eng
Выпуск #8/2018
С. Ванцов, А. Медведев, Зве Маунг Маунг
Аппаратный способ предотвращения дефектов отверстий печатных плат
Аппаратный способ предотвращения дефектов отверстий печатных плат
Просмотры: 2033
Для предотвращения дефектов при сверлении отверстий в печатных платах предлагается метод и реализующее его устройство, в которых осевое усилие подачи сверла используется для определения его текущей температуры и, в случае превышения ею некоторого допустимого значения, – остановки работы оборудования.
DOI: 10.22184/1992-4178.2018.179.8.142.145
УДК 621.3.049.75:621.95.01 | ВАК 05.11.14
DOI: 10.22184/1992-4178.2018.179.8.142.145
УДК 621.3.049.75:621.95.01 | ВАК 05.11.14
Теги: drill temperature control hole defects overheat of the drill printed circuit boards дефекты отверстий контроль температуры сверла перегрев сверла печатные платы
Получение отверстий в печатных платах обладает определенной спецификой, связанной с тем, что обработке подвергаются композиционные материалы, из которых изготавливаются диэлектрические основания плат. В работе [4] показано, что значительная часть дефектов монтажных и переходных отверстий в печатных платах возникает из-за температурных проблем в зоне резания. Они неизбежно возникают после перехода температуры в зоне резания через определенный порог, которым является так называемая температура стеклования Тg.[1]
Еще одна крайняя точка, которую приходится учитывать при выборе режимов сверления, – температура разложения Tf, при достижении которой многие базовые материалы начинают интенсивно разлагаться из-за ослабления молекулярных связей; при отсутствии контроля пиковые значения температуры в зоне резания могут подойти и к ней. На рис. 1 показаны фазовые переходы на температурной шкале, типичные для термореактивных полимеров, не плавящихся при переходе через температуру стеклования. Термопластичные полимеры типа полиэтилена, полистирола, полиэфира (лавсана), поливинилхлорида при нагреве просто плавятся и теряют свою первоначальную форму и здесь не рассматриваются.
Температура Tg полимерной системы – это температура, при которой материал переходит из относительно жесткого, «стекловидного» состояния, в более податливое или умягченное состояние. Это термодинамическое изменение материала является обратимым до тех пор, пока полимерная система не деградировала. Иначе говоря, если материал был нагрет до температуры выше Tg, а затем охлажден до этой или меньшей температуры, то он возвращается в жесткое состояние, подобное первоначальному, с теми же в основном свойствами, что и прежде. Однако, если материал был нагрет до температуры, намного превышающей Tg и приближающейся к Тf, то могут произойти необратимые изменения его свойств.
Исходя из изложенных соображений, критической точкой нагрева композиционного диэлектрика в зоне сверления с точки зрения качества получаемых отверстий выбрана температура стеклования Tg.
В табл. 1 представлены виды дефектов, возникающих, когда температура в зоне резания превышает Tg [4–6].
Для предотвращения дефектов естественным действием представляется организация постоянного контроля температуры сверла в ходе процесса сверления и, в случае превышения ею некоторого допустимого значения, – остановки работы оборудования. Однако, в силу ряда специфических особенностей технологической операции сверления отверстий в печатных платах, применение общеизвестных способов измерения температуры в зоне сверления является затруднительным. К этим особенностям относятся:
• использование мелкоразмерных сверл, обладающих чрезвычайно малой теплоемкостью;
• скорость работы современных сверлильных автоматов – как в части сверления единичного отверстия, так и при переходе от одной точки сверления к другой;
• цикличность развития температуры в зоне резания.
Все это не позволяет выбрать температуру в зоне резания в качестве диагностического признака появления дефектов отверстий и реализовать техническое устройство контроля, работающее непосредственно в системе сверлильного станка.
Вместе с тем известны соотношения, позволяющие рассчитать температуру в зоне резания в зависимости от режимов и параметров процесса сверления [7]:
(1)
где – температура в зоне резания; – время; C и а – коэффициенты, значение которых определяется физическими константами и остается постоянным для конкретного технологического процесса; N – сила, направленная по нормали к задней поверхности сверла.
Значение параметра N связано с осевым усилием подачи инструмента следующим соотношением [5]:
(2)
где P – осевое усилие подачи; 2ϕ – угол при вершине сверла.
Основываясь на выражениях (1) и (2), авторы предложили метод и реализующую его установку, в которых осевое усилие подачи сверла используется в качестве диагностического признака для контроля момента появления дефектов отверстий.
Для измерения усилия подачи используется разработанная авторами физическая платформа, позволяющая измерять усилие нажатия на нее. Толщина платформы не превышает 4 мм, что дает возможность устанавливать ее непосредственно на стол сверлильного станка и интегрировать в систему управления станком. На платформу устанавливается пакет печатных плат, подвергающийся сверлению.
Разработанная платформа позволяет:
• регистрировать значения осевого усилия подачи;
• обеспечить высокую скорость и точность регистрации значений;
• передавать полученные данные в компьютер для пересчета в значение температуры в зоне резания с использованием выражений (1) и (2) и, при достижении значения Tg, формировать сигнал об этом для системы управления станком (либо для оператора, контролирующего работу станка).
Принцип действия платформы заключается в преобразовании деформации ее плоскости от воздействия усилия нажатия сверлом на пакет плат в электрический сигнал. Для преобразования используются тензорезистивные датчики: под воздействием усилия нажатия датчик деформируется вместе с платформой, и токи, протекающие через измерительный резисторный мост, меняются. Это изменение прямо пропорционально деформации датчика и, в конечном итоге, силе воздействия сверла на пакет плат.
В разработанном устройстве используется четырехпроводное подключение как наиболее простое, эффективное и распространенное среди всех видов тензодатчиков. Для регистрации сигнала тензодатчики подключаются к АЦП; в устройстве использован микроконтроллер фирмы Atmel семейства AVR ATmega8 с встроенным 10-битным АЦП.
В ходе предварительных экспериментов по измерению осевого усилия подачи при сверлении отверстий в пакете печатных плат было выявлено, что уровень сигнала, получаемого с тензодатчиков, находится в диапазоне милливольт. Примененный микроконтроллер не способен воспринимать такой слабый сигнал, что потребовало введения в схему измерения инструментального усилителя.
Для связи микроконтроллера c ПК использован интерфейс USART, аппаратно реализованный в микроконтроллере ATmega8, таким образом была исключена необходимость ручной реализации логики передачи данных.
Принципиальная схема устройства представлена на рис. 2.
Аппаратно устройство выполнено в виде измерительного комплекса, состоящего из:
• тензометрического стола размером 230 Ч 170 мм, расположенного на рабочем столе сверлильного станка;
• электронного измерителя усилия;
• ПК для хранения и обработки измеряемых данных.
Аппаратные особенности электронного измерителя усилия обеспечили быстродействие, равное 440 измерениям в секунду с учетом времени передачи данных и их сохранения в памяти ПК. Такая частота снятия отсчетов позволяет анализировать изменения усилия подачи в течение сверления одного отверстия. Это дает возможность по отдельности оценивать изменение усилия при прохождении медной фольги, эпоксидной смолы и стекловолокна.
Апробация предлагаемого аппаратного способа предотвращения дефектов отверстий печатных плат производилась путем сверления серий отверстий в платах из стеклотекстолита FR4 на фрезерно-сверлильном станке Bungard CCD / ATC (рис. 3).
Проведенная серия экспериментов подтвердила предположение о возможности использования предлагаемого аппаратного способа для предотвращения появления дефектов в ходе операции сверления отверстий в печатных платах на композитном основании.
ЛИТЕРАТУРА
1. Князев А., Борисенков С. Испытания надежности печатных плат при помощи термоциклирования и термоудара // Технологии в электронной промышленности. 2008. № 1. С. 21–24.
2. Медведев А. М., Сержантов А. М. Иллюстрированная технология печатных плат. Двусторонние печатные платы с металлизацией отверстий // Технологии в электронной промышленности. 2015. № 1. С. 30–32.
3. Иванова А. С., Медведев А. М. Механическое и лазерное формирование отверстий // Печатный монтаж. 2008. № 1. С. 2–7.
4. Зве Маунг Маунг, Ванцов С. В., Медведев А. М., Хомутская О. В. Анализ процесса сверления отверстий в композиционных материалах печатных плат // Надежность и качество сложных систем. 2016. № 2. С. 37–44.
5. Медведев А. М. Печатные платы. Механическое сверление // Технологии в электронной промышленности. 2012. № 8. С. 74–81.
6. Зве Маунг Маунг, Ванцов С. В. Квазидетерминированная модель тепловых явлений при сверлении композитных материалов // Компетентность. 2017. № 7. С. 16–19.
7. Зве Маунг Маунг, Ванцов С. В. Использование тепловой модели для определения параметров процесса сверления печатных плат // ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес. 2017. № 6. С. 190–192.
Еще одна крайняя точка, которую приходится учитывать при выборе режимов сверления, – температура разложения Tf, при достижении которой многие базовые материалы начинают интенсивно разлагаться из-за ослабления молекулярных связей; при отсутствии контроля пиковые значения температуры в зоне резания могут подойти и к ней. На рис. 1 показаны фазовые переходы на температурной шкале, типичные для термореактивных полимеров, не плавящихся при переходе через температуру стеклования. Термопластичные полимеры типа полиэтилена, полистирола, полиэфира (лавсана), поливинилхлорида при нагреве просто плавятся и теряют свою первоначальную форму и здесь не рассматриваются.
Температура Tg полимерной системы – это температура, при которой материал переходит из относительно жесткого, «стекловидного» состояния, в более податливое или умягченное состояние. Это термодинамическое изменение материала является обратимым до тех пор, пока полимерная система не деградировала. Иначе говоря, если материал был нагрет до температуры выше Tg, а затем охлажден до этой или меньшей температуры, то он возвращается в жесткое состояние, подобное первоначальному, с теми же в основном свойствами, что и прежде. Однако, если материал был нагрет до температуры, намного превышающей Tg и приближающейся к Тf, то могут произойти необратимые изменения его свойств.
Исходя из изложенных соображений, критической точкой нагрева композиционного диэлектрика в зоне сверления с точки зрения качества получаемых отверстий выбрана температура стеклования Tg.
В табл. 1 представлены виды дефектов, возникающих, когда температура в зоне резания превышает Tg [4–6].
Для предотвращения дефектов естественным действием представляется организация постоянного контроля температуры сверла в ходе процесса сверления и, в случае превышения ею некоторого допустимого значения, – остановки работы оборудования. Однако, в силу ряда специфических особенностей технологической операции сверления отверстий в печатных платах, применение общеизвестных способов измерения температуры в зоне сверления является затруднительным. К этим особенностям относятся:
• использование мелкоразмерных сверл, обладающих чрезвычайно малой теплоемкостью;
• скорость работы современных сверлильных автоматов – как в части сверления единичного отверстия, так и при переходе от одной точки сверления к другой;
• цикличность развития температуры в зоне резания.
Все это не позволяет выбрать температуру в зоне резания в качестве диагностического признака появления дефектов отверстий и реализовать техническое устройство контроля, работающее непосредственно в системе сверлильного станка.
Вместе с тем известны соотношения, позволяющие рассчитать температуру в зоне резания в зависимости от режимов и параметров процесса сверления [7]:
(1)
где – температура в зоне резания; – время; C и а – коэффициенты, значение которых определяется физическими константами и остается постоянным для конкретного технологического процесса; N – сила, направленная по нормали к задней поверхности сверла.
Значение параметра N связано с осевым усилием подачи инструмента следующим соотношением [5]:
(2)
где P – осевое усилие подачи; 2ϕ – угол при вершине сверла.
Основываясь на выражениях (1) и (2), авторы предложили метод и реализующую его установку, в которых осевое усилие подачи сверла используется в качестве диагностического признака для контроля момента появления дефектов отверстий.
Для измерения усилия подачи используется разработанная авторами физическая платформа, позволяющая измерять усилие нажатия на нее. Толщина платформы не превышает 4 мм, что дает возможность устанавливать ее непосредственно на стол сверлильного станка и интегрировать в систему управления станком. На платформу устанавливается пакет печатных плат, подвергающийся сверлению.
Разработанная платформа позволяет:
• регистрировать значения осевого усилия подачи;
• обеспечить высокую скорость и точность регистрации значений;
• передавать полученные данные в компьютер для пересчета в значение температуры в зоне резания с использованием выражений (1) и (2) и, при достижении значения Tg, формировать сигнал об этом для системы управления станком (либо для оператора, контролирующего работу станка).
Принцип действия платформы заключается в преобразовании деформации ее плоскости от воздействия усилия нажатия сверлом на пакет плат в электрический сигнал. Для преобразования используются тензорезистивные датчики: под воздействием усилия нажатия датчик деформируется вместе с платформой, и токи, протекающие через измерительный резисторный мост, меняются. Это изменение прямо пропорционально деформации датчика и, в конечном итоге, силе воздействия сверла на пакет плат.
В разработанном устройстве используется четырехпроводное подключение как наиболее простое, эффективное и распространенное среди всех видов тензодатчиков. Для регистрации сигнала тензодатчики подключаются к АЦП; в устройстве использован микроконтроллер фирмы Atmel семейства AVR ATmega8 с встроенным 10-битным АЦП.
В ходе предварительных экспериментов по измерению осевого усилия подачи при сверлении отверстий в пакете печатных плат было выявлено, что уровень сигнала, получаемого с тензодатчиков, находится в диапазоне милливольт. Примененный микроконтроллер не способен воспринимать такой слабый сигнал, что потребовало введения в схему измерения инструментального усилителя.
Для связи микроконтроллера c ПК использован интерфейс USART, аппаратно реализованный в микроконтроллере ATmega8, таким образом была исключена необходимость ручной реализации логики передачи данных.
Принципиальная схема устройства представлена на рис. 2.
Аппаратно устройство выполнено в виде измерительного комплекса, состоящего из:
• тензометрического стола размером 230 Ч 170 мм, расположенного на рабочем столе сверлильного станка;
• электронного измерителя усилия;
• ПК для хранения и обработки измеряемых данных.
Аппаратные особенности электронного измерителя усилия обеспечили быстродействие, равное 440 измерениям в секунду с учетом времени передачи данных и их сохранения в памяти ПК. Такая частота снятия отсчетов позволяет анализировать изменения усилия подачи в течение сверления одного отверстия. Это дает возможность по отдельности оценивать изменение усилия при прохождении медной фольги, эпоксидной смолы и стекловолокна.
Апробация предлагаемого аппаратного способа предотвращения дефектов отверстий печатных плат производилась путем сверления серий отверстий в платах из стеклотекстолита FR4 на фрезерно-сверлильном станке Bungard CCD / ATC (рис. 3).
Проведенная серия экспериментов подтвердила предположение о возможности использования предлагаемого аппаратного способа для предотвращения появления дефектов в ходе операции сверления отверстий в печатных платах на композитном основании.
ЛИТЕРАТУРА
1. Князев А., Борисенков С. Испытания надежности печатных плат при помощи термоциклирования и термоудара // Технологии в электронной промышленности. 2008. № 1. С. 21–24.
2. Медведев А. М., Сержантов А. М. Иллюстрированная технология печатных плат. Двусторонние печатные платы с металлизацией отверстий // Технологии в электронной промышленности. 2015. № 1. С. 30–32.
3. Иванова А. С., Медведев А. М. Механическое и лазерное формирование отверстий // Печатный монтаж. 2008. № 1. С. 2–7.
4. Зве Маунг Маунг, Ванцов С. В., Медведев А. М., Хомутская О. В. Анализ процесса сверления отверстий в композиционных материалах печатных плат // Надежность и качество сложных систем. 2016. № 2. С. 37–44.
5. Медведев А. М. Печатные платы. Механическое сверление // Технологии в электронной промышленности. 2012. № 8. С. 74–81.
6. Зве Маунг Маунг, Ванцов С. В. Квазидетерминированная модель тепловых явлений при сверлении композитных материалов // Компетентность. 2017. № 7. С. 16–19.
7. Зве Маунг Маунг, Ванцов С. В. Использование тепловой модели для определения параметров процесса сверления печатных плат // ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес. 2017. № 6. С. 190–192.
Отзывы читателей
