Mechanische Bearbeitung von IMS

Zur effizienten Wärmeabfuhr kommen IMS (Insulated Metallic Substrate), d.h. Leiterplatten mit isolierten Metallsubstraten, zum Einsatz. Als Metallträger wird meist Aluminium in Dicken von 1.0 – 3.0 mm eingesetzt; seltener wird Kupfer in Dicken von 1.0 – 1.50 mm verwendet. Als Dielektrikum dienen FR4 Prepreg oder keramische Schichten. Der Herstellungsprozess von IMS ist in allen Produktionsabteilungen eine Herausforderung. Für die mechanische Bearbeitung der Metallträger durch Bohren und Fräsen werden idealerweise spezielle Werkzeuggeometrien eingesetzt. Die optimale Anpassung der Prozessparameter erfordert viel Erfahrung. Die Maschinenvoraussetzungen, wie z.B. geringe Vibrationen und Spannzangenrundlauf, müssen der Bearbeitung entsprechend vorhanden sein. Idealerweise wird mit Minimalmengenschmierung gearbeitet. Seit Anfang letzten Jahres werden in der mechanischen Bearbeitung von IMS weltweit sehr erfolgreich Diamant beschichtete Bohrer und Fräser eingesetzt. Dies wurde erst durch die Kombination einer speziellen Multilayer Diamantschicht (Bild 1) und angepassten Werkzeuggeometrien ermöglicht. Folgende Vorteile begründen den erfolgreichen Einsatz der Diamant beschichteten Werkzeuge: • Härte der Diamantschicht von 10.000 HV0.05 • minimaler Schneidenverschleiß erlaubt ca. 10-fach höhere Standwege beim Bohren und Fräsen • sehr guter Spantransport aufgrund des niedrigen Reibkoeffizienten von Diamant • sehr geringe Neigung zur Bildung einer Aufbauschneide • sehr hohe Bohr- und Fräsgenauigkeit aufgrund optimaler Spirallängen bei Diamant beschichteten Standardwerkzeugen Bild 1: Multilayer Diamantschicht (Bild CemeCon AG) Anwendungsbeispiele 1. Bohren: Bei der Bearbeitung von IMS werden Diamant beschichtete Bohrer im Durchmesserbereich von 0.60 – 6.40 mm eingesetzt. Die empfohlene Schnittgeschwindigkeit beträgt v = 250 m/min ± 10 %; der Vorschub pro Umdrehung sollte bei ca. 50 - 60 % im Vergleich zu FR4 liegen. Die Standzeit der Diamant beschichteten Bohrer ist im Vergleich zu unbeschichteten Bohrern min. 10-fach höher. Standardbohrer im Durchmesserbereich ≥ 3.20 mm erzeugen aufgrund Ihres zylindrischen Außen-Ø sehr hohe Schnittkräfte und Reibungswärme. Die Diamant beschichteten Bohrer haben eine spezielle Geometrie mit Außendurchmesserverjüngung und Kernausspitzung. Durch diese Geometrie mit sehr kurzer Querschneide kann bis Bohrer-Ø 4.0 mm ins Volle gebohrt werden. Bei Bohrer-Ø > 1.50 mm kann je nach Qualitätsanforderung und Aluminiumqualität teilweise im 2er Stapel gebohrt werden. Bild 2: Diamant beschichteter Bohrer nach 7000 Bohrhüben 2. Fräsen: Beim Fräsen von IMS Außen- und Innenkonturen bringen 2-Schneidenfräser mit Diamantbeschichtung (Bild 3) optimale Vorrausetzungen mit. Durch die physikalischen Gleiteigenschaften der Diamantschicht fließen die Späne sehr gut ab und es entsteht keine nennenswerte Aufbauschneide. Die empfohlene Schnittgeschwindigkeit beträgt v = 230 m/min ± 10 %; der XY-Vorschub ist vergleichbar mit FR4. Die Standzeit der Diamant beschichteten Fräser liegt im Vergleich zu unbeschichteten Fräsern um ca. 10-fach höher. Idealerweise werden IMS in 2 Durchgängen mit Fräser-Ø Kompensation gefräst. Bild 3: Diamant beschichteter 2-Schneidenfräser Bild 4: Schnittkante nach ca. 60 m Standweg Immer häufiger werden IMS mit keramischem Dielektrikum benötigt. Dabei reduziert sich der Fräserstandweg aufgrung der keramischen Schicht drastisch (Bild 5). Bild 5: Erhöhter Werkzeugverschleiß im Bereich der keramischen Schicht Durch verschiedene Eintauchtiefen der Fräswerkzeuge in die Fräsunterlage können die Standwege wieder erhöht werden. Empfehlung Nach ca. 50% des Fräserstandweges die Eintauchtiefe des Fräsers in die Fräsunterlage erhöhen. Wenn sich die keramische Schicht oben befindet, muss die Eintauchtiefe verringert werden. Die Tiefenänderung ist abhängig von den Dicken der keramischen Schicht und des Außenlagenkupfers. Abhängig von der Fräsunterlagendicke kann dies mehrfach wiederholt werden. Zusammenfassung • Die Kosten der mechanischen Bearbeitung von IMS werden in erster Linie durch die richtige Werkzeug- und Parameterwahl beeinflusst. Diamant beschichtete Bohrer und Fräser garantieren eine hohe Maßgenauigkeit und Prozessfähigkeit und werden zwischenzeitlich weltweit eingesetzt. Insbesondere bei der mechanischen Bearbeitung von IMS aber auch bei Leiterplattenwerkstoffen mit Füllstoffen haben sich Diamant beschichtete Werkzeuge durchgesetzt. • Aus maschinentechnischer Sicht haben insbesondere Spannzangenrundlauf und Vibrationen einen hohen Einfluss auf die Werkzeugstandzeit und die Oberflächenqualität. • Durch die Verwendung einer Minimalmengenschmiereinheit werden Standweg und Qualität bei der mechanischen Bearbeitung von IMS sehr positiv beeinflusst. • Bei keramischen Dielektrika sind die empfohlenen Drehzahlen und Vorschübe um 10-20% zu reduzieren. Die Standwege werden sich auf ungefähr die Hälfte im Vergleich zu FR4 Dielektrika reduzieren. ----- Autor: Johann Schmidt, GCT GmbH