Изготовление прототипов печатных плат в условиях единичного производства

ИЗГОТОВЛЕНИЕ ПРОТОТИПОВ ПЕЧАТНЫХ ПЛАТ В УСЛОВИЯХ ЕДИНИЧНОГО ПРОИЗВОДСТВА

Ю.В. Федосов Научный руководитель - к.т.н., доцент С.Ф. Соболев

Рассматриваются возможности имеющегося оборудования для изготовления прототипов печатных плат, и предлагается изготовление прототипов печатных плат с использованием проводящих полимеров.

Введение

В настоящее время на рынке автоматизированных устройств предлагаются различные установки для производства печатных плат (1111). Как правило, эти приборы либо являются фотоплоттерами, т.е. конечным результатом их работы является фотошаблон для печатной платы, либо устройство наносит пасту для пайки, устанавливает компоненты на уже готовую плату.

Как правило, эти установки производятся различными фирмами, которые не стремятся к объединению самого технологического процесса в единое целое (подготовка стеклотекстолита, нанесение фоторезиста, произведение снимка, проявка, промывка, сверление отверстий, лужение дорожек, нанесение пасты), а предлагают реализацию его части. Если предприятие обладает достаточными средствами для покупки и сопровождения такого парка станков, возникает ряд вопросов, связанных с их наладкой, ремонтом, подготовкой кадров, а также с совместимостью оборудования. Известная ситуация, когда изделие (в данной ситуации 1111), будучи неоднократно извлеченным, из одного станка и переустановленным в другой, теряет точность изготовления из-за смены схем базирования, что неизбежно сказывается на качестве выпускаемой продукции. Так, например, некоторыми фирмами производятся компактные станки для установки DIP-компонентов на плату, однако вследствие небольших размеров станка и вибраций, производимых сервоприводами, компоненты смещаются по направлению, перпендикулярному движению платы, даже тогда, когда они приклеены к ее поверхности.

В наши дни активно развиваются CAE-системы, позволяющие как воспроизвести изделие, так и в сжатые сроки создать прототип нового устройства. Известность установок, воспроизводящих твердотельные модели, заставляет задуматься о возможности быстрого воспроизведения различных электронных узлов для последующей наладки и доработки. Макетные платы, предлагаемые рядом фирм, обладают рядом существенных недостатков, одним из которых является вынужденное использование навесного монтажа, и, как следствие, возможные наводки в схеме. Кроме того, наладка 11 , выполненная навесным монтажом, представляет довольно сложную задачу.

Различные компании, в частности, Everprecision Tech или LPKF, специализирующиеся на оборудовании для изготовления прототипов плат, предлагают изготовление печатной платы с использованием фольгированного диэлектрика в качестве заготовки [1, 2]. Так, установки ProtoMat 95s/II и EP2002 сфрезеровывают определенные участки фольги, оставляя проводники толщиной до 0,1 мм на изоляционной подложке. Если требуется многослойная печатная плата, производителю предлагается спрессовывать несколько изготовленных плат в блок.

Описание решения

С подобной задачей (изготовление прототипов многослойных печатных плат) может справиться установка, которая выполняет послойное наращивание проводников и диэлектрика, используя в качестве токоведущего материала проводящий полимер [3, 4]. В этом случае не требуется мощного силового привода установки, поскольку процесс

изготовления платы подразумевает только перемещение каретки по двум взаимно перпендикулярным осям для осуществления процесса изготовления платы и, может быть, опускание платы на глубину в несколько десятков микрон для наращивания нового слоя. Также можно отметить, что такая установка будет создавать весьма малый уровень шума, который может быть с успехом нейтрализован с использованием достаточно простых схем.

В данной установке в качестве токоведущего материала может использоваться то-копроводящий быстросохнущий клей (аналог современного токопроводящего клея), заключающий в своем составе как фуллерены, так и серебряные гранулы [5], отверждае-мый тепловым излучением ИК-диапазона, а в качестве диэлектрика - полимерный порошок, подобный используемому в аппаратах быстрого прототипирования для нужд машиностроения.

Весь цикл изготовления прототипа будет экологически чистым и, за счет использования необходимого материала с достаточной точностью, безотходным. Рис. 1 отражает перечисленное.

Рис. 1. Возможная конструкция каретки прототипирующего устройства: 1- источник ИК-излучения, 2 - устройство подачи проводящего полимера, 3 - устройство подачи изолирующего полимера, 4 - дозатор

В силу того, что технология изготовления изделия будет подразумевать экранизацию проводящего рисунка, изделие будет достаточно влагозащищенным [6]. Также стоит отметить, что в технологический процесс изготовления можно включать установку БМТ-компонентов, что позволит получить на выходе уже не только саму плату как подложку для дальнейшей работы, а всю плату, собранную целиком. Также можно отметить, что полученный прототип печатной платы (без предустановленных компонентов) существенно облегчает последующий процесс монтажа, позволяя применять в качестве токоведущего соединителя обычный электропроводящий клей с составом, аналогичным предыдущему. Таким образом, переходное сопротивление будет лежать в диапазоне 1,62,5 Ом при толщине проводников до 0,1 мм. Диапазон рабочих температур полученного изделия будет лежать от -60 °С до +65 °С, что соответствует стандартному климатическому исполнению УХЛ2.

Исходя из вышеописанного, можно определить функции и системные компоненты установки для создания прототипов печатных плат.

Поскольку устройство вряд ли будет использоваться для создания прототипов с габаритами большими, чем 500*500 мм, и с количеством слоев, большим 30, то его вес едва ли будет превосходить 0,7 кг. Исходя из этого соображения, в качестве привода для перемещения платы может выступить низковольтный двигатель постоянного тока мощностью порядка нескольких ватт.

В качестве источника теплового излучения может выступить лазер ИК-диапазона. Поскольку толщина каждого слоя вкупе с толщиной предыдущего не будет превышать десятков микрон, с этой задачей может справиться лазер мощностью порядка нескольких сотен милливатт. Для привода каретки, которая будет включать в себя лазер, устройство нанесения порошка и емкость с проводящим составом, также можно применить два низковольтных двигателя постоянного тока мощностью порядка нескольких ватт.

Поскольку предлагаемое устройство должно обеспечивать довольно высокую точность изготовления изделия, то в данной конструкции следует применять не ременные передачи, а винтовые - это позволит более точно позиционировать каретку и облегчит управление ее перемещениями. Рис. 2 отражает основные моменты кинематической схемы устройства.

Рис. 2. Кинематическая схема: 1-3 - двигатели постоянного тока, 4, 5 - приводы каретки, 6 - каретка, 7 - привод стола с заготовкой, 8 - плата

Исходя из того, что в настоящий момент форматом де-факто проектирования печатных плат является спецификация Gerber RS-274X, можно сказать, что управление устройством должно осуществляться от встроенного контроллера, плата которого должна подключаться к компьютеру стандарта IBM PC через разъем одного из портов и программного обеспечения, переводящего векторную графику Gerber RS построчно в растровое изображение и, соответственно, в координаты для позиционирования головок. Цикл работы устройства можно сформулировать следующим образом:

• формирование рисунка проводников;

• сушка;

• нанесение слоя порошка с попутным формированием проводящих межслойных взаимосвязей;

• оплавление;

• повтор вышеперечисленного по необходимости.

В статье было рассмотрено состояние технологического оборудования для изготовления печатных плат и прототипов печатных плат. Был предложен способ изготовле-

4

1

Заключение

ния прототипов печатных плат с использованием проводящего полимера в качестве то-копроводящего проводника. Была рассмотрена возможная конструкция предлагаемого устройства, описаны принципы его работы и предложена его схема.

Литература

1. Черкасов С. Оборудование компании Everprecision Tech для прототипов печатных плат // Электроника: Наука, Технология, Бизнес. - 2005. - № 7. - С. 78-79.

2. Rapid PCB Prototyping Solutions, LPKF ProtoMat 95s/II, проспект фирмы LPKF, 2004.

3. Plastic Electronics, D de Leeuw // Physics World. - D31. - March 1999.

4. R.E. Gleason. How far will curcuits shrink // Science Spectra. - 2000. - 20. - С. 32.

5. Аналитический портал химической промышленности - Режим доступа: http://www.polymery.ru/, свободный. - Загл. с экрана. - Яз. рус., англ.

6. Уразаев В.Г. Влагозащита печатных узлов. - М.: Техносфера, 2006.