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正交法在PCB钻孔工艺中的应用

   文章来源:Internet  发布时间:2009-08-27  访问量:3034

  随着电子技术的发展,电子产品日益小型化和轻薄化,这对PCB提出了更高的要求。同时无卤板材的使用,板材的多样化的实现,使得钻孔工艺面临着更大的考验。本文就对如何通过正交试验优化机械钻孔的工艺参数,降低孔壁粗糙度,提高PCB钻孔质量和钻咀使用寿命,降低生产成本做简要讨论。
  一、孔壁粗糙度试验设计及试验方案
  (1) 影响钻孔的因素
  在FR4板材的机械钻孔过程中,钻头的磨损是造成孔壁粗糙的根本原因。如果钻孔粗糙度很大,则反映了钻头磨损过度,其结果将导致钻咀寿命的缩短。
  影响孔壁粗糙度的因素有很多,如主轴偏转过大、加工参数组合不适宜(钻机转速、进刀速率、主轴上升速度)、所用钻咀的翻磨次数过多等。在众多的影响因素当中,钻孔参数不适宜时,随着钻咀寿命的缩短,其孔壁粗糙度越来越大是一种必然现象;钻咀翻磨后,钻头表面涂覆层会被彻底磨掉,降低了钻咀的各种技术指标,因此,翻磨后的钻咀性能明显降低,同等寿命条件下钻出来的孔,随着翻磨次数的增加、孔壁粗糙度肯定会增大。所以,考虑了钻孔的成本和钻机本身性能等原因外,我认为可改进钻孔加工参数组合来提高钻孔质量,控制孔壁粗糙度,找出较佳钻孔参数组合,降低钻孔时钻咀的磨损,从而降低孔壁粗糙度、提高钻咀寿命,达到节约成本的目的。
  (2) 试验方案的选择
  钻孔参数是从新钻机供应商提供的参数试钻板和根据综合经验这两方面得来的。而且对于某一直径的钻咀,钻某种板时其参数不是固定的值,而是一个范围值。例如,以万达钻机(型号MT-681AS)为例,直径Φ0.50mm的钻咀、其钻机转速为86~95千转/ min、进刀速率为3.5~6.0m/min、主轴上升速度为15~20m/ min。虽然公司规定钻FR4板材时,上述三种参数均走中间值,但从实际钻板的情况来看,该中间值并不是此类钻机的最佳参数值,钻出来的孔壁质量也不是很尽人意,钻头两个面和刃角磨损速度非常快。
  每一种型号的钻机因为性能的不同,对于不同的板材,其钻孔参数也不相同。性能比较好的主轴,其主轴转速比较高,进刀速率和上升速度都比较快。所以,每一款钻机都有其相应的钻孔参数,即对于不同板材有其最佳的钻孔参数组合。但是,单凭我们每天的钻孔操作实践经验,是不能得出钻机的最佳参数组合的。如果你对钻机的各种性能非常熟悉,或许可以总结出一组适合的钻孔参数范围值。但为了得到较好的孔壁质量,我们需要通过科学的方法,再经过实验来对我们的经验参数进行筛选,从而得出该款机型钻某一直径的钻咀的最佳钻孔参数组合。同时,要得出最佳钻孔参数,不是一两个实验就可以得出结果来的,因为影响孔壁质量的因素很多,有些因素单独起作用(如钻咀寿命),有些因素则互相制约、联合起作用(如主轴转速和进刀速度)。逐个比较的话安排起试验来不仅次数多,也没有必要,因此,我采用正交试验法来优化我们现行的钻孔参数。
  在众多直径的钻咀中,Φ0.50mm~Φ1.00mm是最常用的钻咀,其要钻的孔数也比较多,而Φ0.30mm左右直径的孔现在因为电子产业的发展,一直呈上升趋势。所以,这次选择Φ0.30mm、Φ0.50mm、Φ1.00mm三种钻咀的数据来作为优化效果的陈述。
  (3) 试验步骤(见图1)
  二、正交试验数据及分析
  对钻孔质量影响最大的是钻机转速、进刀速率、主轴上升速度三个因素。所以,我们选用三因素三水平的L9正交表。因为钻咀寿命相邻的几个孔,在钻孔条件相同时,其孔壁粗糙度基本是相同的,因此,为了减少磨切片读取孔壁最大粗糙度的误差,使试验结果更接近真实值。正交分析的结果,采用钻咀最后设定寿命的几个孔的平均最大粗糙度值来分析我们的结果。
  (1) 试验钻咀直径(D)为Φ0.30mm
  A、需优化试验参数(现行钻孔参数)和试验条件:
  试验钻机:深圳万达,型号MT681AS,六主轴;
  板材:FR4 KB料,板材厚度为1.6mm,底铜厚度为H/HOZ;
  钻孔参数;钻机转速:100~105千转/ min;进刀速率:1.0~1.5m/ min;
  主轴上升速度:10~15m/ min;
  叠板厚度:2PNL一叠,总钻孔厚度为3.2mm;
  使用M1(翻磨一次)钻咀,钻咀寿命设定为1600N,冲取底板的第1598~1600N;
  三个孔或1599~1600N两个孔做切片分析孔壁粗糙度。
  B、Φ0.30mm钻咀的正交试验表1、附表1。
  C、 Φ0.30mm钻咀正交试验分析
  由极差的大小可以看出因素“进刀”对直径为Φ0.3mm的钻咀孔内质量影响最大,其孔壁粗糙度可以差到3.97um;而因素“钻机主轴转速”对直径为Φ0.3mm的钻咀孔内质量影响最小,孔壁粗糙度极差仅为0.77um;因素“主轴上升”速度居中,但从数据上看影响还是比较大的,孔壁粗糙度极差为2.10um。这样,对于直径为Φ0.3mm的钻咀。
  我们就可以初步得出以下结论:
  1. 进刀对孔壁粗糙度的影响最大,其次为主轴上升速度,影响最小的是钻机转速;
  2. 对于直径为Φ0.3mm的钻咀,优化后参数组合为钻机转速100千转/min;进刀速率以2.0m/min最好;主轴上升速度为12.5m/min。
  (2) Φ0.50mm钻咀优化参数验证(见试验附表5)
  3
  A、钻孔条件:
  试验钻机:深圳万达,型号MT681AS,六主轴;
  板材:FR4 KB料,板材厚度为1.6mm,底铜厚度为H/HOZ;
  钻孔优化参数:钻机转速:85千转/ min;进刀速率:3.0m/min;
  主轴上升速度:20m/ min;
  叠板厚度:4PNL一叠,总钻孔厚度为6.4mm;
  使用M1(翻磨一次)钻咀,钻咀寿命设定为1600N,冲取底板的第1600N孔做切片分析孔壁粗糙度。
  B、对于直径Φ0.50mm的钻咀在寿命为1600N 时,优化显示进刀速率是提高钻孔质量最大的影响因子。优化前9组平均最大孔壁粗糙度从24.97 um降为优化后的18.07um,共下降了6.9um,这是一个令人兴奋的结果。从另一个侧面、反映了钻咀两个刃角只是受到了很小的磨损。而从孔壁整体图来看,孔壁质量也是非常好的。因此得出:优化钻孔参数范围可以改为钻机转速:83~87千转/min;进刀速率:2.8~3.2 m/min;主轴上升速度:18~20m/min,作业时钻机参数设定为优化后的中线参数。
  (3) Φ1.00mm钻咀优化参数验证(见试验附表6)
  A、钻孔条件:
  试验钻机:深圳万达,型号MT681AS,六主轴;
  板材:FR4 KB料,板材厚度为1.6mm,底铜厚度为H/HOZ;
  钻孔优化参数:钻机转速:60千转/min;进刀速率:4.0m/min;
  主轴上升速度:19.5m/min;
  叠板厚度:4PNL一叠,总钻孔厚度为6.4mm;
  使用M1(翻磨一次)钻咀,钻咀寿命设定为1600N,冲取底板的第1600N孔做切片分析孔壁粗糙度。
  B、直径Φ0.30mm和Φ0.50mm的优化结果显示,进刀速率对是提高钻孔质量的影响是最大的,而对于直径Φ1.00mm的钻咀,主轴上升速度和转速的极差都大于5.0,进刀速率从最大的影响因子变为了最小,优化前9组平均最大孔壁粗糙度从29.79um降为优化后的22.38um,共下降了7.41um。但从数据上看,改善还是非常明显的。因此得出、优化钻孔参数范围可以改为钻机转速: 58~62千转/min;进刀速率:3.8~4.2m/min;主轴上升速度:18.5~20.5m/ min,作业时钻机参数设定为优化后的中线参数。
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