Die Strukturierung von Kupferlagen mit CNC-Fräsen

Routing good ideas to copper

Der Frühling ist eine geschäftige Zeit für Hobbygärtner wie mich. Angespornt von der Aussicht auf einen entspannten Nachmittag im Liegestuhl, mache ich mich daran, meinen Garten nach dem langen Winter wieder in einen nutzbaren Zustand zu versetzen. Dazu müssen unter anderem welke Blätter vom Rasen aufgelesen und der Terrassenboden gereinigt werden. Doch mit den richtigen Werkzeugen ist das alles im Nu erledigt.

Die Blätter kehre ich zunächst mit einem Rechen zusammen und werfe sie anschließend auf den Kompost. Und der Schmutzschicht auf der Terrasse rücke ich mit einem Hochdruckreiniger zu Leibe. Das hat den Vorteil, dass ich den Wasserdruck variieren und stets optimal einstellen kann, sodass auch die hartnäckigsten Belege im Handumdrehen verschwinden. Nach getaner Arbeit hole ich dann die Gartenmöbel raus und mache es mir mit einem Buch in der Sonne gemütlich. Diese wohlverdienten Ruhepausen sind für mich das Schönste überhaupt.

Interessanterweise weist das Reinigen einer Terrasse eine gewisse Ähnlichkeit mit dem Prozess zur Strukturierung von PCB-Kupferlagen auf, bei dem entweder ätzende Chemikalien, Laser oder Fräsmaschinen zum Einsatz kommen. Im letzteren Fall werden spezielle PCB-Fräsköpfe genutzt, um durch die gezielte Entfernung von Teilen der Kupferfläche das im Design vorgesehene Layout zu realisieren. Dies kann manuell erfolgen, wird jedoch bei größeren Stückzahlen mittels einer programmierbaren CNC-Fräsmaschine erledigt.

Am Ende des Fräsvorgangs bleiben dann die gewünschten Signalbahnen und Pads übrig, woraufhin das Werkstück mit den anderen Schichten zu einem Laminat zusammengefügt und plattiert werden kann. Nach dem anschließenden Auflöten der vorgesehenen Komponenten wird das Endprodukt schließlich einem Ingenieur ausgehändigt, der das Design der Leiterplatte testet und seine Funktionstüchtigkeit überprüft.

Output-Dateien zur Programmierung von Fräsmaschinen

Genau wie beim Anlegen einer Terrasse Betongießformen genutzt werden, um eine Fläche mit den gewünschten Maßen zu erzeugen, werden bei der PCB-Herstellung Output-Dateien verwendet, um den Fräskopf der Maschine zu steuern und so das gewünschte Muster zu realisieren.

Wenn Sie sich mit dem betreffenden Format auskennen, können Sie die in einer solchen Datei enthaltenen Angaben nutzen, um den Fräskopf manuell zu bewegen. Zumeist erfolgt das Fräsen jedoch, wie bereits angesprochen, mithilfe einer CNC-Maschine. In beiden Fällen besteht das Ziel darin, die Kupferschicht in den festgelegten Bereichen zu entfernen und dadurch die vorgesehenen Leiterbahnen zu erzeugen – ähnlich wie beim Hochdruckreinigen, wo es darauf ankommt, den Strahl so zu justieren, dass beim Säubern der Terrasse nicht auch die Blumenerde aus den benachbarten Beeten fortgeschwemmt wird. Auf diese Weise entsteht Schritt für Schritt das gewünschte Layout der jeweiligen PCB-Schicht.

Der Einsatz verschiedener PCB-Fräsköpfe

Zur gezielten Strukturierung der auf Glasfaserlagen aufgebrachten Kupferschichten werden Fräsköpfe verschiedener Größen und Formen sowie aus verschiedenen Materialien verwendet. Dadurch können schmale oder breitere Leiterbahnen, Ecken und Rundungen sowie Pads und andere Füllflächen erzeugt werden.

Beispielsweise halten Fräsköpfe aus Wolframcarbid den Belastungen beim Fräsen auf nichtleitenden Glasfaserkernen und anderen Prepregs viele Stunden lang stand und sind damit fast so beständig wie der Wasserstrahl aus Ihrem Hochdruckreiniger, der ja auch durch den härtesten Terrassenboden nicht beschädigt wird. Außerdem ermöglichen diese Fräsköpfe eine präzise Umsetzung der in der Output-Datei festgelegten Steuerungsbefehle und hinterlassen rückstandsfreie Fieberglasoberflächen, die die im Design vorgesehenen Kupferbahnen sauber voneinander trennen.

 
Milling machine in PCB manufacturing using pcb router bit diameters

Computergesteuerte Fräsmaschinen nutzen verschiedene Fräsköpfe zur Strukturierung von PCB-Signallagen.

Die Programmierung von Fräsmaschinen mit Gerber-Dateien

Ein gängiges Verfahren zur Programmierung von CNC-Fräsmaschinen sind die sogenannten Gerber-Dateien, die unter anderem Steuerbefehle zur Festlegung der Bewegungsrichtung des Fräskopfs enthalten. Sie sorgen dafür, dass der schnell rotierende Fräskopf die unerwünschten Teile der Kupferschicht präzise entfernt und so die im Design vorgesehenen Muster freilegt (ähnlich wie bei der Hochdruckreinigung, wo der Wasserstrahl Ihre Terrasse von einer unerwünschten Schmutzschicht befreit).

Dabei werden meist keine Einzelteile, sondern komplette Panels gefräst, die dann später vereinzelt werden müssen. Diese Panels haben die richtige Größe für den Tisch einer CNC-Fräse und ermöglichen so die akkurate Strukturierung von PCB-Schichten, deren Durchkontaktierungen bei der späteren Zusammenfügung bis auf den Mikrometer genau übereinstimmen müssen.

Die Zusammenfügung der gefrästen Teile

Nach Abschluss des Fräsvorgangs werden die fertigen Teile über Fließbänder weitertransportiert, gesammelt und schließlich zu PCBs mit dem gewünschten Lagenaufbau zusammengefügt. Bei der Beobachtung dieses Prozesses empfinde ich immer ein ähnliches Wohlbehagen wie in dem Moment, an dem ich die letzten Überbleibsel meines Großreinemachens zusammenkehre, bevor ich es mir auf meinem Rasen im Liegestuhl gemütlich mache.

Anschließend erfolgt der letzte Schritt der PCB-Fertigung: die Bestückung der Leiterplatten mit den vorgesehenen Komponenten.

Letztlich hat die Entfernung welker Blätter aus Ihrem Garten also einen ähnlich gedeihlichen Effekt wie die Entfernung von überflüssigem Kupfer bei der Strukturierung von PCB-Schichten. Im ersteren Fall können nun Tische, Stühle und Liegen für sommerliche Grillabende und die entspannte nachmittägliche Romanlektüre in Stellung gebracht werden, im anderen Fall erhalten Sie ein Endprodukt, das mit weiteren Einzelteilen zu einer Leiterplatte zusammengefügt, danach mit Bauteilen bestückt und schließlich in der vorgesehenen Weise verbaut werden kann.

Damit endet ein langer Design- und Produktionsprozess, an dessen Anfang eine Idee stand, die zunächst in einem Schaltplan und ein Layout und dann in Output-Dateien zur Steuerung von CNC-Fräsen und anderen Werkzeugmaschinen umgesetzt wurde.

 
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Angesichts dieser Vorteile dürfte wohl niemand daran zweifeln, dass die einheitliche Designumgebung von Altium das Mittel der Wahl ist, wenn es um die Erstellung von Gerber-Dateien und anderen Output-Formaten zur Steuerung von Fräsmaschinen geht. Falls Sie doch wider Erwarten jemanden kennen, der solche Vorbehalte hat, sollten Sie für diese Person umgehend ein Gespräch mit dem Expertenteam von Altium vereinbaren.

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