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精巧的雕刻机加速样品电路板的开发

一套便携式的电路板雕刻机能够在15分钟以内将一张覆铜板变成工作电路

桌面型电路板雕刻机的发展已经使得机械式印制电路板加工变得更快,更安全,更便捷。各种具有特殊应用的样品板制作已经成为可能。独特的气动系统使得切割过程的控制更加精确,基材不易受损;这样就使得在高敏感的PTFE基材上加工,比如RT/duroid,成为可能。

现代电路板雕刻机能够加工的线路线宽可以精细到100µm。这些机器通常能够达到5µm以下的重复精度,以保证细距结构和高密度板的制作。另外一个重要的进展是,转速可以达到100000rpm的三相可调速电机的应用。在如此高的转速之下,切割工具的寿命得到了延长,更高的几何精度成为可能。

这种精巧的雕刻机(图1)能够在任何高频电子实验室或者制造工厂中使用。尽管它一开始只是为单层板设计的,现在它已经能够在层压设备和孔化设备帮助下,制作多层板。一般而言,制作四层板或六层板只需要几个小时的时间。


图1 精巧的桌面型电路板雕刻机能够在PTFE基底的覆铜板上,高精度,高重复精度,快速准确的制作样品电路。


获得先机

对于射频无线通讯行业,上市周期和设计的完整性是非常关键的因素。对于那些希望快速有效的提供客户解决方案的公司来说,这类桌面型的电路板雕刻系统使他们赢得先机。比起外发生产,利用机械铣的方式自行制作电路板,不仅能够避免接触有害的化学药品,还能够保护知识产权不受侵害。那么和化学蚀刻的方式相比,铣制的电路到底有多好呢?哪一个方案的结果更与最初计算机辅助设计(CAD)的结果接近呢?与蚀刻法相比,铣制样品的复制效果怎样?为了能够对这两种方法的优劣做一个确切的比较,我们以同样的材料(Rogers公司的0.5mm层压4350基材,1盎司铜铂的覆铜板),分别利用这两种方法制作了微带带通滤波器样品板。这个带通滤波器采用了四极Butterworth设计,总带宽400MHz,其中百分之八集中在5.25GHz。这种滤波器非常适用于国家信息基础建设(NII)用接收机(Rxs)。随着2.4GHz波段无绳电话和无线局域网络的发展,5.2GHz和5.7GHz波段被认为是下一代短距离通讯的中心波段。


图2 我们选择了一个用于无线通讯的5.2GHz波段四极带通滤波器来比较机械铣制和化学蚀刻在制作样品电路板时的优劣。


来自Eagleware (Norcross, GA) 的M/FILTER以及Superstar线性分析程序被用来做设计和模拟。我们选择了半波叠加传输线元件,因为它们不要求打过孔接地。来自M/FILTER的分析数据预计该设计的中心频率在5.2GHz,带通范围内插入损耗小于2dB,回损为30dB。


图3 这个滤波器的响应分析使用了M/FILTER。


我们用两种工艺,分别制作了滤波器(图4),并对结果进行了测量。实测结果显示,第一中心频率比设计中心频率高了250MHz。尽管比预期的还要大,但是并不影响对两种方法的比较。如果对设计的尺寸以及插入损耗进行限制,这类滤波器的rejection特性就会变得越明显。印刷谐振器的Unloaded质量因子(Q)小于100。


图4 使用了M/FILTER中的设计图,分别用机械铣制和化学蚀刻方法制作了滤波器。


因此,如果定义一个小于10%的3-dB的带宽,结果就会有超过3-dB的插入损耗。实际测量使用了来自Agilent技术公司(Santa Rosa, CA)的型号为8720C的自动向量网络分析仪(VNA)(图5)。


图5 机械方法和化学方法得到的电路板的测量值比较。


铣制电路的中心频率更接近电脑预测值,而蚀刻电路的则略显高了一些。实际上,用两种方法得到的电路在表面上看并没有明显的差别。不过从显微镜下面观察,我们可以发现,铣制电路和实际设计的偏差在+0.5 to +1.0 mil,而蚀刻电路在+2.0 to +5.0 mil之间。

铣制电路(图6a)与原始设计图符合得更好,所铣的线路更为方正,形状与电磁 (EM)CAD的定义符合的更好。相较而言,蚀刻工艺得到的线路边缘更为圆滑(图6b)。对所有样品,滤波器的带宽都在规定的范围内,但是插入损耗(定义约在2dB)都比预期的大:铣制的为5dB,蚀刻的为3dB。


图6 机械铣制的滤波器电路边缘更为尖锐(a),棱角鲜明,化学蚀刻则不同(b)。


从M-FILTER 能够导出DXF文件,这个文件被用来生成雕刻机用的加工文件。铣制这个滤波器大约花了15分钟时间,包括用内置软件处理数据的时间。而用蚀刻方法的板子,从外发到收到成品板需要5天的时间。这两个样品使用了同样的材料(Roger 4350层压板)用不同的工艺制作完成。最终测试结果表明,机械铣制电路与化学蚀刻所得电路在电气性能上都与电磁分析软件所给的结果非常接近。电磁模拟使用了Applied Wave Research (El Segundo, CA)的微波办公软件包。

这个项目最初希望回答的问题是,用机械方法铣制的样品微波滤波器是否和使用化学蚀刻方法制得的滤波器等效。由于样品板工作的目的是获得一个令人满意的设计,因此最重要是的电路能够正常工作。尽管两种途径获得的滤波器并不是在每一个方面都相同,但是它们都能满足样品板的一般要求。

更重要的差别是两种方法所耗费的时间。由于大多数的高频设计总是反复再反复,能不能尽快的完成样品板的制作,以便尽可能实时的改进设计就尤显重要了。如果每块板子都要等上5天的时间,工程师将不得不把设计先搁在一边了。对于某些时间很紧的项目来说,这可以成为一个大麻烦。

我们发现,铣制的线路能够准确反映CAD分析的结果,并且可以为大量生产时应用蚀刻方法可能需要做的修正提出建议。综合考虑以上内容,设计者有理由相信,机械铣制方法在制作新的高频元件的样品电路方面与蚀刻方法一样有效。


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