Что такое принтеры для печатных плат и стали ли они массовыми?
Аддитивное быстрое прототипирование изменило мир производителей. От деталей самолетов до пластиковых корпусов 3D-принтеры, похоже, используются повсюду. А как насчет печати собственных схем? Здесь мы взглянем на мир принтеров для печатных плат.
Разве не было бы здорово распечатать печатную плату (PCB) так же, как документ или изображение? Всего одним щелчком мыши ваш проект через несколько мгновений становится законченной печатной платой. Что ж, благодаря горстке производителей такие принтеры для быстрого прототипирования печатных плат доступны. Однако подходы и оборудование различны.
В настоящее время производство печатных плат представляет собой технологию субтрактивного производства. Большинство печатных плат начинаются с материала FR4 с медным покрытием, при этом медь удаляется, чтобы оставить желаемые электрические соединения между компонентами схемы. По некоторым оценкам, рынок печатных плат огромен ( 76 миллиардов долларов к 2027 году), и на нем доминируют производители Тайваня и Китая, которые в совокупности владеют рыночной долей более 60% .
Проблемой для большинства производителей и предприятий являются задержки на этапе прототипирования их электронных схем. Самые дешевые затраты на производство печатных плат имеют самые длительные сроки поставки. Это означает, что всякий раз, когда в проекте обнаруживается ошибка, доставка следующей партии исправлений печатных плат занимает неделю. Затем нужно добавить время на размещение и пайку компонентов. Возможно более короткое время обработки, всего восемь часов, но стоимость того же заказа примерно в шесть раз выше.
Быстрый срок изготовления печатных плат может стоить в шесть раз больше,
чем заказ на доставку в течение пяти рабочих дней. (верно на январь 2021 г.)Принтеры для печатных плат: подход к дозированию чернил
В одном принтере для печатных плат, Voltera V-One , используется конструкция плоттера XY для нанесения токопроводящих чернил на подложку. После нанесения подложка и краска нагреваются с помощью встроенного нагревательного элемента для отверждения краски. Как и обычный принтер, V-One подключается к хост-компьютеру через USB-кабель, а соответствующее приложение помогает пользователю в процессе производства.
Voltera V-One построен как плоттер XY и дозирует токопроводящие
чернила и паяльную пасту из шприцев. (Источник: Вольтера)Токопроводящие чернила дозируются из шприца, как паяльная паста, используемая для ручного дозирования. Минимально достижимая ширина дорожки определяется используемым соплом, при этом конкретный принтер достигает ширины дорожки до 0,2 мм или 8 мил. Этого достаточно для 0402 (имперских) пассивов или ИС с минимальным шагом контактов 0,65 мм/26 мил. В качестве подложки можно использовать плиту FR-4 или FR-1 (заведомо не омедненную).
Альтернативный металл для следов печатных плат
В отличие от традиционной печатной платы с медными дорожками, проводящие чернила в основном состоят из серебра, смешанного с «носителем», а именно связующими веществами, растворителями, добавками и диспергаторами, которые помогают чернилам растекаться и высыхать во время нанесения . Из-за этого проводимость дорожек ниже, чем у эквивалентной печатной платы на основе меди. Например, FR-4 с медным покрытием толщиной 35 мкм (1 унция) имеет удельное сопротивление 0,5 мОм/квадрат. Токопроводящие чернила на основе серебра имеют сопротивление от 12 до 40 мОм/квадрат, в зависимости от производителя. Для большинства приложений последствия минимальны, и с большинством аналоговых и цифровых схем можно работать без проблем.
После того, как ваша печатная плата будет напечатана и отверждена, тот же принтер может просверлить отверстия для сквозных компонентов, нанести паяльную пасту и припаять компоненты на место. От пользователя требуется только вставить правильное сверло в патрон и вручную установить компоненты для поверхностного монтажа.
Процесс производства принтера для печатных плат, используемый V-One.Двусторонние печатные платы также возможны за счет печати дорожек на обеих сторонах подложки FR-4. Переходные отверстия со сквозными отверстиями реализуются путем сверления отверстий и последующей установки медных заклепок. Они также полезны в качестве точки крепления для пайки сквозных компонентов.
Принтеры для печатных плат: струйный подход
В другом подходе используется та же технология, что и в струйных принтерах. Это решение используется BotFactory SV2 . Принтер поддерживает различные подложки, на которые перед отверждением наносятся токопроводящие чернила с помощью нагревателя, встроенного в печатную платформу. Для поддержки многослойных конструкций печатных плат в SV2 используется второй картридж принтера с изолятором. Он напечатан поверх проводящих дорожек, что позволяет создавать до четырехслойных печатных плат. Каждый слой изолятора отверждается с помощью встроенной ультрафиолетовой лампы.
Принтер для печатных плат BotFactory SV2 также может выполнять
амостоятельную установку. (Источник: BotFactory)В результате получается очень тонкая многослойная печатная плата, напечатанная на одной стороне используемой подложки. Компоненты со сквозными отверстиями можно поддерживать с помощью медных заклепок при условии, что выбранная подложка, такая как FR-4, имеет достаточную толщину для механического крепления. Однако для переходных отверстий заклепки не требуются. Вместо этого проводящие слои соединяются через зазоры в изолирующем слое. Кроме того, SV2 особенно подходит для разработки гибких схем из-за тонких слоев, получаемых при струйной печати. Пользователи сообщают об успешном использовании подложек из каптоновой ленты и даже ткани .
Четырехслойная печатная плата, напечатанная с помощью BotFactory SV2.
Изоляционный слой печатается и отверждается между каждым проводящим слоем. (Источник: BotFactory)
Еще одной особенностью SV2 является функция самовывоза (P&P). После нанесения паяльной пасты на контактные площадки головка P&P может собирать ряд компонентов для поверхностного монтажа, подготовленных в пазах по краям печатной платформы. После установки нагретая платформа расплавляет паяльную пасту. Это позволяет производить высокоавтоматизированное производство небольших партий прототипов печатных плат.Преимущества и недостатки принтеров для печатных плат
Возможно, первое, на что стоит обратить внимание, это то, что печатные платы, создаваемые этими принтерами, отличаются от классических печатных плат. Критическим отличием являются свойства дорожек из-за использования серебра, а не меди. Любая ручная пайка требует припоя олово-висмут-серебро и максимальной температуры жала припоя 180°C. Более высокие температуры могут повредить дорожки, хотя использование медных заклепок снижает этот риск при пайке компонентов со сквозными отверстиями.
Еще одной проблемой является рассеивание тепла компонентами. Медь традиционной печатной платы FR-4 может рассеивать определенное количество тепла, например, от силовых устройств. С этими дизайнами на основе серебра вам, возможно, придется проявить немного больше творчества. Благодаря способности SV2 печатать на широком диапазоне материалов, пользователи успешно печатают на теплоотводящих материалах. За счет печати изоляционного слоя перед нанесением токопроводящих дорожек в качестве основного материала можно использовать даже плакированный медью FR-4.
Проводящие чернила и пасты для пайки печатных плат.
(Источник: Voltera [слева] и BotFactory [справа])
Возможно, самой большой проблемой при использовании принтеров для печатных плат является уход за расходными материалами. Чернила и паяльные пасты имеют срок годности от 6 до 12 месяцев. Однако необходимо позаботиться о том, чтобы охладить их после использования, иначе они затвердеют и станут непригодными для использования.
С положительной стороны, принтеры для печатных плат предлагают пользователям компетентное быстрое прототипирование схем, особенно при испытании альтернативных гибких подложек. Пользователи также добились успеха с радиочастотными конструкциями, такими как фильтр 915 МГц и схемы, работающие на частоте до 6 ГГц. И тесты показали, что гусеницы довольно прочные. Используя печатную плату для реализации разъема USB, одна плата выдержала более 10 000 циклов вставки .
Этот USB-разъем, созданный BotFactory SV2,
выдержал 100 000 вставок. (Источник: BotFactory)
Будущее производства?
В области прототипирования и обучения принтеры для печатных плат определенно находят применение. Предположим, ваша организация ежегодно разрабатывает множество новых печатных плат. В этом случае быстрый оборот итераций платы, а также поддержка небольшого производственного цикла с вариантами головок P&P для компонентов могут оказаться хорошим вложением. Эти принтеры также делают процесс производства электроники более прозрачным для учащихся школ, колледжей и университетов.
Однако процесс аддитивного производства, используемый в этих принтерах, на самом деле не подходит для массового производства картона. Однако есть и другие, которые хотят изменить лицо производства печатных плат. Победитель премии productronica 2021 Fast Forward Award , ioTech из Израиля, имеет концепцию аддитивного производства, основанную на непрерывном осаждении с помощью лазера (CLAD). Эта многообещающая технология не только предлагает изготовление многослойных печатных плат за считанные минуты, но также может позволить создавать схемы способами, невозможными для существующих процессов, что приведет к инновациям в носимых и имплантируемых медицинских технологиях.
Источник: - Elektor 2022