Разработка свёрл и технологии сверления гибких печатных плат.
Гибкие печатные платы (ГПП), обладают уникальными преимуществами над традиционными жесткими печатными платами, позволяя снизить массогабаритные харакетеристики изделия и его себестоимость. К тому же в ГПП достигнута высокая плотность межсоединений, обеспечивающая увеличение плотности монтажа компонентов. Это определило их широкое применение во многих областях промышленности. Сегодня спрос на ГПП вырос благодаря популярности мобильных телефонов, ноутбуков, цифровых камер и других электронных изделий.
Сверление отверстий – один из основных этапов в разработке и производстве печатных плат. Используется несколько видов сверления отверстий (механическое, лазерное, перфорирование и т.д.). Хотя механическому сверлению бросают вызов другие технологии, оно остаётся самым популярным благодаря превосходному качеству получаемых отверстий. Технология механического сверления разрабатывалась и использовалась в течение многих лет. Быстрое развитие механического сверления связано с распространенностью сверлильных станков с числовым программным управлением (ЧПУ), разнообразием свёрл и технологий сверления, а также их постоянным совершенствованием. Сегодня технологии механического сверления позволяют получить микропереходные отверстия диаметром менее 50 мкм. Механическое сверление не может быть заменено другими способами и будет доминировать ещё годы. Принимая во внимание увеличивающийся спрос на гибкие печатные платы, нами были проведены исследования по механическому сверлению микроотверстий в ГПП. При сверлении гибких печатных плат обычным сверлом по существующей технологии зачастую возникают такие проблемы, как засорения, задиры и образование трещин. Для их устранения было разработано новое сверло, и теперь мы рекомендуем новую технологию сверления ГПП.
ДИЗАЙН СВЕРЛА ДЛЯ ГИБКИХ ПЕЧАТНЫХ ПЛАТ
Основной материал, используемый для гибких печатных плат, например, полиимид, имеет отличные высокотемпературные характеристики и низкое тепловое расширение. Однако полиимид обладает высокой вязкостью, которая усложняет удаление стружки при сверлении ГПП. Кроме того, при сверлении полиимида плохо отводится тепло. Поэтому главным в создании свёрел для ГПП является преодоление перечисленных трудностей.
Разработка кoнфигурации
На начальном этапе разработки сверла определяется конфигурация его режущей части. Широко используются два типа свёрл: подрезающие (UC) и стандартные (ST). Какой из них наиболее подходит для производства гибких печатных плат? Для ответа на этот вопрос были выполнены исследования по определению качества сверления ГПП свёрлами подрезающего типа.
Типичный результат испытаний показан на рис.1. Налицо засорение отверстий. Помимо того, в верхнем слое меди образуются задиры, поскольку верхний медный слой легко повреждается спиралью сверла при его выводе. Полученные результаты подтверждают, что микросвёрла подрезающего типа, показывающие превосходные результаты при сверлении жёстких печатных плат, не являются лучшими кандидатами для изготовления ГПП. Соответственно, для ГПП рекомендуется разрабатывать микросвёрла стандартного типа.
Материал для производства свёрел
Материал, используемый при производстве ГПП, мягкий, и для достижения качества отверстий сверло должно обладать достаточной остротой. Для этого сверло должно иметь острые режущие кромки и обладать высокой износостойкостью, что в значительной мере зависит от твёрдости материала сверла. Поскольку практически все сверла для производства ПП изготовляются из карбида вольфрама, в первую очередь следует выяснить, как соотносятся его твердость и износостойкость сверла. На рис.2 показано состояние двух свёрл одинакового размера (диаметр 0,3 мм) из материала различной твёрдости после 2000 применений. Можно видеть, что сверла, выполненные из более твердого материала, изнашиваются меньше.
К проектным параметрам материала, кроме твёрдости, относятся еще два важных показателя: сопротивление изгибу и модуль Юнга. Первый влияет на эффективность сверления и вероятность поломки сверла. Модуль Юнга определяет жёсткость сверла и точность сверления.
Винтовой угол
При проектировании свёрл для гибких печатных плат необходимо тщательно рассчитывать винтовой угол сверла и использовать более острые режущие кромки. Остроту режущего инструмента определяет значение его главного переднего угла. Это значит, что при разработке сверла предпочтителен больший главный передний угол. В микросвёрлах главный передний угол тесно связан с винтовым углом, причем большая острота режущей кромки достигается увеличением винтового угла.
Винтовой угол влияет не только на остроту режущих кромок, но и на силу удаления стружки, растущую по мере увеличения винтового угла (см. рис.3). В то же время, сопротивление сверла на изгиб снижается и увеличивается длина пути, по которому удаляется стружка. Для обеспечения баланса между остротой режущей кромки и прочностью сверла необходимы тщательные расчеты силы удаления и расстояния удаления стружки.
Соотношение паз/режущая кромка
Поскольку для гибких печатных плат больше подходит стандартный тип сверла, необходимо рассмотреть следующий вопрос: подходит ли для ГПП сверло, разработанное для жестких печатных плат? Ответ – нет, поскольку физические свойства гибких печатных плат отличны от свойств жёстких. Материал для изготовления гибких печатных плат мягче и стружка из таких плат удаляется с трудом. Следовательно, при разработке сверла надо улучшить удаление стружки.
Один из важных для этой проблемы параметров – отношение длины паза к длине режущей кромки сверла (рис. 4). В обычных свёрлах соотношение паз/режущая кромка находится в пределах 1,8–2,8. Меньший коэффициент делает сверло жестче, но пространство устранения крошки уменьшается, что приводит к трудностям при сверлении ГПП. На рис. 5 показан результат сверления ГПП обычным сверлом (соотношение паз/режущая кромка = 2,2), иллюстрирующий возникающие трудности: стружка остается в пазах, а на выходе отверстий образуются задиры. Таким образом, при сверлении гибких печатных плат целесообразно использовать большее отношение паз/режущая кромка.
Толщина перемычки сверла
Толщина перемычки сверла (перемычка – поперечное режущее лезвие, образованное сопряжением двух главных режущих кромок) является еще одним ключевым параметром в разработке свёрл. Здесь необходимо рассматривать как процесс удаление крошки, так и жёсткость сверла.
Если толщина перемычки невелика, улучшается удаление крошки и снижается сила давления в процессе сверления, что уменьшает нагрев и устраняет размывание. Однако необходимо, чтобы толщина перемычки оставалась достаточной для сохранения жёсткости сверла.
Математическое моделирование
Для увеличения эффективности разработки свёрл для гибких печатных плат была построена трёхмерная модель режущей части сверла (рис. 6.). На первом этапе необходимо определить форму шлифовального круга в соответствии с результатами моделирования, затем полученные результаты могут использоваться для его доводки. Моделирование позволяет выявить дефекты машинной обработки сверла и, тем самым, улучшить качество изделия.
Основные выводы
Чтобы обеспечить качество отверстий в гибких печатных платах необходимо соблюдать несколько простых правил:
* скорость вращения сверла не должна быть чрезмерно высокой, поскольку одной из проблем в процессе сверления является теплоотвод, а нагрев усиливается со скоростью вращения;
* избегайте чрезмерного износа свёрл. Это, в частности, влечет к перегреву;
* не применяйте одинаковые режимы сверления для разных типов ГПП. При выборе режима сверления учитывайте свойства используемых в платах адгезивов.
На рис. 6. показаны результаты сверления гибких печатных плат специально разработанными сверлами. Можно видеть отличное качество отверстий и устранение таких неприятностей, как засорение, задиры и трещины.
Заключение
При обработке ГПП такие неприятности, как засорение отверстий, задиры и образование трещин, не позволяют использовать свёрла, предназначенные для жестких плат. Это обусловлено различиями физических характеристик материалов гибких и жестких ПП. Для решения возникающих проблем рекомендуется использовать специально разработанные сверла и технологии сверления.
При сверлении отверстий в ГПП свёрла стандартного типа обеспечивают лучшую производительность по сравнению со сверлами подрезающего типа. Для получения отверстий хорошего качества при сверлении гибких плат необходимо обеспечить соответствующую твёрдость режущей части микроcверла в ходе его изготовления. Этому также способствует увеличение винтового угла, уменьшение толщины перемычки и больший коэффициент паз/режущая кромка. Необходимо соблюдать соответствующую скорость вращения шпинделя и степень износа режущей части сверла, а также выбирать соответствующий режим сверления для разных типов гибких печатных плат.
Кью Джианго – заместитель генерального директора компании Shenzhen Jinzhou Precision Technology Co., занимающейся научно-исследовательскими работами.
Гибкие печатные платы (ГПП), обладают уникальными преимуществами над традиционными жесткими печатными платами, позволяя снизить массогабаритные харакетеристики изделия и его себестоимость. К тому же в ГПП достигнута высокая плотность межсоединений, обеспечивающая увеличение плотности монтажа компонентов. Это определило их широкое применение во многих областях промышленности. Сегодня спрос на ГПП вырос благодаря популярности мобильных телефонов, ноутбуков, цифровых камер и других электронных изделий.
Сверление отверстий – один из основных этапов в разработке и производстве печатных плат. Используется несколько видов сверления отверстий (механическое, лазерное, перфорирование и т.д.). Хотя механическому сверлению бросают вызов другие технологии, оно остаётся самым популярным благодаря превосходному качеству получаемых отверстий. Технология механического сверления разрабатывалась и использовалась в течение многих лет. Быстрое развитие механического сверления связано с распространенностью сверлильных станков с числовым программным управлением (ЧПУ), разнообразием свёрл и технологий сверления, а также их постоянным совершенствованием. Сегодня технологии механического сверления позволяют получить микропереходные отверстия диаметром менее 50 мкм. Механическое сверление не может быть заменено другими способами и будет доминировать ещё годы. Принимая во внимание увеличивающийся спрос на гибкие печатные платы, нами были проведены исследования по механическому сверлению микроотверстий в ГПП. При сверлении гибких печатных плат обычным сверлом по существующей технологии зачастую возникают такие проблемы, как засорения, задиры и образование трещин. Для их устранения было разработано новое сверло, и теперь мы рекомендуем новую технологию сверления ГПП.
ДИЗАЙН СВЕРЛА ДЛЯ ГИБКИХ ПЕЧАТНЫХ ПЛАТ
Основной материал, используемый для гибких печатных плат, например, полиимид, имеет отличные высокотемпературные характеристики и низкое тепловое расширение. Однако полиимид обладает высокой вязкостью, которая усложняет удаление стружки при сверлении ГПП. Кроме того, при сверлении полиимида плохо отводится тепло. Поэтому главным в создании свёрел для ГПП является преодоление перечисленных трудностей.
Разработка кoнфигурации
На начальном этапе разработки сверла определяется конфигурация его режущей части. Широко используются два типа свёрл: подрезающие (UC) и стандартные (ST). Какой из них наиболее подходит для производства гибких печатных плат? Для ответа на этот вопрос были выполнены исследования по определению качества сверления ГПП свёрлами подрезающего типа.
Типичный результат испытаний показан на рис.1. Налицо засорение отверстий. Помимо того, в верхнем слое меди образуются задиры, поскольку верхний медный слой легко повреждается спиралью сверла при его выводе. Полученные результаты подтверждают, что микросвёрла подрезающего типа, показывающие превосходные результаты при сверлении жёстких печатных плат, не являются лучшими кандидатами для изготовления ГПП. Соответственно, для ГПП рекомендуется разрабатывать микросвёрла стандартного типа.
Материал для производства свёрел
Материал, используемый при производстве ГПП, мягкий, и для достижения качества отверстий сверло должно обладать достаточной остротой. Для этого сверло должно иметь острые режущие кромки и обладать высокой износостойкостью, что в значительной мере зависит от твёрдости материала сверла. Поскольку практически все сверла для производства ПП изготовляются из карбида вольфрама, в первую очередь следует выяснить, как соотносятся его твердость и износостойкость сверла. На рис.2 показано состояние двух свёрл одинакового размера (диаметр 0,3 мм) из материала различной твёрдости после 2000 применений. Можно видеть, что сверла, выполненные из более твердого материала, изнашиваются меньше.
К проектным параметрам материала, кроме твёрдости, относятся еще два важных показателя: сопротивление изгибу и модуль Юнга. Первый влияет на эффективность сверления и вероятность поломки сверла. Модуль Юнга определяет жёсткость сверла и точность сверления.
Винтовой угол
При проектировании свёрл для гибких печатных плат необходимо тщательно рассчитывать винтовой угол сверла и использовать более острые режущие кромки. Остроту режущего инструмента определяет значение его главного переднего угла. Это значит, что при разработке сверла предпочтителен больший главный передний угол. В микросвёрлах главный передний угол тесно связан с винтовым углом, причем большая острота режущей кромки достигается увеличением винтового угла.
Винтовой угол влияет не только на остроту режущих кромок, но и на силу удаления стружки, растущую по мере увеличения винтового угла (см. рис.3). В то же время, сопротивление сверла на изгиб снижается и увеличивается длина пути, по которому удаляется стружка. Для обеспечения баланса между остротой режущей кромки и прочностью сверла необходимы тщательные расчеты силы удаления и расстояния удаления стружки.
Соотношение паз/режущая кромка
Поскольку для гибких печатных плат больше подходит стандартный тип сверла, необходимо рассмотреть следующий вопрос: подходит ли для ГПП сверло, разработанное для жестких печатных плат? Ответ – нет, поскольку физические свойства гибких печатных плат отличны от свойств жёстких. Материал для изготовления гибких печатных плат мягче и стружка из таких плат удаляется с трудом. Следовательно, при разработке сверла надо улучшить удаление стружки.
Один из важных для этой проблемы параметров – отношение длины паза к длине режущей кромки сверла (рис. 4). В обычных свёрлах соотношение паз/режущая кромка находится в пределах 1,8–2,8. Меньший коэффициент делает сверло жестче, но пространство устранения крошки уменьшается, что приводит к трудностям при сверлении ГПП. На рис. 5 показан результат сверления ГПП обычным сверлом (соотношение паз/режущая кромка = 2,2), иллюстрирующий возникающие трудности: стружка остается в пазах, а на выходе отверстий образуются задиры. Таким образом, при сверлении гибких печатных плат целесообразно использовать большее отношение паз/режущая кромка.
Толщина перемычки сверла
Толщина перемычки сверла (перемычка – поперечное режущее лезвие, образованное сопряжением двух главных режущих кромок) является еще одним ключевым параметром в разработке свёрл. Здесь необходимо рассматривать как процесс удаление крошки, так и жёсткость сверла.
Если толщина перемычки невелика, улучшается удаление крошки и снижается сила давления в процессе сверления, что уменьшает нагрев и устраняет размывание. Однако необходимо, чтобы толщина перемычки оставалась достаточной для сохранения жёсткости сверла.
Математическое моделирование
Для увеличения эффективности разработки свёрл для гибких печатных плат была построена трёхмерная модель режущей части сверла (рис. 6.). На первом этапе необходимо определить форму шлифовального круга в соответствии с результатами моделирования, затем полученные результаты могут использоваться для его доводки. Моделирование позволяет выявить дефекты машинной обработки сверла и, тем самым, улучшить качество изделия.
Основные выводы
Чтобы обеспечить качество отверстий в гибких печатных платах необходимо соблюдать несколько простых правил:
* скорость вращения сверла не должна быть чрезмерно высокой, поскольку одной из проблем в процессе сверления является теплоотвод, а нагрев усиливается со скоростью вращения;
* избегайте чрезмерного износа свёрл. Это, в частности, влечет к перегреву;
* не применяйте одинаковые режимы сверления для разных типов ГПП. При выборе режима сверления учитывайте свойства используемых в платах адгезивов.
На рис. 6. показаны результаты сверления гибких печатных плат специально разработанными сверлами. Можно видеть отличное качество отверстий и устранение таких неприятностей, как засорение, задиры и трещины.
Заключение
При обработке ГПП такие неприятности, как засорение отверстий, задиры и образование трещин, не позволяют использовать свёрла, предназначенные для жестких плат. Это обусловлено различиями физических характеристик материалов гибких и жестких ПП. Для решения возникающих проблем рекомендуется использовать специально разработанные сверла и технологии сверления.
При сверлении отверстий в ГПП свёрла стандартного типа обеспечивают лучшую производительность по сравнению со сверлами подрезающего типа. Для получения отверстий хорошего качества при сверлении гибких плат необходимо обеспечить соответствующую твёрдость режущей части микроcверла в ходе его изготовления. Этому также способствует увеличение винтового угла, уменьшение толщины перемычки и больший коэффициент паз/режущая кромка. Необходимо соблюдать соответствующую скорость вращения шпинделя и степень износа режущей части сверла, а также выбирать соответствующий режим сверления для разных типов гибких печатных плат.
Кью Джианго – заместитель генерального директора компании Shenzhen Jinzhou Precision Technology Co., занимающейся научно-исследовательскими работами.
Отзывы читателей
