Выпуск #2/2007
Кью Джиангу(Qu Jianguo), Фу Лианю (Fu Lianyu) и Джин Жефенг (Jin Zhefeng).
МЕХАНИЧЕСКОЕ СВЕРЛЕНИЕ ПЕЧАТНЫХ ПЛАТ
МЕХАНИЧЕСКОЕ СВЕРЛЕНИЕ ПЕЧАТНЫХ ПЛАТ
Просмотры: 1507
Механическое сверление как метод формирования отверстий все еще доминирует в производстве ПП.
Известно, что мировая индустрия ПП испытывает подъем. По данным консалтинговой фирмы Prismark, средний ежегодный рост мирового выпуска ПП с 2006 по 2010 год составит около 6%. Наибольшие темпы развития наблюдаются в Китае, где рост ПП составляет 14%.
Механическое сверление ПП с использованием микросверл является основным технологическим процессом в производстве ПП. В соответствии с быстрым развитием индустрии ПП в 2005 году ею было использовано порядка 680 млн. микросверл, а в 2006 году их число достигло 760 млн. С большой определенностью можно предсказать, что в 2007 году потребность в микросверлах возрастет еще больше. В Китае выпуск микросверл возрастет с 30 млн. шт. в 2005 году до 40 млн. в 2007.
РАЗВИТИЕ ПРОИЗВОДСТВА МИКРОСВЕРЛ
Чтобы адаптироваться к быстрому развитию ПП, необходим высокоэффективный метод проектирования сверл. Метод проектирования, основанный на сочетании теоретического анализа, числового моделирования и экспериментальной проверки, представляет собой путь повышения эффективности проектирования и гарантирует качество работы. В этом методе используется трехмерное моделирование формы сверла. Для оптимизации параметров сверла применяется анализ конечных элементов. При экспериментальной проверке рекомендуются параметры надежности. На основе результатов эксперимента может быть проверена и оптимизирована начальная конструкция. В последние годы в производстве карбида вольфрама – исходного материала микросверл – имели место большие достижения. В принципе этот материал должен иметь высокие параметры по размеру зерна, прочности, твердости, износостойкости, стойкости на излом, теплопроводности, противохимической эрозии и механообработке. Важным свойством карбида вольфрама является размер зерна. В 1999 году компания Sandvik представила новый карбид вольфрама с размером зерна 0,2 мм, который позволяет изготавливать микросверла диаметром 0,1 мм. Сегодня многие производители материалов могут поставлять мелкозернистый карбид вольфрама с прочностью на изгиб свыше 4000 МПа, который содействует прогрессу в изготовлении микросверл.
Материал сверла имеет большое значение особенно для сверл ультрамалых диаметров (менее 0,1 мм). Поскольку важную роль в будущем производстве ПП играют сверла ультрамалых диаметров, ожидается дальнейшее совершенствование карбида вольфрама с зернистостью нанометрового масштаба. Установлено, что средняя долговечность ультрамалых сверл возросла почти в два раза со времени использования новых материалов.
Для повышения производительности работы сверл используется покрытие. Такие методы покрытия, как осаждение из газовой фазы, применяются для получения ультратвердой композиции. В качестве материалов покрытия в основном могут применяться карбиды, нитриды, карбонитриды, оксиды, бориды, силициды, алмаз и композиционные материалы. В соответствии с химической связью эти материалы покрытия можно классифицировать по типам металлической, ковалентной и ионной связи. Так, карбид и нитрид титана принадлежат к материалам металлическогго типа связи с высокой точкой плавления, низкой хрупкостью и высокой прочностью пограничного соединения. Al2O3 и алмаз относятся к материалам ковалентного типа связи с высокой твердостью и низким тепловым расширением. Материалы покрытия ионного типа связи обладают высокой химической стабильностью, хрупкостью и высоким температурным коэффициентом расширения. Сегодня технология покрытия имеет успехи только в отношении сверл большого диаметра, для достижения их в микросверлах предстоит пройти еще долгий путь. Однако технология покрытия имеет большой потенциал и в производстве микросверл и должна рассматриваться производителями микросверл.
В целях снижения стоимости микросверла производятся со стальным хвостовиком. Средняя цена микросверл в последние 10 лет сильно снизилась, несмотря на радикальный рост цены карбида вольфрама на мировом рынке. Производители микросверл постоянно ищут новые решения. В настоящее время существует два метода соединения стержня из нержавеющей стали и стержня из карбида вольфрама, а именно: пайка твердым припоем (рис.1а) и вставка (рис.1б). Суммарные параметры первой конструкции выше, чем у второй, однако для второй конструкции требуется меньше карбида вольфрама, и, следовательно, стоимость ее изготовления ниже.
ПРИМЕРЫ НОВЫХ МИКРОСВЕРЛ
При введении бессвинцовой технологии температура стеклования ПП в основном повысилась. В некоторых случаях для повышения теплостойкости и размерной стабильности ПП в них добавляются наполнители (такие как SiO2, Al2O3 и Al(OH)3). Механическая обработка таких ПП становится затруднительной особенно потому, что износ сверла значительнее, чем при сверлении обычных ПП.
Для сверления ПП с высокой температурой стеклования подходит сверло с малыми винтовым и передним углами. При этом предотвращается излишний износ сверла и обеспечивается прочность режущей кромки. Между прочим, для лучшего устранения стружки нужно оптимизировать форму канавки (рис.2).
Сейчас, как известно, сильно возросла потребность в гибких ПП изза популярности мобильных телефонов и других портативных электронных устройств. На гибких ПП достигнута высокая плотность монтажа компонентов. Материал основания гибких ПП, такой как полиимид, имеет хорошие высокотемпературные параметры и низкое тепловое расширение. Однако полиимид обладает высокой вязкостью, которая затрудняет удаление стружек при сверлении. В результате перенос генерируемого при сверлении тепла также затруднен. Как и при сверлении жестких ПП, у гибких ПП часто возникают такие проблемы, как засорение стружками, загрязнение, неровности и т. п., которые предотвращаются адекватной конструкцией сверла. Было продемонстрировано, что конструкция стандартного сверла с большими винтовым и передним углами, большим отношением канавка/спинка и малой толщиной стержня подходит для сверления гибких ПП (рис.3).
Достойно внимания в развитии микросверл производство сверл с ультрамалым диаметром. Благодаря прогрессу в печатных платах высокой плотности соединений и подложках ИС диаметры отверстий ПП становятся все меньше. Можно ожидать, что в ближайшем будущем механическое сверление ультрамалых отверстий будет применяться в массовом производстве благодаря совершенствованию материалов сверл, технологических процессов и сверлильных станков с ЧПУ. Для сверления ультрамалых отверстий в основном используются ЧПУ сверлильные станки с высокой скоростью шпинделей (300 или 350 тыс. об./мин) и микросверла с диаметром 2 мм. Необходимо исследовать механизмы сверления на такой высокой скорости шпинделя, чтобы оптимизировать конструкции и шпинделя, и микросверла. Сегодня механическим сверлением можно достичь высокого качества отверстий диаметром 0,05 мм. Несколько производителей, включая Union Tool, Jinzhou и Kemmer, разработали сверла ультрамалых диаметров – 0,02 мм (рис.4).
ВЫБОР МЕХАНИЧЕСКОГО СВЕРЛЕНИЯ
Для того чтобы доминировать в сверлении ПП, механический метод должен совершенствоваться в отношении ультрамалых и глухих отверстий для повышения эффективности и снижения стоимости. При сопоставлении лазерного и механического сверления в первом следует отметить высокую эффективность и способность сверления глухих отверстий. Потребность в лазерных методах также возросла в последние годы благодаря возможности быстро обрабатывать ПП высокой плотности соединений и подложек ИС. Из двух обычно используемых лазерных методов сверления лазеры на СО2 используются для сверления микроотверстий относительно большого диаметра (например, больше 0,075 мм), а УФлазеры – для микроотверстий относительно малого диаметра (например, менее 0,075 мм). Оба эти типа лазерного сверления в основном используются для получения переходных микроотверстий, в то время как для массового создания сквозных отверстий они еще не подходят.
В сравнении с лазерными методами механическое сверление пока наиболее популярный метод для сверления сквозных отверстий. Оно широко используется в индустрии ПП. Статистические данные показывают, что в 2004, 2005 и 2006 годах в мире было продано соответственно 3000, 2800 и 3600 сверлильных станков для ПП. В 2007 году этот показатель возрастет на 17% и составит 4200 станков. Между прочим, успешно разрабатываются станки высокой скорости шпинделя с усовершенствованной конструкцией Zсистемы, что означает возможность сверления отверстий ультрамалых диаметров механическим способом. Многие изготовители ИС в Японии применяют механическое сверление сквозных отверстий диаметром 0,025 мм. Они считают, что это экономичнее, особенно, когда подложка содержит стекловолокна. Однако механическое сверление – все еще не подходящий кандидат для глухих отверстий изза трудностей управления глубиной сверления и сверления глухих отверстий малых диаметров.
В общем, лазерное и механическое сверления не заменяют друг друга, а дополняют.
Механическое сверление ПП с использованием микросверл является основным технологическим процессом в производстве ПП. В соответствии с быстрым развитием индустрии ПП в 2005 году ею было использовано порядка 680 млн. микросверл, а в 2006 году их число достигло 760 млн. С большой определенностью можно предсказать, что в 2007 году потребность в микросверлах возрастет еще больше. В Китае выпуск микросверл возрастет с 30 млн. шт. в 2005 году до 40 млн. в 2007.
РАЗВИТИЕ ПРОИЗВОДСТВА МИКРОСВЕРЛ
Чтобы адаптироваться к быстрому развитию ПП, необходим высокоэффективный метод проектирования сверл. Метод проектирования, основанный на сочетании теоретического анализа, числового моделирования и экспериментальной проверки, представляет собой путь повышения эффективности проектирования и гарантирует качество работы. В этом методе используется трехмерное моделирование формы сверла. Для оптимизации параметров сверла применяется анализ конечных элементов. При экспериментальной проверке рекомендуются параметры надежности. На основе результатов эксперимента может быть проверена и оптимизирована начальная конструкция. В последние годы в производстве карбида вольфрама – исходного материала микросверл – имели место большие достижения. В принципе этот материал должен иметь высокие параметры по размеру зерна, прочности, твердости, износостойкости, стойкости на излом, теплопроводности, противохимической эрозии и механообработке. Важным свойством карбида вольфрама является размер зерна. В 1999 году компания Sandvik представила новый карбид вольфрама с размером зерна 0,2 мм, который позволяет изготавливать микросверла диаметром 0,1 мм. Сегодня многие производители материалов могут поставлять мелкозернистый карбид вольфрама с прочностью на изгиб свыше 4000 МПа, который содействует прогрессу в изготовлении микросверл.
Материал сверла имеет большое значение особенно для сверл ультрамалых диаметров (менее 0,1 мм). Поскольку важную роль в будущем производстве ПП играют сверла ультрамалых диаметров, ожидается дальнейшее совершенствование карбида вольфрама с зернистостью нанометрового масштаба. Установлено, что средняя долговечность ультрамалых сверл возросла почти в два раза со времени использования новых материалов.
Для повышения производительности работы сверл используется покрытие. Такие методы покрытия, как осаждение из газовой фазы, применяются для получения ультратвердой композиции. В качестве материалов покрытия в основном могут применяться карбиды, нитриды, карбонитриды, оксиды, бориды, силициды, алмаз и композиционные материалы. В соответствии с химической связью эти материалы покрытия можно классифицировать по типам металлической, ковалентной и ионной связи. Так, карбид и нитрид титана принадлежат к материалам металлическогго типа связи с высокой точкой плавления, низкой хрупкостью и высокой прочностью пограничного соединения. Al2O3 и алмаз относятся к материалам ковалентного типа связи с высокой твердостью и низким тепловым расширением. Материалы покрытия ионного типа связи обладают высокой химической стабильностью, хрупкостью и высоким температурным коэффициентом расширения. Сегодня технология покрытия имеет успехи только в отношении сверл большого диаметра, для достижения их в микросверлах предстоит пройти еще долгий путь. Однако технология покрытия имеет большой потенциал и в производстве микросверл и должна рассматриваться производителями микросверл.
В целях снижения стоимости микросверла производятся со стальным хвостовиком. Средняя цена микросверл в последние 10 лет сильно снизилась, несмотря на радикальный рост цены карбида вольфрама на мировом рынке. Производители микросверл постоянно ищут новые решения. В настоящее время существует два метода соединения стержня из нержавеющей стали и стержня из карбида вольфрама, а именно: пайка твердым припоем (рис.1а) и вставка (рис.1б). Суммарные параметры первой конструкции выше, чем у второй, однако для второй конструкции требуется меньше карбида вольфрама, и, следовательно, стоимость ее изготовления ниже.
ПРИМЕРЫ НОВЫХ МИКРОСВЕРЛ
При введении бессвинцовой технологии температура стеклования ПП в основном повысилась. В некоторых случаях для повышения теплостойкости и размерной стабильности ПП в них добавляются наполнители (такие как SiO2, Al2O3 и Al(OH)3). Механическая обработка таких ПП становится затруднительной особенно потому, что износ сверла значительнее, чем при сверлении обычных ПП.
Для сверления ПП с высокой температурой стеклования подходит сверло с малыми винтовым и передним углами. При этом предотвращается излишний износ сверла и обеспечивается прочность режущей кромки. Между прочим, для лучшего устранения стружки нужно оптимизировать форму канавки (рис.2).
Сейчас, как известно, сильно возросла потребность в гибких ПП изза популярности мобильных телефонов и других портативных электронных устройств. На гибких ПП достигнута высокая плотность монтажа компонентов. Материал основания гибких ПП, такой как полиимид, имеет хорошие высокотемпературные параметры и низкое тепловое расширение. Однако полиимид обладает высокой вязкостью, которая затрудняет удаление стружек при сверлении. В результате перенос генерируемого при сверлении тепла также затруднен. Как и при сверлении жестких ПП, у гибких ПП часто возникают такие проблемы, как засорение стружками, загрязнение, неровности и т. п., которые предотвращаются адекватной конструкцией сверла. Было продемонстрировано, что конструкция стандартного сверла с большими винтовым и передним углами, большим отношением канавка/спинка и малой толщиной стержня подходит для сверления гибких ПП (рис.3).
Достойно внимания в развитии микросверл производство сверл с ультрамалым диаметром. Благодаря прогрессу в печатных платах высокой плотности соединений и подложках ИС диаметры отверстий ПП становятся все меньше. Можно ожидать, что в ближайшем будущем механическое сверление ультрамалых отверстий будет применяться в массовом производстве благодаря совершенствованию материалов сверл, технологических процессов и сверлильных станков с ЧПУ. Для сверления ультрамалых отверстий в основном используются ЧПУ сверлильные станки с высокой скоростью шпинделей (300 или 350 тыс. об./мин) и микросверла с диаметром 2 мм. Необходимо исследовать механизмы сверления на такой высокой скорости шпинделя, чтобы оптимизировать конструкции и шпинделя, и микросверла. Сегодня механическим сверлением можно достичь высокого качества отверстий диаметром 0,05 мм. Несколько производителей, включая Union Tool, Jinzhou и Kemmer, разработали сверла ультрамалых диаметров – 0,02 мм (рис.4).
ВЫБОР МЕХАНИЧЕСКОГО СВЕРЛЕНИЯ
Для того чтобы доминировать в сверлении ПП, механический метод должен совершенствоваться в отношении ультрамалых и глухих отверстий для повышения эффективности и снижения стоимости. При сопоставлении лазерного и механического сверления в первом следует отметить высокую эффективность и способность сверления глухих отверстий. Потребность в лазерных методах также возросла в последние годы благодаря возможности быстро обрабатывать ПП высокой плотности соединений и подложек ИС. Из двух обычно используемых лазерных методов сверления лазеры на СО2 используются для сверления микроотверстий относительно большого диаметра (например, больше 0,075 мм), а УФлазеры – для микроотверстий относительно малого диаметра (например, менее 0,075 мм). Оба эти типа лазерного сверления в основном используются для получения переходных микроотверстий, в то время как для массового создания сквозных отверстий они еще не подходят.
В сравнении с лазерными методами механическое сверление пока наиболее популярный метод для сверления сквозных отверстий. Оно широко используется в индустрии ПП. Статистические данные показывают, что в 2004, 2005 и 2006 годах в мире было продано соответственно 3000, 2800 и 3600 сверлильных станков для ПП. В 2007 году этот показатель возрастет на 17% и составит 4200 станков. Между прочим, успешно разрабатываются станки высокой скорости шпинделя с усовершенствованной конструкцией Zсистемы, что означает возможность сверления отверстий ультрамалых диаметров механическим способом. Многие изготовители ИС в Японии применяют механическое сверление сквозных отверстий диаметром 0,025 мм. Они считают, что это экономичнее, особенно, когда подложка содержит стекловолокна. Однако механическое сверление – все еще не подходящий кандидат для глухих отверстий изза трудностей управления глубиной сверления и сверления глухих отверстий малых диаметров.
В общем, лазерное и механическое сверления не заменяют друг друга, а дополняют.
Отзывы читателей
