Moteur de l’innovation : les processus de routage en profondeur : obtenir une précision inégalée dans les circuits imprimés complexes

Dans la fabrication de circuits imprimés, la demande de conceptions de plus en plus complexes et miniaturisées repousse continuellement les limites des méthodes de fabrication traditionnelles, y compris le routage en profondeur.

Le routage en profondeur est indispensable dans plusieurs applications clés des circuits imprimés :

• PCB rigides-flexibles :Ces planches hybrides combinent des sections rigides avec des interconnexions flexibles, nécessitant un routage précis en profondeur pour retirer la « coupelle » en haut et/ou en bas de la partie flexible.
• PCB avec cavités :Les cavités sont créées stratégiquement dans les couches de PCB pour intégrer ou intégrer des composants directement dans la carte.
• PCB en cuivre pour dissipateurs thermiques :Dans les applications à haute puissance, les pièces de cuivre sont souvent intégrées dans les circuits imprimés pour servir de dissipateurs thermiques localisés très efficaces. Le routage en profondeur est utilisé pour créer des poches précises pour ces pièces, assurant ainsi un ajustement parfait.

Le succès dans ces applications exige non seulement des machines robustes, mais aussi des fonctions de commande sophistiquées. Les fabricants de circuits imprimés s’appuient sur des fonctionnalités de machine et des méthodologies de processus avancées pour atteindre leurs objectifs précis de routage en profondeur. Ici, j’explorerai certaines fonctions cruciales qui permettent aux fabricants de maîtriser les défis complexes du routage en profondeur.

Routage en profondeur avec un deuxième système de mesure

Un scénario courant de routage en profondeur consiste à créer une profondeur de coupe constante, même lorsque le panneau de circuit imprimé lui-même n’est pas parfaitement plat, ce qui est fréquent dans la fabrication. Dans de tels cas, se fier uniquement à une profondeur d’axe Z préprogrammée à partir d’un point de référence fixe peut conduire à des résultats incohérents.

Pour surmonter ce problème, les machines utilisent un deuxième système de mesure, impliquant généralement un pied de pression équipé d’un insert ou d’une brosse spécialisée qui touche précisément la surface du circuit imprimé. La machine calcule la profondeur à partir du moment exact du contact et la maintient de manière cohérente tout au long de la trajectoire de fraisage. Ce réglage dynamique garantit que la profondeur de routage est précise par rapport à la surface potentiellement inégale du panneau. Une application typique et critique de cette technologie est le routage en profondeur pour l’élimination de la coupelle dans la fabrication de circuits imprimés rigides-flexibles.

Figure 1 : Routage de la profondeur à l’aide des échantillons du deuxième système de mesure.

Acheminement en profondeur à partir d’un contact électrique

Alors qu’un deuxième système de mesure utilise souvent un contact mécanique pour établir le point initial des calculs de profondeur, le routage de la profondeur à partir du contact électrique offre une méthode alternative et précise qui exploite les propriétés électriques du circuit imprimé. Dans cette approche, la couche désignée comme point de départ pour le calcul de la profondeur doit être mise à la terre. Il peut s’agir de la couche supérieure de cuivre ou d’une couche de cuivre interne. L’outil de routage électriquement conducteur entre en contact avec cette couche mise à la terre, déclenchant un signal précis qui définit le point zéro pour la mesure de la profondeur de l’axe Z.

Cette méthode est particulièrement avantageuse pour les applications nécessitant des tolérances extrêmement serrées et une référence directe à une couche conductrice. Il élimine les variations mécaniques mineures qui peuvent se produire avec les systèmes de pied de pression, offrant une répétabilité supérieure lorsque la cible est en cuivre.

Figure 2 : Routage en profondeur par contact électrique avec la couche supérieure mise à la terre.

Figure 3 : Routage en profondeur par contact électrique avec la couche interne mise à la terre.

Polissage

Les principes du contact électrique peuvent également être appliqués dans une fonction de « polissage ». Cette caractéristique avancée garantit une surface fraisée exceptionnellement propre et précise, en particulier lorsque le routage en profondeur est destiné à exposer une couche de cuivre sans causer de dommages. La machine exécute une opération de routage en profondeur. Lorsque l’outil entre en contact électrique avec la couche de cuivre cible, le mouvement de l’axe Z s’arrête automatiquement. L’outil avance ensuite légèrement le long de l’axe X et/ou Y, se soulève de manière minimale dans l’axe Z, continue à se déplacer dans les axes X et/ou Y, puis s’abaisse pour rétablir le contact électrique. Cette séquence se répète dans le cadre de l’opération de polissage.

Ce micro-mouvement itératif garantit que la machine « ressent » en permanence la surface du cuivre. Le résultat est un passage en profondeur très précis avec une pénétration minimale dans le cuivre, « polissant » efficacement la surface en éliminant tout résidu diélectrique ou micro-bavures restants, conduisant à une finition de cuivre propre prête pour les processus ultérieurs.

Possibilités de cartographie avancées

Pour les applications exigeant une épaisseur égale de l’âme restante (la distance précise entre l’extrémité du routage en profondeur et la surface inférieure du panneau), un simple routage à profondeur constante est souvent insuffisant en raison des variations inhérentes à l’épaisseur du panneau. Dans des cas aussi complexes, il est impératif de créer une « carte » du panneau de sauvegarde (la surface inférieure) avant le début du processus de routage.

Cette cartographie implique un balayage à haute résolution ou une mesure de la topographie de la surface inférieure. Les données résultantes créent une « carte » numérique qui informe précisément la machine de routage des variations d’épaisseur locales. Le système de contrôle de la machine ajuste ensuite la profondeur de l’axe Z pour chaque point acheminé en fonction de cette carte. Ainsi, même si l’épaisseur du panneau d’origine varie, l’épaisseur restante de la bande est toujours uniforme.

Figure 6 : Carte de l’échantillon du panneau arrière.

Sonde tactile

S’appuyant sur la stabilité fournie par une table à vide ou un adaptateur, le routage en profondeur avec commande par palpeur tactile offre le plus haut niveau de précision pour la création de cavités. Une sonde tactile spécialisée est montée sur l’axe Z, offrant un moyen indépendant et très précis de vérifier et de contrôler la profondeur réelle pendant le processus de fraisage.

Il existe plusieurs façons d’utiliser la technologie des palpeurs :

1. Mesure unique + acheminement :

• Mesurez la surface du panneau :Le palpeur mesure avec précision un seul point sur la surface du panneau pour établir une référence définitive
• Routage à la profondeur définie en fonction de la surface du panneau :La trajectoire de routage s’exécute jusqu’à la profondeur programmée, en faisant référence au point de surface mesuré

2. Multi-mesure + acheminement :

• Mesurez la surface du panneau à l’aide d’une sonde tactile :La sonde tactile balaie plusieurs points sur la surface du panneau
• Différents points de mesure sur la surface du panneau/processus de cartographie :Cela permet d’obtenir une carte topographique plus détaillée de la zone nécessaire
• Routage à la profondeur définie en fonction de la valeur moyenne des données cartographiées :Le chemin de routage est ajusté dynamiquement en fonction d’une valeur moyenne ou interpolée à partir des points de données cartographiés, ce qui compense les irrégularités de surface localisées sur de plus grandes zones

3. Mesure après l’acheminement :

• Mesurez la surface du panneau :Prendre une première référence de surface
• Mesurez un niveau inférieur, déjà traité, et vérifiez la profondeur :Après une première passe de routage, la sonde tactile mesure la profondeur de l’élément acheminé pour vérifier la précision. Il peut s’agir d’une étape critique du contrôle de la qualité.

4. Routage adaptatif de la cavité :Il s’agit du summum de la précision, en utilisant un système de rétroaction en boucle fermée :

• Mesure de la surface à l’aide d’un palpeur tactile :Établit la référence de départ
• Routage:Effectue une première passe de routage
• Mesurez la profondeur à l’aide d’une sonde tactile :La sonde mesure la profondeur atteinte après le passage
• Routage final si nécessaire :Si la profondeur mesurée s’écarte de la cible, la machine effectue une dernière passe de routage adaptative pour atteindre la profondeur spécifiée. Ce procédé garantit une précision inégalée.

Boîtiers laser : quand le routage mécanique atteint ses limites

Bien que le routage mécanique en profondeur offre d’immenses capacités, il existe des cas où ses limites nécessitent la technologie laser pour les processus de skiving. Ces cas se produisent souvent lorsqu’il s’agit de matériaux difficiles à usiner mécaniquement, lorsque la taille et la précision requises dépassent les capacités mécaniques ou lorsque l’impact thermique doit être minimisé. Les lasers, en particulier les lasers haut de gamme tels que PICO-green, sont parfaits pour des tâches telles que l’élimination des revêtements minces des pastilles de cuivre ou l’accès aux pastilles de contact avec un minimum de dommages.

Un laser PICO-green peut ablater des microns avec un impact minimal sur la couche suivante. Cette distribution d’énergie sans contact, très précise et localisée garantit un impact thermique minimal sur le matériau environnant, préservant ainsi l’intégrité des pastilles de cuivre sensibles et des structures à lignes fines. Le parage laser offre un contrôle et une propreté supérieurs par rapport aux méthodes mécaniques pour des applications spécifiques.

Résumé

La capacité d’effectuer un routage en profondeur très précis est fondamentale pour produire les conceptions de PCB complexes d’aujourd’hui, y compris les cartes rigides-flexibles, les PCB avec des composants intégrés et ceux nécessitant des dissipateurs thermiques intégrés. Plusieurs caractéristiques de la machine jouent un rôle crucial pour garantir la précision du fraisage en profondeur. Il s’agit notamment des fonctions et des capacités évoquées précédemment, ainsi que des broches serrées qui améliorent la stabilité de l’outil, des entraînements linéaires qui permettent un mouvement précis et rapide et des vannes réglables qui permettent un contrôle précis de la pression du pied de pression, entre autres facteurs.

La combinaison stratégique et l’utilisation correcte de ces fonctions de la machine (ou d’un mélange de fonctions), associées à des outils de routage appropriés, à des matériaux de secours appropriés et au travail expert d’un ingénieur de processus qualifié, permettent de produire les conceptions de circuits imprimés les plus complexes et les plus exigeantes. Ces capacités avancées sont essentielles pour répondre aux exigences complexes de l’électronique moderne, garantissant des performances, une fiabilité et une miniaturisation supérieures.