Boorgaten en uitsparingen: haal ze niet door elkaar

Voor de montage van componenten, connectoren, behuizingen, kabels, modules en andere onderdelen op de printplaat kunnen speciale openingen nodig zijn die afwijken van de ronde boorgaten. Deze zogeheten uitsparingen (cut-outs), waar ook de sleuven onder vallen, worden in een andere fase van het PCB-productieproces aangebracht dan de boorgaten. Om bepaalde uitsparingen al in de, meer nauwkeurige, boorfase uit te laten voeren kan de ontwerper ze opnemen in het boorgatbestand door ze te definiëren als onderdeel van een component, of als uitsparing op componentniveau.

Dit is het vierde deel van een serie artikelen over PCB-ontwerp en productie. Bekijk hier deel 1, deel 2, en deel 3.

Auteur: Saar Drimer, editor bij Eurocircuits

Het ene gat is het andere niet, en daar denkt ook nog eens niet iedereen hetzelfde over. Goed dus om in dit artikel over boorgaten en uitsparingen te definiëren waar we het nu precies over hebben. Algemeen geldt dat we onderscheid kunnen maken tussen drie soorten vormen die we uit het materiaal kunnen halen:

• Boorgat (‘drill’): een met een ronde boor gemaakt cirkelvormig gat, dat door de printplaat gaat.
• Uitsparing (‘cut-out’): elke vorm van een gat dat geen boorgat is.
• Binnen de uitsparingen is er nog een subset: de sleuf (‘slot’). Deze definiëren we als een uitsparing met een constante breedte, die gelijk is aan de diameter van een boorgat.

Boorgaten en uitsparingen kunnen volledig binnen de contour (outline) van de PCB liggen. Ze kunnen ook overlappen met de contour, zodat het lijkt alsof ze deel uitmaken van de contour bij de productie van de PCB. De contour freest men in de regel met een frees met een diameter van 2 mm.

Component- of boardniveau

Zowel voor de boorgaten als de uitsparingen geldt dat ze op componentniveau en op printplaatniveau kunnen worden aangebracht.

Op componentniveau zijn de boorgaten en uitsparingen gedefinieerd als deel van een component in de PCB-ontwerptool, en zijn ze opgenomen in het boorgatbestand dat aan de PCB-fabrikant wordt geleverd.

Op boardniveau zijn de boorgaten en uitsparingen gedefinieerd als deel van de contour van de printplaat of een mechanische laag. En aanvullend: als boorgaten en uitsparingen, die niet naar voren komen in het boorgatbestand.

Boren of frezen

Als ontwerper is het verleidelijk om te denken dat boorgaten en uitsparingen ongeveer hetzelfde zijn: je boort of je boort en beweegt daarbij in het platte (XY-) vlak (wat feitelijk frezen is). Zo eenvoudig ligt dat echter niet. Om goed te begrijpen hoe boorgaten en uitsparingen worden gemaakt, moet je weten in welke fase van het PCB-productieproces deze procedés plaatsvinden.

De boorfase is aan het begin van het fabricageproces, vóór het belichten van de fotogevoelige laag voor etsen van het koperpatroon. Dit proces vereist zeer nauwe toleranties om zo goed mogelijk aan te sluiten bij de toleranties van de uiteindelijke kopersporen.

Het frezen vindt normaal gesproken aan het einde van het fabricageproces plaats, met minder nauwgezette mechanische toleranties als bij het boren. De huidige tolerantie op de PCB contour bij Eurocircuits bedraagt 0,20 mm, wat gezien de fijnmazigheid van het koperbeeld onmogelijk voor de boorfase zou kunnen werken.

Verschuivingen

Zoals al eerder aangegeven hebben bewerkingen in de freesfase een lagere tolerantiespecificatie dan die in de boorfase. Dit heeft twee redenen. Ten eerste zorgen de krachten die frezen (beweging in de XY-richting) uitoefent op de spindelkop ervoor dat deze sneller aan nauwkeurigheid verliest dan wanneer er alleen geboord zou worden. En ten tweede zijn de positiegaten die gebruikt worden om het paneel op de freesmachine te plaatsen, gemaakt tijdens de boorfase. Dat betekent dat tijdens het fabricageproces de freespositie lichtjes kan verschuiven, wat de positietolerantie van de freesfase nadelig beïnvloedt.

Naar voren halen

‘Waarom zou een ontwerper zich hier iets van moeten aantrekken?’, zou je kunnen vragen. Dat heeft alles te maken met nauwkeurigheid en toleranties. Immers, als we een maximale uitsnijdingsnauwkeurigheid en nauwere toleranties ten opzichte van andere elementen (boorgaten, soldeereilanden, andere uitsparingen) willen bereiken, dan is het wenselijk dat dit freeswerk ook in de boorfase wordt gedaan! Het aanbrengen van boorgaten, al dan niet verkoperd, vindt standaard in die fase plaats. Om ervoor te zorgen dat uitsparingen ook in die fase worden gemaakt, kunnen we ze definiëren als doorgemetaliseerd of ze opnemen in het boorgatbestand door ze te definiëren als onderdeel van een component, of als uitsparing op componentniveau. Bedenk hierbij dat het aanleveren van Gerber X2/X3 boorgatbestanden de PCB-fabrikant helpt bij het correct verwerken van boorgaten en uitsparingen. Het Gerber X2/X3 format bevat meer specifieke informatie dan oudere formaten; gebruik dan ook Gerber X2/X3 waar mogelijk.

Het definiëren van de uitsparing op componentniveau pakt op twee manieren voordelig uit. Ten eerste houdt het de afstandstolerantie tussen elementen van dezelfde component zo laag mogelijk. En als de ontwerper de component in zijn ontwerptool verplaatst, bewegen de boorgaten en uitsparingen automatisch mee, terwijl uitsparingen op printplaatniveau dat niet doen.

Uitsparingen bij Eurocircuits

Goede resultaten hangen af van eenduidige data en communicatie. Informatie over de optimale wijze van aangeven van sleuven en uitsparingen bij Eurocircuits is te vinden op: www.eurocircuits.com/pcb-design-guidelines-mechanical-layer/ 

Voor een maximale uitsnijdingsnauwkeurigheid en nauwere toleranties ten opzichte van andere elementen is het zaak om ook de uitsparingen al in de boorfase aan te brengen.

Dit artikel verscheen eerder in ElektroData