INIŢIERE IN REALIZAREA PRACTICĂ A SCHEMELOR ELECTRONICE-PRACTICAL ELECTRONICS-

Web: http://www.cetti.roCiprian IonescuProfesor la Departamentul Tehnologie Electronică şi Fiabilitate,Facultatea Electronică, Telecomunicaţii şi Tehnologia informaţieiUniversitatea Politehnica din Bucureşti

Cabinet:Localul Leu, cam B 310

2

Metods for electronic PCB prototyping

- Through Milling- On breadboards

3

By means of very small size milling tools (cutters) the isolation of the paths for interconnecting the electronic components or even the total removal of the conductive areas takes place in the case of applications for high frequency operation. Numeric Coordinate (NC) drilling is done through the same equipment and is practically similar to the one in the industrial process.

Realization of PCB prototypes by milling

Milling / Drilling Equipment at UPB-CETTI is the ProtoMat M100 / HF type, from firma LPKF. It is essentially a plan plotter in place of the classic plotting head with a motor adapted to the drilling and milling operations specific to the manufacturing of PCBs. It can produce high-quality prototypes for standard printed wiring boards, but is also perfectly suited to the manufacture of radio frequency and microwave circuits.Another direction of use of the equipment is the manufacture of front panels for appliances, engraving in aluminum or plastic.

Equipment for PCB realization through millingLPKF-Protomat M100/HF

Track width min. 100 μm (4 mil); Minimum Spacings 100 μm (4 mil)Min. Hole Diam. 0.2 mm (8 mil)

Autocontac – additional equipment forconducting paste filling of vias

5

It is done in two stages:First, the board is prepared in a specialized software, CircuitCAM, which

imports the Gerber and Excellon files (N.C. Drill) and performs the insulation around the tracks;

The project is after that exported to the BoardMaster program that prepares the production and controls the PCB engraving machine.

Note: The layout of the printed circuit board is usually imported from the computer-aided design (CAD) program with which the PCB project was generated, but it can also be generated directly into CircuitCAM by adding the graphic elements that make up the circuit.

Manufacturing of a printed circuit by mechanical engraving (milling and drilling)

6

The main steps needed to realize printed circuitsby milling with LPKF equipment

PCB LAYOUT

LPKF CIRCUIT CAM

LPKF BOARD MASTER

Postprocessing:

Saving:Files *.CAM

Export: FiFiles *.LMD= LPKF Mill-Drill

Saving:Files *.JOB

Tool Library *.TOL

Files for phase configuration *.PHS , of dispensing *.DIS, and suction *.VAC

PROTOMATM100 /HF

RS 232

Operations:Positioning, panelizationPhase and parameters selection for machining

Gerber FilesApertures ListNC Drill FilesDrill (Tool) List

Operations:File ImportApertures Edit Layers assignmentTracks IsolationContour routing (milling)

7

LPKF Tools used for milling and drilling

Particularities for PCB realization with the milling equipment LPKF ProtoMat M100

LAYOUT

CIRCUIT CAM

CAD Procesor

Computation of Isolation

CAD DATA

Gerber

EXCELLON

DXF HPGL

BOARD MASTER

Tool Library Production Phase Plotter Commands

CAE-CAD-CAM Laboratory Prototype Laboratory

ALLEGROORCAD ALTIUM

PROTOMATPLOTTER

Realization of printed circuit

Data Flux Exchange between CAE-CAD-CAM and Prototyping Laboratories

10

Elements of the milling/drilling head

In order to be used for high-frequency circuits, the equipment has a motor speed of between 10000 and 100000 rpm, programmable and controlled by software.

To ensure minimal penetration of the cutter into the substrate and smooth processing of special materials, the milling depth can be controlled without direct contact with the surface, the milling head being supported by an air cushion.

11

The equipment also allows metallic holes to be made, the process being called Autocontac. For this, the equipment has to be filled with a dispenser and a syringe holder is added to the milling head. The principle of making metal holes is illustrated in the figure.

The principle of making metallic holes by the Autocontac process (a) paste dispensing, (b) paste absorption; 1 conductive paste, 2 dispensing needle, 3 copper pill, 4 printed circuit, 5 support material

(a) (b)

*.max

Postprocessing of the project : Gerber 274X(recommended for: OrCAD)

Gerber 274X *.top, *.bot, *.dts, thruhole.tap

Processing, CircuitCAM

*.top, *.bot, *.dts, thruhole.tap *.cam

Execution CAM, BoardMaster

Processing, CircuitCAM

*.cam *.lmd

Do not appear

when no Drill layer

is defined!

PCBSimple faceDouble layer, w/o plated through holes

No vias in a component pad

No vias under components

Spacing/track widths: recommended >0.4 mm;No smaller than 0.4 mm – theoretically min. 0.2 mm with microcutter 0.1Holes: different diameters as few as possible! Internal Outlines defined on Global layerAvoiding of 90º angles at tracks “T” junctions to avoid some milling problems.

1414

The cut-out is not defined as an outline, but is a part of electronic component.

Un-optimized tracks and pad geometry, angles < 90 deg.

Various isolation options of tracks and pads (from the copper area)

Milling channel produced by the Universal Cutter, Micro Cutter and End Mill (RF)

1. Standard Isolation

2. Pad Clearance

3 Micro Cut Isolation

4. Track clearance Isolation5 Rubout - complete or partial removal of residual copper6 Spike removal

Conţinutul documentaţiei de fabricație PCB1. CAD File, pdf: PCB drilling and cutting info

2. PANEL CAD File, pdf : Panel drilling and cutting info

3. PCB Gerber File, 274X

4. PCB Drilling file – tape

5. PCB Pick and place file - txt / excel

6. PCB Specification file

7. PCB Production file

8. PANEL CAD File, pdf : Panel drilling and cutting info

9. PANEL Gerber File, 274X

10.Fişa de comandă a producătorului

Conţinutul documentaţiei de fabricaţie a ŞABLONULUI (STENCIL)

1. PANEL Gerber File, 274X :Assembly top panel ( P.AST) / Assembly bottom (P.ASB)Contour (border) ( P.BRD, P.MLL )Stencil apertures top (App. Top) / Stencil apertures bottom (App.Bot)Fiducials top / Fiducial bottom

2. Stencil CAD File, pdf : Front edge / Center justified

20

Placa de bază (masa echipamentului) este realizată din aluminiu masiv (1), alinierea laminatului (3) destinat prelucrării mecanice (tipic FR2, FR3 sau FR4 de 1,6 mm grosime) este făcută prin intermediul a doi pini cu diametrul de 3 mm (2) iar ca material suport pentru găurire (4) se foloseşte un carton presat de o anumită consistenţă şi de cca. 2 mm grosime.

Placement and fixture of laminate

21

Procesarea fişierelor de fabricaţie utilizând programul CircuitCAM

CircuitCAM este un sistem software specializat, destinat realizării interfaţării între fişierele de fabricaţie (CAD) şi echipamentul de gravare a circuitelor imprimate.

• El combină două domenii importante ale tehnologiei electronice: CAD şi CAM.

• Programul poate fi utilizat pentru importul, verificarea şi editarea fişierelor Gerber şi Excellon,

• Calcularea izolaţiei între traseele conductoare,

• Optimizarea comenzilor şi exportul fişierului creat într-un format specific (LMD - LpkfMillDrill) care să asigure legătura cu programul BoardMaster, program care controlează şi comandă plotterul LPKF.

Fereastra in CircuitCAM

23

Procedura de realizare a izolaţiilorO operaţie foarte importantă în programul CircuitCAM, proces în care se calculează traseele pe care trebuie să le urmărească freza pentru a izola traseele PCB de masa de cupru. Parametrii de realizare a izolaţiei se aleg în funcţie de unealta cu care se va realiza efectiv frezarea şi de precizie plotter.

Porţiune dintr-un layout corespunzător unei plăci de circuit imprimat după procedura de generare a izolaţiilor în jurul traseelor

Frezare în jurul unui traseu cu două unelte de dimensiuni diferite

25

Procesul se desfăşoară în două etape:• Mai întâi găurile sunt umplute cu pastă conductivă cu ajutorul echipamentului de dispensare. Apoi, excesul de pastă este îndepărtat prin absorbţie. Astfel, se asigură un contact bun pe pastilele de lipire, pe ambele feţe ale circuitului imprimat.

Se observă că trebuie să se pregătească materialul de suport astfel încât să existe spaţiu liber sub găurile care trebuie metalizate.

•Pasta este apoi supusă unui tratament termic de întărire într-un cuptor cu convecţie. Pasta utilizată permite echiparea găurilor metalizate şi lipirea componentelor cu aliaj de lipit Sn-Pb sau SAC.

Procesul tehnologic de realizare a găurilor metalizate

Prezentarea plăcilor prototip cu contacte metalice (Breadboard)

Ce este un “breadboard”?

• Un “breadboard”, cunoscut şi sub numele de proto-board este oplatformă reutilizabilă folosită pentru construirea temporară acircuitelor electronice.

27

Cum funcţionează?

• Componentele sunt introduse prin găuri în vederea interconectării.

• Conexiunile se fac cu ajutorul unor lamele de metal aflate în interiorul breadboard-ului.

• Lamelele formează o reţea bine definită, aceeaşi pentru orice breadboard.

28

Construcţie

• Dispunerea internă a lamelelor pentru un breadboard de dimensiuni normale:

29

Constructie

• Dispunerea internă a lamelelor pentru un breadboard de dimensiuni normale:

30

Constructie

• Găurile interconectate intern:

31

Canalul şi rolul acestuia:

• Circuitele integrate, întrerupătoarele şi alte componente similare se montează foarte uşor peste canal, distanţa între cele mai apropiate găuri este de 0.3 inch (300 mils sau 3 module).

32

0.3 inch 0.1 inch

Exemple

• Conectarea rezistoarelor în serie:

33

Fire

Exemple

• Conectarea rezistoarelor în paralel şi o greşeală întâlnită frecvent:

Masa nu este conectată

Componente speciale

Tranzistor – capsula TO18

Condensator electrolitic

LED

Schema electrică şicomponentele montate pe breadboard

36

Mulţumescpentru atenţie !