柔性印制电路板微孔钻削过程及钻削质量研究.doc

柔性印制电路板微孔钻削过程及钻削质量研究 学校代号:分类号:学 号: 密级:广东工业大学硕士学位论文工学硕士柔性印制电路板微孔钻削过程及钻削质量研究张欣指导教师姓名、职称: 王成勇教授企业导师姓名、职称: 五专业或领域名称: 扭械制造及其自动化扭电工程堂院学生所属学院:曼生鱼目论文答辩日期: :.,.,摘要摘要微孔孔径小于是柔性印制电路板,简称的重要组成部分,微孔质量的好坏直接影响后续孔壁镀铜、线路的品质和电子产品的可靠性与寿命,所以钻孔工序是柔性印制电路板流程中的重要环节。现阶段柔性板上的各种微孔主要通过机械钻孔加工。随着市场对产品的技术要求越来越高,的层数也会越来越多、线宽和线距越来越窄、孔径也会越来越小,这就对微孔加工以及加工微孔的质量提出了更高和更加严格的要求。但是目前针对柔性板微孔机械钻孔尚未进行深入的研究,实际生产中还存在很多问题。因此非常有必要对微细孔钻削加工进行深入的研究。本文根据柔性板行业对微孔钻削加工技术的迫切需要,采用理论分析和大量的实验研究方法,着重从柔性板微孔钻削过程入钻打滑偏斜、排屑状态、切屑形貌、钻削力、钻削温度、微钻磨损以及钻削微孔质量等方面对柔性板微孔钻削工艺进行系统深入的研究,主要研究结论如下:柔性双面覆铜板微孔钻削过程中引起钻头偏斜打滑现象的根本原因是在钻头下钻瞬间钻尖部分受到横向作用力不平衡引起的。采用盖垫板等钻孔辅料可以改善钻孑过程中的钻尖偏斜和打滑现象,但是不同的钻孔辅料的搭配对钻孔中钻尖偏斜打滑有不同的影响的。柔性双面覆铜板微孔钻削时产生钻屑的形貌与进给速度有很大的关系。在同样的主轴转速条件下,随着进给速度的增大,钻屑的长度和厚度等都随着增大。进给速度越大,钻屑尺寸变大,钻头的排屑能力下降,钻屑容易缠绕钻头。在进给速度比较高时,微钻钻头钻削上层铜箔和钻削下层铜箔所产生的钻屑的形貌具有显著的差异,从非金属材料的粘胶剂粘附在铜屑的位置可以区别开钻屑产生的部位。微钻钻削过程中,钻头交替钻削铜箔、粘胶剂和聚酰亚胺薄膜,相应的产生的钻削力的变化也是交替变化的。钻头钻削铜箔、粘胶剂和薄膜时的钻削力由大到小依次为钻削铜箔、粘胶剂、薄膜。钻削轴向力随着主轴转速的增大而减小,随着进给速度的增大而相应的增大。钻头直径对钻削轴向力的影响比较显著,钻头直径越大,在相同的钻削参数下,钻削轴向力越大。广东工业大学硕士学位论文微钻钻削柔性双面覆铜板时钻削温度是由钻削过程中产生的热量的累加而形成的。钻削温度的高低与进给速度和退刀速度有很大的关系,当进给速度和退刀速度比较低的时候,热量不容易累积造成温升。当钻削时进给速度和退刀速度比较大时,钻相邻孔之间的间隔的时间比较短,热量容易逐渐累积造成钻削温度逐渐升高。钻削时采用低温冷风进行冷却可以很大程度上降低钻削温度。微钻钻削柔性双面覆铜板时,微钻钻尖磨损形式主要有横刃磨损和后刀面磨损两种。随着主轴转速和进给速度的增大,钻头的磨损会逐渐加剧。钻孔数的增大也会加剧钻头的磨损。盖垫板的组合使用方式会增大钻头钻削过程的复杂性,从而对钻头磨损产生影响。柔性双面覆铜板孔位精度随着主轴转速和退刀速度的增大而增大,随着进给速度的增大而减小,随着钻头直径的增大快速增大。钻孔数的增多会导致微孔孔位精度的降低。盖板厚度的增加会导致孔位精度降低,盖板合理的使用方式可以有效的提高孔位精度。钻孔中柔性板叠板层数的不同也会影向位精度,孔位精度会随着叠板层数的增多而降低。微孔出入口形貌的影响因素主要有钻头直径、钻孔数和盖垫板使用方式等。钻头直径对微孔出口毛刺数量和孔入口圆度误差等有影响。随着钻头直径的增大,出口毛刺数量增多,微径的误差变小。钻孔的数目会影响微孔入口处塑性变形环的宽度,钻孔数越多,塑性变形环尺寸越大。盖板对微孔入口毛刺的影响比较显著,采用冷冲板做盖板时孔的入口质量最好,其次为润滑铝片;普通铝片盖板比没有使用盖板时的孔入口质量好。压力脚对微孔出口形貌的影响最为突出,若钻孔过程中层间压力过小,会导致微孔出口毛刺过大。垫板的硬度也是影响出口毛刺的主要原因,出口毛刺的大小会随着垫板表面硬度的增大而减小。在微孔孔壁质量方面,微孔钻削过程中产生的横向作用力和轴向作用力以及钻削温度是造成孔内钉头以及出入口毛刺的根本原因。孔内钉头厚度以及出口毛刺高度会随着主轴转速的增大而有稍微减小的趋势,随着进给速度和钻孔数的增大而有稍微增大的趋势。此外在微孔钻削过程中,孔壁质量方面还存在孔径上大下小,两头大中间小等缺陷。关键词:柔性印制电路板,微钻过程,钻削力,钻削温度,磨损、微孔质量 . .,., . . . . , ., , , .: .,. ., . , . ,广东工业大学硕士学位论文., . , . ., . .、析. . 、 . . ,.,. . ,.,. , . .,. , .,. , ;., ,. ., ., . ., ,:, ,广东工业大学硕士学位论文目录目录摘要?.?.?.?.?.?.?.?.?.?.?.?.?.?.?.?.?.符号表目录?第一章绪论?一.研究背景及意义.研究背景.研究意义.柔性印制电路板微孔钻削的国内外研究现状.柔性印制电路板材料性能及应用?.柔性印制电路板钻孔用盖垫板性能及应用.柔性印制电路板钻孔用钻头.柔性印制电路板钻削力与钻削温度.柔性印制电路板微孔加工质量?.柔性印制电路板与刚性印制电路板孔加工异同.柔性印制电路板微孔钻削存在的问题?.课题来源与主要研究内容?.课题来源?.主要研究内容第二章柔性印制电路板微孔钻削实验与研究方法?.实验材料与微钻?.材料.盖板和垫板.实验用钻头.实验仪器设备与测试方法?.钻孔设备?.柔性印制电路板微孔钻削过程观察?一广东工业大学硕士学位论文.柔性印制电路板微孔钻削钻削力测量?。.柔性印制电路板微孔钻削钻削温度测量.柔性印制电路板微孔孔位精度测量?.柔性印制电路板微孔出入口与孔壁形貌测量与观察?.本章小结?第三章柔性印制电路板微孔钻削过程及钻屑形态分析.微钻钻削柔性印制电路板微孔形成过程分析?.柔性印制电路板钻入瞬间盖板材料对钻尖打滑的影响?一.普通铝盖板.冷冲盖板?.润滑铝片盖板?.微钻入钻瞬间钻尖打滑原因分析.微钻钻削柔性印制电路板过程排屑现象?一.微钻钻削柔性印制电路板钻屑形貌.钻削柔性双面覆铜板切屑形成过程?.钻削柔性双面覆铜板切屑形态.?.与微孔钻削过程及钻屑形貌对比?.本章小结?第四章钻削力、钻削温度与刀具磨损的研究?.微钻钻削柔性双面覆铜板的钻削轴向力?.微钻钻削轴向力分析?.微钻钻削钻削轴向力的基本特征.主轴转速和进给速度对钻削轴向力的影响?.微钻直径对钻削轴向力的影响?.微钻钻削柔性双面覆铜板的钻削温度?.微钻钻削柔性双面覆铜板时钻削温度分析?一.钻削温度特性?。.钻削参数对钻削温度的影响?。.冷风冷却对钻削温度的影响?.微钻钻削柔性双面覆铜板时钻头磨损?.目录.微钻钻头磨损特征.钻削参数对钻头磨损的影响?.钻孔数量对钻头磨损的影响?.盖板使用对钻头磨损的影响?.与微孔钻削轴向力、钻削温度和钻头磨损对比本章小结?第五章微孔钻削质量的研究?一.孔位精度?.、钻削参数对孔位精度的影响.主轴转速?.进刀速度?.退刀速度?.、钻头对孔位精度的影响?.钻头直径?.钻孔数.、盖板的使用对孔位精度的影响?.盖板使用方式.冷冲板厚度.叠板层数对孔位精度的影响?.微孔出入口形貌?.影响微孔入口形貌的因素一.钻头直径.盖板.钻孔数?.影响微孔出口形貌的因素.压力脚.垫板.主轴转速.进给速度.叠板层数广东工业大学硕士学位论文.微孔孔壁质量.微孔孔内钉头以及出口毛刺形成过程.主轴转速对孔内钉头以及出口毛刺的影响?.进给速度对:/ 勺钉头以及出口毛刺的影响?.微钻钻孔数对孔内钉头以及出口毛刺的影响.微孔切片观察到的其它钻孔缺陷及其原因简要分析?.与微孔钻削质量对比.提高柔性印制电路板微孔钻削质量的基本原则?.本章小结?结论与展望?参考文献攻读学位期间发表论文独创性声明?学位论文版权使用授权声明致谢.?.?.?.?.?.?.?.?.?.?.?.?.?.?.?.?.?.?.?.?.?.?.?.?.?.?.?.?.?.?.?.?. .?. .?. .?.?.?.?.?. .?.?.?.?.?.?.广东工业大学硕士学位论文.?.?. .:;. .?. .?. .:;.:;. . .?.?.?.?.?.?.?.?.?.?.?.?.?.?.?.?.?.?. 、?.?.?.?.?.?.?.?.?.?.?.?. .?.?.?.?.?.?. .】?. .?. ? .?.?.?.?.?.?.?.?.?. .、. .?.?.?.?.?.?.?.?.?.?.?.;.?.?.?.?.?.?.?.?.?.?.?.?.?.?.?.?.?.、;.?.;. .、 ?. .?.?.、. .?.?. .?. .?. .?.?.。广东工业大学硕士学位论文. .?.?.?. .?.?.?.?.?.?.第一章绪论第一章 弟一早 绪 珀。 论 下匕.研究背景及意义.研究背景印制电路板,又称印制电路板、印刷线路板,英文简称,它是以绝缘板为基材,切成一定尺寸,其上至少附或 有一个导电图形,并布有孔如元件孔、紧固孔、金属化孔等,用来代替以往装置电子元器件的底盘,并实现电子元器件之问的相互连接。它是是集成、组装各种电子元器件的基板和关键互连件,几乎出现在每一种电子设备中?。印制电路板一般按结构类型可分为硬板,软板和软硬结合版三类,如下图.所示。硬饭 软扳 软睫结合扳图.典型的印制电路板【】,.是 的简称,又称软性线路板、柔性印制电路板、挠性线路板、简称软板或。软性印制电路是以聚酰亚胺或聚酯薄膜为基材制成的一种具有高度可靠性,性能优良的可挠性印刷电路。以为载体的电子产品具有以下优点:柔性好,可自由弯曲、折叠和卷绕,可在三维空间随意移动及伸缩;散热性能好,重量轻,与刚性比,空间可节省%,可利用缩小体积;实现轻量化、小型化、薄型化,从而达到元件装珞和导线连接一体化特点【】。它适应了当今电子产品向高密度及高可靠性、小型化、轻量化发展,满足了市场与技术竞争的需要。因此被广泛应用于消费类电子领域如智能手机和高端手机、计算机含笔记本、电话机、继电器、数码相机、液晶电视、等离子电视、媒体播放器、导弹和汽车仪表等电子设备中,如表.所示。广东工业大学硕士学位论文表. 的电子应用领域应用产品领域 产品例子消费性电子产品 收录机、数字式摄像机、个人音响、照相机计算机台式电脑、笔记本型电脑、掌上型电脑计算机周边产品 打印机、扫描机、/、硬盘、软盘平面显示器 液晶显示面板、电机发光面板,板等办公设备 传真机、复印机打字机,电子书等通讯产品 智能手机汽车产品发动机控制、防暴死装置安全气囊控制、感应器,仪表板其它卡、医疗仪器、工业设备、宇航及军事用途由知名的公司做出的年行业发展预测如图.所示,至 年间,全球产品中挠性占比由.%上升为.%、.占比由.%上升至.%,封装基板占比由.%上升至 .%。柔性电路工业正处于规模小但迅猛发展之中,中国印制电路行业协会预计到 年,中国挠性板产值将会上升至.亿美元,增长率在.%左右。随着下游电子系统产品更新换代,印制板不断向?、封装基板和挠性等高端产品发展。进入年以来,软板市场进一步提升,拉动软板市场的主要是智能手机,电子书,板和笔记本电脑。实际上任何轻薄短小的电子产品对软板的需求都很旺盛。市场的变化与预测啦一嚣 扳啦待乳 躁%嘏毛 限。饕纛黪謦蒸纛图未来几年全球发展趋势.产业是技术密集型、资金密集型、人才密集型的行业,涉及电子电路、机电一体化、印刷技术、表面处理、光化学和电化学等多门基础科学,科技含量高,对配套行业的依赖度极高【。其制作流程如图.所示。中国软性印制电路板行业第一章绪论取得了很大的发展,但存在技术水平不高,投产和效益不均衡等诸多问题,和国外同行相比仍有很大的差距。图.一般制作流程【 】. 柔性印制电路板制造过程复杂,工序繁多,配套所需专用生产检测设备也多,涉及的专用物料有数百个品种。其中钻孔加工为制造工艺过程中最为关键和重要环节,占据整个生产的%的时间和成本【 。微孔是柔性印制板的重要组成部分之一。标准多层板的结构含内层线路及外层线路,再利用钻孔以及孔内金属化的制程,使各层线路的内部之间相连结。孔加工质量都直接影响柔性印制板的机械装配性能和电器连接性能,决定印制板的质量。印制电路板的微:;工的方法主要有:机械钻孔、机械冲孔、激光钻孔、光致成孔、湿法化学蚀刻、干式等离子蚀孔等。目前最主要的加工方法为数控机械钻孔和激光钻孔。但是由于激光钻孔的成本比较高,并且容易造成树脂高温受热融化而产生严重的污斑,所以现阶段柔性印制板的外形和各种用途的孔都是通过机械完成的,尺寸精度要求极高。钻孔工序通常是印制电路板厂的产能瓶颈之一,钻孔也是生产印制电路板和芯片封装中成本最集中的工艺步骤。要想获得高质量低成本印制板必须根据制造印制板所采用的基材、性能、尺寸公差要求、加工数量和加工工艺选择合适的机械加工方法,使其获得最大的经济效益。东女掌论由于的孔受外力作用的机会较刚性多,对孔壁铜基材与化学铜,化学铜与电镀铜的结台力和延展性要求较高,所以孔壁品质稍差就容易造成缺陷。复合材料塑性大、各向异性,导热性差,切削过程中工作状况恶劣,刀具磨损破损严重。钻孔常见各种基材孔内有残留物、扯胶、毛刺、孔内粘胶缺陷;加工后存在孔不圃整或锯齿状,孔径上大下小形状精度偏差问题:孔壁烧焦、边缘发黑等;其中更严重的问题存在使钻孔俯孔:叠层数量增加会导致加工孔质量不稳定等诸多实际问题。.研究意义奉论文将针对柔性印制电路板超高速钻削加一的特殊性和基科学问题,采用切削理论、材料学、热力学等理论,以及在线摄影技术、材料微观分析技术和测试分析技术,通过大量的睾占削实验,研究柔性印制电路板钻孔环节的基础问题。研究分析柔性印制电路扳在钻钊过程。孔的形成过程以及在钻入瞬问盖板材料对钻尖打滑的影响并分析了打滑的原因,研究了钻削过程中排屑状态的影响因素,研究钻屑形貌特征;研究了微钻钻削柔性印制电路扳钻削轴向力、钻削温度以及微钻磨损特征以及影响因素:研究了不同直径的钻头和钻孔辅料搭配、叠板层数、钻孔参数作用下的孔位精度、微孔入口形貌、以及孔内钉头毛刺的变化趋势。这些研究将丰富钴削加工理论.适应印制电路板行业微细化发展要求,为微细钻头钻削柔性印制电路板加工艺提供参考,对提高印制电路板加工的实际生产和市场竞争力具有重要的实际意义。.柔性印制电路板微孔钻削的国内外研究现状.柔性印制电路板材料性能及应用在柔性印制电路板加工过程中.需要采用钻孔的板材会有单面板,双面板,多层板以及软硬结合板等。它们的结构如下罔所示。摧膜摧锅扳导覆盖幞荤单面板 般面板匪誊垒薰多层板 刚挠结台扳围 典型结构嘲押单面板:采用单面覆铜板材料制作而成,在线路完成之后,再覆盖一层保护膜或覆盖涂层,形成一种只有单层导体的软性电路板。双面板:用双面板覆铜板材料于双面电路完成后,两面分别加上一层保护膜,成为一种具有双层导体的电路板。多层板:以单面覆铜板材料及粘结胶为基本材料,采用类似与基板生成双面板的工艺,经多次压合成为具有多层导体结构的线路板,可以设计为局部分层结构咀达到具备高挠曲性的目的。刚挠结合板:刚挠结合印制板是由刚性和挠性基板有选择地层压在一起组成,结构紧密,以金属化孔形成导电连接。每块刚挠结合印制板上有一个或多个刚性区和一个或多个挠性区。软性覆铜板基材是咀软性铜箔基材,卜作为原料而制造的电器或电子的重要结构元件。一般柔性覆铜板是由绝缘薄膜、粘接剂和铜箔三种材料构成的复合材料。软性铜箔基材分为两大类:传统有接着剂型三层软板基材与新型无粘胶剂型二层软板基材两大类。其是由挠性绝缘基膜与金属箔组成的,由铜箔、薄膜、胶粘剂三个不同材料所复合而成的挠性覆铜板称为三层型挠性覆铜板简称“,”。无胶粘剂的挠性覆铜板称为二层型挠性覆铜板简称“.”。因为此二类软性铜箔基材的制造方法不同,所以两类基材的材料特性亦不同。应用上,两类的应用产品项目不同,应用在目前大宗的软板产品上,而 则应用在较高阶的软板制造上,如软硬板、等,因广东工业大学硕士学位论文为 的价格较贵,产量亦不足以供应高阶软板的需求,所以有国内外有许多厂商投入生产行列,但目前仍有产出速度过慢与良率不高的问题。绝缘薄膜绝缘薄膜形成了电路的基础层,粘接剂将铜箔粘接至了绝缘层上。在多层设计中,它再与内层粘接在一起。它们也被用作防护性覆盖,以使电路与灰尘和潮湿相隔绝,并且能够降低在挠曲期间的应力,铜箔形成了导电层。绝缘薄膜材料有许多种类,但是最为常用的是聚酰亚胺简称和聚酯材料。目前在美国所有柔性电路制造商中接近%使用聚酰亚胺薄膜材料,另外约%采用了聚酯薄膜材料。聚酰亚胺材料具有非易燃性,几何尺寸稳定,具有较高的抗扯强度,并且具有承受焊接温度的能力,聚酯,也称为聚乙烯双笨二甲酸盐简称:,其物理性能类似于聚酰亚胺,具有较低的介电常数,吸收的潮湿很小,但是不耐高温。聚酯的熔化点为。,玻璃转化温度为,这限制了它们在要求进行大量端部焊接的应用场合的使用。在低温应用场合,它们呈现出刚性。尽管如此,它们还是适合于使用在诸如电话和其它无需暴露在恶劣环境中使用的产品上。聚酰亚胺绝缘薄膜通常与聚酰亚胺或者丙烯酸粘接剂相结合,聚酯绝缘材料一般是与聚酯粘接剂相结合。与具有相同特性的材料相结合的优点,在干焊接好了以后,或者经多次层压循环操作以后,能够具有尺寸的稳定性。在粘接剂中其它的重要特性是较低的介电常数、较高的绝缘阻值、高的玻璃转化温度和低的吸潮率。粘胶剂粘胶剂除了用于将绝缘薄膜粘接至导电材料上以外,它也可用作覆盖层,作为防护性涂覆,以及覆盖性涂覆。两者之间的主要差异在于所使用的应用方式,覆盖层粘接覆盖绝缘薄膜是为了形成叠层构造的电路。不是所有的叠层结构均包含粘胶剂,没有粘胶剂的叠层形成了更薄的电路和更大的柔顺性。它与采用粘胶剂为基础的叠层构造相比较,具有更佳的导热率。由于无粘胶剂柔性电路的薄型结构特点,以及由于消除了粘胶剂的热阻,从而提高了导热率,它可以使用在基于粘胶剂叠层结构的柔性电路无法使用的工作环境之中。铜箔第一章绪论图电解铜与压延铜的结构电解铜压延铜 ., 铜箔是制造覆铜板的关键材料,必须有较高的导电率及良好的焊接性。要求铜箔表面不得有划痕、砂眼和皱褶,金属纯度不低于.%,厚度误差不大于。铜箔厚度的标称系列为、和。我国目前正在逐步推广使用甚至.厚度的铜箔。铜箔越薄,越容易蚀刻和钻孔,特别适合于制造线路复杂的高密度的印制板。铜箔可以采用电解法简称:,或者压延法制的。采用电解法制的铜箔一侧表面具有光泽,而另一侧被加工的表面暗淡无光泽。它是具有柔顺性的材料,可以被制成许多种厚度和宽度,铜箔的无光泽一侧,常常经特别处理后改善其粘接能力。压延法制铜箔除了具有柔韧性以外,还具有硬质平滑的特点,它适合于应用在要求动态挠曲的场合之中。电解铜和压延铜的结构如图.所示。.柔性印制电路板钻孔用盖垫板性能及应用在现代印制电路板微孔钻削制程中,使用合适的盖垫板产品与电路板板材搭配,既可以提高钻孔的品质,又能够提高成品率,甚至还可以大大提高钻头寿命,降低制程成本。所以越来越多的生产厂家已经开始重视盖垫板的作用。随着电路板的集成度越来越高,对这些辅助材料的要求也将变得越来越苛刻。在钻孔过程时,盖板在钻孔中的作用如下:防止钻孔时板材上表面毛刺的产生;保护表层铜箔在钻孔中免受压力脚的冲击;清理钻头上的钻污,避免钻头钻孔时的震颤,防止钻头折断;提高钻孔的孔位精度;冷却钻头,降低钻头温度,不腻污孔。因此,希望盖板能够满足下列条件:有一定的表面硬度防止钻孔上表面毛刺,但又不能太硬而磨损钻头;本身成份不含树脂,否则钻孔时将腻污孔;要求导热系数大,能迅速将钻孔时产生的热量带走,降低钻头的温度;要有一定的刚性防止提钻时板材颤动,又要有一定弹性,当钻头下钻接触的瞬间立即变形,使钻头精确地对准被钻孔的位置,保证钻孔位置精确。广东工业大学硕士学位论文在钻孔过程时,垫板对钻孔的作用:保护加工板材和钻机;防止钻穿孔时在微孔出口产生毛刺,防止毛刺的扩散传播等。此外,钻孔时,垫板选用不当时可能使钻孔存在以下常见问题:在行程下限死点,钻头在垫板中高速摩擦,只有当垫板的硬度、材质、结构适宜才不会产生过高的温度。钻头温度升高使环氧树脂软化,粘附在钻头上,退钻时腻在孔壁上形成环氧腻污。腻污较难清除,而且垫板是使钻刃磨损的重要原因之一。因为钻头在垫板中高速摩擦,使钻刃磨损。如果垫板中有杂质,会加速钻刃磨损,从而产生毛刺、腻污,同时垫板也是造成钻头折断的原因之一。垫板材质不均,有硬点或软点不规则分布,易卡住钻头。含有高树脂的垫板,其树脂粘结在钻头棱刃上或排屑槽中,往往使钻头卡住,垫板的杂质成分含量高,易使钻头产生不稳定的磨损或折断例。王顶先【】对比研究了薄型复合盖板以及铝合金波纹垫板与传统型盖垫板在钻孔中对毛刺高度和钻孔温度的影响,发现正确选择盖垫板材料对于获得所要求的钻孔质量是很重要的,可大大提高钻孔质量。张伦强【】对钻孔用垫板的功能和目前市场上存在的几种类型的垫板进行不同孔径的钻孔性能对比研究,发现随着孔径的减小到.以下,垫板材料的特性对钻孔品质的影响极大;对于.的较大孔径,垫板材料的特性对钻孔性能影响变弱。.柔性印制电路板钻孔用钻头直径小于毫米的钻头称为微钻。微钻是印制电路板钻孔用的主要耗材,严重影响印制电路板的成本。目前国内微钻生产用硬质合金棒材每年需求量约万公斤,一半以上需要进口,需求量巨大】川。目前,由于印制电路板板料种类的日趋多样化以及对环保功能的要求越来越高,对微钻材料的选择也带来了巨大的挑战,微钻材料必须具备以下五个条件:较高的耐磨性;较高的热导率;较细的晶粒;较好的抗化学侵蚀性能;较好的加工性能。印制电路板微钻由于尺寸较小,故钻头整体易采用硬质合金制造,且易采用超细颗粒的硬质合金粉制造。硬质合金是一种或多种高硬度、高模量的碳化物通常是和等和过渡族的金属或其合金通常是、等组成的复合材料。该材料的这种复合结构使其具有高硬度、高耐磨性,又具有较高的强韧性。%的硬质合金都用于金属切削刀具的制造。硬质合金中的晶粒尺寸越小,合金的硬度和强度越高。而当的晶粒尺寸降低到左右时,其硬度和强度将会有很大的突破【】【】【】【 。第一章绪论邹卫贤【 等从钻孔常见问题的角度出发,分析了出现上述钻孔问题的原同,并从钻头的参数设计入手探讨了解决钻孔问题的办法。他们研究认为柔性印制电路板钻孔为避免上板毛刺尽量不要选用型的钻头应选用型钻头。同时,为保证良好的钻孔品质可尽量选用钻头的专用型钻头。在钻孔过程中,不要一味的追求高的转速,从而避免因发热高而产生严重的钻污。钻孔的盖板和垫板可尽量选择酚醛型的。付连宇【 通过 建模,对以上的微钻进行了基础性的有限元分析优化设计。张立【提出钻削印刷电路板时微钻磨损原因主要是由环氧树脂的高温分解产物所造成。/】认为在碳化钨晶粒内产生的动应力是由断裂纤维和粉末颗粒所造成的。证明了碳化钨晶粒在钻削一开始破裂,然后刀具上磨粒磨损伴随着粘附磨损。磨粒磨损主要发生在后刀面。和】都揭示了磨粒磨损是硬质合金微钻磨损的主要形式。提出钻头半径与玻璃纤维宽度的比是预测小直径钻头寿命的重要因素。锄【】和【分别提出了应用视觉系统自动测量微钻后刀面磨损的方法。陈【提出了优化用微钻寿命的系统框架,主要包括板钻孔不同质量控制参数对应的微钻可靠性分布规律、可靠性匹配和品质、成本多目标规划下的微钻寿命优化。.柔性印制电路板钻削力与钻削温度钻削力和钻削温度是钻削加工过程中最重要的参数之一,钻削力和钻削温度的大小直接影响着钻孔质量,也是造成孔壁周围材料分层,孔出口毛刺以及出口撕裂的主要原因。目前,针对柔性印制电路板微孔钻削钻削力和钻削温度的研究还比较少见,大部分关于微孔钻削钻削力和钻削温度的研究主要集中在刚性印制覆铜板方面。】用 直径. 、.和.钻头钻 性双面板,得到钻削过程钻削力分为轴向钻削力和扭矩的变化曲线,指出轴向钻削力和扭矩随着每转进给量的增大而增大;指出钻削力也与磨损、玻璃含量以及长径比有关,轴向钻削力和扭矩随刀具磨损的增大而增大,铜箔对轴向钻削力和扭矩有影响。用直径为. 钻头钻削多层印刷电路板,实验证明钻削多层印刷电路板的切削力随进给速度的增大而增大,钻头转速对切削力的影响不明显。郑李娟【】用金洲生产的直径.、.、.的微钻钻削多层印制电路板,证明钻削铜箔时钻削轴向力最大,钻削力的增大经造成毛刺和孔壁粗糙度的增大;钻削温度可能造成钉头,使得印制电路板存在相邻两层线路自行导通的隐患,树脂温度的升高也可能使树脂涂抹在铜箔表广东工业大学硕士学位论文面,造成线路无法导通。等人认为毛刺的大小主要与切削力和切削温度有关,在复合材料钻削加工中使用硬质合金钻头钻削,改变刀具几何尺寸和结构以及采用振动钻削技术可以减少毛刺的产生。林经德【 】通过研究认为排屑状态与轴向力和钻削扭矩的大小有很大关系,减小轴向力和钻削扭矩是减少微孔钻头折断的关键。黄立新【】对大直径钻头钻削刚性印制线路板铜箔的钻削温度进行仿真,并通过实验证明钻削温度随着进给速度的增大而减小。文军【】对直径为.、.、.的钻头钻削刚性印制线路板铜箔层的钻削力进行仿真,并对.的钻头钻削铜箔进行实验验证,提出铜箔钻削温度会随着微钻直径的增大而增加。.柔性印制电路板微孔加工质量影响电路板微孔加工质量的影响因素众多,包括机床、钻头、板材类型、垫板和盖板的厚度和类型、叠板层数、钻孔工艺参数和加工环境等等,每种因素都是加工质量管理链上的一个环节,而且还存在因素之问的交叉作用,所以对最终加工结果所产生的影响来源于两类:单个因素的影响和多个因素之问相互作用而产生的影响。要获。得满意的加工结果,必须要权衡上述各类影响因素的利弊而求其交集】【】【目前,在柔性板钻孔方面的研究的文献还很少见,只有极少数的企业人士根据自己的实际生产需要进行了部分探索研究。徐玉珊【】等人研究了转速、进刀速度与退刀速度对钻孔效果的影响,讨论了钻头钻削过程中出现的排钻屑、钉头等对钻孔品质的影响。王四华【 等通过正交实验找到影响柔性板机械钻微孔的关键因子为辅材搭配,其次为铜箔类型。认为电解铜的钻孔品质和钻孔效率要明显优于压延铜。王琛【】通过不同钻孔参数下的金相照片,验证适合环境下的加工条件,得出在对刚挠板进行钻孔加工的时候钻速进给降低能够取得较好的钻孔效果。】等人认为在使用用丙烯酸胶膜粘接单面板结构的刚挠结合板软性材料结合处,其材料塑性很大,在使用正常磨损的刀具切削时,该处会产生很大的钉头,塑性材料会突出孔一定尺寸。他们通过优化获得了该结构板软板材料结合处塑性形变最小的参数,并利用机械切削的原理解释了其原因及钻孔中出现的一些现象。康湘平【】分析了影响机械钻孔质量的主要因素,并且结合生产实际着重阐述了提升钻孔品质的有效途径。王俊【】就如何解决高密度小孔径板在数控钻加工过程中的孔偏、塞孔及叠板数低问题提出解决的途径。何为【在实验过程中,发现二次钻孑时的定位精度直接影响内外层层间对位度.只有在控制材料变形的同时,严格控制二次钻孔时的定位精度,才能达到层间对位的要求。一章%论林有希洲等人认为机械钻削微小孔时,轴向力和切削扭矩是导致各种加工缺陷的主要因素,低进给量、高主轴转述可明显提高钻削质量。?等人研究了刀具主偏角对加工壁表面粗糙度的影晌,发现主偏角为。时孔壁表面粗糙度最大,可达。郝旺身九等人认为适当的切削用量可以减少钻孔污斑的产生,降低污斑指数。刘生鹏四等人通过实验得出钻速降低以后减少了胶层的撕裂,孔壁更加圆滑。钻头的转速和进给是最重要的参数,对钻孔效果有很大的影响。杨海永从刀具磨损板件结构及加工参数进行分析,阐述了孔壁粗糙度的影响因素。程军等”分析了微小孔钻削加工的主要技术难点,详细探讨了近年束微小孔钻削工艺的研究现状。林会堵认为数控钻床加工微小孔的关键是主轴转速和钻孔时的机械稳定性。.柔性印制电路板与刚性印制电路板孔加工异同印制电路板中需要钻孔的扳材可分为:刚性印制电路板、柔性印制电路板和刚柔结合印制电路扳。目前,在刚性印制电路板孔加工方面,广东工业大学课题组白年至今已经在不同直径钻头的钻头磨损、孔的钻削机理以及孔质量方面进行过大量细致的研究工作。研究常采用的材料为多层覆铜板。它是以环氧树脂作为结合剂,以电子级玻璃纤维疖作为增强材料并且在两边覆上铜箔并脏合在起的一类板,其结构如图.所示。,”?削. .覆铜板示詹幽层扳:山层基扳删仆一刊 舢出一, 瑚的微钻钻削多层印制电郑李娟四川会洲生产的直径路板,证明钻削铜箔时钻削轴向力最大,钻削力的增大经造成毛刺干孔撞粗糙度的增大:钻削温度可能造成钉头,使得印制电路板存在相邻蹦层线路自行导通的隐患,树广东工业大学硕士学位论文脂温度的升高也可能使树脂涂抹在铜箔表面,造成线路无法导通。文军【】对直径为.、.、.的钻头钻性印制线路板铜箔层的钻削力进行仿真,并对.的钻头钻削铜箔进行实验验证,提出铜箔钻削温度会随着微钻直径的增大而增加。黄立新【】对大直径钻头钻削刚性印制线路板铜箔的钻削温度进行仿真,并通过实验证明钻削温度随着进给速度的增大而减小。杨礼鹏【】用种结构不同、直径为.的硬质合金钻头钻削双面覆铜板,实验结果表明钻削印刷电路板的铜屑主要是螺旋状切屑和平带状切屑,而环氧树脂玻璃纤维布的切屑主要分为螺旋状切屑、扇面切屑和平带状切屑;钻头结构对切屑形态影响很大。屈云朋 】以板为加工材料,对微孔钻削过程中产生的力和切削温度进行了记录,分析了加工工艺参数对切削力和切削温度的影响关系,模拟研究了微钻的磨损过程,并对磨损的结果进行了分析。汤宏群【】采用.、.、.的钻头钻削六层覆铜板,证明微孔孔位精度与钻孔数有关,钻削孔数较少时,平均振动加速度高,低;随着钻孔数的增加,微孔钻削加工慢慢达到一个稳定状态,平均振动加速度下降,增加;但当加工孔数继续增加时,微钻磨损增加,振动加速度增加,下降,表明影响微孔孔位精度的因素有磨损和振动。印制电路板孔的质量评价方式主要有以下几种:孔壁粗糙度、出入口毛刺、钉头、孔位精度、腻污与分层等。此外,与相比,首先在结构上较简单,主要由铜箔、粘胶剂与聚酰亚胺薄膜组成,层与层间的界限较刚性板明显,而且由于柔性印制板的挠曲性,所以对微孔品质的要求就较高的多。其次,由于所用基材没有类似基材里玻纤布之类的增强材料,塑性比较大,与相比,还存在着孔的圆度问题,而且钻削过程中产生的钻削热也更容易使得材料软化变形从而引起孔变形、孔出入口毛刺过大、孔内有残留物、扯胶、孔径大小不一致等材料加工所特有的孔缺陷。.柔性印制电路板微孔钻削存在的问题上述研究中可以看出,目前针对柔性印制电路板钻孔的基础理论的研究的开展尚属起步中,柔性印制电路板复合材料微细孔钻削的钻削过程中的各种现象入钻瞬间钻尖打滑、钻削过程中钻屑缠绕钻头、钻屑形貌特征等以及导致这些现象的加工因素主轴转速、进给速度、微钻直径、盖垫板、叠板层数等都未曾明确的研究过。微钻钻削柔性印制电路板过程中的钻削轴向力、钻削温度、以及钻头的磨损状况等各第一章绪论方面的问题还多为空白或者缺乏深入系统的研究。另外,由于柔性印制电路板的孔受外力作用的机会较刚性多,对孔壁铜基材与化学铜,化学铜与电镀铜的结合力和延展性要求较高,所以孔壁品质稍差就容易造成缺陷,所以对微钻钻削质量的要求就比较高,对孔位精度、空出入口形貌质量、以及孔壁等质量要求较刚性板的高的多,而针对这方面的研究还基本属于空白状态。所以针对这些问题进行研究和分析解决是很有必要的。.课题来源与主要研究内容.课题来源国家自然科学基金一广东联合基金重点项目资助:超高速钻削多层高密度印制电路板超微细孔加工。广东工业大学.深:杉鑫实业有限公司校企合作项目:印刷电路板钻孔用盖/垫板钻孔应用技术研究和优化。.主要研究内容本文以双面柔性覆铜板作为加工材料,采用不同直径的钻头以及不同钻孔辅料搭配来进行柔性印制电路板微孔钻削加工,研究其切削性能,以及微孔加工质量影响因素,主要研究内容如下:柔性双面覆铜板微孔钻削加工过程高速摄影及切屑形貌观察研究对微钻钻削柔性双面覆铜板的钻削过程进行高速摄影显微观察,分析柔性双面覆铜板微孔钻削过程中入钻时钻尖偏斜等现象产生的原因,对比了采用不同的钻削条件对钻尖偏斜打滑现象的影响。用扫描电镜观察微钻高速钻削过程不同下钻深度时微孔形貌,观察微钻偏斜现象对微孔形成过程的影响。观察并分析切削条件对微钻钻削双面覆铜板时产生的钻屑形貌的影响。柔性双面覆铜板微孔钻削加工的钻削力钻削温度以及钻头磨损的研究通过柔性双面覆铜板微孔钻削实验,研究柔性双面覆铜板微孔钻削过程轴向钻削力基本特征,研究微孔钻削加工中钻削参数主轴转速、进给速度、微钻直径等因素对轴向钻削力的影响。通过红外热像仪对微钻钻削柔性双面覆铜板过程中产生的钻削温度进行测量,研究钻削温度的基本特征,以及钻削参数主轴转速、进给速度、微钻直径对微钻钻削温度的影响趋势。研究柔性双面覆铜板微钻加工过程中微钻磨广东工业大学硕士学位论文损状况,测量后刀面磨损面积,并且分析进给速度、转速、钻孔数和钻头直径对微钻磨损的影响。柔性双面覆铜板微孔加工质量的研究通过对柔性双面覆铜板微孔钻削过程中孔位精度、微孔出入口毛刺形貌、微孔圆度误差以及孔壁形貌等微孔加工质量问题进行研究,分析在加工参数主轴转速、进给速度、退刀速度和加工工艺条件盖/垫板使用情况等对孔位精度、出入口毛刺、以及孔壁质量等的影响。第二章柔性印制电路板微孔钻削实验与研究方法第二章柔性印制电路板微孔钻削实验与研究方法本章对柔性印制电路板微孔加工中的实验系统的组成、各种实验研究方法、研究设备、工具和仪器和各项具体实验条件进行了阐述。主要包括柔性双面覆铜板微孔钻削过程的高速摄影、切削形态的观察、钻削力以及钻削温度的测量、微钻的磨损观察、柔性板微孔钻削中微孔孔位精度、孔壁粗糙度、出入口毛刺等微孔加工质量测量与观察实验。.实验材料与微钻.材料实验用柔性双面覆铜板复合材料主要包含以下几部分:表面铜箔,聚酰亚胺薄膜,胶黏剂。本研究实验采用柔性印制电路板材料为东莞生益科技提供的型号为.和.的两种双面柔性覆铜板。铜箔类型为压延铜箔。其中表面铜箔厚度分别为和,中间粘胶剂厚度为.,树脂薄膜厚度为岬。结构如图.所示。柔性覆铜板,在柔性印制电路板上,其主要有三个方面的作用:导电、绝缘和支撑。面箔粘胶剂 薄膜粘胶弃 铜箔铜箔 鞋胶剂薄膜 渗豢繁纛蒸霪溱羲粘胶剂 铜箔 ?图双面柔性覆铜板结构图 ?.? 广东大学硕士学位论文实验用材料的