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作者:楊哲彰(2005-03-14)﹔推薦:徐業良(2005-03-18)

以電路板雕刻機製作原型電路版

本文介紹禾宇精密科技EP-2002電路板雕刻機之使用,並以自動門電路為例,實際製作該電路的原型電路板。

1.     電路板製作方式簡介

原型電路板傳統的製作方式,是將線路以曝光的方式轉印至感光電路板,經過顯影後,再以氯化鐵蝕刻出最終線路,此方式由於成本低廉,所需設備簡單,為最簡易的電路板原型製作方式,但此製作方式製程品質不易控制,且難以製作雙面板,因此無法製作較複雜而密集的電路。電路板也可以外送至專業PCB廠商打樣,以標準製程製作,此方式品質最佳,但費用較高,且無法少量製作,單次需要數天至一禮拜不等的時間方可交貨取件,若此期間修改電路或發現錯誤時,又得重新送件製作,花費比較高昂。

電路板雕刻機(如圖1)以NC方式製作原型電路板,主要優點包括品質穩定、可製作雙面板,且可依實際應用的需求進行外框成形,如用於遙控器或各類控制盒等,也可成形邊接頭(edge connector,俗稱金手指)外型,用於特定插槽使用。

以電路板雕刻機製作原型電路板的流程如圖2所示,前半段電路設計時由電路設計軟體製作電路,並產生PCB Layout線路,以Gerber加工檔與NC Drill檔案格式輸出;後半段為加工階段,由控制軟體處理設定Gerber檔案後,再輸出至電路板雕刻機進行加工,加工程序依序為鑽孔、電鍍、及成形,完成原型電路板製作。

1. 電路板雕刻機(Everprecision EP-2002,禾宇精密科技)

2. 電路板雕刻加工流程

2.     加工檔案設定

本文範例自動門電路的PCB檔案如圖3所示,包含頂層Top Layer(零件面)與底層Bottom Layer(銲錫面),其線路分別以紅色與藍色表示,加工前需檢查電路是否正確,並確認各個零件的貫孔尺寸與相對位置,若孔徑過小,零件針腳無法插入,孔徑過大則不易進行零件焊接。

3. 電路板雕刻機製作電路板的流程

電路板雕刻機需與電腦連結,由軟體「PCAM 4.7.4」加以控制,軟體安裝完成後,軟體介面預設以英文顯示,可由「檔案è系統設定」更改顯示語言。軟體介面如圖4所示,操作主要分成「編輯」工具列以及「電路板加工」工具列兩部分,讀入Gerber加工檔案後,先以編輯工具列進行設定,設定完成後便可由電路板加工工具列控制後續的雕刻機加工程序。

4. 軟體介面

點選「檔案(F)è新的檔案」或點選工具列圖示開啟如圖5的工單設定視窗,便可讀入加工檔案,本軟體支援數種電路設計軟體所產生的Gerber檔案,可由「APERTURE檔來源」選項選定,在此選擇「PROTEL」;自動門電路的加工檔資料夾中含有Gerber檔與NCdrill鑽孔檔,在此依照圖5所示的各項檔案依序填入。

5. 讀入檔案-工單設定

讀入檔案後,編輯區內便顯示出PCB圖樣,點選(電路板翻面)可切換檢視電路板的零件面(頂層)或焊錫面(底層)內線路、外框以及鑽孔位置。接下來進行電路板成形設定,將板層切換至零件面,點選「(選擇成形資料)」,游標移至編輯區後出現十字狀,點選電路板外框(藍色),接著點選「(成型資料偏移計算)」,設定外框的邊界偏移量,並出現成形刀徑設定視窗(圖7),要求指定成形刀具大小,預設值為1.5mm,一般情形下不必變更,輸入後,接著以游標指定偏移方向(圖8),指定後點選「(路徑計算)」,出現如圖9刀具計算視窗,可保持預設值或使用者自行給定相關參數。完成後軟體便開始計算成型資料,結果如圖10所示,不同的顏色用以代表各自的加工手續。若要儲存加工檔案,程式會以一個副檔名為*.PRJ的檔案儲存,下次使用時,便可直接開啟這個*.PRJ檔案,不必再重複執行上述工單設定程序。完成上述邊界成形設定,接下來就可以開始進行加工。

6. 板層檢視(正反面)

7. 成形刀具刀徑設定

8. 指定邊界偏移方向

9. 刀具與路徑設定

10. 完成成形設定(正反面)

3.     鑽孔

完成設定後,進行加工程序,點選「(加工排版及環境設定)」,此時加工工具列將被啟用,雕刻機便可由此加以控制。點選加工工具列上的「(原點復歸)」,使主軸馬達移動至左上角的原點處,接著將待加工的電路板材安放於加工平台上適當位置,邊緣以膠帶固定,機台的接地線必須與電路板接觸,建議放置於電路板的最右下角處,如圖11所示。此接地線的作用在於提供主軸Z方向高度基準的回授信號,若沒有連接此接地線,主軸的Z方向動作會發生錯誤。

以滑鼠右鍵點選快顯功能表上的「移動」,可將電路板以拖曳方式選擇預定加工的位置,此時點選加工工具列上的「(加工區域)」,主軸馬達會移動至加工區域的角落,此動作可輔助檢視實際加工的區域範圍

11. 固定加工板材

12. 調整加工區域

3.1 定位孔

由於整個電路板加工的過程會進行裝卸板材的動作,因此需要定位孔對準。點選(雙面板定位孔新增)後,於加工區域外部任一處,單擊滑鼠左鍵,系統會自動於該點以及相對於Y座標軸的鏡射點產生共兩個定位孔,一般來說兩個定位孔已經足夠,給定較多的定位孔亦可,結果如圖13所示。

13. 指定定位孔

點選(雙面板定位孔加工),此時主軸馬達將移動至機台最外側,軟體並同時顯示如圖14之訊息,要求手動確認高度檢測,此時將綠色地線(或連接該線的鱷魚夾頭)碰觸如圖14所示的主軸處,「無效」欄會顯示為「成功」,表示系統高度基準的回饋功能為正常。點選OK後出現類似圖15之訊息視窗,要求使用者換上所指定的鑽頭,定位孔均採用ψ1.25mm,確實安裝後,點選OK後開始執行鑽孔動作。

14. 高度檢測動作

更換鑽頭時如圖15所示,以六腳螺絲起子鬆開固定螺絲,用尖嘴鉗挾持鑽頭插入主軸內再鎖緊,安裝完成後的鑽頭尖端處不可超出保護外蓋之下緣,固定螺絲必須確實鎖緊,若鑽孔過程中發生鑽頭鬆脫,極容易造成斷針情形。

15. 更換鑽頭(刀)示意

16. 更換鑽頭訊息視窗

3.2 銲點貫孔

完成定位鑽孔後,點選(電路板鑽孔),並依指示更換鑽頭,更換的鑽頭規格與次數會依據電路設計中指定的孔徑大小而有所不同,完成貫孔後如圖17所示,接下來將電路板材拆卸下來,準備進行電鍍,此時需留意加工平台上的定位孔位置,建議預先做個記號,以方便後續之操作。

17. 貫孔外觀

4.     貫孔電鍍

完成電路板鑽孔後,若為雙面板,則必須進行貫孔電鍍程序,此步驟用意在於使貫孔壁附著銅膜,零件面與銲錫面才能確實導通。圖18為電鍍程序所使用的設備與材料,圖19為電鍍的大略程序說明。電鍍採用硫酸銅電解方式鍍銅,其中A劑為清潔劑(溶劑),作用在於使電路板表面去除油脂,B劑為石墨,呈現黑色狀,可增加電鍍銅膜的附著效果。

18. 貫孔電鍍設備與材料

19. 雙面板貫孔電鍍流程

在進行電鍍程序之前,須先將鑽孔後的電路板以細砂紙或鋼絲絨將清潔表面,去除鑽孔產生的殘餘銅箔與毛邊,使電路板表面光滑,並防止貫孔阻塞。須注意的事項如下:

(1)   貫孔絕對不能被殘餘銅箔或毛邊阻塞,此情況會造成電鍍不完全。

(2)   浸泡A劑與B劑時,注意確實讓液體流通電路板上的孔洞,但清水清洗動作時,請勿擠壓電路板而讓水通過孔洞。

(3)   A劑與B劑皆可重複使用,但注意切勿混合,否則容易將失效。

(4)   A劑長時間使用後會呈現深藍色,此時需更換;B劑長時間使用後則會產生沉澱,或溶液表層呈現透明狀,此時同樣必須更換。

(5)   使用B劑(石墨)時,以11(清水:B劑)的比例稀釋。

(6)   進行「吹乾」步驟前,用微濕的海綿刷洗電路板表面,清洗並吹乾後表面可清楚看見銅箔。

(7)   「電鍍」步驟中,將電路板浸泡置硫酸銅溶液中,將電源供應器的陽極(紅色+)接線接在電鍍槽內的銅板上,陰極(黑色–)接在電路板或電路板固定夾具。電路板大小及電鍍電流設定比例建議如下表1

(8)   電鍍完成後取出再用清水沖洗、吹乾,如果沒有吹乾電路板表面很快的就會被氧化。吹乾後再以菜瓜布刷拭電路板,使表面平整,以便於進行接下來的電路板平面檢測工作。

1. 設定電流與時間

電路板面積尺寸

設定電流

電鍍時間

10×10cm

3A

最小孔徑≦0.5mm60分鐘

15×15cm

4A

最小孔徑≧0.6mm45分鐘

20×20cm

5A

最小孔徑>1.0mm30分鐘

5.     線路雕刻

完成電鍍後,依照圖20所示,依據定位孔位置,先將定位針插入加工平台上的定位孔,板材的定位孔對齊定位針後,將板材壓下使之貼合於加工平台上,同樣以膠帶固定板材後,再將定位針拔除。若找不到加工平台上的定位孔時,可點選下拉式功能表「綜合加工機(M)è手動è定位孔尋找」,此時主軸將會移動至定位孔正上方,便可指示出定位孔位置。

20. 由定位孔偶合安放電路板

板材固定後,由於板材表面與主軸之相對間距不可能完全一致,因此在進行線路雕刻時必須執行主軸「電路板平面檢測」校正工作,系統會依據檢測資料補償Z方向的高度,加工時才能有均一的削深度。點選(電路板平面檢測)後,出現圖21所示之訊息視窗,「測試點距」欄位之設定值將決定平面的檢測精度,數值愈小澤精度愈高,但檢測所需時間愈久,參數視使用者需求而定,一般皆以預設值10mm/點。點選OK後系統將要求換上任意刀徑的90度刀(黃色註記),換上後點選開始量測進行檢測校正,訊息視窗將同步顯示板材的表面高度曲線(圖21左),完成檢測後,整個電路板的高度結果將以灰階顏色顯示(圖21右),顏色愈亮(白)表示板材表面愈靠近主軸,愈暗(黑)則表示離主軸愈遠。接著點選Save將平面度資料儲存起來。

完成檢測後點選(線路雕刻),加工過程中通常會使用數把不同刀徑的刀,視佈線設計而定。通常會依序使用f0.2mmf1.2mm、與f0.6mm三把,第一把f0.2mm刀劃出線路外型,第二把大刀徑的刀去除不必要的大範圍銅箔,再以第三把刀徑稍小的刀精修,去除細微區域的銅箔。

21. 電路板平面檢測

6.     板框成形

板框成形為最後一個加工步驟,主軸將沿著Keepout Layer邊框路徑將電路板從板材上裁切下來,點選(板框成形)後系統會要求裝上f1.5mm刀,加工完成後成品如圖22所示。建議使用者仔細檢視相鄰的佈線中是否留有殘餘銅箔或毛邊,在較密集的佈線間距下此殘餘銅箔可能會造成電路可靠性的問題,此時可採用人工方式將之刮除。

22. 電路板成品(零件面與銲錫面)