プリント基板フライス加工

プリント基板のミリング（またはアイソレーションミリング）は、プリント基板（PCB）材料のシートから銅の領域を除去し、レイアウトファイルと呼ばれるデジタル基板プランのパターンに従ってパッド、信号トレース、および構造を再現するミリングプロセスです。^[1]より一般的でよく知られている化学PCBエッチングプロセスと同様に、PCBミリングプロセスはサブトラクティブです。つまり、必要な電気絶縁およびグランドプレーンを作成するために材料が除去されます。ただし、化学エッチングプロセスとは異なり、PCBミリングは通常、非化学プロセスであるため、一般的なオフィスまたはラボ環境で危険な化学物質にさらされることなく完了できます。どちらのプロセスを使用しても、高品質の回路基板を製造できます。^[2] PCBミリングの場合、回路基板の品質は主に、システムの真の、または加重されたミリング精度と制御、およびミリングビットの状態（鋭さ、焼き入れ）とそれぞれの送り速度/回転速度によって決まります。対照的に、化学エッチングプロセスでは、回路基板の品質は、銅を化学物質から保護するために使用されるマスクの精度および/または品質、およびエッチング化学物質の状態に依存します。^[3]

PCB ミリングは、プロトタイピングと一部の特殊な PCB 設計の両方に利点があります。最大の利点は、PCB の製造に化学薬品を使用する必要がないことです。

試作品を作る場合、基板を外注すると時間がかかります。別の方法として、基板を社内で作るという方法があります。ウェットプロセスを使用すると、社内で製造する場合、化学薬品とその廃棄の問題が生じます。ウェットプロセスを使用した高解像度の基板は実現が難しく、完成したとしても、最終的には基板をベース材料からドリルで穴を開けて切り取る必要があります。

CNCマシンのプロトタイピングは、ウェット処理を必要とせずに、短納期の基板製造プロセスを提供できます。^[4] CNCマシンがすでに穴あけに使用されている場合は、この1台のマシンで穴あけとフライス加工の両方のプロセスを実行できます。CNCマシンは、穴あけ、フライス加工、切断の処理に使用されます。^[5]

ミリング加工が簡単なボードの多くは、CNCミリングマシンよりも何倍も高価な最先端のシステムを使用せずに、実験室環境でウェットエッチングとその後の手動ドリル加工で処理するのは非常に困難です。^[6]

大量生産では、CNC の使用がすでにボードの穴あけの標準的な方法となっているものの、フライス加工がエッチングに取って代わることはまずありません。

PCBミリング システムは、ビアの挿入とスルーホールのメッキを除いて、プロトタイプボードを作成するために必要なすべての操作を実行できる単一のマシンです。これらのマシンのほとんどは、標準のAC主電源コンセントとショップ タイプの掃除機のみで動作します。

PCBフライス加工用ソフトウェアは通常、CNCマシンメーカーから提供されます。ほとんどのパッケージは、ラスターとベクターの2つの主要なカテゴリに分けられます。^[7]

ラスター計算方式を使用してツールパスを生成するソフトウェアは、受信したラスター情報に依存するため、ベクターベースのソフトウェアよりも処理解像度が低くなる傾向があります。^{[8] [9]}

PCB フライス盤の仕組みは非常に単純で、CNCフライス盤技術にそのルーツがあります。PCB フライス盤システムは、小型で高精度の NC フライス盤テーブルに似ています。マシン制御では、位置情報とマシン制御コマンドが、シリアル ポートまたはパラレル ポート接続を介して制御ソフトウェアからフライス盤のオンボード コントローラに送信されます。コントローラは、フライス盤ヘッドとガントリーを動かし、スピンドル速度を制御するさまざまな位置決めコンポーネントの駆動と監視を行います。スピンドル速度は、フライス盤システムに応じて 30,000 RPM から 100,000 RPM の範囲で、スピンドル速度が速いほど精度が高くなります。つまり、ツールの直径が小さいほど、必要な RPM が高くなります。^[10]通常、この駆動システムは、X/Y軸用の 監視なしステッピングモーター、オン/オフの監視なしソレノイド、Z軸用の空気圧ピストンまたはリードスクリュー、およびスピンドル速度用のDCモーター制御回路で構成されますが、いずれも位置フィードバックを提供しません。より高度なシステムでは、フライス加工や穴あけ加工中の制御を強化するために監視付きステッピングモーターZ軸ドライブと、より広い範囲の速度でより優れた制御を提供するより高度なRFスピンドルモーター制御回路が提供されます。

X 軸および Y 軸駆動システムの場合、ほとんどの PCB ミリング マシンは、精密リード スクリューを駆動するステッピング モーターを使用します。リード スクリューは、特殊な精密機械加工接続アセンブリによってガントリーまたはミリング ヘッドにリンクされます。ミリング中に正しい位置合わせを維持するために、ガントリーまたはミリング ヘッドの移動方向は、リニアベアリングまたはダブテール ベアリングを使用してガイドされます。ほとんどの X/Y 駆動システムでは、ソフトウェアを介してミリング速度をユーザーが制御できます。これにより、ステッピング モーターがそれぞれの軸を駆動する速度が決まります。

Z 軸の駆動と制御は、いくつかの方法で処理されます。最初の最も一般的な方法は、スプリングに押し付ける単純なソレノイドです。ソレノイドが通電されると、フライス加工ヘッドがスプリング ストップに押し下げられ、下方向への移動が制限されます。下降速度とスプリング ストップに及ぼされる力の量は、ソレノイドのプランジャーの位置を機械的に調整して手動で設定する必要があります。

2 番目のタイプの Z 軸制御は、空気圧シリンダーとソフトウェア駆動のゲート バルブを使用するものです。シリンダーのサイズが小さく、シリンダーの駆動に使用される空気圧が大きいため、上下の停止位置間の制御範囲が狭くなります。ソレノイド システムと空気圧システムはどちらも、ヘッドをエンドポイント以外の場所に配置できないため、単純な「上下」のフライス加工作業にのみ有効です。最後のタイプの Z 軸制御では、ステッピング モーターを使用して、フライス加工ヘッドを上下に小さな正確なステップで移動できます。さらに、これらのステップの速度を調整して、ツール ビットをボード材料に打ち込むのではなく、緩やかに差し込むことができます。深さ (必要なステップ数) と上下の速度は、制御ソフトウェアを介してユーザーが制御します。

PCB のフライス加工における大きな課題の 1 つは、平坦度のばらつきに対処することです。従来のエッチング技術は銅層の上に直接置かれた光学マスクに依存しているため、材料のわずかな曲がりにも対応でき、すべての特徴が忠実に複製されます。

ただし、PCB をフライス加工する場合、フライス加工中にわずかな高さの変化が発生すると、円錐状のビットがより深く沈む (より広いカットを作成) か、表面から浮き上がってカットされていない部分が残ります。一部のシステムでは、カットする前にボード全体で高さマッピング プローブを実行して高さの変化を測定し、事前にG コードの Z 値を調整します。

PCBは、従来のエンドミル、円錐形Dビットカッター、スペードミルで加工できます。Dビットとスペードミルは安価で、先端が小さいためトレースを近づけることができます。テイラーの式、Vc T ⁿ = Cは、与えられた表面速度に対する工具寿命を予測できます。^[11]

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