Зависимость качественных и количественных показателей обработки отверстий на печатных платах от выбора фольгированного стеклотекстолита и режимов резания

При конструировании радиоэлектронной аппаратуры, устройств промышленной автоматики особое внимание уделяется разработке печатных плат. При изготовлении печатных плат в зависимости от их конструктивных особенностей и масштабов производства применяются различные варианты технологических процессов, в которых используются многочисленные химикотехнологические операции и операции механической обработки [1].

Применение интегральных микросхем и микросборок, стремление к миниатюризации и все большей интеграции в сборке приводит к повышению плотности проводящего рисунка печатного монтажа и, как следствие, к уменьшению диаметров отверстий и увеличению их количества на плате [2]. Все это приводит к наличию на рынке огромного числа композиционных материалов, в том числе пластиков, имеющих различные физико-химические свойства и разную механическую обрабатываемость. При написании статьи был проработан широкий спектр базовой литературы по изготовлению и механической обработке печатных плат отечественных авторов [1–3, 6–8], действующие нормативные документы, типовые технологические процессы [4, 5] и подробно проанализировано современное состояние дел по механической обработке композиционных материалов, в том числе стеклонаполненных пластиков [9–22]. Анализ научной литературы [1–22], обобщение производственного опыта покали, что имеется необходимость более тщательно про- анализировать связку базовый материал – режимы резания, поскольку зачастую на производстве режимы резания назначаются исходя из расчетно-опытных составляющих, а качество используемого стеклотекстолита напрямую влияет на количество обрабатываемых отверстий и, в конечном итоге, определяет рентабельность всего изделия.

На большинстве российских предприятий наиболее распространенными материалами для изготовления двухсторонних и многослойных печатных плат, а также для производства односторонних печатных плат с повышенными требованиями к механической прочности является фольгированный стеклотекстолит марки FR-4 разных фирм и производителей. Реже используется стеклотекстолит марки СФ для изготовления деталей общетехнического назначения [6].

Материал обладает высокой механической прочностью, стойкостью к истиранию, низким водопоглощением, высокой химической стойкостью, отличными диэлектрическими характеристиками и долговечностью. Стеклотекстолит превосходит текстолит по механическим свойствам, теплостойкости, стойкости к действию агрессивных сред и практически не ухудшает своих свойств при эксплуатации на воздухе в течение 20 лет и более [3].

Стеклотекстолит поддается любым видам механической обработки, однако при этом часто возникают определенные трудности, такие как [1]:

• 1)    высокое абразивное действие стеклоткани на основе, которой изготовляется стеклотекстолит, приводящее к быстрому износу инструмента;

• 2)    неправильно выбранные методы резания, приводящие к расслаиванию листа стеклотекстолита;

• 3)    искаженная геометрия сверла и увеличенная подача – факторы, приводящие к большим заусенцам фольги на выходе сверла (более 40 мкм);

• 4)    отсутствие подкладки под заготовку при сверлении, недостаточный прижим заготовки, затупленное сверло – факторы, приводящие к отслоению фольги от диэлектрика;

• 5)    радиальное и осевое биение сверла более 0,02 мм, приводящее к большим заусенцам фольги на выходе сверла;

• 6)    увеличенная скорость сверления при малой подаче сверла, приводящая к заполировке и засаливанию поверхности;

• 7)    неправильная заточка сверла, приводящая к ореолам и осветлениям диэлектрика;

• 8)    несоответствие скорости вращения подаче сверла, приводящее к «гвоздевому эффекту»;

• 9)    завышенная глубина сверления, вибрации сверла, отсутствие отсоса стружки, приводящие к поломке сверла;

• 10)    пыль, образующаяся при механической обработке, оказывающая вредное воздействие на кожу и дыхательную систему.

Таким образом, сверление отверстий, в том числе, подлежащих металлизации, является одной из важнейших операций при изготовлении печатной платы, поскольку от ее выполнения зависит качество металлизации и точность изготовления конечного узла. Сверлением создается микрошероховатость поверхности, которая обуславливает хорошие условия для адсорбирования каталитических частиц палладия и, соответственно, последующее качественное меднение.

Диаметр сверла, с помощью которого производится сверление, должен выбираться с учетом толщины слоя металлизации и допуска на сверление.

Расчет номинального диаметра сверла производится по формуле [1, 3]:

Dee = Dh + 0,8(А1 +А2) + 25, где Dсв – номинальный диаметр сверла; Dн – номинальный диаметр металлического отверстия; А1 - предельное отклонение диаметра, зависящее от станка и составляющее не более 0,1 мм для отверстий диаметром до 0,8 и 0,12 мм для отверстий диаметром от 0,8 до 3 мм; А2 - отклонения, обусловленные деформацией материала, возникающие после выхода сверла вследствие усилий сжатия (обычно А 2 = 0,03-0,05 мм); 5 - толщина металлического покрытия.

От выбора оптимальных режимов резания (глубины резания, подачи и скорости резания) зависит производительность труда, качество, стойкость режущего инструмента и стоимость изготовления печатных плат. Поэтому для каждого диаметра отверстия нужно рассчитать свои оптимальные параметры и режимы.

Расчет режимов резания производится по формулам [1, 3]: n ⋅ D ⋅π F ⋅ 1000

• V = ^св , f =           ,

  ^s 1000 n

где V_s – скорость резания, м/мин; F – поперечная подача, м/мин; f – подача/оборот, мм/об; n – число оборотов шпинделя, об/мин; D – диаметр обрабатываемого отверстия, мм; π =3,14.

При сверлении стеклоэпоксидных пластиков сверла из быстрорежущей стали и даже сверла специально для этого хромированные или азотиованные не обладают достаточно большой стойкостью. Поэтому применяются твердосплавные сверла различных фирм и производителей. При сверлении стеклопластика переточка сверл обычно производится после сверления 1000–1500 отверстий, в отдельных случаях (большие диаметры отверстий) эта операция производится после сверления 3000 отверстий. После трехкратной переточки сверла заменяются новыми, а старые можно использовать для сверления менее ответственной продукции [1, 4, 5].

Однако, приведенные ниже экспериментальные данные, доказывают, что при использовании оптимальных расчетно-опытных режимов резания и соответствующего материала, стойкость сверла может быть на один-два порядка увеличена относительно справочных данных (1500 отверстий до переточки в среднем).

В эксперименте участвовали два типа стеклотекстолита FR-4: производства КНР и производства Германии. В табл. 1 приведены физико-механические свойства материалов согласно данных поставщика (в том числе паспортов и сертификатов качества).

Таблица 1

Физико-механические свойства стеклотекстолита производства КНР и производства Германии

Параметр	Значение для FR-4 произв. Германии	Значение для FR-4 произв. КНР	Требование IPC 4101
Прочность на изгиб в продольном направлении, Н/мм2	581	550	≥ 415
Прочность на изгиб в поперечном направлении, Н/мм2	448	435	≥ 345
Прочность на отрыв на момент поставки, Н/мм	2,3	1,42	≥ 1,05
Прочность на отрыв при темпер. воздействии, Н/мм	1,8	0,95	≥ 0,7
Прочность на отрыв после темпер. воздействия, Н/мм	2,05	1,35	≥ 0,9
Пробой диэлектрика, кВт	42	55	≥ 40
Диэлектрическая постоянная при 1 МГц	4,83	4,4	≤ 5,4
Тангенс угла диэлектрических потерь при 1 МГц	0,019	0,021	≤ 0,035
Горючесть	V–0	V–0
Толщина ламината, мм	1,5 ± 0,07	1,5 ± 0,07	1,5 ± 0,19

Обработка материала производилась твердосплавными сверлами для печатных плат производства России и Германии.

Ниже приведены экспериментальные данные процесса сверления и необходимые пояснительные фотографические изображения, качественно иллюстрирующие износ инструмента на разных режимах резания при обработке стеклотекстолита FR-4.

• 1.    Обработано 480 печатных плат производства Германии, 480 печатных плат производства КНР. Перед началом процесса обработки проведен входной контроль заготовок, установлено, что изгиб материала соответствует норме (0,2 %) при допуске

^{Таблица 2} 0,5 %. Твердость материала производства КНР на 12 % выше

Режим сверления печатных плат относительно материала производства Германии.

Сверло	Част. вращ., об/мин	Подача, мм/мин	2.    Сверление печатных плат проводилось в 3 режимах: а) Режим 1 согласно табл. 2, сверла производства России. Ниже приводится анализ на основании отверстий диаметром 1 мм как наиболее распространенных на печатном узле (количество отверстий диаметром 1 мм – 370, остальных диаметров – до 70). При обработке образцов заготовок заусенцы появились после сверления 6000 отверстий диаметром 1 мм.
∅ 1	48 000	1500
∅ 1,2	53 000
∅ 1,3	49 000
∅ 1,5	43 000
∅ 1,7	43 000
∅ 2,0	32 000

б) Режим 2 согласно табл. 3, сверла производства России. Стойкость сверл на данных режимах значительно увели-	Таблица 3 Режим сверления печатных плат
чивается. Сверло диаметром 1 мм выдержало до появления	Сверло	Част. вращ.,	Подача,
заусенцев 12 000 отверстий на материале FR4 производства		об/мин	мм/мин
Германии. Для сравнения с китайским материалом 7800 от-	∅ 1	48 000	1100
верстий новыми сверлами.	∅ 1,2	40 000	920
Таким образом, использование режима 2 дает более при-	∅ 1,3	37 000	850
емлемые результаты по сравнению с режимом 1.	∅ 1,5	32 000	740
в) Режим 3, сверло ∅ 1 производства Германии.	∅ 1,7	28 000	1000
Режимы сверления по пункту б, табл. 2 (как наиболее оп-	∅ 2,0	24 000	1000
тимальные).

Данные о количестве обработанных отверстий сверлом диаметром 1 мм производства Германии сведены в табл. 4.

Количество качественных отверстий

Таблица 4

Материал FR-4 произв. Германии	Материал FR-4 произв. КНР
21 000	9600

В табл. 5 приведены качественные показатели износа инструмента на разных режимах резания при обработке стеклотекстолита FR-4 производства КНР и Германии.

Таблица 5

Качественные показатели износа инструмента на разных режимах резания

Режим сверления	Материал, тип сверла, Износ инструмента, количество отверстий, наличие заусенцев в отверстии наличие заусенцев
n = 48 000 об/мин, F = 1500 мм/мин	Материал FR-4 Германия Сверло – пр. Россия 6000 отв. Заусенец – 1–2 мкм Материал FR-4 КНР Сверло – пр. Россия 4000 отв. Заусенец – 1–2 мкм Материал FR-4 КНР Сверло – пр. Германия 6000 отв. Заусенец – 3 мкм

Окончание табл. 5

Режим сверления	Материал, тип сверла, количество отверстий, наличие заусенцев	Износ инструмента, наличие заусенцев в отверстии
	Материал FR-4 Германия Сверло – пр. Россия 6600 отв. Заусенец – менее 1 мкм	к
	Материал FR-4 Германия Сверло – пр. Россия 8600 отв. Заусенец – 1–2 мкм
n = 48 000 об/мин, F = 1100 мм/мин	Материал FR-4 КНР Сверло – пр. Россия 7800 отв. Заусенец – 3 мкм
	Материал FR-4 КНР Сверло – пр. Германия 9600 отв. Заусенец – 3 мкм
	Материал FR-4 Германия Сверло – пр. Германия 21 000 отв. Заусенец – 3 мкм

Таким образом, проведенный эксперимент доказал, что при использовании оптимальных расчетно-опытных режимов резания и качественного материала стеклотекстолита, условная «стойкость» сверла (в пересчете на количество сверл) может быть увеличена относительно справочных данных.

А именно: в 14 раз при использовании стеклотекстолита и сверл производства Германии, в 6,4 раза при использовании стеклотекстолита производства КНР и сверл производства Германии, в 5,7 раз при использовании стеклотекстолита производства Германии и сверл производства России и в 5,2 раза при использовании стеклотекстолита производства КНР и отечественных сверл. Кроме того, во столько же раз сократится время переналадки оборудования, что значительно повысит рентабельность изготавливаемой продукции.

В итоге, при расчете цены конечной продукции стоимость сверл (в перерасчете на их количество) будет учтена. Кроме того, использование качественного стеклотекстолита позволяет исключить некоторые операции механической подготовки поверхности заготовок из-за отсутствия заусенцев.