Технология изготовления печатных плат

 

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.

 
На рисунке изображены 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;

Многие из приведенных параметров геометрии и поверхности сверл  можно получить только на специальном  прецизионном станке, снабженном набором  алмазных кругов различной зернистости. Только при этих условиях можно затачивать твердосплавные сверла, которые по качеству шлифованной поверхности  не отличались от требований ГОСТ 22095 и  технологической документации.

Стружко-отводное пространство можно увеличить только уменьшением толщины сердцевины сверла. Это влечет за собой опасность увода сверла, особенно при сверлении без направляющих втулок. Компромиссное решение состоит в выполнении сердцевины в виде конуса с основанием у хвостовика.

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 стеклянной стружки, предотвращает  прилипание к ней крошек смолы. Тем  не менее гарантии бесперебойного отвода стружки наступают при достаточно широких отводных каналах, если площадь спиральных канавок приблизительно вдвое больше, чем площадь остальной внешней поверхности сверла. Малый угол подъема винтовых канавок приводит к зажиму режущей кромки.

Переточка сверл

Износ сверл происходит главным  образом на режущих кромках - это  углы режущих кромок, главные грани, ленточки, главная режущая кромка, вспомогательные режущие кромки. Непременное условие хорошего качества сверл после переточки - отсутствие скруглений главной режущей кромки. Опыт показывает, что этого можно достичь только при шлифовании грани не менее чем на 0,3 мм. Для переточки твердосплавных сверл необходим специальный станок, аттестованный по точности исполнения геометрии сверла.

Несмотря на возможность хорошей  переточки изношенных сверл, в производстве прецизионных печатных плат она используется ограниченно. Износ приводит к такому изменению диаметра сверления, что  зазор в направляющей втулке становится слишком большим. Так, сверло диаметром 1,0 мм в направляющей втулке диаметром 1,01 мм может иметь смещение на сторону порядка 0,05 мм. Поэтому уже зазор 0,01 мм является большим для точного центрирования. А вновь заточенное изношенное сверло, диаметр которого уменьшается каждый раз по крайней мере на 0,01 мм, будет иметь большой люфт в направляющей втулке. Исходя из этого становится понятным, почему использование направляющих втулок ограничено, помимо того что при переточке сверл они мало эффективны для центрирования. И вместе с этим их применение обладает рядом недостатков: плохое удаление стружки, ухудшение теплоотдачи, необходимость использования сверл с длинной рабочей частью, частая поломка сверл при входе в направляющую втулку, более сложная установка сверл, затруднения при автоматической смене сверл.

Изготовленные на заводе сверла, как  правило, не нуждаются в проверке. Перезаточенные сверла нужно проверять в первую очередь на правильность заточки вершины сверла. 
Стойкость твердосплавных сверл между переточками составляет 1000…1300 отверстий, что соответствует суммарной глубине 1500…2000 мм. Критерий затупления - износ по задней поверхности режущей части 0,05ldots0,07 мм для сверл диаметром до 1 мм и 0,07…0,08 мм для сверл диаметром свыше 1 мм.

 

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 подплатников:

·                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. Фенольные материалы и сплавы (т. е. Фенольный плакированный алюминий) обычно деформированы. При обычных условиях сверления это послужит усиленному загрязнению отверстий медью с поверхности. В результате возникнут проблемы с металлизацией отверстий, т. к. палладий (или другой металл) не осаждается на медь. Алюминиевые сплавы (как и алюминий) с правильно подобранными характеристиками (состав - толщина - твердость) удовлетворительно работают только при больших диаметрах сверл. С малыми же сверлами (менее 0,02 мм) существует риск разрушения сверла. Алюминиевый плакированный композит с целлюлозной сердцевиной обеспечивает твердость поверхности достаточную для предотвращения появления заусенцев, но одновременно уменьшает прогиб и вероятность разрушения сверла (как у алюминия и его сплавов).

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

Желательные свойства материала подплатника следующие: минимальное изменение толщины, плоскостность (отсутствие неровностей, коробления и изгибов), не абразивность, не загрязняет, имеет гладкую поверхность, низкую энергию резания (для уменьшения температур резания), также поверхность этого материала должна быть твердой, что обеспечивается медным покрытием, и не должен повреждать или налипать на сверло.

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. Фенольные материалы или композиты обычно деформированы и при большинстве условий сверления будут загрязнять стенки отверстий, в результате чего возникнут проблемы с адгезией палладия (или другого осаждаемого материала).

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 не параллельности внутреннего и внешнего цилиндра кольца, возникают проблемы с посадкой сверла (с кольцом) в шпиндель или кассету. В последнем случае это может вызвать 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 часть центрирующие штифты разрушаются или деформируются (т.е. сжимаются при установке в  пакет). Если штифты посажены недостаточно плотно, то это (в следствие 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.