Сверление отверстий

Тема 26. Этапы производства печатных плат

Сверление - наиболее распространенный метод получения отверстий однослойных и многослойных печатных платах. Эти отверстия используются:

- Во-первых, для создания электрического соединения между верхней и нижней сторонами плат (или внутренними внешними слоями в МПП).

- Во-вторых, для монтажа DIP компонентов.

Сверлением можно получать как сквозные, так и глухие отверстия. Методы сверления для двухсторонних и многослойных печатных плат практически идентичны - и в том, и в другом случаях используются автоматизированные сверлильные станки с ЧПУ. Эффективность сверления в производственных условиях определяется рядом факторов:

- параметрами оборудования (производительность, координатная точность, частота вращения шпинделя),

- видом и материалом сверл,

- особенностями технологической оснастки,

- режимами обработки,

- квалификацией персонала.

Режимы сверления

Под режимами сверления будем подразумевать скорость вращения шпинделя (скорость резания) и подачу. Скорости резания и подачи должны выбираться так, чтобы получить оптимальные соотношения между высокой производительностью, стойкостью сверл и хорошим качеством отверстий. Оптимальная скорость резания подбирается для каждого типа материала и каждого типа конструкции ПП и тщательно, потом поддерживается в процессе производства.

При оценке параметров резания следует иметь в виду, что скорость вращения сверла - величина непостоянная: в зависимости от момента инерции шпинделя он получает то или другое замедление по мере врезания сверла в тело платы, при пересечении различных слоев материала шпиндель получает разное замедление.

Точность сверления

Современное автоматическое оборудование позволяет высверливать отверстия с точностью, большей достигаемой обычно в условиях производства. Причина этого заключается в том, что на точность сверления оказывает влияние ряд факторов, связанных с неточностями геометрии сверл и особенностями стеклотекстолитов.

Чем острее и прочнее сверло, тем меньше его доля в суммарной ошибке. Та или иная степень разбалансировки, присущая любому сверлу, всегда приводит к эксцентриситету. Прочные стеклянные волокна стеклоткани отклоняют сверло, ему легче ввинчиваться в мягкую смолу. Ясно, что точность сверления будет выше в материале, армированном тонкой стеклотканью. Поэтому точность сверления повышается с уменьшением толщины стекловолокна, плотности переплетения, увеличения диаметра сверла и содержания связующего. По мере увеличения стопы ПП отклонение сверла становится все более заметным в нижних платах. Центрирование сверла можно намного улучшить, используя головку прижима или короткие сверла. При сверлении прецизионных ПП использование головки прижима обязательно, при этом запрещается сверление более одной ПП в пакете.

Сверла

Сверло - основной инструмент используемый, для получения отверстий в производстве печатных плат. Общий вид сверла представлен на рисунке.

Материалы сверл

Сверла в основном изготовляют из карбида вольфрама. Его большое сопротивление износу (и относительно низкая стоимость) делают его наиболее подходящим материалом для сверления очень абразивных материалов. Однако это хрупкий материал, что накладывает особые требования к хранению и уходу за сверлами.

Конструкция сверл

Сверла для обработки печатных плат отличается от общих машиностроительных. Рассмотрим эти особенности:

- предельно малая толщина режущей грани уменьшает трение за счет уменьшения площади контакта между сверлом и дном отверстия;

- тщательная обработка поверхностей направляющих ленточек и главной задней поверхности (Rz < < 0,8 мкм) и спиральных канавок (Rz < 1,6 мкм) гарантирует большую стойкость, лучший отвод стружки и высокое качество отверстия;

- большое стружкоотводное пространство (k << 0,2 d) способствует лучшему удалению стружки, благодаря этому степень нагревания значительно меньше, а также уменьшается нанос смолы на стенки отверстия;

- с увеличением прочности стержня возрастает собственная стабильность, и предотвращаются сильные собственные колебания сверла; четырехгранная заточка, обеспечивающая хороший режим резания, и призматическая вершина сверла обеспечивают хорошую центровку, благоприятствуют удалению стружки, сверлению без задиров;

- обратная конусность сверла (0,02 мм на 10 мм длины) уменьшает трение и способствует уменьшению теплообразования. Между тем обратная конусность должна быть настолько мала, чтобы диаметр сверления даже после нескольких переточек еще не выходил за пределы допуска;

- особые требования к концентричности между хвостовикам и рабочей частью сверла (примерно 0,005 мм) направлены на улучшение точности центровки в процессе сверления;

- важное значение имеет симметрия режущих кромок; осевое биение режущих кромок, измеряемое у ленточек, не должно превышать 0,01 мм.

Рис. 26.1 отличительные признаки сверл для сверления отверстий в печатных платах: 1 - предельно малая толщина режущей грани; 2 - большое стружко-отводное пространство; 3 и 4 - большая симметрия режущих кромок; 5 - обратная конусность рабочей части сверла - X; 6 - утолщающаяся к основанию сердцевина сверл улучшенной конструкции - у;
7 - цилиндрический участок рабочей части сверла улучшенной конструкции

Какой бы малой ни была обратная конусность сверла, переточка, так же как и износ, приводит к постепенному уменьшению его диаметра. Чтобы замедлить этот процесс, начало рабочей части сверла на небольшой длине можно сделать цилиндрической. Однако такой конструкции сверла свойствен повышенный нанос смолы, поэтому для сверления печатных плат их используют редко. В основном они применяются там, где требуется повышенная точность диаметра отверстия, например для сверления отверстий под запрессовку штифтов в плату.

Влияние конструкции сверла на качество сверления.

Качество отверстий решающим образом зависит от геометрии рабочей части сверл. Слишком большой угол при вершине сверла ведет к осевому отклонению сверла при соприкосновении его с материалом основания, слишком малый - к осевому отклонению внутри материала, образованию крупной стружки, которая плохо удаляется и приводит к повышенному износу сверла. Хотя, нужно заметить, с уменьшением угла при вершине сверла до 80° наблюдается уменьшение наволакивания смолы. Оптимальный угол при вершине приблизительно равен 125°.

Образующаяся при сверлении фольгированного стеклопластика трехкомпонентная стружка обладает рядом неприятных свойств, с которыми приходится считаться: медная стружка, обладая малой долей упругой деформации, способна сминаться и забивать спиральную канавку; смоляное крошево, обладая хорошей адгезйонной способностью, будучи подогретым тепловыделениями при резании, налипает на стенки спиральной канавки; стеклянный скол - абразивный материал.

Полировка поверхности канавок обеспечивает хорошее скольжение медной и стеклян-ной стружки, предотвращает прилипание к ней крошек смолы. Тем не менее гарантии беспере-бойного отвода стружки наступают при достаточно широких отводных каналах, если площадь спиральных канавок приблизительно вдвое больше, чем площадь остальной внешней поверх-ности сверла. Малый угол подъема винтовых канавок приводит к зажиму режущей кромки.

Технологическая оснастка

Технологическая оснастка играет важную роль в процессе получения отверстий в печатных платах. В нее входят: надплатники, подплатники, маркировочные кольца и центрирующие штифты.

Надплатники

Назначение:

- обеспечивают центрирование сверла.

- предохраняют сверла от разрушения

- предотвращают появление заусенцев на контуре отверстия

- предотвращают загрязнения отверстий и сверла

- обеспечивают прижим плат в пакете (Prevents Pressure Foot Marks)

Материалы. Существует много материалов которые можно использовать для надплатников, однако есть специально полученные для этой цели материалы. Эти материалы были разработаны для улучшения точности сверления и уменьшения риска разрушения сверла.

Материалы используемые для надплатников:

- Алюминиевый плакированный композит с целлюлозной сердцевиной.

- Алюминий и сплавы (различного состава и толщины).

- Фенольный плакированный меланин.

- Фенольный плакированный алюминий.

- Рабочие характеристики.

При правильно подобранном материале надплатника, он будет улучшать совмещение отверстий и уменьшать риск выхода из строя сверла, уменьшая прогиб сверла до контакта с пакетом плат. В соответствии с этим он должен быть ровным и не иметь ямок, вмятин и царапин. Деформированный или изогнутый надплатник будет причиной появления дополнительных металлических заусенцев, что приведет к преждевременному выходу из строя сверла. Поверхностные дефекты и твердые материалы слишком изгибающие сверло, будут уменьшать точность сверления и, при небольших диаметрах, способствовать разрушению сверла.

Подплатники

Назначение:

- обеспечивают безопасную среду для выхода сверла

- предотвращают появление заусенцев на контуре отверстия

- предотвращают загрязнения отверстий и сверла

- уменьшают температуру сверления

- улучшают качество отверстия

Материалы. Существует множество материалов, которые можно использовать для подплатника. Некоторые материалы, используемые для подплатников были специально разработаны. Эти материалы: композиты различными поверхностными покрытиями или материалы с нанесенным поверхностным слоем. Основные материалы, используемые для подплатников:

- Композит эпоксидный, плакированный бумагой, с деревянной сердцевиной использующий соединяющий компонент со смазочными свойствами.

- Композит, плакированный алюминием, с деревянной сердцевиной.

- Композит, плакированный эпоксидной бумагой, с деревянной сердцевиной.

- Композит, плакированный меланином, с деревянной сердцевиной.

- Композит, плакированный уретаном, с деревянной сердцевиной

- Твердый Фенол.

- Плакированный алюминием фенольный композит.

- Дерево.

- Древесноволокнистая плита.

- Рабочие характеристики

Материалы подплатников со смазочными свойствами на 50% или более снижают температуру сверления. Обычно эта температура ниже температуры плавления покрытия рассверливаемого материала. Это обстоятельство сильно снижает дефекты стенок отверстия, что в свою очередь позволяет увеличивать размер пакета рассверливаемых плат, и увеличивает срок службы сверла. Это очень важно, т. к. уменьшает стоимость отверстия и увеличивает продуктивность и выход годного.

Нужно помнить, что при сверлении часть материала подплатника остается на сверле, и при его выходе может происходить загрязнение отверстия. Материалы содержащие (или просто) фенолы не очень пригодны для использования в качестве подплатников.

Посадочные кольца

Посадочные кольца предназначены для обеспечения единой длины от вершины сверла до плоскости кольца. Это необходимо для контроля глубины резания. Поэтому качество этих колец может сильно влиять на качество сверла вообще. Посадочные кольца напрессовываются на сверло. Слабо напрессованное кольцо приводит к его смещениям относительно вершины сверла и следовательно к неконтролируемой (часто недостаточной) глубине резания. Слишком сильно напрессованное кольцо может сломаться. При несносности или непараллельности внутреннего и внешнего цилиндра кольца, возникают проблемы с посадкой сверла (с кольцом) в шпиндель или кассету. В последнем случае это может вы-звать неполадки со сменой инструмента в процессе работы.

Посадочные кольца выполняют разных цветов в зависимости от диаметра, на них также наносят величину диаметра и/или длину рабочей части сверла и/или серийный номер. Так что посадочные кольца выполняют две функции:

- обеспечения единой длины

- маркировки сверл.

Центрирующие штифты

Центрирующие штифты могут быть различной формы и размеров. Их стоимость в общей стоимости изготовляемой платы незначительна. Очень часто центрирующие штифты разрушаются или деформируются (т.е. сжимаются при установке в пакет). Если штифты посажены недостаточно плотно, то это (вследствие смещения плат) может вызывать множество проблем - от увеличения заусенцев и других дефектов отверстия до плохой точности взаиморасположения или поломки сверла. Для решения этих проблем достаточно своевременно менять штифты. Рационально использовать штифты диаметра. Штифты с диаметром меньшим чем могут вызывать смещения пакета плат.