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涂覆型铝片在印制线路板高精度钻孔中的应用

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涂覆型铝片在印制线路板高精度钻孔中的应用

发布日期:2018-01-31 作者: 点击:

涂覆型铝片在印制线路板高精度钻孔中的应用


随着现代电子产品日益向小型化、高集成、高性能的趋势发展,PCB板孔密度越来越大、孔径越来越小,反应在钻孔工序即是孔到线路(导体)距离越来越小,这就对钻孔孔位精度要求越来越高。目前业界主要从钻刀、垫板、盖板、钻机和生产参数等方面入手提高孔位精度。其中盖板是影响孔位精度的最关键因素之一。

目前国内外已经出现了多种可提升孔位精度的涂覆型铝片盖板,其相比普通铝片具有更好的导钻、润滑、散热作用,可有效提高孔位精度、减少断针、抑制孔粗等。但有关涂覆型铝片提高孔位精度的机理的报道较少,本文从钻刀入钻瞬间滑移及散热模型对涂覆型铝片能提高孔位精度的作用机理进行深入分析,详细解答了涂覆型铝片的性能优势及评估要点。为生产和使用涂覆型铝片的相关技术人员提供理论参考。

涂覆型铝片提升孔位精度机理分析

涂覆型铝片简介

涂覆型铝片就是在铝箔的表面再涂覆上一层表面涂层,在业界一般称为涂层铝片或润滑铝片。

涂覆型铝片主要有利于入钻,防止打滑,降低钻咀磨损,润滑与清洁钻咀,降低钻头温度等作用。这主要取决于其表面涂层材料,一般为特殊树脂组成,并具备一定润滑性、水溶性、支撑性和低热熔性。

涂覆型铝片对PCB板加工的优势主要体现以下两点:①使用相同条件加工后的板件的孔位测试精度结果,涂覆型铝片盖板的孔位偏差较普通铝片大大降低;②使用相同条件加工后的板件在电镀后的孔壁切片,涂覆型铝片盖板的孔壁粗糙大度较普通铝片大大降低。

入钻滑移理论分析

在印制线路板机械钻孔中,钻头下钻接触涂覆型铝片盖板时,盖板上的树脂涂层可以在钻头接触板面瞬间稳住钻针,减少偏斜。为了能更好解释其作用机理及影响因素,从钻孔中发生偏位的基本原理,尤其是钻针的入钻瞬间滑移入手,分析钻尖平衡态的受力情况。

钻孔偏位基本原理示意图,钻刀下钻接触板面的瞬间,由于本身主轴竖直中心线与生产板水平中心线并非完全的垂直、外加主轴动态偏移导致钻刀受到水平方向(X/Y方向)的分力,从而形成钻尖瞬间滑移。从钻尖的受力情况分析可知入钻滑移量σ0与盖板的阻止钻刀入钻瞬间滑移的能力参数有关,在此定义这个能力参数为盖板的广义摩擦系数u。u越大,说明盖板阻止钻刀入钻瞬间滑移的能力越大,越能稳住钻刀,降低入钻瞬间滑移量σ0,从而越能提高钻孔空位精度。

其中,H表示生产板厚,X0表示文件中孔的理论位置,Xˊ表示主轴实际定位的位置,X表示钻刀下钻瞬间钻尖的实际位置,σ表示反面钻孔孔位偏差,Δσ正反孔位差值,θ表示钻刀下钻过程中的中轴线与板平面法线的夹角,L表示钻刀刃长,σ0+run-out表示钻刃弯曲与主轴动态偏移的综合偏差值。θ0表示生产板中心平面与X/Y平面的夹角,θ1表示主轴动态run-out导致的偏移角,θ1ˊ表示钻尖滑移+动态run-out共同导致的偏移角,σ0表示钻刀钻入盖板瞬间钻尖的滑移量。

散热理论模型分析

在PCB钻孔中,钻刀高速运转切削PCB产生大量热,若不及时排出将使得钻刀一直处于高温状态导致钻刀刚性下降,从而降低钻孔孔位精度及孔壁质量。通常业内采用高纯铝片作为钻孔用盖板其中一个重要因素就是通过金属铝的高热导率将线路板表面热量带走,降低温度。其中热量的传递是一个复杂的过程,为更好解释涂覆型铝片在高精度钻孔中散热方面的优越性及其主要影响因素,将散热过程简化为接触散热模型和盖板散热模型。

接触散热模型

铝片盖板与PCB板面接触时,两者间的接触散热主要通过微凸体的热传导方式散热。用Qc 、Qg 、Qr 分别表示接触面间微凸体接触散热、间隙气体传导散热、热辐射散热,通过接触面总的散热量Qj为三者的和:

Qj=Qc+Qg+Qr                 (2-1)

发生接触的两个固体表面,由于接触面并非完全光滑,因此实际只在某些点上发生接触,而界面间大部分的面积被间隙气体所填充。间隙气体的导热性能较差,当热量通过接触界面时,热流将流向发生接触的微凸体进行传递。因此提高微凸体的接触面积是提高接触散热的有效方式,而在生产中主要采取控制铝片盖板下表面的平整度及提高铝片和PCB上表面接触的紧密性。

两固体接触的紧密性与平面间的装配压力密切相关。当压力较小时,接触面间只有很少的微凸体发生形变,实际接触面积较小,随着压力的增加,之前相互接触的微凸体受到挤压而产生形变,增加接触面积,同时使得两个接触表面靠得更近,空气层变薄,更多的新微凸体发生接触,增大了实际接触面积。前人研究表明两个固体表面相接触时,即使两界面间的接触压力达到10 MPa时,实际接触面积也仅占名义面积的1%~2%。

两个固体接触面间接触导热是受材料热物性、机械性能、粗糙表面形貌、表面粗糙度及负载、温度、介质和环境等众多因素影响的复杂问题。在此只是从应用的角度,通过简单的接触散热模型解释盖板的表面粗糙度及钻孔中的装配压力对钻孔散热的影响。

盖板散热模型

铝片盖板所散发的热量主要由三部分组成:一是盖板升温吸热;二是盖板通过热辐射散到周围环境中;三是涂覆层相变所吸收的热量,则热平衡方程如下:

其中,Q为盖板散发的热量,即接触散热模型中PCB给盖板的微凸体接触散热量Qc,在钻孔参数和板材确定的情况可将其视为常数。

Q1为盖板升温所吸收的热量:

Q2为热辐射量,包含铝片层、涂覆层分别向周围环境热辐射量,则:

Q3为涂覆层相变材料相变所吸收的热量:

将式2-3、2-4、2-5及质量、面积公式代人2-2得:

式中,m1、m2分别为铝片层和涂覆层等效质量,T0、T1、T2分别为空气、铝片层和涂覆层温度,c1、c2分别为铝片层和涂覆层的比热容。ε1、ε2分别为铝片层和涂覆层散热表面广义发射率,A为等效散热面积,σ为斯特藩-波尔斯曼常数,h为相变材料的相变潜能,ρ1、ρ2分别为铝片层和涂覆层的密度,r为等效半径,d1、d2分别为铝片层和涂覆层的厚度,t1、t2分别为热量在铝片层和涂覆层传递的作用时间。

根据涂覆型铝片和普通铝片及不同厂家不同型号涂覆型铝片的不同,将其分类讨论如下:

普通铝片和涂覆型铝片对比

针对普通铝片无树脂涂覆层,因此式2-6简化为

对比式2-6和2-7可知,当热量Q一定(即采用同样参数钻同一款线路板)时, 涂覆型铝片的等效半径r、温度T、作用时间t比普通铝片要小,因此涂覆型铝片的散热效能优于普通铝片,作用区域更小,更能有效降低钻刀温度;

不同涂覆型铝片对比

目前不同厂家不同型号的涂覆型铝片盖板最大的区别在于树脂涂覆层,而非铝片层,因此可认为铝片层吸收、辐射的热量所占总热量的比值k是一定的,则2-6可简化为

当热量Q一定时,等效半径r、作用时间t分别与涂层密度ρ、厚度d、比热容c、相变潜能h、反射率ε成负相关。考虑到实际情况及生产应用,涂层ρ、d、ε可提升量不大,因此在生产制造涂覆型铝片中建议使用比热容和相变潜能大的涂层材料。

 实验测试及讨论

不同铝片盖板对钻孔品质的影响

实验条件

选择两种不同厂家的涂覆型铝片A、B和普通铝片C作为钻孔用盖板,在一定条件下进行钻孔,并钻刀磨损、孔壁质量、孔位精度等进行测试。

不同铝片对钻刀缠丝的影响

采用3D立体显微镜对钻完5000个孔后钻刀刀身部位进行观察,比较各种铝片对缠丝抑制性能。图中显示涂覆型铝片对钻刀缠丝的抑制能力相比普通铝片要好,主要是与涂覆层的润滑作用有关,润滑性越好铝片盖板对钻刀缠丝的抑制能力越强。

不同铝片对孔壁粗糙度的影响

对采用不同铝片的钻完后的孔进行金属化处理,并在5000hits区域进行切片观察,测量孔粗、灯芯。普通铝片的孔形及孔粗要比涂覆型铝片的大,说明钻刀磨损严重。

不同铝片对孔位精度的影响

对每1000个孔进行孔位精度测试,涂覆型铝片的孔位精度相比普通铝片提升了0.5mil以上。而不同涂覆型铝片间也存在一定差异,涂覆型铝片A的孔位偏差量相比涂覆型铝片B的要低,且差值随钻孔数量的增加而增大,等钻孔数量达到5000个时,差值为0.32mil。

不同孔间距对孔位精度的影响

通过散热模型分析可知,涂层材料的比热容和相变潜热是影响钻孔孔位精度的重要因素,即不同涂层材料的铝片盖板对钻孔温度影响区域半径不一样。因此采用不同孔间距进行钻孔并测试其孔位精度。孔位精度随孔间距的增加而增大,但增大趋势逐渐降低,当孔间距达到一定值后,孔位精度基本不变,而这三种铝片盖板相应的间距值按大小排序为:C>A>B,说明普通铝片的温度影响区域(体现于模型中的半径r)最大,涂覆型铝片A次之,涂覆型铝片B的最小。

为进一步验证其与比热容和相变潜热的关系,涂层材料进行DSC测试。涂层A在80℃左右有一个明显的吸热峰,主要是因为涂层相变吸热,而涂层B没有明显的吸热峰,但其热流量一直比A要高,说明涂层B的比热容高于涂层A,因此其温度作用区域较小。一般而言,树脂的比热容比金属的要大得多,且高纯铝在200℃内不会有产生相变,因此普通铝片的温度影响区域比涂覆型铝片的高。

小结

测试结果表明涂覆型铝片在抑制钻刀缠丝、抑制孔粗及孔位精度控制上优于普通铝片,况且这种优越程度主要取决于涂覆层树脂的阻止钻刀入钻瞬间滑移能力、比热容和相变潜热等参数。

结论

涂覆型铝片盖板能提高孔位精度和孔壁质量,特别是加工一些高厚径比的线路板时对孔位精度的提升效果明显。在盖板制造中,要选择比热容和相变潜热高的涂层材料,并保证其与铝片的结合紧密性及表面广义摩擦系数。在盖板使用中,要针对不同钻孔要求选择不同规格的涂覆型铝片。然而,目前涂层盖板的购买成本却是普通铝片的数倍,因此一般只应用于高精度、高品质钻孔要求的线路板,当然还可以通过提高钻头的使用寿命、提升磨次、增加钻孔叠板数等来降低使用涂层盖板的综合使用成本。


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