Additieve rapid prototyping heeft de wereld van fabrikanten en makers veranderd. Van vliegtuigonderdelen tot de plastic behuizingen voor je nieuwste project, 3D-printers worden overal voor gebruikt. Maar hoe zit het met het printen van je eigen schakelingen? We nemen eens een kijkje in de wereld van PCB-printers.
Zou het niet geweldig zijn om een printplaat (PCB) te printen net als een document of een foto? Met een enkele muisklik verschijnt je ontwerp enkele ogenblikken later als een complete PCB. Welnu, dankzij een handvol fabrikanten zijn dergelijke snelle PCB-printers voor prototyping nu beschikbaar. De aanpak en de apparatuur zijn echter verschillend.
Momenteel is de fabricage van printplaten een subtractieve fabricagetechniek. De meeste PCB's beginnen als FR4-materiaal met een laagje koper, waarbij het koper wordt verwijderd om de gewenste elektrische verbindingen tussen de componenten van het circuit over te laten. Volgens sommige schattingen is de markt voor printplaten enorm ($76 billion by 2027) en wordt deze gedomineerd door fabrikanten in Taiwan en China, die samen een marktaandeel van meer dan 60% hebben.
De uitdaging voor de meeste fabrikanten en bedrijven zijn vertragingen tijdens de prototyping-fase van hun elektronische schakelingen. De goedkoopste PCB-fabricagekosten hebben de langste levertijden. Dit betekent dat wanneer er een fout wordt gevonden in het ontwerp, het een week duurt voordat de volgende partij met gecorrigeerde PCB's arriveert. Dan moet je nog de tijd toevoegen om de componenten te plaatsen en te solderen. Kortere doorlooptijden van slechts acht uur zijn mogelijk, maar kosten ongeveer zes keer zoveel voor dezelfde bestelling.
Een snelle doorlooptijd voor printplaten kan zes keer meer kosten dan een bestelling met een levertijd van vijf werkdagen. (Correct per januari 2021)
PCB-printers: Inkt dispensing methode
Eén printplaatprinter, de Voltera V-One, maakt gebruik van een X-Y plotter om geleidende inkt op een substraat aan te brengen. Zodra de inkt is aangebracht, worden het substraat en de inkt verwarmd met behulp van een ingebouwd verwarmingselement om de inkt uit te harden. Net als een gewone printer wordt de V-One via een USB-kabel aangesloten op een host computer, en de bijbehorende app begeleidt de gebruiker door het productieproces.
De Voltera V-One is gebouwd als een X-Y plotter en verdeelt geleidende inkt en soldeerpasta uit injectiespuiten. (Bron: Voltera)
Geleidende inkt wordt uit een spuit gedoseerd, net zoals soldeerpasta wordt gebruikt voor dosering met de hand. De minimaal haalbare spoorbreedte wordt bepaald door de gebruikte spuitmond, waarbij deze specifieke printer een spoorbreedte haalt tot 0,2 mm of 8 mil. Dat is voldoende voor passieve onderdelen met een maat van 0402 (imperial) of IC's met een minimum pin-pitch van 0,65 mm/26 mil. Voor het substraat kan FR-4 of FR-1 board worden gebruikt (uiteraard niet verkoperd).
Een alternatief metaal voor printbanen
In tegenstelling tot een traditionele printplaat met koperen banen, bestaat de geleidende inkt hoofdzakelijk uit zilver vermengd met bindmiddelen, oplosmiddelen, additieven en dispergeermiddelen die de inkt helpen vloeien en drogen tijdens het aanbrengen. Daardoor is het geleidingsvermogen van de sporen lager dan bij een vergelijkbare printplaat op basis van koper. Zo heeft bijvoorbeeld met koper bekleed FR-4 board met een dikte van 35 μm (1 oz) een weerstand van 0,5 mΩ/sq. Geleidende inkt op basis van zilver begint bij ongeveer 12 tot 40 mΩ/sq, afhankelijk van de fabrikant. Voor de meeste toepassingen zijn de gevolgen minimaal, en de meeste analoge en digitale schakelingen kunnen zonder problemen worden uitgevoerd.
Zodra je printplaat is geprint en uitgehard, kan dezelfde printer de gaten boren voor de through-hole componenten, soldeerpasta aanbrengen en de componenten op hun plaats solderen. De gebruiker hoeft enkel de juiste boor in de boorhouder te plaatsen en de SMD componenten met de hand te plaatsen.
Het PCB printer fabricageproces gebruikt door de V-One.
Dubbelzijdige printplaten zijn ook mogelijk door aan beide zijden van het FR-4 substraat sporen te printen. Through-hole vias worden gerealiseerd door de gaten te boren en vervolgens koperen klinknageltjes aan te brengen. Deze zijn ook nuttig als bevestigingspunt voor het solderen van through-hole componenten.
PCB-printers: Inkjet methode
Een andere methode maakt gebruik van dezelfde technologie als die in inkjetprinters wordt gebruikt. Dit is de methode die wordt gebruikt door de BotFactory SV2. De printer ondersteunt verschillende substraten waarop de geleidende inkt wordt "gespoten" alvorens uit te harden met behulp van een ingebouwd verwarmingselement in het printbed. Om meerlaagse printplaatontwerpen te ondersteunen, gebruikt de SV2 een tweede printercartridge die een isolator bevat. Deze wordt over de geleidende sporen geprint, waardoor printplaten tot en met vier lagen gemaakt kunnen worden. Elke isolatielaag wordt uitgehard met behulp van een ingebouwde ultraviolet lichtbron.
De BotFactory SV2 PCB printer kan ook pick-and-place uitvoeren. (Bron: BotFactory)
Het resultaat is een zeer dunne multi-layer printplaat, gedrukt op één zijde van het gebruikte substraat. Through-hole componenten kunnen worden bevestigd met koperen klinknageltjes, op voorwaarde dat het gekozen substraat, zoals FR-4, dik genoeg is. Klinknagels zijn echter niet nodig voor vias. In plaats daarvan worden de geleidende lagen met elkaar verbonden door openingen in de isolerende laag. Bovendien is de SV2 bijzonder geschikt voor de ontwikkeling van flexibele circuits vanwege de dunne lagen die met de inkjet methode worden bereikt. Gebruikers hebben met succes substraten van Kapton-tape en zelfs stof gebruikt.
Een printplaat bestaande uit vier lagen, geprint met de BotFactory SV2. Tussen elke geleidende laag is een isolatielaag geprint en uitgehard. (Bron: BotFactory)
Een ander kenmerk van de SV2 is de pick-and-place-functie (P&P). Nadat soldeerpasta op de aansluitpinnen is aangebracht, kan de P&P-kop een reeks SMD componenten verzamelen die verzameld zijn in gleuven rond de randen van het printbed. Eenmaal geplaatst, smelt het verwarmde bed de soldeerpasta. Dit maakt de sterk geautomatiseerde productie van kleine hoeveelheden prototype-printplaten mogelijk.
Voor- en nadelen van PCB Printers
Misschien het eerste punt dat moet worden gezegd is dat de printplaten die deze printers maken anders zijn dan klassieke printplaten. Het kritische verschil is de eigenschappen van de sporen door het gebruik van zilver in plaats van koper. Handsolderen vereist tin-bismut-zilversoldeer en een maximale soldeertip-temperatuur van 180°C. Bij hogere temperaturen bestaat het risico dat de printbanen worden vernield, hoewel het gebruik van koperen klinknagels dit risico vermindert bij het solderen van through-hole componenten.
Een andere uitdaging is de warmte-afvoer van componenten. Het koper van een traditionele FR-4 printplaat kan een bepaalde hoeveelheid warmte van bijvoorbeeld vermogensonderdelen afvoeren. Bij deze op zilver gebaseerde ontwerpen moet men wellicht iets creatiever zijn. Dankzij de mogelijkheid van de SV2 om op verschillende substraatsoorten te printen, hebben gebruikers succes gehad met het printen op warmte-afvoerende materialen. Door een isolatielaag te printen alvorens de geleidende sporen aan te brengen, kan zelfs met koper bekleed FR-4 als basismateriaal worden gebruikt.
Geleidende inkten en soldeerpasta's voor PCB-printers. (Bron: Voltera en BotFactory [rechts])
Misschien wel de grootste uitdaging bij het gebruik van PCB-printers is de zorg voor de verbruiksmaterialen. De inkten en soldeerpasta's hebben een houdbaarheid van tussen de 6 en 12 maanden. Na gebruik moeten ze echter gekoeld worden, anders stollen ze en worden ze onbruikbaar.
Voordeel is dat PCB-printers de gebruikers in staat stellen snel prototypes van schakelingen te maken, vooral wanneer alternatieve, flexibele substraten worden uitgeprobeerd. Gebruikers hebben ook succes gehad met RF-ontwerpen, zoals een 915 MHz filter en schakelingen die werken tot 6 GHz. En tests hebben uitgewezen dat de tracks behoorlijk duurzaam zijn. Bij gebruik van een printplaat voor een USB-connector overleefde één printplaat meer dan 10,000 aansluit cycli.
Deze USB connector gemaakt door BotFactory's SV2 overleefde 10.000 aansluit cycli. (Bron: BotFactory)
De toekomst voor de verwerkende industrie?
Op het gebied van prototyping en onderwijs hebben PCB printers beslist hun nut. Stel dat je organisatie elk jaar een heleboel nieuwe printplaten ontwikkelt. In dat geval kan de snelle doorlooptijd voor het maken van nieuwe printplaten, samen met de ondersteuning voor kleine series en de mogelijkheid voor het plaatsen van componenten door middel van P&P koppen, een goede investering blijken te zijn. Deze printers maken het elektronica fabricageproces ook transparanter voor studenten aan scholen, hogescholen en universiteiten
Het additieve fabricageproces dat door deze printers wordt gebruikt, is echter niet echt geschikt voor massaproductie van printplaten. Er zijn echter anderen die het gezicht van de printplaatfabricage willen veranderen. De winnaar van de productronica 2021 Fast Forward Award, ioTech uit Israel, heeft een additief fabricageconcept op basis van Continuous Laser-Assisted Deposition (CLAD). Met deze veelbelovende technologie kunnen niet alleen binnen enkele minuten meerlaagse printplaten worden gemaakt, maar kunnen ook circuits worden gebouwd op manieren die met de huidige processen onmogelijk zijn, wat kan leiden tot innovatie in draagbare technologie en implanteerbare medische technologie.
Als je meer wilt weten over de hier genoemde PCB-printers, neem dan een kijkje in Elektor's "Buyer’s Guide to PCB Printers".
