Обработка отверстий в платах

Категория:
Технология миниатюрных изделий


Обработка отверстий в платах

Технологией изготовления многослойных печатных плат предусматривается сверление отверстий диаметром 0,15 мм и более, необходимых для создания межслойных соединений и присоединения элементов. В настоящее время к операциям сверления и зенке-рования отверстий предъявляют достаточно жесткие требования, относящиеся главным образом к точности расположения отверстий и качеству их выполнения. Это обусловлено стремлением к повышению плотности монтажа и надежности межслойных соединений.

Инструмент для обработки отверстий в платах. При сверлении отверстий в гетинаксовых и текстолитовых платах спиральные сверла из быстрорежущих сталей быстро выходят из строя ввиду значительной вязкости материалов и выделения достаточно большого количества тепла. Поэтому для сверлений отверстий в платах применяют перовые, спиральные, шнековые и комбинированные сверла, изготовленные из твердых сплавов ВК6М, ВК10М и др. Сверла изготавливают как цельными, так и составными. При этом режущую часть делают из твердого сплава, а хвостовик — из стали, например, 40Х. Нашли также применение комбинированные сверла, которые позволяют производить одновременно сверление и зенкерование (рис. 1, а). Сверло имеет режущие части с обеих сторон, Затылование режущих кромок производят под углом Крепление сверл в шпинделе станка осуществляется цангами. Скорость резания при сверлении отверстий в платах достигает 40 м/мин.

Рис. 1. Сверла для сверления печатных плат

Получили также распространение шнековые сверла, изготовленные из быстрорежущей стали. Диаметр рабочей поверхности шнекового сверла равномерно уменьшается к хвостовику на каждые 100 мм длины на 0,03—0,08 мм. В отличие от обычного шнековое сверло обеспечивает высокое качество поверхности. Специальная заточка режущей части сверла дает возможность производить калибровку отверстий. Производительность сверления повышается при увеличении крутизны спирали.

При сверлении отверстий в платах, особенно на станках с программным управлением, необходимо знать точное значение

ЁёЛичинЫ вылета сверла. Для правильной установки сверла в цанге применяют приспособление. Сверло устанавливают в корпус шаблона. При этом необходимо, чтобы винт упирался в торец сверла, а между торцом цанги и шаблоном не было зазора. Для сверления плат кроме стальных и твердосплавных применяются также корундовые сверла.

Сверление плат на станках. Для сверления плат с небольшим количеством отверстий в условиях серийного и массового производства применяют многошпиндельные полуавтоматы, а также станки с программным управлением. Для обработки плат с небольшим количеством отверстий в индивидуальном и мелкосерийном производстве получили распространение одношпиндельные станки с ручным управлением и полуавтоматы, станки со следящей системой и автоматическим поиском координат новых отверстий.

Получили применение также многошпиндельные агрегатные сверлильные головки. Ниже даны описания конструкций наиболее распространенных станков и их особенности. Для сверления отверстий в печатных платах служит сверлильный станок, схема которого приведена на рис. 2, а. В корпусе станка расположен электродвигатель, приводящий в движение шпиндель сверлильной головки, привод и механизм подачи. Сверху, над корпусом, расположен стол, устройство для крепления изделий, проектор с 11-кратным увеличением. Спереди корпуса укреплена панель, на которой расположена аппаратура для включения и управления работой станком. Узел шпинделя выполнен таким образом, что шпиндель полностью разгружен от радиальных усилий, возникающих при натяжении ремня. В станке для привода главного шпинделя и механизма подач используют электродвигатели постоянного тока с мягкой характеристикой, обеспечивающие плавное изменение частоты вращения шпинделя за счет изменения напряжения в цепи.

При сверлении платы прижимаются к рабочему столу лапкой, укрепленной в шарнирном рычаге, который с помощью тяги связан с одним из кулачков распределительного вала. Место сверления совмещают с перекрестием экрана проектора, после чего ножной педалью производят включение поводковой однооборотной муфты.

На рис. 2, б приведена кинематическая схема станка. Изделие размещают на стол станка. При включении электрической лампы освещается поверхность изделия. Отраженный свет от него через систему линз и зеркал попадает на экран. При этом на экране возникает изображение участка поверхности изделия, увеличенное в 11 раз. Далее место сверления совмещают с перекрестием экрана. При нажатии на педаль включается поводковая муфта, с помощью которой вращение от электродвигателя через червячную передачу передается распределительному валу. За один оборот распределительного вала осуществляется закрепление изделия на столе прижимной лапкой через систему рычагов, подвод и отвод шпинделя, освобождение изделия. После совершения распределительным валом одного оборота одно-оборотная муфта отключается, и он останавливается в исходном положении. Величина подачи сверла зависит от скорости вращения распределительного вала. Чем больше скорость, тем больше величина подачи на один оборот сверла.

Рис. 2. Станок для нижнего сверления: а — станок; б — кинематическая схема; в — схема сверления по накладному шаблону

Скорость вращения распределительного вала изменяется при изменении скорости вращения электродвигателя, которая зависит от подаваемого в обмотки напряжения. Привод шпинделя осуществляется от электродвигателя через ременную передачу. При этом имеет место увеличение скорости вращения шпинделя за счет установки большего шкива на валу электродвигателя. Функции оператора при работе на станке сводятся к установке изделия, совмещению изображения участка поверхности изделия, где предполагается выполнение отверстий, с перекрестием на экране и включение станка путем нажатия на педаль. Все последующие движения инструмента и взаимодействие механизмов осуществляется автоматически.

Сверление отверстий в платах можно осуществлять по накладному шаблону. Для этого вместо проектора используют головку с щупом, установленным строго соосно оси шпинделя и инструмента. Шаблон кладут сверху на пакет изделий, уложенных на рамку. Последнюю вместе с пакетом устанавливают на рабочий стол.

Рис. 3. Оснастка для координатно-сверлильных станков

Для совмещения обрабатываемого отверстия с осью сверла и шпинделя острие щупа поворотом рукоятки вводится в отверстие шаблона, определяя положение рамки с платами относительно сверла. При дальнейшем повороте рукоятки датчик, предусмотренный в станке, подает импульс на включение станка.

В условиях мелкосерийного и серийного производства для сверления отверстий в платах нашли применение координатно-сверлильные станки, работающие по шаблону с поиском отверстий следящим устройством. Перед началом сверления для каждой партии плат изготавливают шаблон, представляющий собой копию платы с отверстиями, просверленными строго по координатам токопроводных элементов платы. Кроме отверстий, соответствующих расположению токопроводных элементов, в шаблоне предусматривают кодовые отверстия, расположенные по одному в начале каждой координатной строки по направлению движения следящего устройства. Наличие кодовых отверстий позволяет сократить количество холостых пробегов следящего устройства и тем самым повысить производительность станка. Установку шаблона выполняют на шаблонном столике.

Следящее устройство (рис. 3, б) состоит из корпуса, жестко соединенного с кареткой, обеспечивающей перемещения вдоль координатных строк шаблона. При этом обеспечивается возможность вертикального перемещения щупа. В верхнем конце щупа предусмотрен толкатель, который, преодолевая сопротивление пружины, взаимодействует с тянущим электромагнитом. Упор щупа включает или выключает конечный выключатель. Рычаг используют при ручном управлении процессом сверления.

Перемещение следящего устройства вдоль строк осуществляется электродвигателем переменного тока.

k Обрабатываемую плату устанавливают на фиксирующие штыри координатного столика, щуп следящего устройства располагают в крайнем исходном отверстии шаблона, шпиндель опускают до соприкосновения острия сверла с центром контактной площадки токопроводящего слоя печатной платы. В случае несовпадения острия сверла с центром контактной площадки производят регулировку шаблонного столика. Путем перемещения следящего устройства справа налево и наоборот производят поиск и сверление отверстий в платах. Концевые выключатели устанавливают таким образом, чтобы при нахождении щупа в кодовых отверстиях происходило срабатывание их как в левом, так и в правом положениях следящего устройства.

Для сверления и зенкерования отверстий в платах из гетинакса, стеклотекстолита и фольгированных диэлектриков применяют координатно-сверлильный станок КП51-02. Обработку производят также по шаблону. Электросхема позволяет использовать станок как в ручном, так и в автоматическом цикле.

Станок имеет два шпинделя. Верхний шпиндель предназначен для сверления и зенкерования отверстий, а нижний только для зенкерования. При сверлении отверстий в двусторонних платах информация об окончании сверления отверстия и разрешение на продолжение работы получают в виде сигнала об окончании полного цикла поступательных перемещений шпинделя, а контроль целостности сверла осуществляют визуально. При сверлении отверстий необходимо непрерывно наблюдать за работой станка. Это исключает возможность многостаночного обслуживания.

Для обеспечения автоматизации цикла сверления и контроля целостности сверл верхний и нижний слои фольги включают в электрическую цепь управления, замыкаемую сверлом. Электрическая цепь имеет источник питания. При сверлении платы в результате электрического контакта сверла с обеими слоями фольги происходит замыкание цепи, а при отводе сверла — ее размыкание. Электрический сигнал, полученный при замыкании цепи, непосредственно или с необходимым преобразованием, подается в цепь управления станком. При отсутствии сигнала из-за поломки сверла или неправильного сверления происходит отключение станка и подается аварийный сигнал.

Многошпиндельные сверлильные головки. Характерной особенностью плат печатных схем является большое количество отверстий. Для их сверления при использовании одношпиндельных станков требуется значительное время, так как производительность их невелика. Применяемые многошпиндельные сверлильные станки также не всегда обеспечивают требуемую производительность.

В ряде случаев для повышения производительности сверления отверстий в платах идут по пути повышения скоростей резания и подач. Однако это приводит к перегреву и размягчению обрабатываемого материала в зоне резания и как следствие к размазыванию синтетической смолы, входящей в состав материала плат, и к ухудшению последующего гальванопокрытия. Как известно, материал печатных плат армируется стеклянными волокнами. Это обстоятельство затрудняет пробивку отверстий с помощью штампов, так как волокнистая структура плат приводит к быстрому износу и поломке тонких пуансонов. Кроме того, пробитые отверстия имеют весьма грубую поверхность.

Рис. 4. Многошпиндельные сверлильные головки

Для производительного сверления отверстий в печатных платах применяют агрегатные станки, снабженные многошпиндельными сверлильными головками. Особенностью конструкции многошпиндельных головок является то, что концы шпинделей изогнуты в виде кривошипа и закреплены во вращающейся плите. Вращением этой плиты по круговой траектории обеспечивается вращение всех закрепленных в ней шпинделей. Такая компоновка шпинделей допускает очень близкое их взаимное расположение. Концы сверл и шпинделей имеют скосы. На скошенные концы надвигаются скользящие муфты, с помощью которых крепят сверла к шпинделю. Сверление отверстий диаметром до 1,0 мм в печатных платах с использованием многошпиндельной головки производят при частотах вращения шпинделей 6000 об/мин. Подача изменяется бесступенчато в пределах 0,0076 — 0,038 мм/об.

Сменные шпиндельные головки. Они бывают двух типов: универсальные и специальные. Универсальная головка может настраиваться на различное расположение шпинделей с различным шагом t. Специальные шпиндельные головки используют ДЛя обработки плат в условиях крупносерийного или массового производства. У такой головки предусмотрено одно определенное расположение шпинделей. Производительность агрегатных’сверлильных станков; оснащенных многошпиндельными головками в несколько раз больше производительности двухпозиционного сверлильного станка с программным управлением, оснащенного восемью одношпиндельными головками. Помимо этого агрегатные станки с многошпиндельными головками обеспечивают более высокое качество обработанных отверстий. Это объясняется тем, что при последовательном сверлении отверстий, например, в плате с 5 тыс. отверстий, сзерло заменяют после обработки примерно 2 тыс. отверстий. В результате качество отверстий в одной и той же плате колеблется от хорошего до приемлемого. При одновременном сверлении всех отверстий все сверла находятся в одинаковом состоянии и тем самым обеспечивают одинаковое качество всех отверстий. Кроме того, легче контролировать качество отверстий.

В ряде случаев сверление отверстий в платах производится на настольно-сверлильных станках с применением многошпиндельных головок.

Многошпиндельная бесшестеренчатая сверлильная головка предназначена для одновременного сверления в гети-наксовых платах печатных схем большого количества (до 300) отверстий с определенным шагом. Хвостовик головки, закрепляемый в шпиндель сверлильного станка, вращает ведущий эксцентрик, который сообщает круговые перемещения ведомому диску. Благодаря тому, что эксцентрик имеет большой диаметр передача усилия диску происходит через шарики, чем обеспечивается легкость и плавность работы головки. К диску винтами прикреплено сменное водило, в отверстия которого входит верхняя часть шпинделей, имеющая эксцентриситет, равный эксцентриситету ведущего эксцентрика. Шпиндели вращаются в отверстиях сменного опорного диска, который прикреплен винтами к корпусу. Водило и опорный диск изготовлены из текстолитовых плит.

В корпусе имеются отверстия под втулки для направляющих колонок, укрепляемых на универсальном кондукторе со сменными кондукторными плитами. Установку и снятие сверл производят при помощи специальных втулок, с помощью которых возможно закрепление всех сверл на одном уровне и быстрая их замена. При обработке новой платы необходима смена опорного диска.

Для сверления большого количества отверстий в платах с одинаковыми или переменными межцентровыми расстояниями служат специальные кондуктора с быстросменными программными устройствами, выполненными в виде сборной кассеты, в которой нижняя планка является подставкой, а верхняя с отверстиями для направления сверла — кондукторной планкой.

В зависимости от заданных размеров и расположения отверстий кассету набирают мерными кондукторными планками с отверстиями для направления сверла и планками для заполнения промежутков.

Обработка плат на станках с программнымуправлением. Количество отверстий в платах печатного монтажа достигает нескольких десятков тысяч, поэтому основными резервами Повышения производительности труда, снижения трудоемкости и повышения качества обработки является автоматизация сверления на базе применения сверлильных станков с программным управлением. Созданы образцы станков с программным управлением для сверления и двустороннего зенкерования отверстий в одиночных платах и в наборе пакетом.

Для получения высокого качества обработки необходима высокая частота вращения шпинделя с возможностью регулирования режимов в широких пределах. Поэтому в ряде станков в качестве привода сверлильной головки используют электродвигатели постоянного тока. При этом с помощью систем управления обеспечи-ватся бесступенчатое регулирование частоты вращения шпинделей в пределах от 0 до 30 тыс. об/мин. Привод подачи сверла производится с использованием двигателя постоянного тока, что позволяет регулировать подачу в широких пределах. Вращение зенкеровальных головок осуществляется от высокоскоростных асинхронных электродвигателей.

Выбор типа привода координатных перемещений обусловлен особенностями обработки многослойных печатных плат. Основным качественным критерием этого привода является максимальное быстродействие при заданной точности. Высокое быстродействие является определяющим фактором для повышения производительности, а точность — важнейшим технологическим требованием.

Учитывая, что отверстия в многослойных платах располагаются в узлах координатной сетки с заданным шагом, применяются приводы дискретного типа. Величину дискретности выбирают равной шагу координатной сетки. Это позволяет упростить структуру системы управления и повысить быстродействие привода.

Разработаны станки, имеющие шаговоимпульсную систему программного управления с обратными связями по положению. Система обеспечивает взаимную координацию инструмента и платы и выполнение цикла сверление — зенкерование. Программоносителем является стандартная пятидорожечная телеграфная бумажная перфолента. Программа может быть получена как с ЭВМ, так и путем ручного программирования по чертежу платы.

На рис. 5 показана блок-схема системы программного управления станком. Ввод информации производят с помощью контактного считывающего устройства, работающего в стартстопном режиме с параллельным считыванием. Числовая информация о заданной величине перемещения поступает в схемы сравнения. Туда же вводятся фактические значения перемещений по соответствующим координатам от счетчиков, которые управляются рис. 45. Блок-схема системы программного управления сверлильным станком сигналами круговых электроконтактных датчиков, кинематически связанных с ходовыми винтами. Движение происходит одновременно по обеим координатам. После отработки заданного перемещения производится разрыв кинематических цепей однооборотными муфтами редукторов. Команда на подачу инструмента выдается приводом подачи. По окончании цикла сверления датчиком исходного положения механизма подачи 7 вырабатывается сигнал протяжки перфоленты.

Координатные перемещения осуществляются с помощью электромеханических шаговых приводов, состоящих из асинхронного электродвигателя, редуктора с однооборотными муфтами и высокоточной шариковой передачи «винт—гайка».

В ряде случаев станок комплектуется сменными шестернями, обеспечивающими дискретность позиционирования 1; 1,25; 1,5; 2; 2,5; 3 мм. Скорость перемещения по каждой из координат при основном шаге 2,5 мм составляет 1600 мм/мин. В то же время благодаря останову на жестком упоре ошибка позиционирования не превосходит 0,04 мм.

Кроме автоматического предусмотрен ручной режим работы. Схема позволяет осуществлять как непрерывное, так и шаговое перемещение инструмента по обеим координатам, включение и отключение приводов главного движения, регулирование скорости сверления и подачи.

Для сверления и двустороннего зенкерования отверстий диаметром 0,5 мм и более в многослойных платах печатного монтажа промышленностью серийно выпускается одношпиндельный сверлильный станок ОФ-72 с числовым программным управлением. Сверление производится на пересечениях координатной сетки как без учета погрешностей нанесения изображения на плате, так и с учетом возможного систематического смещения изображения. Станок снабжен специальным устройством программного управления. Наилучшие результаты по производительности и качеству обработки можно получить при использовании твердосплавных и корундовых сверл.

Для повышения надежности работы сверлильных станков и исключения случаев ложного сверления в платах с большим количеством отверстий применяют комбинированную систему программного управления, состоящую из фотоследящей системы и системы цифрового программного управления. Фотосяедящая система в соответствии с программоносителем обеспечивает построчный обход платы с точной остановкой в узлах координатной сетки, сверление и зенкерование отверстий, контроль качества обработанных отверстий и выход инструмента в исходное положение. Программоносителем при этом является предварительно просверленная плата или фотонегатив, выполненный в масштабе 1:1с прозрачными отверстиями на непрозрачном фоне.

Перемещение платы по строке происходит непрерывно, до совпадения луча фотоследящего устройства с отверстием на программоносителе, которое служит сигналом для сверления. Переход от строки к строке осуществляется сверлильной головкой согласно заложенной программе. Наличие боковой информации обеспечивает обход только тех строк, в которых есть хотя бы одно отверстие.

Для перехода на разные координатные сетки в редукторах продольной и поперечной подачи имеются сменные колеса. В качестве исполнительных механизмов применены приводы с дифференциалами и однооборотными муфтами.

При фотоследящей системе управления траектория движения инструмента относительно платы осуществляется по строкам. Поэтому значительная часть времени тратиться на холостые пробеги инструмента. С целью повышения производительности применена система цифрового программного управления, при которой обход отверстий осуществляется по кратчайшему пути между ними. В результате производительность станка повышается в 2—3 раза, а также появляется возможность обработки плат с шагом 0,5 мм. Программа записывается на пятидорожечной ленте. Цифровая система выполнена в виде отдельной приставки, в которой применено считывающее устройством контактного типа, обеспечивающее одновременное считывание 20 точек кадра. Программа подготавливается вручную с использованием телеграфного перфорационного оборудования или ЭВМ. Величины перемещений и команды сверления задаются перфолентой, а фотоследящая система по фотошаблону или обработанной плате осуществляет непрерывный контроль наличия отверстия в определенной точке.

В настоящее время создан также координатно-сверлильный станок В-479 с программным управлением, осуществляющий автоматический поиск координат нового отверстия без программирования направления движения. Станок состоит из станины, на которой установлены два стола, перемещающиеся по двум взаимно перпендикулярным координатам X и Y. На столе, имеющем перемещение по координате X, установлено приспособление для крепления платы, а на столе, перемещающемся по координате Y, установлена стойка с кареткой, которая имеет вертикальное перемещение. На каретке расположены две сверлильные головки. Перемещением каретки обеспечивается подача при сверлении. Привод движения по всем трем координатам осуществляется шаговыми двигателями. Система числового программного управления — замкнутого типа, с датчиками обратной связи, выдающими информацию о координатах в двоичном коде и осуществляющими автоматический поиск координат нового отверстия. При применении дешифрирующих и перфорирующих устройств возможно изготовление программы параллельно с обработкой первой платы с чертежа. На станке можно осуществлять сверление при скоростях вращения инструмента до 11 тыс. об/мин. На обработку одного отверстия затрачивается около 1 с. Удаление стружки производится специальным отсасывающим устройством.

Для сверления большого количества малых отверстий в печатных платах за рубежом выпускаются сверлильные станки с цифровым программным управлением. Производительность станка при сверлении многослойных плат порядка 30 тыс. отверстий в час. Точность позиционирования стола- ±0,0075 мм при скорости его перемещения 10 м/мин. На станке можно устанавливать до десяти высокооборотных электрошпинделей на пневматических подшипниках. Смена инструмента в станке — автоматическая. Точность межцентрового расстояния отверстий составляет ±0,025 мм. Для привода стола использован электродвигатель постоянного тока с регулируемой скоростью вращения.


Читать далее:



Статьи по теме:


Реклама:




Главная → Справочник → Статьи → БлогФорум