【雕刻機】使用雕刻機雕刻PCB

轉載自:http://www.360doc.com/content/16/1219/18/37257658_616052899.shtml#

DIY製作PCB的方法有熱轉印、感光膜顯影、雕刻機雕刻等多種。熱轉印、感光膜顯影都是先通過某種方式將繪製好的PCB“打印”到覆銅板上,通過油墨等將電路走線部分的銅箔保護起來,然後通過化學的方式腐蝕掉不需要的部分從而保留電路走線。熱轉印以及感光膜顯影因爲價格低廉、製作週期短而且製作精度相對較高,已經廣泛的被廣大的電子愛好者們使用。

    然而,化學腐蝕的方法仍然存在諸多問題。最讓人感覺不爽的是,化學腐蝕的時候需要人一直在旁邊觀察腐蝕的進度;而且腐蝕結束之後仍然需要用手鑽去鑽孔。而雕刻機雕刻PCB是爲數不多的通過物理方法就可以自己製作PCB的方法:設計完PCB,設置雕刻參數,調整雕刻機,對刀之後即可雕刻,整個過程不需要人去看護,而且鑽孔也可以用雕刻機自動實現。雕刻機作爲數控機牀的一種,重複定位精度較高,所以製作雙面板的時候更方便快捷。

    雕刻機雕刻PCB的主要教程可以參見阿莫寫的雕刻教程。整本教程出自於阿莫的網站,不過這邊整理成了pdf並提供下載鏈接以方便閱讀。pdf下載地址:我們的凋刻機(AMCNC-01)教學資料貼彙總-print

    雖然阿莫的教程已經寫的非常完善,不過用雕刻機雕刻PCB並非易事。主要是因爲覆銅板上的銅箔實在是太薄了 ,一般情況下只有60um,所以就會出現下刀深了線間距變寬了甚至把走線刻沒了,下刀淺了該刻出來的線仍然連在一起的情況。購買雕刻機的時候老闆就囑咐過我,要成功雕刻PCB,沒有幾十次的失敗是不可能成功的,要做好心理準備。果然,雕刻機買回來之後,真的廢掉了不下二十塊板子。這些都是寶貴的經驗與教訓,所以有必要對軟件使用過程中,一些經驗總結一下,以免以後走更多的彎路。

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▲中央的那部分下刀太淺,銅箔沒有完全刻穿

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▲中央的那部分下刀太深,走線被損壞

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▲下刀不深不淺,成功的雕刻作品

軟件需求(藍色的可以直接點擊下載)

    Altium Designer或其他Layout軟件:設計電路原理圖,繪製PCB圖,並且生成Gerber文件的軟件。

    CopperCam:將Gerber文件轉成雕刻機刀路所需的G文件的軟件。

    Mach3 2[1].63無限制破解版:可以加載G代碼,直接控制雕刻機運行的軟件。

    CIMCOEdit4:對生成的G代碼進行仿真的軟件。

    NC程序仿真編輯軟件:一個可以計算G代碼運行時間長度的軟件。

    ArtCam:一個可以設計三維立體模型並且導出雕刻機刀路路徑(G代碼)的軟件。

    銑平面小工具:一個可以自動生成銑出一個平面的G代碼的軟件。

總體步驟

    下面的步驟看起來麻煩,其實熟練之後挺簡單的。剛開始做的時候可能每一步的疏忽都會導致最終PCB製作的失敗,可是一旦學會之後,一塊5×5cm的PCB設計出來到雕刻完成,耗費的時間在20分鐘左右,其中雕刻機運行的時間內,可以不用監管。所以實際上需要人看管的時間極少。

    總體步驟如下:

    1.原理圖設計。

    2.PCB Layout。

    3.轉成Gerber文件。

    4.使用CopperCam修改Gerber。

    5.導出G代碼。

    6.調整雕刻機。

    7.開始雕刻。

1.原理圖設計(跟雕刻關係不大,略)

2.PCB Layout

    要點1:走線儘可能的粗。因爲走線越粗 ,加工的成功率越高。一般電源線50mil比較合適,25mil也可以做,但是若小於15mil成功概率就比較小了。若PCB中存在封裝較小的芯片,與該芯片引腳相連的走線不可能更粗的時候,則應該保持走線寬度一致,以方便後期修改(參見5.使用CopperCam修改Gerber)

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▲與芯片相連的走線寬度保持一致即可

    要點2:貼片電阻電容下方儘可能不要走線。因爲雕刻機雕刻出來的PCB沒有塗阻焊油,所以在電阻電容下面的走線可能會引起與電阻電容兩個引腳中的某一個短路的後果。貼片鉭電容下面的走線尤其需要注意,因爲貼片鉭電容的焊盤的很大部分在電容的下方,更容易引起短路。

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▲要儘可能避免貼片器件下方走線的出現

    要點3:排針等涉及到MultiLayer的器件的焊盤做成橢圓形。排針的焊盤上需要鑽孔,若做成圓形,在鑽頭下鑽的過程中容易把圓孔周圍的銅箔打飛,做成橢圓形則增強了機械穩定性。一般在設計時無需修改,在整個PCB設計完成之後,使用Altium Designer的Find Similar Objects…的功能即可選中所有的排針焊盤。下圖中,排針焊盤的大小,X方向仍然爲系統默認的65mil,Y方向已經被修改爲了120mil。

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▲排針等MultiLayer器件的焊盤設置成橢圓形

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▲使用Find Similar Objects…的功能選中所有焊盤

    要點4:儘可能把所有需要接地的器件擺在外圍。這樣做的原因不是雕刻機加工PCB的需要而是做單面板的需要。因爲PCB繪製完之後往往需要鋪地,接地的器件在外圍,就可以在鋪地的時候連接到一起,避免了飛線。

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▲儘可能把接地的器件擺在外圍

    要點5:去掉沒有必要的鋪地。由於鋪地之後,地會“滲入到”每一個可以滲入的角落,所以可以通過在Keep Out Layer標誌出不需要鋪地的區域從而防止鋪地“滲入到”芯片底部等容易引起短路的區域。

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▲用Keep-Out Layer的線條標誌出不需要鋪地的區域以防止引起短路

    要點6:鋪地時候的設置。這也是跟一般情況下PCB設計不同之處最多的地方。

    要點(1):採用網格覆銅。原因很簡單:CopperCam的bug。採用Solid的覆銅方式的覆銅,在CopperCam中打開看起來跟Outlines Only覆銅方式的一樣,鋪地只有一個簡單的包絡線。當然了,爲了保證看起來跟Solid覆銅方式一樣,需要將Track Width與Grid Size參數值設置爲一致。本人將其都設置爲30mil。image

▲採用網格覆銅

    要點(2):採用八角的焊盤焊盤包絡。同樣的原因:圓形包絡會引起CopperCam的bug,導致CopperCam中打開之後一團糟。image

▲將焊盤包絡設置爲八角包絡

    要點(3):將與地相連的焊盤與鋪地之間的連線設置爲20mil或者更寬。此規則需要在Design菜單下的Rules中設置。
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▲設置與鋪地相連的引線寬度爲20mil

     要點7:儘可能避免連續的鑽孔 ,尤其是相交的兩個圓形的鑽孔。因爲雕刻機的鑽頭極細,在雕刻機鑽頭鑽完一個孔再鑽另外一個的時候,極其容易因爲側向擠壓力把鑽頭擠斷。如果一定要連續鑽孔,則務必把鑽頭的轉速調的儘可能快。

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▲要避免連續的鑽孔

 

3.轉成Gerber文件 

    要點:對CopperCam有用的是GTL之類的文件,而不是那個cam文件。一般情況下,單層板只需要轉出GTL文件。若鑽孔較多,或者說MultiLayer的器件較多,也可以考慮將Drill文件導出。

4.使用CopperCam修改Gerber

   要點1:用CopperCam打開Gerber文件之後會出現跟原PCB不同的地方。這主要是因爲CopperCam對圓弧支持不夠好導致的。這就是爲什麼之前在Altium Designer中需要設置包絡孔爲八角形孔的原因。若出現異常的線條,則可以右擊該線條之後選擇Delete track 刪掉。

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▲多出來的雜亂的線條可以通過右擊刪掉

    要點2:GTL文件中不包含鑽孔信息,所以打開GTL文件之後,原來PCB中的鑽孔都沒了。沒關係,若鑽孔較少,可以手工添加。若鑽孔較多,可以單獨加載導出的Gerber鑽孔文件。

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▲手工添加鑽孔

    要點3:CopperCam中的預覽是個很有用的功能。

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▲預覽按鈕

    要點4:在此處可以將一些原先較細的走線的寬度變粗一些。 之前爲什麼強調較小的封裝的芯片附近的走線寬度一致,就是因爲若走線寬度一致則可以一起批量修改。修改成多寬合適呢?剛好直走一次刀則爲最佳。

    焊盤的寬度也可以用同樣的方法修改爲更粗一些。

    因爲雕刻的時候出問題最多的往往就是封裝較小的芯片附近,所以修改爲更粗之後,加工的成功概率會增大不少。

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▲選中相同類型的走線

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▲將走線寬度變爲更寬

 

5.導出G代碼 

     要點1:常用的雕刻PCB的刀具爲刀尖寬度爲0.1mm的圓錐刀。但是在設置雕刻刀具的數據的時候,可以把刀具設置爲圓柱刀。因爲CopperCam的刀具設置爲圓錐刀之後會自動產生補償,而自動計算的補償存在問題,所以建議使用圓柱刀進行設置。這樣設置刀尖寬度是多少就是多少。圓柱刀的刀尖寬度/直徑,推薦爲0.1mm。

    當然了,具體的刀尖寬度不能太小,太小的話,最小的線間距之間還會走兩次刀,容易引起走線被刮飛;太大的話,最小的線間距之間無法走刀,該隔離的地方沒有隔離,導致整個PCB製作失敗。所以具體參數還要根據自己的PCB的最小線間距來設置。

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▲設置刀具爲圓柱刀

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▲出現這種情況則可以把刀尖寬度設置的更小一些

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▲出現這種情況則可以把刀尖寬度設置的更大一些

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▲出現這種情況則說明刀尖寬度設置的還不錯(局部放大圖)

    要點2:注意,CopperCam中默認設置的給進速度更多的是毫米/秒,而不是通用的毫米/分鐘的單位。

    要點3:雕刻深度的設定。一般情況下(銅箔厚度爲60um),雕刻刀的雕刻深度選擇0.06mm(60um),銑切刀具的深度選擇同樣的0.06mm(60um),切割工具的切割深度爲1.4mm(PCB板材厚度),鑽孔深度爲1.4mm(PCB板材厚度)。當然了,具體的數值還需要根據不同的板材進行適當的調整。

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▲加工參數設置

    要點4:設置隔離對象時,連接線隔離數設置爲1,焊盤隔離數設置爲0。

    經過多次反反覆覆的測試,這樣做的成功率是最高的。

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▲隔離參數設置

    要點5:建議導出兩種切邊G代碼。第一種爲加工深度爲銅箔厚度(跟雕刻深度一樣)的G代碼,第二種爲加工深度爲PCB板材厚度(跟鑽孔深度一樣)的G代碼。

    這樣有個明顯的好處,就是可以在開始正式雕刻PCB之前,先跑一遍第一種切邊的G代碼進行外框雕刻深度測試,只要保證了外框測試時雕刻深度恰好合適,那麼一般情況下PCB內部的雕刻深度也應該是合適的。

    要點6:銑削是有用的。剛開始的時候我還以爲銑削對於CopperCam或者對於用雕刻機DIY出PCB來說是多餘的,但是後來發現,如果沒有銑削,做出來的PCB容易在焊接的時候短路。因此,銑削還是有必要的。沒有必要全部銑削。銑削的時候選擇第二項即可。

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▲銑削參數設置

    要點7:若第一次使用CopperCam,則將文件導出之後,可以放到Cimco Edit軟件中進行仿真。因爲有時候CopperCam破解不完全也可以輸出G代碼,但是輸出的G代碼只有一部分。若用Cimco Edit查看一下仿真圖案,那麼就可以知道是不是輸出的完整版的內容。

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▲使用Cimco Edit進行仿真

    要點8:CopperCam輸出的鑽孔文件經常莫名其妙的多出來一個鑽孔。建議也跑一下仿真,看看實際輸出的鑽孔文件中的鑽孔的數量是不是跟理論上的鑽孔數量保持一致。若不一致,建議手工修改鑽孔文件,將多餘的4行鑽孔G代碼刪掉。

6.調整雕刻機

    要點1:對刀。對刀可以採用標準的對刀塊,當然了也可以自制對刀塊。原理是:當刀尖跟PCB接觸之後,刀尖會跟PCB形成一個閉合迴路。若將電池與蜂鳴器串聯到這個迴路中,此時蜂鳴器就會鳴叫。手工調整雕刻機的Z軸高度,將高度調整爲蜂鳴器恰好似鳴似不鳴的狀態,對刀完成。

    對刀完成之後,點擊Mach3中的X清零、Y清零、Z清零,完成初始化操作。

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▲將座標值清零,則對刀的地方變成了零點

    要點2:PCB固定的方法,經過反覆測試,還是使用雙面膠粘帖的最靠譜。建議在雕刻機工作臺面上鋪墊一塊有機玻璃板,然後用雙刃銑刀銑平,然後將PCB板用雙面膠粘帖在銑平之後的有機玻璃板上。銑一個平面出來的最簡單的辦法還是運行阿莫論壇裏煮茶村長寫的銑平面小工具(點此下載:銑平面小工具

    當然了,雙面膠存在粘貼上去之後不容易撕下來的問題。解決辦法是:先在PCB上沾上透明膠,並且在有機玻璃板上沾一層雙面膠,然後將其粘帖在一起。透明膠容易撕下來,所以可以完美的解決這個問題。

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▲煮茶村長的銑平面小工具

    要點3:先運行外框雕刻測試(60um)的代碼,對外框進行雕刻測試。此時若發現雕刻深度有問題,可以調整PCB的高度,然後重新運行雕刻測試代碼,直至沒有問題爲止。

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▲運行過多次外框測試的PCB,最終決定放棄此塊區域的雕刻

7.開始雕刻

    要點1:可以將導出的隔離文件、銑削文件合併成一個文件,這樣可以減少人工重新加載文件的時間的浪費:直接把銑削文件的內容全部複製到隔離文件的最後即可。

    要點2:因爲鑽孔與切邊使用的刀具與隔離、銑削的刀具不同,所以中途需要換刀。換刀的時候建議按Mach3中的返回原點按鍵,讓刀具回到原點,將刀具擡起一定的距離然後換刀。換刀之後需要重新對刀。

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▲返回原點按鍵

    要點3:尤其需要注意的是,若點擊返回原點,一定要事先看一下,刀具是否已經擡起。雕刻機的刀具返回原點的邏輯是先X、Y方向返回原點,然後將刀具Z方向返回原點。若點擊返回原點的時候Z軸還在工作區域,則容易導致刀具斷裂或者出現其他不可預知的後果。

成功案例欣賞

 

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▲1W D類放大器

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▲鋰電池安全充電模塊

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