Prototypová výroba DPS na 2D a 3D tiskárnách

Na letošní výstavě IDTechEx v Berlíně byla k vidění řada zajímavých zařízení, která vyrábí elektroniku metodou postupného nanášení/tisku vodivých i nevodivých materiálů na podložku. Bylo mezi nimi i několik menších zařízení ve stolním provedení určených pro prototypovou výrobu desek plošných spojů.

Voltera V-One

Kanadská firma Voltera Inc. nabízí 2D zařízení Voltera V-One. I když se hovoří o tiskárně plošných spojů, jedná se spíše o plotr, který vodivým inkoustem kreslí na izolační podložce plošné spoje a pájecí plošky. Ty se poté při teplotě asi 120 °C vytvrdí vyhřátou plochou upínací desky, na které je izolační podložka vytvářené desky položena. Hlava s vodivým inkoustem se potom vymění za dávkovací hlavu, která na pájecí plošky nanese pájecí pastu – šablona (planžeta) není potřeba, protože pohyb dispenzní hlavice je řízen podle načtených Gerber dat. Po ručním umístění součástek se pájecí pasta zahřátou plotnou pod deskou opět přetaví. Součástky lze také připájet ručně mimo vlastní tiskárnu.

Obr. 1 Tiskárna Voltera V-One

Takto lze rychle a jednoduše vyrobit jednostrannou desku. Výroba oboustranné desky je také možná po tisku jedné strany se deska otočí, ale pak je třeba si dát práci s nanesením vodivého inkoustu do propojovacích (via) otvorů či jinak zajistit vzájemné propojení obou stran desky.

I když byl na výstavě prezentován tisk na podložku z materiálu FR4, je možné tisknout i na jiné materiály, jako jsou na příklad fólie či keramika, pokud snesou vysokou vytvrzovací teplotu. Maximální tloušťka podložky je 3 mm. Nejmenší šířka plošného spoje je 0,2 mm (8 mils) při tloušťce 70 µm, max. plocha tisku je 135 × 113 mm.

Obr. 2 Voltera V-One – nanášení plošných spojů a pájecích plošek vodivým inkoustem

Protože tryska hlavice, která nanáší vodivý inkoust nebo pájecí pastu, přejíždí nad povrchem velmi těsně, je potřeba před zahájením tisku zjistit nerovnost desky – to se provádí automatickým mapováním jejího povrchu v různých bodech pomocí dotykové jehly. Právě správná mezera mezi ústím trysky a povrchem desky totiž hraje důležitou roli, má-li se dodržet jednotná šířka spoje.

Vodivý inkoust obsahuje nanočástice stříbra, které po vytvrzení vytváří vodivou cestu. Tento inkoust sice nemá tak dobrou vodivost jako měď, ale vzhledem k malým proudům a délkám spojů ve většině případů vyhovuje.

Obr. 3 Voltera V-One – plošné spoje na fólii

Na výstavě byl už také k vidění nový přídavný modul pro vrtání desky a frézování spojů z měděného povrchu.

Zařízení je dobře konstruováno, takže výměna hlavic (inkoust pájecí pasta – vrtačka) je velmi jednoduchá. Nevýhodou může být osazování součástek na desku, které musí být prováděno ručně, což u malých SMT součástek není tak jednoduché – proto je už v plánu malý osazovací (pick and place) modul. Také poměrně malý maximální rozměr desky může být pro někoho nevýhodou, ale i v tomto případě se již uvažuje o větší variantě zařízení.

Na stránkách výrobce jsou k dispozici videa, která názorně ukazují práci s tímto zařízením, na YouTubu je pak možné vidět také příspěvky od uživatelů.

Celé zařízení včetně základního vybavení (zásobník s vodivým inkoustem a pájecí pastou) stojí zhruba 3 500 USD. Dokoupit lze také připravené podložky různých rozměrů z FR4, inkoust, pájecí pastu a další materiál.

BotFactory Squink

Americká firma BotFactory nabízí tiskárnu Squink, která v porovnání s Volterou V-One představuje vyšší úroveň. Plošné spoje a pájecí plošky se na této tiskárně skutečně tisknou inkjetovou hlavou, zatímco pájecí pasta, případně lepidlo, se nanáší dispenzní hlavou podobně jako u Voltery V-One. Umožnuje pracovat s větší plochou desky, ale hlavně navíc dokáže na vytvořenou desku položit SMT součástky a také tisknout vícevrstvé desky. Plošné spoje jsou minimálně 0,254 mm (10 mils) široké.

Osazování součástek na tiskárně je jednoduché, ale pro prototypovou výrobu zcela dostačující. Jednotlivé SMT součástky se usadí do plochého zásobníku a do držáku hlav se zasune osazovací hlava. Ta podtlakem vyzvedne součástku ze zásobníku, najede s ní nad scanner pro kontrolu jejího natočení a provedení korekce a usadí ji do požadovaného místa na desce. Minimální velikost je 0603, ale na druhé straně zvládá také větší pouzdra integrovaných obvodů.

Obr. 4 BotFactory Squink s vloženou tiskovou hlavicí, pick&place hlavice (vpravo dole)
a dispenzní hlavice (vpravo nahoře)

Na webových stránkách výrobce je zmíněna také možnost zhotovení vícevrstvé desky pomocí speciální inkjetové hlavice pro tisk struktury vícevrstvých desek, ale na výstavě tato možnost nebyla prezentována. Princip 3D tisku vícevrstvé desky probíhá obecně zhruba takto: Inkjetová hlavice má zásobník vodivého i nevodivého (dielektrika) inkoustu. Po natisknutí plošných spojů a pájecích plošek jedné strany desky se přes celou plochu natiskne nevodivá vrstva tak, že místa, která mají být propojena s další vodivou vrstvou, se nevodivým inkoustem nemaskují. Přes takto vytvořenou izolační vrstvu se opět tiskne vodivým inkoustem další vodivá vrstva, která v obnažených místech dielektrika naváže na předcházející vodivou vrstvu. Postup lze podle potřeby opakovat.

K řízení pohybu hlavy tiskárna používá Gerber data. Ovládací software je nainstalován přímo v tiskárně, takže po připojení k počítači lze začít hned pracovat.

Podle vybavení a možností se cena tohoto zařízení pohybuje v rozmezí cca 85 až 120 tisíc Kč. Kazeta s inkoustem stojí asi 3 tisíce Kč, přičemž s ní lze natisknout asi 25 stran desky o rozměrech přibližně 9 × 9 cm.

DragonFly 2020

Na rozdíl od obou výše zmíněných zařízení, která jsou poměrně jednoduchá a cenově dostupná, určená pro nenáročné vytváření prototypů desek, zejména jednostranných, nenechá tiskárna DragonFly 2020 od izraelské společnosti Nano Dimensions nikoho na pochybách, že se jedná o kvalitní zařízení pro profesionální použití.

Obr. 5 Tiskárna DragonFly 2020 od Nano Dimensions

DragonFly 2020 je 3D tiskárna vysoké kvality určená pro prototypovou výrobu desek plošných spojů včetně vícevrstvých. Na rozdíl od výše popsaných tiskáren si toto zařízení zhotoví potřebnou podložku samo 3D tiskem dielektrického inkoustu na přesně požadovanou tloušťku. Tenká vrstva dielektrika může být ohebná, jak je vidět na obr. 7, takže lze vyrobit i ohebné desky.

Obr. 6 DragonFly 2020 příklad dvouvrstvé desky

Obr. 7 DragonFly 2020 – příklad ohebné dvouvrstvé desky

Inkjetová hlava tiskárny nanáší jak vlastní vodivý inkoust, tak i vysoce kvalitní dielektrický materiál, který nahrazuje FR4 – ten má po vytvrzení světle žlutou barvu a je částečně transparentní, takže je možné vidět i vnitřní struktury desky. Nanesený materiál se vytvrzuje přímo v tiskárně.

Tato tiskárna nenanáší pájecí pastu ani neosazuje součástky, ale je zaměřena na precizní zpracování desky. Kvalita vyrobené desky se však také odráží v poměrně vysoké ceně tiskárny cca 100 tisíc USD.

Nano Dimensions je zavedená společnost, která disponuje širokým zázemím pro vývoj a výrobu svých zařízení. Kromě tiskáren vyvíjí a dodává i vodivé a dielektrické inkousty.

(mklauz) @dps-az.cz