精密印制線(xiàn)路板PCB鉆孔用壓力腳裝置研究

李海平

【摘 ?要】論文圍繞精密印制線(xiàn)路板PCB鉆孔基本原理進(jìn)行分析討論，闡述精密印制線(xiàn)路板PCB鉆孔用壓力腳裝置的基本構(gòu)成、制作方法以及設(shè)計(jì)參數(shù)，從而切實(shí)提高設(shè)備的維護(hù)效率，增強(qiáng)鉆孔精確性，確保壓力腳裝置能實(shí)現(xiàn)高效吸塵，并進(jìn)行高品質(zhì)的鉆孔。

【Abstract】This paper analyzes and discusses the basic principle of PCB drilling of precision printed circuit boards， describes the basic structure， manufacture method and design parameters of pressure foot device for PCB drilling of precision printed circuit boards， so as to effectively improve the maintenance efficiency of equipment， enhance drilling accuracy， ensure that pressure foot device can achieve efficient dust absorption， and carry out high-quality drilling.

【關(guān)鍵詞】PCB鉆孔;精密印制線(xiàn)路板;壓力腳裝置

【Keywords】PCB drilling; precision printed circuit board; pressure foot device

【中圖分類(lèi)號(hào)】TN405 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 【文章編號(hào)】1673-1069（2022）04-0194-03

1 引言

PCB又稱(chēng)印制電路板，是電子元器件的支撐體，能夠作為與電氣相連的載體，為確保PCB板在制造時(shí)能夠滿(mǎn)足相關(guān)工藝要求，符合智能化、模塊化、綜合化的發(fā)展需求，需要進(jìn)一步加強(qiáng)壓力腳裝置的利用，強(qiáng)化鉆孔品質(zhì)，提高產(chǎn)品質(zhì)量。

2 精密印制線(xiàn)路板PCB鉆孔探究

精密印制線(xiàn)路板PCB鉆孔加工通常需要利用數(shù)控鉆孔機(jī)（見(jiàn)圖1）完成，利用高速旋轉(zhuǎn)的鉆頭在電路板上快速進(jìn)給，以此形成層間電路導(dǎo)通孔，打造焊接零件固定孔。在使用時(shí)需要根據(jù)PCB鉆孔的基本性能指標(biāo)進(jìn)行鉆孔品質(zhì)的判斷，如孔位精度、斷針率以及孔壁品質(zhì)，并采用彈性模量相對(duì)較大、吸振效果優(yōu)良的PCB鉆孔設(shè)備進(jìn)行鉆孔處理，而在材料選擇方面則要以天然花崗石為主，此類(lèi)材料質(zhì)地堅(jiān)硬、吸水率低、耐磨、耐酸，能夠滿(mǎn)足相關(guān)加工需要。

基于加工效率的考慮，需要將設(shè)備Z軸部分盡可能實(shí)現(xiàn)輕量化轉(zhuǎn)變，以此獲取極高的運(yùn)行速度與加速度，一般情況下PCB電路板的機(jī)械加工孔均需要采用麻花鉆頭，并盡可能減少鉆頭直徑，從而降低切削刃長(zhǎng)度。而在鉆柄尺寸、PCB板孔徑范圍等方面的設(shè)計(jì)則要注意，鉆柄尺寸需要固定在？準(zhǔn)3.175 mm左右，要求切削刃直徑不可超過(guò)？準(zhǔn)6.5 mm。同時(shí)由于PCB材料本身的特性要求，需要將鉆頭線(xiàn)速度控制在200 m/min以下。當(dāng)鉆頭在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，會(huì)由鉆孔機(jī)Z軸進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，使整體軸呈現(xiàn)自上而下的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，而X、Y軸則主要負(fù)責(zé)孔位定位，能夠配合三軸組合運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)定位鉆孔。鉆孔示意圖如圖2所示。

根據(jù)圖2可知，為確保鉆孔加工效率的最大化，需要在實(shí)施PCB板通孔時(shí)依照鉆頭切削刃長(zhǎng)以及單板厚度確定一次加工板數(shù)量。同時(shí)為了避免出現(xiàn)PCB板被刮花的情況，需要在PCB板上添加蓋板，蓋板的材料組成大多為鋁與樹(shù)脂，具有良好的韌性，能夠在外力作用下產(chǎn)生一定的流動(dòng)傾向，此類(lèi)材料環(huán)保性強(qiáng)，加工便捷，可以根據(jù)實(shí)際需要組成各式各樣的形狀。此外，為實(shí)現(xiàn)整疊PCB板的一次性鉆透，需要保證鉆頭鉆尖可以超出最底層，并在PCB板下預(yù)先放置一張墊板[1]。

3 高精密印制線(xiàn)路板制造過(guò)程關(guān)鍵技術(shù)

線(xiàn)路板的制造過(guò)程主要是指對(duì)被切削材料在鉆頭以及螺旋刀面的擠壓作用下發(fā)生彈性變形至塑性變形的過(guò)程，該過(guò)程的持續(xù)性以及長(zhǎng)短都對(duì)鉆頭的品質(zhì)提出了更高的要求，一旦出現(xiàn)刀具質(zhì)量不佳的狀況，便會(huì)造成斷鉆、偏位等不良現(xiàn)象，因此，為切實(shí)解決此類(lèi)問(wèn)題，需要研發(fā)一種能夠?qū)Φ毒哌M(jìn)行多角度檢查的裝置，要求刀具檢查設(shè)備能夠操作便捷、使用靈活，保持極高的性?xún)r(jià)比，可以對(duì)刀具進(jìn)行在線(xiàn)監(jiān)控與識(shí)別。若想該裝置的設(shè)計(jì)效果得到最大發(fā)揮，還需要做好以下工作：一是要健全作業(yè)指導(dǎo)書(shū)，明確作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，把控產(chǎn)品品質(zhì)，制定合理的規(guī)章制度，對(duì)不同狀態(tài)下的刀具進(jìn)行定期抽驗(yàn)，確保潛在的安全問(wèn)題得到及時(shí)發(fā)現(xiàn)與處理;二是要做好人員的技術(shù)能力提升，開(kāi)展理論與實(shí)踐相結(jié)合的培訓(xùn)活動(dòng)，能幫助人員理解刀具檢測(cè)的重要性。

4 精密印制線(xiàn)路板PCB鉆孔用壓力腳裝置分析

4.1 工件組合

在工件組合中最為常見(jiàn)的一種便是蓋板、PCB以及墊板的組合形式，可以在使用過(guò)程中保證結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。其中蓋板是安裝在電路板上方的結(jié)構(gòu)零件，其主要作用便是降低PCB的毛刺與刮傷，在保證PCB質(zhì)量的同時(shí)，提升整體結(jié)構(gòu)的散熱能力，使整個(gè)結(jié)構(gòu)可以處于清潔的環(huán)境中，進(jìn)而提升鉆孔工作的精準(zhǔn)度。此外，蓋板的使用可以提升結(jié)構(gòu)的硬度，防止外界作用對(duì)鉆孔產(chǎn)生影響。但是在材質(zhì)上不能選擇硬度較大的材料，否則會(huì)在后續(xù)的工序中影響鉆頭的使用壽命，造成資源的浪費(fèi)。因此現(xiàn)階段在設(shè)計(jì)工作中，工作人員多數(shù)會(huì)使用樹(shù)脂材料的蓋板，但是在材料選擇的過(guò)程中還要關(guān)注樹(shù)脂的成分，盡可能地避免后續(xù)鉆孔出現(xiàn)熔融的情況。與此同時(shí)，蓋板的材質(zhì)需要具備一定的剛性，以此減少鉆孔時(shí)結(jié)構(gòu)的顫動(dòng)，能夠從根本上提升組件的穩(wěn)定性與彈性，使鉆孔工作的進(jìn)行不會(huì)對(duì)工件的外在形態(tài)產(chǎn)生不利的影響，進(jìn)而降低鉆孔工作的難度，使鉆頭可以更加便捷地進(jìn)入預(yù)定的位置，保證鉆孔工作的質(zhì)量和效率。

蓋板的選材對(duì)于最終工件的質(zhì)量來(lái)講十分重要，要盡可能選擇質(zhì)地均勻且沒(méi)有節(jié)點(diǎn)情況的材料，否則一旦鉆孔過(guò)程中出現(xiàn)節(jié)點(diǎn)，便很容易對(duì)鉆頭產(chǎn)生影響，甚至?xí)广@頭斷裂。這不僅會(huì)損壞資源，還會(huì)對(duì)工件的質(zhì)量產(chǎn)生不利的影響。此外，應(yīng)避免硬度高、表面摩擦力小的蓋板材料，在進(jìn)行鉆頭的選擇時(shí)，也要盡可能選擇小直徑的鉆頭，此種類(lèi)型的鉆頭相比于大直徑可以提高工具的導(dǎo)熱性，以便更好地降低鉆孔工作中的熱量，防止熱量過(guò)高出現(xiàn)鉆頭起火的情況。

現(xiàn)階段，在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)中最為常見(jiàn)的墊板類(lèi)型主要包括酚醛紙質(zhì)板、普通規(guī)格紙質(zhì)板以及木屑板。其中木屑板相比于其他材料，在材料均勻度方面較差，但是硬度較高，極易在鉆孔的過(guò)程中產(chǎn)生毛刺的情況。由此可見(jiàn)，墊板的硬度也是影響鉆孔工作質(zhì)量的重要因素。硬度較小，則墊板的軟度較高，在鉆孔工作中極易折斷鉆頭。然而這類(lèi)材料的成本較低，可以在銅箔質(zhì)地的面板中進(jìn)行使用，可以保證良好的應(yīng)用效果。此外，對(duì)于工件使用以及研發(fā)來(lái)講，應(yīng)該加大對(duì)國(guó)外材料的認(rèn)識(shí)與選擇。目前，國(guó)外市場(chǎng)中已經(jīng)出現(xiàn)了一種應(yīng)用效果較好的復(fù)合墊板，這種墊板在結(jié)構(gòu)上分為3層，其中上、下兩層的制作材料是鋁合金箔，而中間層則是使用纖維材料制作。在材料的硬度以及剛性上可以滿(mǎn)足工件使用的需求，且應(yīng)用效果較好。此外這種材料的厚度多數(shù)為1.50 mm，可以在保證性能的基礎(chǔ)上，降低對(duì)周?chē)h(huán)境的影響，進(jìn)而滿(mǎn)足環(huán)保的需求，可以被較好地應(yīng)用于工作中，但是這種材料的成本較高，因此在選擇時(shí)需要注意成本方面的情況。

4.2 基本組成

精密印制線(xiàn)路板PCB鉆孔用壓力腳裝置（見(jiàn)圖3）的主要組成包括小壓腳、壓腳座、檢測(cè)傳感器、連接桿等，該裝置的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)在于壓腳座中心區(qū)域?yàn)橥祝變?nèi)徑與鉆孔設(shè)備主軸呈配合狀態(tài)，在壓腳座凸臺(tái)通孔位置設(shè)有縱向套銷(xiāo)孔，能夠與螺紋孔實(shí)現(xiàn)緊密連接，并且壓力腳裝置配有壓腳蓋，兩側(cè)向上延伸與銷(xiāo)孔固定連接形成縱向銷(xiāo)柱，在頂部設(shè)有圓環(huán)槽。當(dāng)螺釘與壓腳座連接完成后，螺釘頭便可緊固在圓環(huán)槽中。該裝置不僅可以保證蓋板與PCB之間的緊密連接，提高孔的加工精度，還能與外部設(shè)備結(jié)合，例如，在接入吸塵管后可以將鉆孔過(guò)程中出現(xiàn)的粉塵全部吸走，此外還能在壓腳座底部設(shè)置檢測(cè)傳感器，用于判斷是否存在斷鉆現(xiàn)象。該裝置的構(gòu)成相對(duì)簡(jiǎn)易，能夠?qū)崿F(xiàn)拆卸處理，便于后期維修與養(yǎng)護(hù)。

4.3 制作流程

精密印制線(xiàn)路板PCB鉆孔用壓力腳裝置是決定鉆孔品質(zhì)的重要因素，以往在進(jìn)行大于？準(zhǔn)0.5 mm的鉆孔處理時(shí)，各生產(chǎn)商為了降低成本支出會(huì)在滿(mǎn)足CPL指標(biāo)以及孔壁粗糙度要求的基礎(chǔ)上，采用吸屑罩與單孔壓力腳完成相關(guān)配置，但隨著鉆孔孔徑的持續(xù)降低，傳統(tǒng)的壓力腳裝置已無(wú)法滿(mǎn)足不斷提升的鉆孔精度以及品質(zhì)需求，因此設(shè)計(jì)人員需要實(shí)現(xiàn)PCB鉆孔用壓力腳裝置的升級(jí)與創(chuàng)新，將內(nèi)徑為？準(zhǔn)8.3 mm的壓力腳用于大孔開(kāi)鉆，而內(nèi)徑為？準(zhǔn)2.5 mm的壓力腳則用于小孔開(kāi)鉆，從而減少空曠區(qū)域，使PCB工件被壓實(shí)牢固。以德國(guó)開(kāi)發(fā)的壓力腳大、小位置合一的設(shè)備為例，此類(lèi)結(jié)構(gòu)能夠保證壓力腳位于同一平面，可以利用汽缸實(shí)現(xiàn)滑板驅(qū)動(dòng)。其優(yōu)勢(shì)在于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)易，容易完成機(jī)械加工，但缺點(diǎn)也同樣明顯，即壓力腳位于小孔區(qū)域，因此鉆頭周邊需要為壓力腳大小孔切換預(yù)留通道，只能借助位置更遠(yuǎn)的壓力腳完成工件系統(tǒng)的壓緊處理。而日本設(shè)計(jì)的壓力腳裝置結(jié)構(gòu)則是將大小壓力腳固定在弧形壓力腳座上，借助驅(qū)動(dòng)汽缸驅(qū)動(dòng)壓力腳座實(shí)現(xiàn)自由切換。該設(shè)計(jì)方法的優(yōu)點(diǎn)在于壓力腳位于小孔位置，因此鉆頭周邊可以實(shí)現(xiàn)緊實(shí)貼合，但缺點(diǎn)在于結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，弧形面加工難度較高，且維修工作也難以有序開(kāi)展。此外，在使用壓力腳裝置時(shí)壓腳大小與吸塵負(fù)壓容易對(duì)鋁片產(chǎn)生影響，如果壓腳偏大，便會(huì)在鉆孔時(shí)使鋁片在負(fù)壓的作用下吸起，進(jìn)一步加大鉆孔誤差。若壓腳偏小，則又會(huì)導(dǎo)致壓力集中分布，需要設(shè)計(jì)人員適當(dāng)降低吸塵負(fù)壓效果，才能確保鉆孔精度得到進(jìn)一步提升。

至于吸屑罩的設(shè)計(jì)重點(diǎn)則在于吸塵效率方面，吸屑罩內(nèi)的流線(xiàn)是將螺旋擴(kuò)展過(guò)程轉(zhuǎn)變?yōu)槌隹诠艿懒骶€(xiàn)，因此出口方向需要遵從圓潤(rùn)原則，保證中心實(shí)線(xiàn)與螺旋線(xiàn)相切，提高吸出斷面面積。同時(shí)在出口垂直位置設(shè)計(jì)上要盡可能貼近吸屑罩底側(cè)，避免對(duì)主軸縫隙入流造成影響，并適當(dāng)減少二者之間的間隔，以此達(dá)到提高吸屑罩吸塵效率的目的，防止靜電干擾的形成。

4.4 型式與材料

壓力腳可以起到壓緊工件的作用，借助開(kāi)槽透氣結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)空氣補(bǔ)充，形成良好的對(duì)流系統(tǒng)，可以產(chǎn)生一定的緩沖效果。相關(guān)鉆孔裝置設(shè)計(jì)廠(chǎng)家需要在設(shè)計(jì)過(guò)程中進(jìn)行不同側(cè)重點(diǎn)的分析，例如，在材料方面，壓力腳的材料可細(xì)分為金屬材料與非金屬材料，其中金屬材料大多表現(xiàn)為不銹鋼以及黃銅，使用時(shí)需要考慮硬度、耐磨損性、使用壽命等因素。而非金屬材料則以PA66、PU為主，使用時(shí)需要將材料的吸振特性、抗沖擊效果等因素考慮在內(nèi)[2]。

4.5 參數(shù)確定

在進(jìn)行參數(shù)確定時(shí)需要利用ABA仿真軟件完成壓腳材料的調(diào)整與把控，本文以100 N壓腳力與10 kPa真空度作為實(shí)驗(yàn)條件，進(jìn)一步探究不同材料壓力腳的性能狀況。根據(jù)實(shí)驗(yàn)顯示，剛壓腳在壓腳力沖擊下會(huì)產(chǎn)生一定程度的振蕩，在振蕩時(shí)間內(nèi)振蕩效果呈衰減趨勢(shì)變化，而PU壓腳則具有極強(qiáng)的吸振效果，在發(fā)生振蕩后能夠在0.01 s內(nèi)迅速穩(wěn)定下來(lái)。

通過(guò)上述方法設(shè)計(jì)的壓力腳裝置需要在相同環(huán)境以及鉆孔參數(shù)下進(jìn)行測(cè)試，實(shí)現(xiàn)壓腳汽缸壓力以及吸塵負(fù)壓的調(diào)整，并準(zhǔn)確測(cè)試鉆板精確度，利用PVcheek檢測(cè)裝置完成相關(guān)數(shù)值的測(cè)定，其最大壓力為250 N，分辨率在1 N左右，真空吸附的最大壓力則為30 kPa。測(cè)試結(jié)果為：當(dāng)壓力腳壓力設(shè)置在100 N且真空負(fù)壓在10 kPa時(shí)，鉆孔精確度最高，能夠保持最佳的鉆孔品質(zhì)[3]。

5 高精密印制線(xiàn)路板外觀(guān)檢測(cè)裝置的研發(fā)

為確保精密印制線(xiàn)路板PCB鉆孔用壓力腳裝置能夠正常使用，進(jìn)一步保證高精密印制線(xiàn)路板的制作質(zhì)量，生產(chǎn)加工企業(yè)可利用相關(guān)檢測(cè)設(shè)備進(jìn)行印制線(xiàn)路板的質(zhì)量檢測(cè)，及時(shí)消除外觀(guān)缺陷，確保裝置性能的充分發(fā)揮。以某地方研究院生產(chǎn)的高精密印制線(xiàn)路板外觀(guān)檢測(cè)裝置作為研究對(duì)象，該設(shè)備不僅可以緊密吸附線(xiàn)路板，并且操作便捷，靈活度較高，能夠協(xié)助技術(shù)人員從多個(gè)角度進(jìn)行線(xiàn)路板的質(zhì)量檢測(cè)，能夠有效提升質(zhì)檢合格率以及質(zhì)檢速率。該裝置的組成部分主要包括：凹陷、承板裝置內(nèi)腔、通風(fēng)孔、承板裝置橫軸、側(cè)蓋板、下蓋板、固定螺釘。其中承板裝置是指一個(gè)扁平盒狀的構(gòu)件，在構(gòu)件表面分布大量的通風(fēng)孔，而在側(cè)面則設(shè)有吸附管路風(fēng)口，在裝置兩端則安裝承板裝置橫軸，能夠通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)軸承與裝置支柱緊密連接，使承板裝置圍繞橫軸進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)。

在具體安裝過(guò)程中要注意，吸附管路風(fēng)口需要開(kāi)設(shè)在承板橫軸上，實(shí)現(xiàn)裝置結(jié)構(gòu)的緊密相連，同時(shí)為了進(jìn)一步提升承板設(shè)備對(duì)線(xiàn)路板的吸附效果，還要確保選取的通風(fēng)孔屬于不等徑通孔，外側(cè)孔徑要高于內(nèi)側(cè)孔徑，確保吸附面積的最大化。而在承板裝置表面則要設(shè)置一定凹陷，用以起到對(duì)限位板限位的作用，這樣當(dāng)旋轉(zhuǎn)承板設(shè)備時(shí)，便可避免線(xiàn)路板出現(xiàn)脫落現(xiàn)象。至于承板裝置的上、下、前、后、左、右蓋板則要使用酚醛樹(shù)脂材質(zhì)，該材料耐高溫效果優(yōu)良、粘結(jié)強(qiáng)度高、低煙低毒，能夠進(jìn)一步提高構(gòu)件的使用壽命，即使在惡劣環(huán)境下也能正常使用。在連接蓋板時(shí)要采用過(guò)隼卡合的方式，之后利用螺釘進(jìn)行固定處理，并在四周涂抹黏膠提高設(shè)備的密封性。

6 結(jié)論

綜上所述，通過(guò)對(duì)精密印制線(xiàn)路板PCB鉆孔主要內(nèi)容進(jìn)行分析討論，闡述精密印制線(xiàn)路板PCB鉆孔用壓力腳裝置的工件組合、基本組成、制作流程、型式與材料以及參數(shù)確定，以此保證印制電路板的高品質(zhì)鉆孔，切實(shí)提高鉆孔精確性。

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