Выпуск #2/2017
С.Ванцов, З.Маунг Маунг
Влияние температуры на надежность процесса сверления печатных плат
Влияние температуры на надежность процесса сверления печатных плат
Просмотры: 821
Потеря качества отверстия при сверлении печатных плат (ПП) связана с нагревом сверла до температуры стеклования материала ПП. В продолжение темы, начатой в № 8 за 2016 год, автор предлагает аналитический аппарат для расчета температуры вершины сверла, позволяющий определить технологически допустимое количество сверлений на этапе подготовки производства.
DOI: 10.22184/1992-4178.2017.162.2.174.178
DOI: 10.22184/1992-4178.2017.162.2.174.178
Теги: drill temperature failure of drilling process glass transition temperature hole quality pcb drilling качество отверстий отказ процесса сверления сверление печатных плат температура сверла температура стеклования
Надежность процесса сверления отверстий в печатных платах на практике определяют ресурсом использования режущего инструмента. В качестве последнего исполь-зуются мелкоразмерные (обычно диаметром
0,1–1,0 мм) сверла из твердого сплава. Поставщики таких сверл указывают значения ресурса для определенной конфигурации режимов резания. Обычно это выглядит так, как показано в качестве примера в таблице.[1]
Приведенные в таблице предельные значения количества отверстий, которые можно просверлить без угрозы появления брака, являются, как правило, сугубо средними; при их назначении не учитываются как минимум два фактора, влияющих на надежность процесса сверления, а именно:
• реальные технологические возможности сверлильных станков на конкретном предприятии, определяющие необходимость использования иных режимов сверления, чем те, которые приведены в таблице;
• свойства композитных материалов печатных плат, номенклатура которых насчитывает десятки наименований, сильно различающихся по своим физико-механическим параметрам. Поставщики сверл, указывая в своих рекомендациях ресурс сверла, ориентируются на его износ, определить который вследствие случайного характера истирания материала и малых размеров режущих кромок перед началом процесса сверления печатных плат представляется крайне затруднительным. При этом очевидно, что неверное определение ресурса сверла может привести к существенным дефектам, примеры которых показаны на рис.1 и 2.
Как показано в [1], отказ процесса сверления возникает по достижении состояния отверстия, не удовлетворяющего предъявляемым к нему требованиям качества (отказ по критерию качества). Появление дефектов связано с достижением в зоне резания температуры, превышающей температуру стеклования обрабатываемого композитного материала.
Известно выражение для определения температуры в зоне обработки в зависимости от режимов сверления [2]:
, (1)
где V – скорость резания, м/мин; S – скорость подачи, м/мин; d – диаметр сверла, мм; значения (60ч100) – прибавка с учетом износа режущих кромок и материала.
Недостатком формулы (1) является в первую очередь отсутствие зависимости температуры от времени. Это означает, что рассчитывать с ее помощью ресурс сверла можно сугубо приблизительно. Кроме того, выражение (1) не учитывает свойства материала, а следует заметить, что температура стеклования зависит от состава материала, и для наиболее часто используемого стеклотекстолита FR4 изменяется в широких пределах – от 130 до 200 °С.
Изменение температуры в зоне резания при сверлении отверстий малого диаметра в стеклотекстолите имеет циклический характер, единичный цикл приведен на рис.3. Нагревание происходит во время сверления отверстия за счет силы трения по задней поверхности сверла. Остывание сверла осуществляется при переходе инструмента от отверстия к отверстию.
Рассмотрим тепловой баланс в процессе нагревания. Сверло будем рассматривать как изотропный теплопроводящий стержень. Тогда уравнение теплового баланса для элемента сверла можно записать в виде:
, (2)
где – тепло, сообщенное элементу сверла благодаря теплопроводности; – тепло, отдаваемое конвективным теплообменом со средой; – тепло, выделяемое в результате трения по задней грани сверла; – тепло, пошедшее на нагревание элемента сверла.
Основным источником тепла при резании стеклопластиков является работа сил трения по задней грани сверла, которая может быть определена выражением:
, (3)
где μ – коэффициент трения; N – сила, направленная по нормали к задней поверхности; v – окружная скорость сверла (скорость резания) в точке приложения силы N; τ – время.
При преобразовании уравнения (2) в дифференциальное для элемента сверла учтем следующие практические условия процесса сверления:
• отношение длины сверла к диаметру больше 10;
• конвективный теплообмен существенно затруднен вследствие малой величины зазора между сверлом и стенками просверливаемого отверстия, а также за счет того, что спиральные дорожки сверла оказываются забитыми мелкодиспергированной стружкой композитного материала, включающего как эпоксидную смолу, так и стекло;
• теплоотдача путем теплообмена между сверлом и материалом диэлектрического основания существенно затруднена из-за малого (менее 1 с) времени сверления;
• температура сверла в месте закрепления его в цанге остается постоянной, а наиболее нагретым элементом сверла являются режущие кромки.
В силу принятых условий процесс изменения температуры сверла можно свести к классической задаче нагревания полубесконечного теплоизолированного стержня с внутренним постоянно действующим источником тепла [3].
Тогда дифференциальное уравнение тепловыделения в процессе сверления будет иметь вид [4]:
, (4)
где T(x, τ) – температура элемента сверла; τ – время; x – координата, отсчитываемая от вершины сверла и определяющая положение элемента с температурой T(x, τ); Tc – температура окружающей среды; a = λ/cρ – коэффициент температуропроводности, где λ и с – соответственно коэффициенты теплопроводности и теплоемкости материала сверла, ρ – плотность материала;
b = αp/cρs – коэффициент теплообмена со средой, где α – коэффициент теплоотдачи, p и s – соответственно периметр и площадь поперечного сечения сверла; ξ = μ/vcρs, где μ – коэффициент трения по задней грани сверла;
N – сила резания; v – скорость точки приложения силы N.
Решение уравнения (4) для режущих кромок сверла может быть приведено к виду:
. (5)
Отметим, что уравнение (5) справедливо для вершины сверла и для отрезков времени, когда происходит сверление и сверло нагревается, то есть для отрезка tн в цикле на рис.3.
Во время холостого хода инструмента при переходе от отверстия к отверстию сверло охлаждается за счет конвективного теплообмена с окружающей средой, усиливающегося благодаря его вращению. Тогда для отрезка tос в цикле уравнение теплопроводности примет вид (отсутствует источник тепла):
. (6)
Здесь коэффициент теплоотдачи α определяется по формуле [5]:
,
где dэ – эквивалентный диаметр сверла; w – скорость перемещения воздушного потока относительно сверла, которая при отсутствии принудительного обдува может быть принята равной окружной скорости поверхности сверла при его вращении (60–120 тыс. об/мин).
При решении уравнения (6) можно принять , поскольку скорость распространения тепла за счет теплопроводности существенно ниже скорости остывания за счет конвективного теплообмена. Тогда решение уравнения (6) для вершины сверла примет вид:
,
где T* – температура, с которой начинается охлаждение во время холостого хода.
Полученные выше соотношения позволяют на этапе технологической подготовки производить предварительный расчет температуры сверла во время процесса сверления отверстий в печатных платах и, тем самым, определить количество циклов сверления, которое можно совершить без угрозы возникновения дефектов отверстий.
ЛИТЕРАТУРА
1. Ванцов С., Медведев А., Маунг Маунг З., Хомутская О. Надежность процесса сверления печатных плат, понятие отказа // ЭЛЕКТРОНИКА: НТБ (Печатный монтаж). 2016. № 8. С. 168–172.
2. Новокрещенов С. Выбор режущего инструмента // Технологии в электронной промышленности. 2005. № 1. С. 28–32.
3. Лыков А. В. Теория теплопроводности. – М.: Высшая школа, 1967. 600 с.
4. Толочков Ю. А., Ванцов С. В. Надежность рабочего процесса сверления печатных плат // Приборы и системы управления. 1976. № 5. С. 48–50.
5. Резников А. Н. Теплофизика процессов механической обработки. – М.: Машиностроение, 1981. 280 с.
0,1–1,0 мм) сверла из твердого сплава. Поставщики таких сверл указывают значения ресурса для определенной конфигурации режимов резания. Обычно это выглядит так, как показано в качестве примера в таблице.[1]
Приведенные в таблице предельные значения количества отверстий, которые можно просверлить без угрозы появления брака, являются, как правило, сугубо средними; при их назначении не учитываются как минимум два фактора, влияющих на надежность процесса сверления, а именно:
• реальные технологические возможности сверлильных станков на конкретном предприятии, определяющие необходимость использования иных режимов сверления, чем те, которые приведены в таблице;
• свойства композитных материалов печатных плат, номенклатура которых насчитывает десятки наименований, сильно различающихся по своим физико-механическим параметрам. Поставщики сверл, указывая в своих рекомендациях ресурс сверла, ориентируются на его износ, определить который вследствие случайного характера истирания материала и малых размеров режущих кромок перед началом процесса сверления печатных плат представляется крайне затруднительным. При этом очевидно, что неверное определение ресурса сверла может привести к существенным дефектам, примеры которых показаны на рис.1 и 2.
Как показано в [1], отказ процесса сверления возникает по достижении состояния отверстия, не удовлетворяющего предъявляемым к нему требованиям качества (отказ по критерию качества). Появление дефектов связано с достижением в зоне резания температуры, превышающей температуру стеклования обрабатываемого композитного материала.
Известно выражение для определения температуры в зоне обработки в зависимости от режимов сверления [2]:
, (1)
где V – скорость резания, м/мин; S – скорость подачи, м/мин; d – диаметр сверла, мм; значения (60ч100) – прибавка с учетом износа режущих кромок и материала.
Недостатком формулы (1) является в первую очередь отсутствие зависимости температуры от времени. Это означает, что рассчитывать с ее помощью ресурс сверла можно сугубо приблизительно. Кроме того, выражение (1) не учитывает свойства материала, а следует заметить, что температура стеклования зависит от состава материала, и для наиболее часто используемого стеклотекстолита FR4 изменяется в широких пределах – от 130 до 200 °С.
Изменение температуры в зоне резания при сверлении отверстий малого диаметра в стеклотекстолите имеет циклический характер, единичный цикл приведен на рис.3. Нагревание происходит во время сверления отверстия за счет силы трения по задней поверхности сверла. Остывание сверла осуществляется при переходе инструмента от отверстия к отверстию.
Рассмотрим тепловой баланс в процессе нагревания. Сверло будем рассматривать как изотропный теплопроводящий стержень. Тогда уравнение теплового баланса для элемента сверла можно записать в виде:
, (2)
где – тепло, сообщенное элементу сверла благодаря теплопроводности; – тепло, отдаваемое конвективным теплообменом со средой; – тепло, выделяемое в результате трения по задней грани сверла; – тепло, пошедшее на нагревание элемента сверла.
Основным источником тепла при резании стеклопластиков является работа сил трения по задней грани сверла, которая может быть определена выражением:
, (3)
где μ – коэффициент трения; N – сила, направленная по нормали к задней поверхности; v – окружная скорость сверла (скорость резания) в точке приложения силы N; τ – время.
При преобразовании уравнения (2) в дифференциальное для элемента сверла учтем следующие практические условия процесса сверления:
• отношение длины сверла к диаметру больше 10;
• конвективный теплообмен существенно затруднен вследствие малой величины зазора между сверлом и стенками просверливаемого отверстия, а также за счет того, что спиральные дорожки сверла оказываются забитыми мелкодиспергированной стружкой композитного материала, включающего как эпоксидную смолу, так и стекло;
• теплоотдача путем теплообмена между сверлом и материалом диэлектрического основания существенно затруднена из-за малого (менее 1 с) времени сверления;
• температура сверла в месте закрепления его в цанге остается постоянной, а наиболее нагретым элементом сверла являются режущие кромки.
В силу принятых условий процесс изменения температуры сверла можно свести к классической задаче нагревания полубесконечного теплоизолированного стержня с внутренним постоянно действующим источником тепла [3].
Тогда дифференциальное уравнение тепловыделения в процессе сверления будет иметь вид [4]:
, (4)
где T(x, τ) – температура элемента сверла; τ – время; x – координата, отсчитываемая от вершины сверла и определяющая положение элемента с температурой T(x, τ); Tc – температура окружающей среды; a = λ/cρ – коэффициент температуропроводности, где λ и с – соответственно коэффициенты теплопроводности и теплоемкости материала сверла, ρ – плотность материала;
b = αp/cρs – коэффициент теплообмена со средой, где α – коэффициент теплоотдачи, p и s – соответственно периметр и площадь поперечного сечения сверла; ξ = μ/vcρs, где μ – коэффициент трения по задней грани сверла;
N – сила резания; v – скорость точки приложения силы N.
Решение уравнения (4) для режущих кромок сверла может быть приведено к виду:
. (5)
Отметим, что уравнение (5) справедливо для вершины сверла и для отрезков времени, когда происходит сверление и сверло нагревается, то есть для отрезка tн в цикле на рис.3.
Во время холостого хода инструмента при переходе от отверстия к отверстию сверло охлаждается за счет конвективного теплообмена с окружающей средой, усиливающегося благодаря его вращению. Тогда для отрезка tос в цикле уравнение теплопроводности примет вид (отсутствует источник тепла):
. (6)
Здесь коэффициент теплоотдачи α определяется по формуле [5]:
,
где dэ – эквивалентный диаметр сверла; w – скорость перемещения воздушного потока относительно сверла, которая при отсутствии принудительного обдува может быть принята равной окружной скорости поверхности сверла при его вращении (60–120 тыс. об/мин).
При решении уравнения (6) можно принять , поскольку скорость распространения тепла за счет теплопроводности существенно ниже скорости остывания за счет конвективного теплообмена. Тогда решение уравнения (6) для вершины сверла примет вид:
,
где T* – температура, с которой начинается охлаждение во время холостого хода.
Полученные выше соотношения позволяют на этапе технологической подготовки производить предварительный расчет температуры сверла во время процесса сверления отверстий в печатных платах и, тем самым, определить количество циклов сверления, которое можно совершить без угрозы возникновения дефектов отверстий.
ЛИТЕРАТУРА
1. Ванцов С., Медведев А., Маунг Маунг З., Хомутская О. Надежность процесса сверления печатных плат, понятие отказа // ЭЛЕКТРОНИКА: НТБ (Печатный монтаж). 2016. № 8. С. 168–172.
2. Новокрещенов С. Выбор режущего инструмента // Технологии в электронной промышленности. 2005. № 1. С. 28–32.
3. Лыков А. В. Теория теплопроводности. – М.: Высшая школа, 1967. 600 с.
4. Толочков Ю. А., Ванцов С. В. Надежность рабочего процесса сверления печатных плат // Приборы и системы управления. 1976. № 5. С. 48–50.
5. Резников А. Н. Теплофизика процессов механической обработки. – М.: Машиностроение, 1981. 280 с.
Отзывы читателей
