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      涂覆型鋁片在印制線路板高精度鉆孔中的應用

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      涂覆型鋁片在印制線路板高精度鉆孔中的應用

      發布日期:2018-01-31 作者: 點擊:

      涂覆型鋁片在印制線路板高精度鉆孔中的應用


      隨著現代電子產品日益向小型化、高集成、高性能的趨勢發展,PCB板孔密度越來越大、孔徑越來越小,反應在鉆孔工序即是孔到線路(導體)距離越來越小,這就對鉆孔孔位精度要求越來越高。目前業界主要從鉆刀、墊板、蓋板、鉆機和生產參數等方面入手提高孔位精度。其中蓋板是影響孔位精度的最關鍵因素之一。

      目前國內外已經出現了多種可提升孔位精度的涂覆型鋁片蓋板,其相比普通鋁片具有更好的導鉆、潤滑、散熱作用,可有效提高孔位精度、減少斷針、抑制孔粗等。但有關涂覆型鋁片提高孔位精度的機理的報道較少,本文從鉆刀入鉆瞬間滑移及散熱模型對涂覆型鋁片能提高孔位精度的作用機理進行深入分析,詳細解答了涂覆型鋁片的性能優勢及評估要點。為生產和使用涂覆型鋁片的相關技術人員提供理論參考。

      涂覆型鋁片提升孔位精度機理分析

      涂覆型鋁片簡介

      涂覆型鋁片就是在鋁箔的表面再涂覆上一層表面涂層,在業界一般稱為涂層鋁片或潤滑鋁片。

      涂覆型鋁片主要有利于入鉆,防止打滑,降低鉆咀磨損,潤滑與清潔鉆咀,降低鉆頭溫度等作用。這主要取決于其表面涂層材料,一般為特殊樹脂組成,并具備一定潤滑性、水溶性、支撐性和低熱熔性。

      涂覆型鋁片對PCB板加工的優勢主要體現以下兩點:①使用相同條件加工后的板件的孔位測試精度結果,涂覆型鋁片蓋板的孔位偏差較普通鋁片大大降低;②使用相同條件加工后的板件在電鍍后的孔壁切片,涂覆型鋁片蓋板的孔壁粗糙大度較普通鋁片大大降低。

      入鉆滑移理論分析

      在印制線路板機械鉆孔中,鉆頭下鉆接觸涂覆型鋁片蓋板時,蓋板上的樹脂涂層可以在鉆頭接觸板面瞬間穩住鉆針,減少偏斜。為了能更好解釋其作用機理及影響因素,從鉆孔中發生偏位的基本原理,尤其是鉆針的入鉆瞬間滑移入手,分析鉆尖平衡態的受力情況。

      鉆孔偏位基本原理示意圖,鉆刀下鉆接觸板面的瞬間,由于本身主軸豎直中心線與生產板水平中心線并非完全的垂直、外加主軸動態偏移導致鉆刀受到水平方向(X/Y方向)的分力,從而形成鉆尖瞬間滑移。從鉆尖的受力情況分析可知入鉆滑移量σ0與蓋板的阻止鉆刀入鉆瞬間滑移的能力參數有關,在此定義這個能力參數為蓋板的廣義摩擦系數u。u越大,說明蓋板阻止鉆刀入鉆瞬間滑移的能力越大,越能穩住鉆刀,降低入鉆瞬間滑移量σ0,從而越能提高鉆孔空位精度。

      其中,H表示生產板厚,X0表示文件中孔的理論位置,Xˊ表示主軸實際定位的位置,X表示鉆刀下鉆瞬間鉆尖的實際位置,σ表示反面鉆孔孔位偏差,Δσ正反孔位差值,θ表示鉆刀下鉆過程中的中軸線與板平面法線的夾角,L表示鉆刀刃長,σ0+run-out表示鉆刃彎曲與主軸動態偏移的綜合偏差值。θ0表示生產板中心平面與X/Y平面的夾角,θ1表示主軸動態run-out導致的偏移角,θ1ˊ表示鉆尖滑移+動態run-out共同導致的偏移角,σ0表示鉆刀鉆入蓋板瞬間鉆尖的滑移量。

      散熱理論模型分析

      在PCB鉆孔中,鉆刀高速運轉切削PCB產生大量熱,若不及時排出將使得鉆刀一直處于高溫狀態導致鉆刀剛性下降,從而降低鉆孔孔位精度及孔壁質量。通常業內采用高純鋁片作為鉆孔用蓋板其中一個重要因素就是通過金屬鋁的高熱導率將線路板表面熱量帶走,降低溫度。其中熱量的傳遞是一個復雜的過程,為更好解釋涂覆型鋁片在高精度鉆孔中散熱方面的優越性及其主要影響因素,將散熱過程簡化為接觸散熱模型和蓋板散熱模型。

      接觸散熱模型

      鋁片蓋板與PCB板面接觸時,兩者間的接觸散熱主要通過微凸體的熱傳導方式散熱。用Qc 、Qg 、Qr 分別表示接觸面間微凸體接觸散熱、間隙氣體傳導散熱、熱輻射散熱,通過接觸面總的散熱量Qj為三者的和:

      Qj=Qc+Qg+Qr                 (2-1)

      發生接觸的兩個固體表面,由于接觸面并非完全光滑,因此實際只在某些點上發生接觸,而界面間大部分的面積被間隙氣體所填充。間隙氣體的導熱性能較差,當熱量通過接觸界面時,熱流將流向發生接觸的微凸體進行傳遞。因此提高微凸體的接觸面積是提高接觸散熱的有效方式,而在生產中主要采取控制鋁片蓋板下表面的平整度及提高鋁片和PCB上表面接觸的緊密性。

      兩固體接觸的緊密性與平面間的裝配壓力密切相關。當壓力較小時,接觸面間只有很少的微凸體發生形變,實際接觸面積較小,隨著壓力的增加,之前相互接觸的微凸體受到擠壓而產生形變,增加接觸面積,同時使得兩個接觸表面靠得更近,空氣層變薄,更多的新微凸體發生接觸,增大了實際接觸面積。前人研究表明兩個固體表面相接觸時,即使兩界面間的接觸壓力達到10 MPa時,實際接觸面積也僅占名義面積的1%~2%。

      兩個固體接觸面間接觸導熱是受材料熱物性、機械性能、粗糙表面形貌、表面粗糙度及負載、溫度、介質和環境等眾多因素影響的復雜問題。在此只是從應用的角度,通過簡單的接觸散熱模型解釋蓋板的表面粗糙度及鉆孔中的裝配壓力對鉆孔散熱的影響。

      蓋板散熱模型

      鋁片蓋板所散發的熱量主要由三部分組成:一是蓋板升溫吸熱;二是蓋板通過熱輻射散到周圍環境中;三是涂覆層相變所吸收的熱量,則熱平衡方程如下:

      其中,Q為蓋板散發的熱量,即接觸散熱模型中PCB給蓋板的微凸體接觸散熱量Qc,在鉆孔參數和板材確定的情況可將其視為常數。

      Q1為蓋板升溫所吸收的熱量:

      Q2為熱輻射量,包含鋁片層、涂覆層分別向周圍環境熱輻射量,則:

      Q3為涂覆層相變材料相變所吸收的熱量:

      將式2-3、2-4、2-5及質量、面積公式代人2-2得:

      式中,m1、m2分別為鋁片層和涂覆層等效質量,T0、T1、T2分別為空氣、鋁片層和涂覆層溫度,c1、c2分別為鋁片層和涂覆層的比熱容。ε1、ε2分別為鋁片層和涂覆層散熱表面廣義發射率,A為等效散熱面積,σ為斯特藩-波爾斯曼常數,h為相變材料的相變潛能,ρ1、ρ2分別為鋁片層和涂覆層的密度,r為等效半徑,d1、d2分別為鋁片層和涂覆層的厚度,t1、t2分別為熱量在鋁片層和涂覆層傳遞的作用時間。

      根據涂覆型鋁片和普通鋁片及不同廠家不同型號涂覆型鋁片的不同,將其分類討論如下:

      普通鋁片和涂覆型鋁片對比

      針對普通鋁片無樹脂涂覆層,因此式2-6簡化為

      對比式2-6和2-7可知,當熱量Q一定(即采用同樣參數鉆同一款線路板)時, 涂覆型鋁片的等效半徑r、溫度T、作用時間t比普通鋁片要小,因此涂覆型鋁片的散熱效能優于普通鋁片,作用區域更小,更能有效降低鉆刀溫度;

      不同涂覆型鋁片對比

      目前不同廠家不同型號的涂覆型鋁片蓋板最大的區別在于樹脂涂覆層,而非鋁片層,因此可認為鋁片層吸收、輻射的熱量所占總熱量的比值k是一定的,則2-6可簡化為

      當熱量Q一定時,等效半徑r、作用時間t分別與涂層密度ρ、厚度d、比熱容c、相變潛能h、反射率ε成負相關??紤]到實際情況及生產應用,涂層ρ、d、ε可提升量不大,因此在生產制造涂覆型鋁片中建議使用比熱容和相變潛能大的涂層材料。

       實驗測試及討論

      不同鋁片蓋板對鉆孔品質的影響

      實驗條件

      選擇兩種不同廠家的涂覆型鋁片A、B和普通鋁片C作為鉆孔用蓋板,在一定條件下進行鉆孔,并鉆刀磨損、孔壁質量、孔位精度等進行測試。

      不同鋁片對鉆刀纏絲的影響

      采用3D立體顯微鏡對鉆完5000個孔后鉆刀刀身部位進行觀察,比較各種鋁片對纏絲抑制性能。圖中顯示涂覆型鋁片對鉆刀纏絲的抑制能力相比普通鋁片要好,主要是與涂覆層的潤滑作用有關,潤滑性越好鋁片蓋板對鉆刀纏絲的抑制能力越強。

      不同鋁片對孔壁粗糙度的影響

      對采用不同鋁片的鉆完后的孔進行金屬化處理,并在5000hits區域進行切片觀察,測量孔粗、燈芯。普通鋁片的孔形及孔粗要比涂覆型鋁片的大,說明鉆刀磨損嚴重。

      不同鋁片對孔位精度的影響

      對每1000個孔進行孔位精度測試,涂覆型鋁片的孔位精度相比普通鋁片提升了0.5mil以上。而不同涂覆型鋁片間也存在一定差異,涂覆型鋁片A的孔位偏差量相比涂覆型鋁片B的要低,且差值隨鉆孔數量的增加而增大,等鉆孔數量達到5000個時,差值為0.32mil。

      不同孔間距對孔位精度的影響

      通過散熱模型分析可知,涂層材料的比熱容和相變潛熱是影響鉆孔孔位精度的重要因素,即不同涂層材料的鋁片蓋板對鉆孔溫度影響區域半徑不一樣。因此采用不同孔間距進行鉆孔并測試其孔位精度??孜痪入S孔間距的增加而增大,但增大趨勢逐漸降低,當孔間距達到一定值后,孔位精度基本不變,而這三種鋁片蓋板相應的間距值按大小排序為:C>A>B,說明普通鋁片的溫度影響區域(體現于模型中的半徑r)最大,涂覆型鋁片A次之,涂覆型鋁片B的最小。

      為進一步驗證其與比熱容和相變潛熱的關系,涂層材料進行DSC測試。涂層A在80℃左右有一個明顯的吸熱峰,主要是因為涂層相變吸熱,而涂層B沒有明顯的吸熱峰,但其熱流量一直比A要高,說明涂層B的比熱容高于涂層A,因此其溫度作用區域較小。一般而言,樹脂的比熱容比金屬的要大得多,且高純鋁在200℃內不會有產生相變,因此普通鋁片的溫度影響區域比涂覆型鋁片的高。

      小結

      測試結果表明涂覆型鋁片在抑制鉆刀纏絲、抑制孔粗及孔位精度控制上優于普通鋁片,況且這種優越程度主要取決于涂覆層樹脂的阻止鉆刀入鉆瞬間滑移能力、比熱容和相變潛熱等參數。

      結論

      涂覆型鋁片蓋板能提高孔位精度和孔壁質量,特別是加工一些高厚徑比的線路板時對孔位精度的提升效果明顯。在蓋板制造中,要選擇比熱容和相變潛熱高的涂層材料,并保證其與鋁片的結合緊密性及表面廣義摩擦系數。在蓋板使用中,要針對不同鉆孔要求選擇不同規格的涂覆型鋁片。然而,目前涂層蓋板的購買成本卻是普通鋁片的數倍,因此一般只應用于高精度、高品質鉆孔要求的線路板,當然還可以通過提高鉆頭的使用壽命、提升磨次、增加鉆孔疊板數等來降低使用涂層蓋板的綜合使用成本。


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