Mechanische Bearbeitung von IMS-Leiterplatten

Werkzeug und Parameter beeinflussen die Kosten der mechanischen Bearbeitung von IMS-Leiterplatten

04.06.2010 | Autor / Redakteur: Johann Schmidt* / Claudia Mallok

Aufbau einer IMS-Leiterplatte: Der Metallträger besteht üblicherweise aus einer 1 bis 3 mm dicken Aluminiumplatte; Bild: AT&S
Aufbau einer IMS-Leiterplatte: Der Metallträger besteht üblicherweise aus einer 1 bis 3 mm dicken Aluminiumplatte; Bild: AT&S

Der Fertigungsprozess von IMS-Leiterplatten ist eine technische Herausforderung. Die optimale Anpassung der Prozessparameter erfordert viel Erfahrung und das richtige Werkzeug. Seit Anfang 2009 werden hierfür Diamant beschichtete Bohrer und Fräser eingesetzt. Ermöglicht hat dies, die Kombination einer speziellen Diamantschicht und angepassten Werkzeuggeometrien.

Aufgrund der ihrer hohen Wärmeleitfähigheit sind Leiterplatten mit isolierten Metallsubstraten kurz: IMS-Leiterplatten (IMS: Insulated Metallic Substrate) ein bevorzugter Schaltungsträger für die Beleuchtungstechnik mit LEDs. Als Metallträger wird meist Aluminium in Dicken von 1,0 bis 3,0 mm eingesetzt; seltener wird Kupfer in Dicken von 1,0 bis 1.50 mm verwendet. Als Dielektrikum dienen FR4 Prepreg oder keramische Schichten.

Der Herstellungsprozess von IMS-Leiterplatten ist in allen Produktionsabteilungen eine Herausforderung. Für die mechanische Bearbeitung der Metallträger durch Bohren und Fräsen werden idealerweise spezielle Werkzeuggeometrien eingesetzt. Die optimale Anpassung der Prozessparameter erfordert viel Erfahrung. Die Maschinenvoraussetzungen, wie z.B. geringe Vibrationen und Spannzangenrundlauf, müssen der Bearbeitung entsprechend vorhanden sein. Idealerweise wird mit Minimalmengenschmierung gearbeitet.

Die Firma GCT GmbH in Weingarten ist weltweit führender Hersteller von Diamant beschichteten Werkzeugen für die mechanische Bearbeitung von Leiterplatten. Vor kurzem wurde in Weingarten eigene Diamant-Beschichtungsanlage mit einer Jahreskapazität von ca. 1,0 Mio. Werkzeugen in Betrieb genommen. Die gesamte Infrastruktur ist bereits auf eine kurzfristige Verdoppelung dieser Kapazität ausgelegt.

Multilayer Diamantschicht
Multilayer Diamantschicht

Seit Anfang letzten Jahres werden in der mechanischen Bearbeitung von IMS-Leiterplatten weltweit sehr erfolgreich Diamant beschichtete Bohrer und Fräser eingesetzt. Ermöglicht wurde dies erst durch die Kombination einer speziellen Multilayer-Diamantschicht und angepassten Werkzeuggeometrien.

Folgende Vorteile begründen den erfolgreichen Einsatz der Diamant beschichteten Werkzeuge:

  • Härte der Diamantschicht von 10.000 HV0.05,
  • minimaler Schneidenverschleiß erlaubt ca. 10-fach höhere Standwege beim Bohren und Fräsen,
  • sehr guter Spantransport aufgrund des niedrigen Reibkoeffizienten von Diamant,
  • sehr geringe Neigung zur Bildung einer Aufbauschneide,
  • sehr hohe Bohr- und Fräsgenauigkeit aufgrund optimaler Spirallängen bei Diamant beschichteten Standardwerkzeugen.

Anwendungsbeispiele für Werkzeuge mit Diamantbeschichtung

1. Bohren

Bei der Bearbeitung von IMS-Leiterplatten werden Diamant beschichtete Bohrer im Durchmesser von 0,60 bis 6,40 mm eingesetzt. Die empfohlene Schnittgeschwindigkeit beträgt v = 250 m/min + 20%; der Vorschub pro Umdrehung sollte bei ca. 50 bis 60% im Vergleich zu FR4 liegen. Die Standzeit der Diamant beschichteten Bohrer ist im Vergleich zu unbeschichteten Bohrern min. 10-fach höher.

Diamant beschichteter Bohrer nach 7000 Bohrhüben
Diamant beschichteter Bohrer nach 7000 Bohrhüben

Standardbohrer im Durchmesserbereich ≥ 3,20 mm erzeugen aufgrund Ihres zylindrischen Außen-Ø sehr hohe Schnittkräfte und Reibungswärme. Die Diamant beschichteten Bohrer haben eine spezielle Geometrie mit Außendurchmesserverjüngung und Kernausspitzung. Durch diese Geometrie mit sehr kurzer Querschneide kann bis Bohrer-Ø 4,0 mm ins Volle gebohrt werden.

Bei Bohrer-Ø >1,50 mm kann je nach Qualitätsanforderung und Aluminiumqualität teilweise im 2er Stapel gebohrt werden.

Einsatzbedingungen:

  • Werkzeug: Diamant beschichteter Bohrer Typ 1 638
  • Durchmesser: 0,95 mm
  • Spirallänge: 7,00 mm
  • Material: Aluminium Al Mg3; 1,50 mm dick
  • Auflage: Phenolpapier 0,50 mm dick
  • Drehzahl: 80000 1/min
  • Vorschub: 3,20 m/min
  • Rückhub: 10,0 m/min
  • Standweg: 7000 Bohrhübe

2. Fräsen

Diamant beschichteter 2-Schneidenfräser
Diamant beschichteter 2-Schneidenfräser

Beim Fräsen von IMS Außen- und Innenkonturen bringen 2-Schneidenfräser mit Diamantbeschichtung optimale Vorrausetzungen mit. Durch die physikalischen Gleiteigenschaften der Diamantschicht fließen die Späne sehr gut ab und es entsteht keine nennenswerte Aufbauschneide.

Schnittkante nach ca. 60 m Standweg
Schnittkante nach ca. 60 m Standweg

Die empfohlene Schnittgeschwindigkeit beträgt v = 200 m/min + 25%; der XY-Vorschub ist vergleichbar mit FR4. Die Standzeit der Diamant beschichteten Fräser liegt im Vergleich zu unbeschichteten Fräsern um ca. 10-fach höher. Idealerweise werden IMS in 2 Durchgängen mit Fräser-Ø Kompensation gefräst.

Einsatzbedingungen:

  • Werkzeug: Diamant beschichteter 2-Schneidenfräser Typ 1 322
  • Durchmesser: 2,00 mm
  • Spirallänge: 6,00 mm
  • Fräsmaschine: mit Vakuumtisch und luftgelagerter Spindel W 1750-02 (10 bis 160.000 1/min)
  • Schmierung: durch Sprühnebel
  • Material: Aluminium AlMg3; 1,50 mm dick
  • Auflage: Phenolpapier 0,50 mm dick
  • Eintauchstelle: vorgebohrt mit gleichem Bohrer-Ø
  • Drehzahl: 34000 1/min
  • Vorschub: 1.00 m/min;
  • Fräsen: in 2 Durchgängen mit 200 µm Durchmesserkompensation
  • Standweg: >80 m sind je nach Qualitätsanforderungen möglich

IMS-Leiterplatten mit keramischem Dielektrikum

Erhöhter Werkzeugverschleiß im Bereich der keramischen Schicht
Erhöhter Werkzeugverschleiß im Bereich der keramischen Schicht

Immer häufiger werden IMS-Leiterplatten mit keramischem Dielektrikum benötigt. Dabei reduziert sich der Fräserstandweg aufgrund der keramischen Schicht drastisch. Durch verschiedene Eintauchtiefen der Fräswerkzeuge in die Fräsunterlage können die Standwege wieder erhöht werden.

Empfehlung:

Nach ca. 50% des Fräserstandweges die Eintauchtiefe des Fräsers in die Fräsunterlage erhöhen. Wenn sich die keramische Schicht oben befindet, muss die Eintauchtiefe verringert werden. Die Tiefenänderung ist abhängig von den Dicken der keramischen Schicht und des Außenlagenkupfers. Abhängig von der Fräsunterlagendicke kann dies mehrfach wiederholt werden.

IMS-Leiterplatten mechanisch bearbeiten: Zusammenfassung

Die Kosten der mechanischen Bearbeitung von IMS-Leiterplatten werden in erster Linie durch die richtige Werkzeug- und Parameterwahl beeinflusst. Diamant beschichtete Bohrer und Fräser garantieren eine hohe Maßgenauigkeit und Prozessfähigkeit und werden zwischenzeitlich weltweit eingesetzt. Insbesondere bei der mechanischen Bearbeitung von IMS-Leiterplatten aber auch bei Leiterplattenwerkstoffen mit Füllstoffen haben sich Diamant beschichtete Werkzeuge durchgesetzt.

Aus maschinentechnischer Sicht haben insbesondere Spannzangenrundlauf und Vibrationen einen hohen Einfluss auf die Werkzeugstandzeit und die Oberflächenqualität.

Durch die Verwendung einer Minimalmengenschmiereinheit werden Standweg und Qualität bei der mechanischen Bearbeitung von IMS-Leiterplatten sehr positiv beeinflusst.

Bei keramischen Dielektrika sind die empfohlenen Vorschübe um ca. 20% zu reduzieren. Die Standwege werden sich auf ≤25% im Vergleich zu FR4 Dielektrika reduzieren.

*Johann Schmidt, Technische Vertriebsleitung, GCT GmbH, Weingarten

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