hin zur fertigen Leiterplatte.

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Bild 1: Doppelseitiges Layout mit Fine-Pitch von 0.5 mm (erstellt mit EAGLE V6)
Bild 1: Doppelseitiges Layout mit Fine-Pitch von 0.5 mm (erstellt mit EAGLE V6)
(Bild: CadSoft)

Bei den immer schneller werdenden Entwicklungszyklen sind Ingenieure darauf angewiesen, ihre Ideen und Designs schnell in funktionsfähige Prototypen umzusetzen. Bedenkt man ferner, dass durch die fortschreitende Miniaturisierung von Halbleiterbauelementen (so sind zum Beispiel Mikrocontroller in 0.3mm-TQFP- oder QFN-Gehäusen keine Seltenheit) eine Leiterplatte für den Aufbau von Prototypen unumgänglich ist, so stellt sich die Frage, wie man schnell an eine solche kommt.

Konventionelle Leiterplattenherstellung

Üblicherweise werden Leiterplatten in einem chemischen Verfahren hergestellt. Dieser Prozess wird verkürzt für die beiden Kupferlagen dargestellt und es wird von einer zweilagigen Leiterplatte ausgegangen. Zunächst wird das Layout aus dem ECAD-Programm, zum Beispiel EAGLE V6 [1], als Gerber-Daten exportiert.

Für jede Lage der Leiterplatte (Kupferlagen, Lötstopp-Masken, Bestückungsdruck, usw.) muss der Lieferant einen eigenen Film erzeugen. Solche Filme werden mit einem Laserplotter hergestellt. Nun wird jede Seite des Basismaterials, das aus beidseitig mit Kupferfolie (Standarddicke 35µm) beschichtetem Glasfaserepoxid-Material (meist FR4) besteht, mit einem Filmresist beschichtet und jede Seite einzeln mit dem entsprechenden Film für die Kupferlage mit energiereichem UV-Licht belichtet.

Der Belichtungsvorgang härtet den Filmresist aus oder nicht – je nachdem, ob durch die Strukturen auf dem Film dieser dem UV-Licht ausgesetzt war. Der nicht ausgehärtete Filmresist wird entfernt und die Leiterplatte kann geätzt werden.

Dabei wird das Kupfer auf beiden Seiten entfernt. Dort, wo der Fotoresist ausgehärtet ist, bleibt das Kupfer stehen und bildet somit die Leiterbahnen. Zum Schluss müssen der ausgehärtete Filmresist entfernt und die Löcher gebohrt werden. Weitere Zwischenschritte sorgen für eine Durchkontaktierung zwischen den beiden Kupferlagen.

Die Herstellung mit Isolationsfräsen

Ausgangspunkt ist auch hier eine doppelseitig mit Kupfer kaschierte Leiterplatte (FR4-Basismaterial mit Kupfer beidseitig). Ferner benötigt man die bereits genannten Gerber-Daten des Layouts.

Aus diesen Daten generiert die Software der Fräsmaschine Bahnen, die entlang der gewünschten Leiterbahn herum führen. Damit werden diese von dem restlichen Kupfer isoliert. Diese Vorgehensweise hat dem Verfahren den Namen Isolationsfräsen gegeben.

Zum Fräsen der Isolationskanäle kommt ein kleiner konischer Fräser zum Einsatz, der entlang der berechneten Bahnen Kupfer abträgt. Die verwendeten Fräser dringen dabei in die Kupferfläche ein und hinterlassen einen 0.2 mm breiten Isolationskanal.

Heutige Maschinen mit einer HF-Spindel, die mit 60.000 U/min. dreht, können sogar Isolationskanäle und Strukturbreiten von 0.1 mm sehr präzise fräsen. Damit lassen sich sogar Leiterplatten für HF-Anwendungen herstellen.

Neben dem reinen Fräsen der Isolationen kann eine solche Maschine sämtliche Löcher bohren sowie beliebige Innen- und Außenkonturen fräsen, was alleine schon für dieses Verfahren spricht.

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