PCB-Herstellung (Lasercutter)

Aus GRAND GARAGE
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Dies ist eine Dokumentation von einem erfolgreichen Projekt mit dem Lasercutter, in dem Versucht wurde eine PCB-Platine (Leiterplatine) durch Gravieren herzustellen. In dieser Doku sind Tipps, Erfahrungen und viele weitere nützliche Dinge für zukünftige, ähnliche Projekte zu finden.

Einleitung

PCB-Basismaterial ohne Gravur

Zum Gravieren wurde eine Leiterplatte mit Kupferbeschichtung verwendet (PCB-Basismaterial). Diese kann man z.B. bei Conrad oder bei E-Bay bestellen. Qualitativ sind natürlich die Platten von Conrad besser - diese sind auch in Österreich lagernd und können ohne lange Wartezeit geliefert werden. Für jemanden, der keine Eile mit seinem Projekt hat sind auch die Platten von E-Bay perfekt geeignet. Diese werden jedoch vom fernen Osten versandt und es ist teilweise mit einer sehr langen Wartezeit (bis zu 2 Monaten) zu rechnen. Bei Ebay bekommt man für etwa 5€ 10 Platten mit 100x70mm, bei Conrad hingegen eine.

Lasercutter

Zum Gravieren der Leiterplatte wurde eine Speedy 360 Flexx von Trotec verwendet. Näheres zu den Lasercuttern in der Grand Garage steht in diesem Artikel.

Sicherheit

Kupfer ist ein Schwermetall und die Platten sind am Rand oft rau und nicht entgratet. Es ist generell von Vorteil, wenn man Handschuhe trägt, da die Platte dann nicht durch Fingerabdrücke verschmutzt wird und keine Gefahr durch die Kupferspäne oder Glasfasern besteht.

Da beim Gravieren von Kupfer mit einem Faserlaser und nicht, wie bei üblichen Schnitten oder Gravuren von Acryglas und Holz, mit einem CO² Laser gearbeitet wird, ist es unbedingt notwendig sich beim Lasercutten und Lasergravieren zu 100% der Bedienung bewusst und sicher zu sein. Wenn man sich bei Etwas nicht sicher ist, auf jeden Fall eine Host fragen - sonst kann die Maschine sehr schnell beschädigt werden. Dies ist vor allem durch die Reflexionen des Lasers bei Metallen sehr gefährlich, da dieser über die Linse wieder zurückgeführt werden kann.

Vorbereitung

Unter "gravieren" wird in diesem Artikel das entfernen der Kupferschicht des PCB-Basismaterial bezeichnet.

Die Leiterbahnen werden mit dem Laser graviert, auch die zukünftigen Ausbohrungen werden gleich Vorgraviert. Da diese Bohrungen aber meist sehr klein (<1mm) sind, werden diese nicht mit dem Laser ausgeschnitten sonder in der Nachbearbeitung mit Spezialbohrern gebort. Wenn man diese ausschneiden würde, wären sie verbrannt.

Zum Gravieren von einer Leiterplatte wird zum einen die Leiterplatte, und zum anderen der Lasercutter benötigt. Zudem empfiehlt es sich einen Pinsel mit feinen Haaren bereitzuhalten, da man mit diesem den Kupferstaub, welcher beim Gravieren entsteht, gut und einfach entfernen kann.

Vorbereitung des Lasercutters

Vor dem Einschalten der Maschine sind einige Checks und Schritte am Laser vorzunehmen. Sollten irgendwo Fragen auftreten, bitte an einen Host wenden!

Checkliste:

  1. Linse wechseln - es wird die 2,85" Flexx Linse benötigt.
  2. Checken ob der Spiegel und die Linse sauber sind, wenn nicht -> Reinigen.
  3. Checken ob der Spiegel fest verschraubt und die Linse angeschraubt ist (Die goldene Schraube mit Gefühl anziehen, nicht komplett fest).
  4. Checken ob Kleinteile auf dem Gravurtisch liegen, Kleinteile unter dem Tisch sind egal.
  5. Die Restfläche, auf der die Platte später nicht liegen wird mit Papier abdecken - sonst ist die Ansaugung zwecklos.
  6. Laser einschalten

Nach dem Einschalten muss der Laser über USB mit dem Computer verbunden werden und in der Lasersoftware (JobControl) erkannt ("connected") sein. Dann unbedingt links oben im Auswahlfenster die korrekte Linse einstellen (2,85" Flexx). Ist dies nicht richtig eingestellt, wird der Laser später falsch Fokussiert und die Gravur wird nicht sauber. Nach dem ändern der Linse in der Software piept der Lasercutter kurz.

Aufbereitete Datei mit PCB-Design

Vorbereitung der Datei

In dieser Doku wird nicht auf das Design von Leiterplatten eingegangen, sondern nur auf die Dateiaufbereitung für den Lasercutter.

Nach den Ergebnissen und Erfahrungen des Projektes ist eine .svg Datei (Vektorgrafik) und ein dazu passendes Programm sehr zu empfehlen. In der Grand Garage verwenden sehr viele Maker Inkscape, eine Freeware für Vektorgrafiken. Bei den Gravuren sind unbedingt Pfade zu verwenden, keine Konturen! Linien mit Konturen werden als Linien erkannt, und nicht als Fläche. (Das ist ein Tipp für sehr schmale Flächen, wie etwa 0,5mm). Dies ist oft sehr irreführend, da die Linien am Computer oft wie Flächen aussehen. Wichtig ist auch, dass keine Beschriftungen mehr vorhanden sind.

Die zu gravierenden Flächen müssen schwarz (RGB: 0,0,0) sein, die nicht zu gravierenden Leiterbahnen sollten keine Füllung haben. Es ist von Vorteil, wenn man zwischen der äußersten Leiterbahn und der überbleibenden Kupferschicht 5mm leer Graviert, da dadurch ein Kontakt zur restlichen Kupferplatte ausgeschlossen ist.

Unbedingt beachten ob eine Spiegelung der kompletten Platte nötig ist, wenn die Bauteile von Hinten verlötet werden.

Ein Beispiel einer fertig aufbereiteten Datei ist im Bild rechts zu sehen.

Druckeinstellungen

Einstellungsdialog

Nach der Aufbereitung den Druckdialog öffnen und in die Einstellungen des Trotec Engravers wechseln. Dies ist gleich wie bei anderen Lasercuts. Ein Beispiel des Druckdialog ist rechts im Bild. Sollten irgendwelche Einstellungen nicht bekannt sein, unbedingt an einen Host wenden!

Checkliste:

  1. Größe festlegen - Dabei die Größe am besten viel zu groß machen und dann "Auf Jobgröße minimieren" anhaken, dann hat der Job die benötigte und kleinste Größe
  2. Den Materialdialog öffnen und die Einstellungen über den Button unten links importieren. Die Materialeinstellungen für PCB-Platten beim Speedy 360 Flexx können hier heruntergeladen werden. Die dicke der Platten ist später in der Matrialleiste in JobControl einzugeben!
  3. Prozessoptionen: Prozessart: Standard, Auflösung: 1000dpi, Schneidlinie: keine, Rasterung: Farbe
  4. "Optimierte Geometrien" und "Innenliegende Geometrien zuerst" sollten generell immer Angehakt sein, da aber hier nicht geschnitten wird könnte man sie auch weglassen. Es macht allerdings nichts, wenn sie angehakt bleiben.

Nach dem Eingeben aller Werte die Einstellungen übernehmen und Drucken.

Im JobControl erscheint dann der Druck in der Warteschlange, dieser muss dann auf die Platte gezogen werden.

Checkliste:

  1. Job positionieren
  2. Dicke der Gesamten Leiterplatte in der Materialleitse eintragen
  3. Linse richtig einstellen Lasercutter:
  4. Den freien Gravurtisch mit Papier abdecken, damit die Ansaugung funktioniert.
  5. Ansaugung aktivieren
  6. Fokussieren (über den Druck der beiden Höhentasten)

Der Job kann nun gestartet werden!

Während dem Gravieren

Während dem Gravieren darf der Lasercutter nicht unbeaufsichtigt einen Job ausführen. Zudem sollte man schauen ob irgendetwas unübliches auffällt. Die Raumtemperatur sollte 25 Grad nicht überschreiten, da sonst ein Brandalarm von der Maschine ausgelöst werden kann. Dies liegt an der Betriebstemperatur der Laserquelle. Am Ende den Laser mit einem trockenen Tuch vom Kupferstaub befreien, vor allem bei der Maßleiste.

Nachbearbeitung

In der Nachbearbeitung sollte man die Leiterbahnen überprüfen (Ansehen, ausmessen). Zudem muss man die Löcher Bohren, wenn dies Notwendig ist.

Nach dem Entnehmen aus dem Lasercutter empfiehlt es sich, die Platte entweder abzupinseln oder vorsichtig zu waschen (aufpassen, die Kupferschicht kann sich dabei lösen). Dann kann man die Leiterbahnen unter einem Mikroskop auf ihre Sauberkeit prüfen. Unbedingt checken, ob die Bahnen über kleine Stege mit anderen Bahnen verbunden sind, besonders bei nahen Bahnen. Danach sollte man auch noch auf Kurzschlüsse prüfen, am besten mit einem Multimeter (Durchgangsprüfer Ω).

Die Löcher kann man entweder in der Postproduction im zweiten Stock mit einem Dremel und dem passenden Bohrer bohren, oder im ersten Stock mit der Ständerbohrmaschine. Der Dremel dreht mit bis zu 35000U/min, die Ständerbohrmaschine mit 3000U/min.

In der Grand Garage gibt es derzeit (21.06.2019) kein Mikroskop und keine Bohrer die kleiner als 1mm sind. Diese beiden Dinge sind privat zu beschaffen.

Maschinen Trotec Speedy 360