Механическая обработка печатных плат

Механическая обработка включает раскрой листового мате­риала на полосы, получение из них заготовок, выполнение фикси­рующих, технологических, переходных и монтажных отверстий, получение чистового контура ПП. Размеры заготовок определя­ются требованиями чертежа и наличием по всему периметру технологического поля, на котором выполняются фиксирующие отверстия для базирования деталей в процессе изготовления и

тестовые элементы. При прессовании МПП на технологическом поле образуется зона некачественной пропрессовки пакета, кото­рая удаляется при обработке контура. Ширина технологического поля не превышает 10 мм для ОПП и ДПП и 20...30 мм для МПП. Малогабаритные платы размером до 100 мм размещают на групповой заготовке площадью не менее 0,05 м² с расстоянием 5... 10 мм между ними. Размеры заготовок вспомогательных материалов (кабельная бумага, триацетатная пленка), используе­мых при изготовлении МПП, должны превышать на 55... 60 мм размеры заготовок из основного материала.

Выбор метода получения заготовок определяется типом про­изводства. В крупносерийном и массовом производстве раскрой листового материала осуществляют штамповкой на кривошипных или эксцентриковых прессах с одновременной пробивкой фикси­рующих отверстий на технологическом поле. В качестве инстру­мента применяют вырубные штампы, рабочие элементы которых изготовлены из инструментальных легированных сталей марок Х12М и Х12Ф1 (ГОСТ 5950—73) или металлокерамического твер­дого сплава марок ВК15 и ВК20 (ГОСТ 3882—74). Стойкость штампов из инструментальной стали при вырубке заготовок из гетинакса толщиной 1,5 мм составляет 8... 10 тыс. ударов, при вырубке заготовок из стеклотекстолита—1,5—2 тыс. ударов.

Усилие вырубки-пробивки определяется по формуле [28]

P=P₁+P₂+P₃+P₄ , (9.1)

где P₁ — усилие вырубки-пробивки контура платы, Н; Р₂ — усилие прижима, Н; Р₃— усилие проталкивания, Н; Р₄— усилие снятия отхода или детали с пуан­сона, Н. Усилие вырубки-пробивки определяется площадью среза и механически­ми свойствами обрабатываемого материала;

где —сопротивление срезу. Па; L— периметр среза, м; S— толщина мате­риала, м; K₁==1,1... 1,3—коэффициент, учитывающий неравномерность толщи­ны штампуемого материала.

Для уменьшения вероятности образования трещин, сколов, расслоений и повышения точности обрабатываемый материал прижимают к плоскости матри­цы фольгированной стороной, а углы режущих кромок скругляют (для наружных углов радиусом 0,25... 0,55 и внутренних—0,35... 0,65). Усилие прижима со­средоточивается у плоскости среза и рассчитывается по формуле

где р — удельное давление прижима, которое в зависимости от толщины штам­пуемого материала колеблется от 6 до 20 МПа. Усилие проталкивания находится из уравнения

246

где K₂ = 0,05... 0,08—коэффициент, зависящий от механических свойств мате­риала плат, зазора между пуансоном и матрицей; h — высота цилиндрического пояска матрицы, м (ориентировочно h=S). Усилие снятия детали или отхода с пуансона вычисляется по уравнению

где K_см=0,01... 0,12—коэффициент, зависящий от толщины материала и типа штампа.

На основании проведенных расчетов определяется мощность и тип пресса. Вырубку в штампах производят как в холодном, так и в нагретом до 80...... 100 °С состоянии материала. Прогревают материал при получения сложного контура ПП и его толщине свыше 2 мм. Исполнительные размеры режущего контура пуансона D_n и матрицы D_м вычисляют по формулам:

где D_n— номинальный размер обрабатываемой заготовки, мм; —предельное отклонение размера заготовки исходя из класса точности, мм; —тех­нологический зазоре между пуансоном и матрицей, мм; и — предельные отклонения режущего контура матрицы и пуансона, мм.

При вырубке наружного контура ПП определяют исполнительные размеры матрицы, а размеры пуансона выбирают с учетом величины технологического зазора, при пробивке фиксирующих отверстий — наоборот. Предельное отклоне­ние одного из рабочих элементов штампа (матрицы или пуансона) назначают на 2—3 квалитета выше, чем предельное отклонение соответствующего размера платы.

Исполнительные размеры пуансона и матрицы при работе с подогревом определяются по формулам:

где и —средняя величина усадки наружного контура и отверстия при по­догреве, мм; a₁ и a₂—коэффициенты, характеризующие термическую усадку при остывании; —относительное изменение размеров, вызванное упругостью материала, мм (табл. 9.5).

Величина усадки оказывает влияние на изменение межцентрового расстоя­ния. В этом случае номинальное значение межцентровых размеров в штампе

где L_M—номинальный межцентровый размер штампуемой детали по чертежу, мм; K_y—коэффициент, характеризующий усадку при остывании (табл. 9.5); —допуск на межцентровый размер штампа по чертежу, мм,

Заготовки ПП в единичном и мелкосерийном производстве получают разрезкой на одно- и многоножевых роликовых или гильотинных ножницах. Применяемые ножи должны быть уста­новлены параллельно друг другу с минимальным зазором 0,01...... 0,03 мм по всей длине реза.

Фиксирующие отверстия диаметром 4... 6 мм выполняют штамповкой или сверлением с высокой точностью (0,01... 0,05 мм). Для сверления используют универсальные станки, в ко­торых точность достигается применением кондукторов, или спе­циальное полуавтоматическое оборудование, которое в одном цикле с обработкой пакета заготовок предусматривает пневмати­ческую установку штифтов, фиксирующих пакет. Резание ведут спиральными сверлами из быстрорежущей стали (ГОСТ 4010—77) или твердых сплавов (ГОСТ 22736—77, 17274—71) при скорости 30... 50 м/мин и подаче 0,03... 0,07 мм/об. Биение сверла при обработке не должно превышать 0,03 мм. Повышение точности сверления фиксирующих отверстий достигается их развертывани­ем при скорости 10...30 м/мин и ручной подаче инструмента.

Аналогичными методами выполняю г и технологические отвер­стия, которые используют для предотвращения смещения загото­вок слоев МПП в процессе прессования, но к точности их обра­ботки не предъявляются такие жесткие требования, как к точно­сти обработки фиксирующих отверстий, по которым идет совме­щение заготовок с фотошаблонами и отдельных слоев в пакете.

Монтажные и переходные отверстия получают также штам­повкой и сверлением. Пробивку отверстий на универсальных или специальных штампах применяют в тех случаях, когда отверстие в дальнейшем не подвергается металлизации и его диаметр не менее 1 мм. Правильный выбор зазоров между рабочими частями штампа, их размеров и геометрии, а также усилий при штампов­ке позволяет свести к минимуму образование трещин на ма­териале и расслоений. При пробивке отверстий в односторонних фольгированных диэлектриках применяют штампы с увеличенным двусторонним зазором между пуансоном и матрицей, обеспечи-

вающим затягивание фольги в отверстие, чем достигается его частичная металлизация. Максимальная глубина затягивания фольги в отверстия диаметром 1... 1,3 мм достигается при тех­нологическом зазоре 0,4^+0,2 мм. В этом случае диэлектрик со стороны фольги укладывается к плоскости пуансонов, а удельное усилие прижима увеличивается в два раза по сравнению с обыч­ным вариантом. Если плата имеет высокую плотность монтажа, большое количество отверстий и малый шаг координатной сетки, то применяют последовательную пробивку на нескольких штам­пах. Применение универсальных штампов, в которых необходи­мое количество отдельных пуассонов набирается в специальном трафарете, делает процесс штамповки экономичным в условиях мелкосерийного производства.

Металлизированные монтажные и переходные отверстия обра­батывают с высокой точностью на специализированных одно- и многошпиндельных сверлильных станках с ЧПУ. Эти станки име­ют координатный стол с автоматической системой позициониро­вания, сверлильные шпиндели с бесступенчатым регулированием скорости и систему ЧПУ позиционного типа. Повышение произво­дительности при сверлении достигается увеличением числа обо­ротов шпинделя и количества синхронно работающих сверлиль­ных шпинделей, групповой обработкой пакета заготовок, автома­тической сменой сверл по ходу технологического процесса и при их поломке, выбором оптимальной траектории движения платы по отношению к инструменту. Проведенные исследования показали, что оптимальная частота вращения шпинделя составляет 45000... 120000 мин, скорость резания 25... 50 м/мин при числе двойных ходов до 200 в минуту. Это предъявляет повышенные требования к жесткости конструкции, уровню температурных деформаций, износостойкости узлов трения. Основные техниче­ские характеристики отечественных и зарубежных сверлильных станков с ЧПУ приведены в табл. 9.6. В зависимости от размеров обрабатываемых плат и требуемой производительности станки можно оснастить различным числом шпиндельных головок. Каж­дый шпиндель имеет независимый привод скоростей, в связи с чем за одну установку и по одной общей программе могут обрабаты­ваться отверстия разных диаметров.

Для обработки металлизированных отверстий используются специальные спиральные сверла из металлокерамических твер­дых сплавов ВК6М или ВК8М. Их стойкость при обработке фольгированных стеклотекстолитов составляет 3000... 7000 тыс. от­верстий, при наличии лакового покрытия на ПП стойкость инстру­мента уменьшается в 2—3 раза. Номинальное значение диаметра сверла следует выбирать исходя из зависимости

где d— номинальный диаметр отверстия, мм; — допуск на этот диаметр, мм; —допустимое уменьшение диаметра обрабаты­ваемого отверстия после охлаждения слоистых пластиков, мм.

Применяемые для обработки твердосплавные спиральные сверла характеризуются: 1) оптимальным углом при вершине 120... 130°; 2) углом подъема спирали 15... 30°; 3) полирован­ными поверхностями спиральных канавок; 4) радиальным бие­нием рабочей части относительно хвостовика не более 0,01 мм; 5) наличием в рабочей части обратной конусности в пределах 0,02... 0,03 мм; 6) острыми режущими кромками с радиусом скругления 8 мкм без выкрашивания и завалов; 7) симметрич­ным расположением режущих кромок относительно оси рабочей части.

Повышение температуры в зоне обработки при сверлении слоистых пластиков приводит к наволакиванию размягченной смолы на кромки контактных площадок, препятствующему по­следующей металлизации отверстий. Для устранения этого недо­статка предлагается ряд усовершенствований: применение охлаж­дающих агентов, не содержащих смазок (вода, водяной туман,

очищенный сжатый воздух и т. п.); двойное сверление; наложе­ние на поверхность платы металлических (алюминиевых) листов; разработка сверл с дополнительными режущими кромками, на­правленными в сторону, противоположную основным, и т. п. Однако все перечисленные способы оказываются малоэффективными в условиях массового производства. Предлагаемый фирмой IBM (США) процесс лазерного фрезерования хотя и устраняет наволакивание смолы на' торцы контактных площадок, но не исклю­чает ее стеклование на поверхности стенок отверстия. Наиболее эффективным средством устранения наволакивания признана по­следующая гидроабразивная очистка.

Чистовой контур ПП получают штамповкой, отрезкой на гиль­отинных ножницах или на специальных станках с прецизионными алмазными пилами, фрезерованием. Технологические режимы.и оснащение широкораспространенных методов обработки приве-

дены в табл. 9.7. Повышение производительности фрезерных ра­бот достигается групповой обработкой пакета ПП толщиной 10...30 мм Для исключения повреждения их поверхностей между отдельными заготовками прокладывают картон, а пакет помеща­ют между прокладками из листового гетинакса.

В последнее время для чистовой обработки все большее рас­пространение получают контурно-фрезерные многошпиндельные станки с ЧПУ которые обеспечивают хорошее качество кромок ПП и точность размеров в пределах ±0,025 мм, позволяют обра­батывать внешние и внутренние контуры за одно крепление, ха­рактеризуются высокой производительностью (1500... 2000 плат/ч) и надежностью. Они снабжены устройствами для автоматической смены фрез, защитными скафандрами для ограждения оператора от шума, пыли и стружки при обработке, бесступенчатым регули­рованием частоты вращения) инструмента в диапазоне 15...60 тыс/мин^-1. Станок модели AKF24 имеет диапазон фрезеро­вания 325õ500 мм с четырьмя и 650õ500 мм с двумя шпинделями.