Rapid PCB-Prototyping

Leiterplatten per Isolationsfräsen selber herstellen

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

Die Prozessschritte zur gefrästen Leiterplatte

Ausgehend von einem vorhanden Layout, das beispielsweise mit dem Programm EAGLE V6 von CadSoft erstellt wurde (siehe Bild 1), werden die oben genannten Prozess-Schritte für die Fertigung einer Leiterplatte mit einem Fräsbohrplotter ProMat E33 von LPKF [2] erläutert.

Bild 2: EAGLE-CAM-Prozessor mit den Bearbeitungsschritten für die Erzeugung der Gerber-Daten
Bild 2: EAGLE-CAM-Prozessor mit den Bearbeitungsschritten für die Erzeugung der Gerber-Daten (Bild: CadSoft)

Bei dem Layout handelt es sich um eine doppelseitige Leiterplatte mit Mischbestückung (Durchsteck- und SMD-Bauteile). Der kleinste Bauteil-Pitch beträgt 0.5 mm und ist der Abstand zweier benachbarter Anschlüsse des TQFP-Gehäuses.

Über den CAM-Prozessor von EAGLE werden die Gerber-Daten erzeugt (siehe Bild 2). Eine vom Fräsbohrplotter gelieferte Job-Datei hilft bei den einzelnen Schritten und der richtigen Auswahl der benötigten Layer. Zum Fräsen der Kupferbahnen auf der Oberseite werden die Layer Top, Pads und Vias benötigt.

Als Ausgabe-Device wird von der Job-Datei bereits das Gerber-RS274X ausgewählt. Dabei handelt es sich um das Extended-Gerber-Format [3]. Ferner werden für die Unterseite die Layer Bottom, Pads und Vias, und für den Leiterplattenumriss der Layer Dimension benötigt.

Die Bohrungen werden im Excellon-Format ausgegeben. In diesem Format werden - vereinfacht dargestellt - Werkzeuge (Tools) definiert, denen ein bestimmter Bohrdurchmesser zugewiesen wird. Diesem folgen dann die Bohrkoordinaten [4].

Nach dem Ausführen des CAM-Jobs stehen drei für das Fräsen benötigte Gerber-Dateien (mit der Endung TOP, BOT und BOA) und eine Excellon-Bohrdatei (mit der Endung DRD) zur Verfügung.

Diese werden in das Programm CircuitPro importiert (siehe Bild 3). Manuell kann man den jeweiligen Dateien eine Lage zuordnen. In diesem Fall müsste man der Datei mit der Endung TOP die Kupferoberseite, der Datei mit BOT die Kupferunterseite, der Datei-BOA den Umriss der Leiterplatte und der Excellon-Datei DRD die Löcher zuordnen.

Bild 3: Import der benötigten Gerber- und Excellon-Dateien in CircuitPro
Bild 3: Import der benötigten Gerber- und Excellon-Dateien in CircuitPro (Bild: CadSoft)

Alternativ kann man in den Optionen für jedes Layout-Programm vorab eine Zuordnung treffen, die dann bei jedem Datei-Import angewendet wird. Sind alle Schritte richtig gemacht worden, sollte man das Layout in der CAM-Ansicht des Programms sehen können (siehe Bild 4).

Bild 4: CAM-Ansicht des Layouts in CircuitPro
Bild 4: CAM-Ansicht des Layouts in CircuitPro (Bild: CadSoft)

Die importierten Daten können nun nochmals geprüft und/oder noch geändert werden. Natürlich muss man größere Layout-Änderungen in EAGLE V6 vornehmen.

Im einfachsten Fall würde der Fräsbohrplotter nun die einzelnen Leiterbahnen mit einem Isolationskanal vom restlichen Kupfer isolieren. Das Programm bietet weitere Möglichkeiten an. So kann man zum Beispiel die komplette Leiterplatte oder einzelne Bereiche auswählen, die zusätzlich von überschüssigem Kupfer befreit werden sollen (ein sogenanntes Rubout).

Das Fräsen mit dieser Option ist, wenn man große Bereiche auswählt, langsamer und verschleißt die Fräser schneller, so dass man mit dem Fräser insgesamt weniger Leiterplatten herstellen kann. Sind die Daten in Ordnung, wechselt man zur Maschinenansicht und lässt den Fräsbohrplotter seine Arbeit verrichten (siehe Bild 5).

Bild 5: Die ProMat E33 bei der Arbeit
Bild 5: Die ProMat E33 bei der Arbeit (Bild: CadSoft)

Ätzen oder fräsen – hier scheiden sich die Geister

Selbstverständlich kann man Leiterplatten selber mit einfachsten Mitteln belichten, in Fotoschalen entwickeln und ätzen sowie am Ende mit einer kleinen Ständerbohrmaschine alle Löcher bohren. Das wäre aber so, als würde man mit einer kleinen Handgraviermaschine die Isolationskanäle fräsen. Beide Verfahren weisen noch den Mangel der fehlenden Durchkontaktierungen auf. Doch auch hierfür hat sich die Industrie einiges einfallen lassen, um eine Inhouse-Lösung anzubieten.

Vergleicht man einigermaßen fair, muss bei beiden Verfahren in die benötigten Geräte investiert werden. Beim Ätzen von Leiterplatten benötigt man einen Laserplotter, der eine vernünftige Schwarzabdeckung auf dem Film bringt. Nur so sind gute Belichtungsergebnisse erzielbar.

Weiterhin benötigt man ein UV-Belichtungsgerät, das sinnvollerweise mit Vakuum ausgestattet ist. Dadurch wird gewährleistet, dass beide Filme, für Ober- und Unterseite, exakt deckungsgleich auf der Leiterplatte liegen und nicht verrutschen können. Ferner werden noch eine Ätzmaschine und eine Bohrmaschine benötigt. Die Bohrmaschine sollte in der Lage sein, mindestens Löcher von 0.3 mm zu bohren.

Ein Fräsbohrplotter hat den großen Vorteil, dass man sich um die Chemie und deren fachgerechte Entsorgung keine Gedanken machen muss. Den Umgang mit den Chemikalien sollte man den Profis bei den Leiterplattenlieferanten überlassen. Außerdem nimmt die Maschine einem das lästige Bohren ab. Größere Bohrungen werden mit dem Fräser ausgeführt. Und zu guter Letzt lassen sich beliebige Innen- und Außenkonturen fräsen. Selbst runde Leiterplatten stellen kein Problem dar.

Stellt man die Investitionskosten beider Verfahren grob gegenüber, so muss man mit einem Betrag von mindesten 6.000 Euro rechnen, egal für welches Verfahren man sich entscheidet.

Literaturhinweise:

[1] www.cadsoft.de[2] www.lpkf.de[3] http://www.ucamco.com/Portals/0/Public/The_Gerber_File_Format_Specification.pdf[4] http://www.excellon.com/manuals/program.htm

* Prof. Dr.-Ing. Francesco P. Volpe ist seit März 1999 Professor für Mikrocomputertechnik und Digitaltechnik an der Hochschule Aschaffenburg. Er ist Autor von fünf Fachbüchern und mehr als 50 Fachartikeln.

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