PCB-Manufacturing: ECAD/MCAD Co-Design für die PCB-Herstellung mit 3D-Druck

Zachariah Peterson
|  July 14, 2019
PCB-Manufacturing: ECAD/MCAD Co-Design für die PCB-Herstellung mit 3D-Druck

Es ist ironisch, dass das PCB-Design dazu beigetragen hat, die Einführung neuer Technologien in allen Industriezweigen, einschließlich der Fertigungsautomatisierung, voranzutreiben, doch das PCB-Manufacturing selbst hat seit vielen Jahrzehnten keine radikalen Innovationen erlebt. Einige innovative Unternehmen versuchen dies zu ändern und treiben die Leiterplattenfertigung in Richtung Industrie 4.0.

Der 3D-Druck treibt neue Herstellungsmethoden in allen Branchen voran, wie z.B. "Lights Out" und digitale Fertigung. Das PCB-Manufacturing bildet da keine Ausnahme. Einige namhafte Unternehmen bieten komplette Systeme für das Rapid Prototyping von PCBs in einem einzigen Durchgang an.

Hier hat die ECAD-Software noch Nachholbedarf. Designer, die Leiterplatten für die Verwendung in 3D-Druckern erstellen möchten, verwenden oft ECAD-Programme für den Entwurf ihrer Schaltpläne und Leiterplattenlayouts, und müssen ihre Layouts dann in mechanischer Modellierungssoftware neu erstellen. Glücklicherweise gibt es neue ECAD/MCAD-Kooperationstools, mit denen Designer bei der Erstellung von PCBs für die Fertigung mit einem 3D-Drucker viel Zeit sparen.

Design für additives PCB-Manufacturing

Bei der Entwicklung von PCBs für die additive Fertigung erhalten die mechanischen Aspekte eines Designs eine neue Bedeutung. Die Verwendung des 3D-Drucks für die Fertigung gibt den Designern viel mehr Freiheit bei der Entwicklung neuer Verbindungsarchitekturen, bei Leiterplatten mit einzigartigen Formen und sogar Leiterplatten mit nicht planarer Geometrie. Dazu gehören spritzgegossene Schaltungsträger, gedruckte Bauteile auf gebogenen Leiterplatten und sogar voll flexible Leiterplatten. Designer sind von vielen der Einschränkungen befreit, die durch traditionelle subtraktive PCB-Herstellungsverfahren auferlegt werden.

PCB manufacturing with a 3D printer

Caption: Zukünftige Anlagen für PCB-Manufacturing könnten so aussehen

Jeder Designer, der eine Leiterplatte zur Verwendung in einem additiven System erstellen möchte, muss beim Entwurf der Leiterplatte die besonderen Aspekte des gewünschten additiven Herstellungsprozesses berücksichtigen. Es gibt Additivsysteme, die speziell für die Verwendung mit bestimmten Materialien angepasst sind, und nicht alle Leiterplatten sind mit jedem Additivsystem universell herstellbar. Es gibt Materialien, die bestimmte Anforderungen an die Planarität einer Leiterplatte, an die herstellbare Verbindungsarchitektur und an die mechanischen Eigenschaften eines fertigen Geräts stellen.

3D printed circuit board

Das richtige additive Fertigungssystem druckt noch kleinere Designs als dieses

Zusätzlich zu den Materialbeschränkungen gibt es bei bestimmten additiven Verfahren Grenzen für die 3D-Druckauflösung, und unterschiedliche Laufzeiten sowie Bediener mit unterschiedlichen Fähigkeiten sind erforderlich. Was das Design betrifft, so sind einige Prozesse nur für die additive Leiterplattenherstellung auf starren Substraten einsetzbar, anstatt Substrate und Leiter gleichzeitig zu bedrucken. Die Druckauflösung ist ein wichtiger mechanischer Aspekt, da sie die kleinste Größe eines leitenden oder isolierenden Merkmals bestimmt, das in einer Leiterplatte in 3D gedruckt werden kann.

Designen für verschiedene 3D-Druckprozesse

Der vielleicht wichtigste Vorteil des 3D-Drucks besteht darin, dass Designer die Freiheit haben, einzigartige Verbindungsarchitekturen zu schaffen, die mit herkömmlichen PCB-Manufacturing-Verfahren nicht herstellbar wären. Auf diese Weise können Architekturen wie ELICVeCS und einzigartige Microvia-Designs direkt auf einer Leiterplatte angebracht werden, sowohl bei planarer als auch bei nicht planarer Architektur.

Das jeweils verwendete 3D-Verfahren bestimmt, ob das Substrat und die Leiter in einer Leiterplatte gleichzeitig 3D-gedruckt werden können - wie beim Tintenstrahl- oder Aerosoldruck - oder ob ein dielektrischer Isolator und die Leiter auf ein starres Substrat gedruckt werden müssen - wie bei der Materialextrusion. Andere Verfahren, wie die Pulverbettschmelzung oder das selektive Lasersintern, sind nicht die beste Wahl für den 3D-Druck bei der Leiterplattenherstellung.

3D printer for fused deposition molding

Typischer Druckkopf für Fused Deposition Molding

Einige innovative Firmen im Bereich additive Fertigung veröffentlichen ihre eigenen Plugins für MCAD-Programme, mit denen Designer ihre Entwürfe für die Verwendung mit einem additiven Fertigungssystem anpassen können. Wenn Sie mit elektrischer Designsoftware arbeiten, die sich mit diesen MCAD-Programmen synchronisieren lässt, verfügen Sie jetzt über ein komplettes Paket elektrischer und mechanischer Design-Tools zur Erstellung von PCBs für die Verwendung mit additiven Fertigungssystemen.

Abschließende Gedanken

In vielen Industriezweigen, wie der Luft- und Raumfahrt und der Automobilindustrie, werden additive Fertigungssysteme als Ergänzung zu den traditionellen Fertigungs- und Montageprozessen eingesetzt. Die vereinfachte Design-Architektur und die schichtweisen Druckschritte, die in additiven Fertigungsprozessen verwendet werden, verursachen ähnliche oder niedrigere Kosten als traditionelle subtraktive Verfahren. Infolgedessen haben additiv hergestellte Bauteile tendenziell ein geringeres Gewicht, es wird weniger Material während der Herstellung verschwendet, und die fertigen Teile können weiterhin als Teil eines traditionellen Montageprozesses verwendet werden.

Die PCB-Manufacturing ist keine Ausnahme. Eine Leiterplatte kann vollständig gedruckt werden, entweder auf ein starres Substrat oder in ihrer Gesamtheit als ein einziges Gerät, und die fertige Platine kann dann durch einen traditionellen Fertigungsprozess geschickt werden. Fertigungsingenieure und Designer sollten damit rechnen, dass zukünftige additive PCB-Manufacturing-Systeme mit automatischen Bestückungs- und Lötmaschinen integriert werden, um manuelle Fertigungsschritte zu eliminieren.

Die Layout-, Simulations- und Verifikations-Tools in Altium Designer® können jetzt in die MCAD-Kollaborationsfunktionen in Altium Concord Pro® integriert werden, so dass Designern ein vollständiges Tool-Set für das Design für die additive Leiterplattenfertigung zur Verfügung steht. Die ECAD-Funktionen in Altium Designer geben Designern das Tool-Set an die Hand, das für die Erstellung eines vollständigen elektrischen Layouts erforderlich ist, und mit Altium Concord Pro kann ein vollständiges elektrisches Modell in gängige MCAD-Programme importiert werden. Die mechanischen und elektrischen Aspekte einer Platine können parallel entworfen werden, was den Designern letztendlich viel Zeit spart und es sehr einfach macht, ein Gerät für die Verwendung mit einem additiven Fertigungsprozess zu entwerfen.

Mit dem neuen Altium 365 steht außerdem eine ECAD-Platform zur Verfügung, mit der Sie eine noch bessere Kommunikation gewährleisten können, und zwar von überall aus.

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Zachariah Peterson verfügt über einen umfassenden technischen Hintergrund in Wissenschaft und Industrie. Vor seiner Tätigkeit in der Leiterplattenindustrie unterrichtete er an der Portland State University. Er leitete seinen Physik M.S. Forschung zu chemisorptiven Gassensoren und sein Ph.D. Forschung zu Theorie und Stabilität von Zufallslasern. Sein Hintergrund in der wissenschaftlichen Forschung umfasst Themen wie Nanopartikellaser, elektronische und optoelektronische Halbleiterbauelemente, Umweltsysteme und Finanzanalysen. Seine Arbeiten wurden in mehreren Fachzeitschriften und Konferenzberichten veröffentlicht und er hat Hunderte von technischen Blogs zum Thema PCB-Design für eine Reihe von Unternehmen verfasst. Zachariah arbeitet mit anderen Unternehmen der Leiterplattenindustrie zusammen und bietet Design- und Forschungsdienstleistungen an. Er ist Mitglied der IEEE Photonics Society und der American Physical Society.

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