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Pcb 가공기의 목적
(고주파회로 설계자 필독!!)

Pcb가공기의 사용 목적


[시제품 제작기( Prototyping Machine)와 양산기기와의 차이점]

MITS주식회사는 창업이래 26년간  Prototyping Machine을 제조・판매하여 왔습니다。
일반적으로 시제품 제작기와 양산 기계의 추구하는 목적과 고객이 다릅니다。

양산 기계는 시간당 생산량을 추구함에 대해서 시제품 제작기는 주로 연구・개발실에서 사용됨으로
소형화・다용도에 대한 적응성을 추구하고 있습니다。

아래는 시제품 제작기을 제공하는 입장에서 각기종의 특징 ・차이점을 구매하는 입장에서 적절하게 판단하기 쉽도록 설명하여 보겠습니다。


◆스핀들 모터의 회전수와 가공 스피드
양산 기계에 요구되는 요건중 하나는 가공 스피드가 있습니다。
또,양산 현장에서 사용하기 때문에 장시간 가동하고,고부하에 견디어야 합니다。
그 결과 고가의 스핀들 모터가 필요하게 됩니다。

그러나,시제품 제작기의 경우는 가공할 기판 수량이 많게 되고,기계의 소형화가 요구됨과 동시에 스핀들 모터도 소형인 것이 사용되어 집니다。
소형의 스핀들 모터는 부하에 대해서 양산 기계보다 뒤떨어지지만 , 소형화 되어 있기 때문에 고속회전인 경우는 모터의 중심축  흔들림이 크게 됩니다。
일반적으로 세밀한 홀 구멍(직경 0.1mm정도)을 뚫을 때에는 고속 회전이 필요하지만,모터 중심축 흔들림이 있으면,드릴이 뿌러 집니다。

소형 스핀들 모터의 회전수와 축 흔들림
(사용 계측기 : MITS NANOMETRIC SENSOR MODEL 211)



이 같이 시작품 제작기는 스핀들 모터의 회전수、축 흔들림을 무시해서는 안됩니다。

한편으로、회전수가 빠르지 않아도 축 흔들림이 작은 영역에서는 드릴의 뚫는 속도(Speed)을 조금 늦게하면 0.1mm의 작은 구멍의 홀도 뚫을수가 있습니다。
또한、좁은 선폭의 milling 가공할 때에도 사용하는 공구도 있으니까
기계진동 ・Z축의 직교도 즉,가공기의 강성(剛性)이 높은것이 가장 중요합니다。


◆분해능은 가공 정밀도을 직접 표현하는 것은 아닙니다
Pcb가공기의 정밀도=분해능이라고 해석하는 것은 틀립니다。
그 이유을 Z축의 정밀도을 예로 들어 해설합니다。

Pcb기판 가공의 경우 특히 중요한 것은 깍는 깊이의 균일성입니다。
공구로 (90° 각도의 밀링 툴) 깍을 경우 깊이가 변하면 선폭・패턴 폭에 큰 변화을 일으킵니다。
일반적으로 Z축의 깊이 제어는 컴퓨터의 지령치에 따라 제어 됩니다。
기종에 따라 다르지만 、XY  2축 제어인 가공기는 、Z축은 up・down 제어만 합니다。
XYZ  3축 제어인 경우는 、stepper  motor에서 컴퓨터 콘트롤이 됩니다。
분해능은 제어부품 (stepper motor와 구동 전달을 위한 스크류)의 설계치수을 표시하고、
실측 정밀도을 표시하는 것은 아닙니다。

그런데,여기에서 중대한 문제가 있습니다。
그것은 가공기의 테이블이 평탄한 것은 아니라고 하는것입니다。

테이블 위의 깔판을 놓으면、그 평면도는 100μm 이상이 됩니다。
그 같은 상태에서 각도가 있는 공구로 가공하면 패턴폭이 현저하게 불균일하게 됩니다。
(동화면에서 압소리드 가공의 화면을 봐 주세요)
이 상태에서 분해능의 숫자을 좋게 해도, 어떠한 의미가 없는 것을 아실것입니다。

실제로의 기판 가공은 인크리멘탈 가공으로 할 수 있습니다。
그것은 가공 헤드와 기판의 접촉면에서 공구을 정확하게 끼우지만 、
4차원 제어의 정밀도가 요구되기 때문에 、사양에 적혀져있는 분해능이란 전부 다른 설계상의 배려가 필요하게 됩니다。

<압소리드 가공>
기판을 깍을 때 높이가 일정하기 때문에 、기판면의 凹凸에
공구가 대응하지 못하고 선폭이 불균일하게 됩니다。
>>동화면에 의한 설명 (1825KB)

<인크리멘탈 가공>
공구의 높이을 기판의 凹凸면에 맞추어 깍기 때문에 선폭이 균일하게 됩니다。

>>동화면에 의한 설명(1825KB)


◆강성(剛性)이란?
가공기에 있어서 강성(剛性)이란 대단히 중요한 요소입니다。
「강성(剛性)이 높다」라든가 「강성(剛性)이 좋다」라고 합니다만、그 좋음을 가공한 상태로 연결이 됩니다。
가공된 Pcb기판으로 말하자면、
  • 가공한후가 깨끗하다。
  • 칼로 절단한것과 같이 깨끗하다。
  • 가공 상태가 균일하다。
  • 세밀한 라인이나 스페이스가 명확하다。
  • 패턴이 설계치대로 가공이 가능하다。

라고 하는것입니다。

그러면、강성(剛性)의 좋음을 수치로 나타낼수 있습니까?
안타깝지만 그것은 수치로 나타낼수 없습니다。

그러면,어떻게 구별이 가능할까요?
Pcb가공기을 선정할 수 있는 전문가들은 다음의 2가지 요소로 구별을 하는 것 같습니다。

첫 번째는 가공기을 구성하고 있는 기구부품・부자재・전반적인 설계기술의 좋음。
이것을 정적강성(静的剛性)이라고 합니다。

두 번째는 동적강성(動的剛性)이 좋아야 한다라고 합니다。
동적강성(動的剛性)은 가공할 때에 진동・흔들림으로 나타냅니다。
이것은 실제로 Sample을 가공해 봐서 가공물로서 판정을 할 수밖에 없습니다。

이같이 2개의 요소는 수치로 나타내기 어려운것입니다。
즉,가공기의 가장 중요한 부분을 검정하지 않고 、잠깐보고「모양이 좋다」라거나 가공기의 종합적인     정밀도가 아니고 、한부분의 부품 사양의 비교나 、기계의 가격이 저렴함에 가공기을 선정하면 、구입 후 「생각한 만큼 Pcb기판을 만들수 없었다。」라는 것이 될지도 모르겠습니다。



 (고주파 회로 설계와 시제품 기판)

최근、고주파 회로는 전자기기안에 점점 사용되어지고 있는 추세입니다。

예을들면

  • 무선 LAN
  • IC 테그
  • 방위・안전 시스템
  • 인공위성
  • 자동차 탑재기기
  • 의료 검사 시스템

등등입니다。

한편、설계의 합리화을 위해서 、소프트웨어에 의한 회로의 시뮬레이션도 현저하게 발달되고, Pcb기판의  시제품 제작 공정을 생략해도 좋은 케이스가 많게 되었습니다만、
고주파회로에서는 반드시 기판을 만들어 성능을 확인하려는 고객이 많아지고 있습니다。

또한、기기의 소형화 요구와 고주파수을 이용하기 때문에 Pcb기판은 고밀도화가 진행되고,패턴과 선폭(Line & Space) 은 점점 좁아지게 되고  100μm 이하의 회로가 많아지게 되어 왔습니다。

여기에서 회로설계→시뮬레이션→기판 제작의 공정에서의 문제점을 해설하겠습니다。


(회로 설계와 시뮬레이션)


◆DXF 데이터와 폐(閉)루우프
고주파 회로 패턴을 간단하게 그리는 방법의 하나는 도면  CAD (일반적으로는 AUTO CAD)에서 그리는 경우가 자주 있습니다。
이런 종류의 CAD에서 그려진 데이터는 DXF 파일이 출력이 됩니다。

이 DXF 데이터을 Pcb가공기나 다른 시뮬레이션 으로 입력하기 위해서는  DXF 데이터가 폐 루우프로 되어 있지 않으면 에라가 되어 받아들일수가 없습니다。
완전한 폐(閉)루우프가 되어 있지 않은 예는 아래와 같습니다。

폐(閉)루으프
CLOSED-LOOP
선이 삐쳐 나옴し
OVERFLOW OF LINE
잔선이 남아 있슴
EXTRA LINES
2중으로 그림
DOUBLE DRAWING IN LINES
>>동화상에 의한 설명(1.29MB)
폐(閉)루우프의 겹침
COMING IN SUCCESSION OF CLOSED-LOOP
선 끊어짐
BECOMING INTERRUPTED

위와 같은 예가 여러 가지가 있습니다。실제로는 크게 확대하지 않으면 모르는 정도입니다만,입력이 되지 않고 에라을 일으키며,원인을 알 수 없는 트러블의 원인이 됩니다。
복잡한 회로인 경우는 수십군데을 수정하지 않으면 안됩니다。


注1:MITS주식회사는 이 트러블을 간단하게 수정할 수 있는 소프트웨어을 2007년4월에 판매할 예정입니다。
注2:DXF 데이터에 관한 상세한 것은 이쪽으로 봐 주십시오。



 (기판 제작)
◆100미크론 이하의 가공 도전
지금까지 Pcb가공기로서는 라인이나 스페이스을  100미크론(0.1mm)이상이 한계라고 생각할 수 있습니다. 100미크론이하의 라인이나 스페이스을 필요로 하는 기판은 레이져 가공기로 가공을 해야 합니다。
그러나、레이져가공기는 대단히 고가이며、설비・환경의 정비나 가공기술을 습득하는것도 중요합니다. 실험실에서 「간단하게」할수있는 것은 아닙니다。

MITS주식회사에서는 「실험실에서 간단하게」라는 목표아래 이제까지의 Pcb가공기의 제조 기술을 바탕으로 하여 、100미크론의 가공 벽을 부수는 것에 도전하여 왔습니다. 이번에 100미크론 이하의 가공에 성공했습니다。


◆고주파용 밀링 컷트
고주파 영역에서는 완성된 패턴의 형상은 고주파 영역에서는、완성된 거형(矩形)의 패턴이 요구되기 때문에 공구의 선단(先端)이 평평한 고주파 밀링으로 가공할 필요가 있습니다。100미크론 이하의 공구 선단(先端)은 사람의 머리카락처름 가늘기 때문에 지금까지 사용한 공구의 선단이 V자 형태로는 다른 가공상의 노우하우가 요구됩니다。


◆100미크론 공구로는 100미크론 가공이 안된다?
이 같이 말하면 의문이 생기리라 생각합니다만、실제의 100미크론 공구로는 100미크론 절삭폭으로 가공이 안됩니다。

공구의 공차
공구 제조업체에서 생산되는 공구는 공차가 있기 때문에 공차분만큼 고려해서 가공할 필요가 있습니다。

스핀들 모터의 축 흔들림
가공기의 스핀들 모터는 조금의 축 흔들림이 있습니다。
축 흔들림은 회전수에 따라서 변하지만、모터에 콜렉트에 부착할 때 부착 상태에 따라서 미묘하게 변합니다。
이 미묘한 변화에 따라서 100미크론 이하의 가공에서는 공구의 직경에 따라서 공구의 직경 보다 넓게 가공이 됩니다。


◆고정도(高精度)에서 100미크론의 가공을 하기 위해서

고주파수 회로에서는 Coplaner waveguide의 가공을 할 때에는 100미크론 ± 5 미크론의 정밀도의 선폭을 가공해야 합니다。
그러기 위해서는 、공구의 공차와 스핀들 모터의 축 흔들림을 고려한 가공 방법이 필요합니다。


 

구체적인 예 100미크론의 공구 직경의 공차가 ±5미크론 스핀들 모터의 축 흔들림이 10미크론인 경우

가공가능한 선폭은 최소 105미크론 최대 115미크론으로 되기  때문에 100미크론의 선폭을 가공하기 위해서는 다음과 같이 가공합니다。

1.
공구의 공차 +스핀들 모터의 축 흔들림을 고려해서 、80~90미크론의 공구을 사용한다。
2.
80미크론 이하의 공구을 사용하여 、100미크론의 선폭이 가능하도록 가공 경로의 양벽을 2번 가공한다。


>>동화상에 의한 설명 (660KB) >>동화상에 의한 설명 (660KB)  




◆깨끗하게 가공하기 위해서는

스텝 가공
선폭이 가늘면 가늘수록 가공 조건도 중요한 요소의 하나입니다。
공구 직경이 100미크론 이하가 되면 、공구가 뿌러지기 쉽고、가공후의 상태도 버가 상당히 많이 발생합니다.
그 때문에 100미크론 이하의 공구로 가공할 때에는 일반적인 가공 방법과 다르게、조금씩 조금씩 깊게 가공하는 (스텝 가공) 공구에 적합한 가공 방식을 사용해야 합니다。

18미크론의 동박면을 가진 동판이라면 깊이을 몇 번(3~5번 가공)으로 나눠어서 가공합니다。(1번의 가공 깊이을  5미크론 정도로 가공합니다)
이 방법으로 가공하면 세밀한 공구라 하드라도 버도 없고、깨끗하게 공구가 뿌러지지 않게 가공이 가능합니다。


>>스텝 가공의 동화상에 의한 설명 (1474KB)
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