Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Обзор методов формирования микроразмерных переходных отверстий МПП 13
1.1. Современное состояние в области технологии изготовления ПП 13
1.2. Аналитический обзор методов формирования микроразмерных переходных отверстий МПП
1.2.1. Механическое сверление 17
1.2.2. Лазерное сверление
1.3. Сравнение технологических методов механической и лазерной обработки МПП 36
1.4. Выводы по главе 1 40
ГЛАВА 2. Причины и закономерности развития увода оси сверла в ходе формирования микроразмерных отверстий МПП 43
2.1. Классификация причин возникновения увода оси сверла 43
2.2. Причины возникновения увода оси сверла в ходе сверления
2.2.1. Неоднородность обрабатываемых материалов ПП 52
2.2.2. Взаимосвязь скорости подачи и радиальной силы (изгиб) 58
2.2.3. Изгиб сверла под действием радиальной силы 60
2.2.4. Потеря устойчивости сверла в ходе обработки
2.3. Общая модель увода оси сверла 70
2.4. Выводы по главе 2 72
ГЛАВА 3. Определение и анализ погрешности расположения микроразмерных отверстий МПП 74
3.1. Постановка задач эксперимента
3.2. Оценка объема экспериментальных исследований 75
3.3. Описание исследуемых образцов 77
3.4. Описание схемы измерения 81
3.5. Описание методов исследования и оборудования, получение и обработка экспериментальных данных 82
3.6. Методика обработки данных 84
3.7. Анализ точности используемых методов и полученных результатов
3.7.1. Оценка точности полученных изображений 94
3.7.2. Оценка влияния разрешения сканера на точность определения координат центров отверстий на изображении. 98
3.7.3. Оценка повторяемости результаов сканирования 103
3.8. Выводы по главе 3 105
ГЛАВА 4. Исследование влияния конструкции мпп, величины осевой подачи и упрочняющего покрытия на величину погрешности расположения микроразмерных переходных отверстий 106
4.1. Оценка влияния величины осевой подачи на точность
расположения отверстий ПП и величину увода оси сверла 106
4.1.1. Оценка влияния величины осевой подачи на качество металлизации отверстия 109
4.2. Оценка влияния параметров покнструкции МПП на точность расположения отверстий и величину увода оси сверла 112
4.3. Оценка влияния твердосмазочного покрытия сверл на точность расположения отверстий ПП и величину увода оси 117
4.4. Выводы по главе 4 119
Общие выводы по работе 122
Список источников 125
- Лазерное сверление
- Взаимосвязь скорости подачи и радиальной силы (изгиб)
- Описание методов исследования и оборудования, получение и обработка экспериментальных данных
- Оценка влияния величины осевой подачи на качество металлизации отверстия
Лазерное сверление
Технология формирования отверстий в ПП методом механического сверления используется с самого начала истории существования ПП, однако требования к отверстиям за более чем полувековую историю широкого применения ПП претерпели существенное изменение. Необходимость коммутации СБИС с высокой степенью интеграции, и, соответственно, большим числом выводов их корпусов, удовлетворяется высокой плотностью печатного монтажа, которая достигается путем формирования МПП с большим количеством переходных отверстий. При этом диаметр отверстий неизбежно уменьшается. В России, в силу сложившейся инструментально технологической базы, механическое сверление остается основным методом формирования микроразмерных переходных отверстий в МПП.
Как и к любой другой технологии, к механическому сверлению применительно к решению задачи формирования микроразмерных отверстий, предъявляются в наиболее общем виде следующие требования: – Принципиальная возможность получения требуемых геометрических параметров проводящего рисунка ПП – группа показателей, характеризующая технические возможности технологии; – Обеспечение заданной точности, а, следовательно, должной повторяемости требуемого результата – показатели качества технологического процесса[15]; – Обеспечение приемлемой стоимости результата – экономические показатели (в том числе производительность) технологии. Жизнеспособность технологии может быть обусловлена только ее способностью удовлетворить одновременно всем трем вышеуказанным требованиям. Технические возможности метода механического сверления Для оценки уровня технического совершенства метода механического сверления применительно к задаче формирования микроразмерных переходных отверстий ПП приведем предельные геометрические показатели формируемых отверстий: минимальный диаметр, и максимальное значение отношения глубины к диаметру отверстия.
Минимальный диаметр переходных отверстий согласно классификации ПП по точности изготовления – 0,05 мм, и ведущие производители цельнотвердосплавных сверл для производства ПП, такие как: Union Tool (Япония), IND-Sphinx (Индия), HAM Microprazision (Германия), HPtec (Швейцария) – предлагают сверла для формирования отверстий такого диаметра [16 – 18].
Ввиду высокой стоимости микроразмерного инструмента (при производстве МПП с микроразмерными переходными отверстиями удельная доля затрат на инструмент в себестоимости продукции может превышать 40% [7]) для обеспечения экономической целесообразности технологии механического сверления микроразмерных отверстий, необходимо создать насколько это возможно более близкие к оптимальным условия эксплуатации микроразмерного инструмента. Ввиду того, что доля затрат на микроразмерный инструмент велика, оптимизация в данном конкретном случае предполагает создание условий обеспечения максимального ресурса инструмента.
Минимальная интенсивность изнашивания твердосплавного инструмента достигается при скорости резания стеклотекстолитов типа FR-4 2,5-3,0 м/с [7, 16, 19 – 21]. На сегодняшний день близкие к оптимальным условия сверления могут быть реализованы только при сверлении отверстий диаметра 0,15 мм и более, для этого применяются высокоскоростные синхронные и асинхронные шпиндели на воздушных опорах, например, Posalux PS300 и PS325 (Швейцария) [7, 22] с частотой вращения 300 и 325 тыс. об/мин соответственно.
Показатели качества метода механического сверления Рассматривая механическое сверление, как один из технологических методов, используемых в производстве МПП полезно акцентировать внимание на характеризующих его показателях качества. Применительно к задаче формирования микроразмерных переходных отверстий МПП можно выделить следующие требования
Взаимосвязь скорости подачи и радиальной силы (изгиб)
Часть из указанных дефектов, как например, вырыв материала диэлектрика из стенок отверстия или «шляпка гвоздя» являются неустранимыми. Другие могут быть устранены при последующей обработке ПП, например, заусенцы на поверхности платы удаляются механической шлифовкой, а загрязнения внутренних стенок отверстия могут быть удалены промывкой в растворе перманганата калия, либо методом плазмохимической очистки [33].
Однако необходимость введения в технологический процесс операций по устранению недостатков предшествующих технологических операций неизбежно приводит к появлению ряда факторов риска. Во-первых, может не произойти полного устранения исходных дефектов. Во-вторых, избыточное воздействие может приводить к появлению новых, уже неустранимых дефектов: шлифование поверхности платы приводит к запредельному утонению проводников, избыточная очистка отверстий может вытравливать эпоксидное связующее, увеличивая тем самым шероховатость стенок отверстий, что негативно скажется на качестве металлизации. Кроме того, дополнительные технологические операции неизбежно приводят к удорожанию конечного изделия.
Как правило, при соблюдении надлежащих режимов сверления ПП для обеспечения качественной металлизации достаточным является применение струйной отмывки водой и перманганатной очистки отверстий.
Таким образом, соблюдение корректных режимов сверления позволяет получить микроразмерные отверстия, качество которых допускает их металлизацию при минимальной дополнительной обработке ПП.
Экономические показатели технологии механического сверления Ввиду высокой стоимости режущего инструмента технологический метод механического сверления применительно к задаче формирования микроразмерных отверстий является дорогостоящим. При доступности альтернативных способов формирования микроразмерных переходных отверстий ПП, например, лазерного сверления, механическое сверление является экономически целесообразным при обработке отверстий диаметром более 0,20 мм [34]. Высокая доля в совокупных затратах на производство МПП, приходящаяся на микроразмерный инструмент, является следствием его весьма ограниченного ресурса (порядка 1000 отверстий), что в ряде случаев усугубляется отсутствием возможности переточки (для сверл с боковой режущей кромкой). Если же сверло допускает переточку (фактически переточке подвергаются сверла диаметра 0,30 мм и более), то ее можно производить всего 2-3 раза, т. к. сверло обладает обратной конусностью, и многократная переточка приводит к уменьшению диаметра формируемых отверстий [35].
Другим фактором, оказывающим значительное влияние на стоимость формируемых методом механического сверления отверстий, являются ее показатели производительности. Современные сверлильные станки с технической точки зрения обладают совершенной конструкцией, которая позволяет достигать высоких показателей производительности: скорость перемещения стола достигает 75 м/с при ускорении до 1,5g, а ускорение шпинделя по оси Z – 8g (максимальная скорость – 30 м. с)[7]. Однако ввиду существующих ограничений на величину подачи сверла реальная производительность одной рабочей станции (шпинделя) не превышает 4 отверстий в секунду, а для микроразмерных отверстий – 2 отверстий в секунду.
Повысить производительность оборудования, реализующего данный технологический метод возможно только экстенсивным способом, то есть увеличением количества станций (шпинделей) на платформе одного станка. Несмотря на то, что производители оборудования внедряют инновации и в этом направлении развития сверлильного оборудования для ПП, очевидно, что данный путь является тупиковым.
Лазерное сверление Лазерное сверление (абляция) (в английском языке используется термин «ablation drilling» - «абляционное сверление») достаточно часто рассматривается в качестве альтернативы механическому сверлению при необходимости формирования микроразмерных переходных отверстий. Однако, несмотря на значительное развитие данного технологического метода обработки ПП за последние 10 лет, альтернативой механическому сверлению в полной мере он не является.
Лазерное сверление [36] позволяет с высокой производительностью (до нескольких сотен отверстий в секунду) получать неглубокие (отношение глубины к диаметру не более 3:1) микроразмерные переходные отверстия в диапазоне диаметров от 100 до 300 мкм [37]. Особенно хорошо данный метод зарекомендовал себя при производстве гибких и гибко-жестких ПП, которые в основе своей содержат ряд материалов плохо поддающихся механической обработке, например: полиимид, фторопласт, а так же при обработке материалов с керамическим наполнением [7].
Основным достоинством технологического метода лазерного сверления является высокая производительность – рабочий орган станка, лазер, не требуется перемещать по оси Z. Дозировать энергию лазерного луча можно с высокой точностью – импульсами длительностью от 30 нс, при этом частота следования импульсов может достигать 1000 кГц [38]. Этим обеспечивается высокая точность сверления по глубине при выдающихся показателях быстродействия данного технологического метода. Однако лежащий в его основе физический принцип – абляция (испарение материала при интенсивном поглощении энергии излучения лазера) – накладывает существенные ограничения на применимость лазерной обработки.
Описание методов исследования и оборудования, получение и обработка экспериментальных данных
Смещение точки, в которой происходит врезание сверла в материал ПП относительно точки касания поверхности, обусловлено, как правило, несоответствием геометрии режущей части сверла твердости обрабатываемого материала ПП, физико-механическим свойствам материала накладки и режимам сверления. Наиболее вероятной предпосылкой этого является износ режущих кромок сверла, вследствие чего их радиус закругления значительно увеличивается. В результате этого при невозможности врезаться («зацепиться») в материал ПП кончик сверла «гуляет» по поверхности и уходит от точки контакта, врезание происходит со смещением и при изогнутом сверле. Поскольку износ режущих кромок сверла – это неизбежное событие в процессе формирования отверстий МПП, развитие увода оси сверла по такому механизму представляется весьма вероятным. Величина увода в таком случае, очевидно, будет носить случайный характер и должна быть связана со степенью износа режущих кромок сверла [44-48].
По соотношению длины рабочей части к диаметру все сверла для микроразмерного сверления можно отнести к сверлам для глубокого сверления: значительная длина, от 15 до 20 раз превышающая значение диаметра, обуславливает малую жесткость сверла на изгиб. В отечественном производстве ПП в качестве материала накладок при сверлении, в том числе и микроразмерных отверстий, часто применяется алюминий, поверхность которого достаточно твердая (по сравнению с полимерными материалами накладок). Как следствие в результате приложения осевого усилия в процессе сверления в момент контакта сверла с поверхностью обрабатываемого пакета заготовок может произойти потеря устойчивости, то есть появление прогиба в средней части сверла. В результате отверстие будет формироваться с некоторым отклонением, имеющим случайный характер. Вероятность возникновения данного явления и величину отклонения возможно оценить аналитически, зная величину осевого усилия.
Отклонение оси сверла от первоначальной прямолинейной траектории по мере заглубления в материал платы может быть вызвано следующими причинами: Присутствует существенная асимметрия режущих кромок; Под действием избыточной осевой нагрузки возникает потеря устойчивости (прогиб в средней части сверла). – Отклонение возникает ввиду существенной неоднородности свойств различных участков обрабатываемого материала ПП в масштабах сверла.
Значительная (приводящая к отклонению оси сверла) асимметрия режущих кромок сверла является браком изготовления или восстановления инструмента, поэтому рассматривать данный случай нецелесообразно. Однако стоит отметить, что данный дефект проявится только в момент сверления, когда асимметрия сил резания приведет к появлению результирующего радиального усилия, приводящего к изгибу сверла.
Увод оси в результате потери устойчивости сверла по мере заглубления, как и в момент врезания, может быть обусловлен избыточной осевой нагрузкой и малой жесткостью сверла.
Неоднородность материала ПП является тем параметром, определенным конструкцией ПП, влияние которого на траекторию микроразмерного сверла в ходе формирования отверстия однозначно не определено. Считается, что препреги грубой фактуры, например FR4 7628, плохо поддаются механической обработке [49], при этом в справочной литературе не указывается критерий, на основании которого сделана данная оценка: критичным может являться не столько прямолинейность отверстия в продольном сечении, сколько качество внутренней поверхности. Наиболее верным представляется допустить возможность влияния неоднородности свойств различных участков обрабатываемого материала ПП в масштабах диаметра сверла на траекторию его оси в ходе сверления, и определить данное влияние экспериментально.
В ряде работ С.В. Новокрещенова и А.М. Медведева, посвященных вопросам механической обработке ПП и выбору режущего инструмента, отмечается тот факт, что на стойкость инструмента оказывает существенное влияние диаметр нитей стекловолокна, используемого в изоляционных материалах ПП [35, 40]. Однако сопоставимость размеров нитей стеклоткани и диаметра режущего инструмента помимо стойкости инструмента, также может оказывать влияние на точность формы получаемого отверстия в продольном сечении.
Для исследования влияния структуры обрабатываемого материала на условия протекания процесса сверления в 2010 г. в МГТУ им. Баумана был проведен эксперимент по определению усилий резания, возникающих при обработке ПП микроразмерным инструментом. Исследование проводилось на универсальном фрезерном станке с ЧПУ VHF САМ 1520 ActivePro (Германия) (Рис. 2.9), при следующих режимах: частота вращения шпинделя -60 000 об/мин, скорость осевой подачи - 300 мм/мин (5 мкм/об).
Оценка влияния величины осевой подачи на качество металлизации отверстия
Из данного выражения видно, что при постоянном соотношении длины и диаметра, уменьшение диаметра сверла приводит к увеличению величины смещения кончика сверла, или, иными словами, его восприимчивости к радиальным нагрузкам, приложенным в рабочей зоне инструмента. Следовательно, для минимизации увода оси отверстия при наличии радиальных сил целесообразно выбирать сверла c большим диаметром, даже если при этом длина их рабочей части увеличивается пропорционально диаметру.
Данный вывод является справедливым в случае, если значения радиальной силы являются сопоставимыми (равными) для сверл различных диаметров.
Для экспериментальной оценки значимости вклада механизма отклонения сверла под воздействием радиального усилия, компанией Creepservice SARL (Швейцария) был проведен эксперимент – при помощи установки наноиндентирования была измерена зависимость перемещения кончика сверла от величины прикладываемого усилия (Рис. 2.18) [54].
Помимо определения фактического значения изгибной жесткости микроразмерного твердосплавного жесткости сверла, в ходе данного эксперимента так же было проведено сравнение изгибной жесткости сверл одинакового диаметра, на поверхность одного из которых было нанесено твердосмазывающее покрытие (алмазоподобное покрытие толщиной не более 2 мкм с подслоем Ti толщиной 25 нм). Рис. 2.18. Исследование восприимчивости сверла к изгибающим нагрузкам(в ходе теста было испытано сверло Union Tool MVJ272 диаметра 0,105 мм, длина рабочей части 2,0 мм)
Помимо основной, в данном случае, функции – повышение ресурса сверла и снижения коэффициента сухого трения – покрытия, наносимые методом вакуумного дугового распыления, могут приводить к появлению поверхностных сжимающих (стягивающих) напряжений в материале обрабатываемого изделия. В ряде случаев (в случае тонкостенных корпусных деталей и других оболочечных конструкций) наличие поверхностных напряжений может приводить к деформированию изделий [55]. Однако в случае микроразмерных сверл, по всей видимости, данный эффект играет положительную роль. Натяжение покрытия в поверхностном слое создает эффект предварительно напряженной композиционной конструкции: твердосплавное сверло и тонкостенная оболочка-покрытие, за счет чего обеспечивается значительное увеличение жесткости сверла на изгиб. Полученные результаты продемонстрировали, что изгибная жесткость сверла с покрытием на 21,6% превысила жесткость сверла без покрытия (Рис. 2.19). Рис. 2.19. График зависимости детектируемого усилия от перемещения кончика сверла [54]
Сверло с покрытием жестче и прочнее аналогичного сверла без покрытия: 1 - Сверло без покрытия – 2,036 мН/мкм (100%); 2 - Сверло с покрытием – 2,475 мН/мкм (121,6%).
Таким образом, за счет нанесения упрочняющего твердосмазывающего покрытия достигается снижение восприимчивости сверла к радиальным нагрузкам, что позволяет предполагать уменьшение величины отклонения оси сверл с покрытием от прямолинейной траектории в ходе формирования отверстий по сравнению со сверлами без покрытий.
Оценка изгибной жесткости сверл без покрытия и с покрытием Для оценки справедливости использования модели консольно закрепленного стержня по отношению к микроразмерному твердосплавному сверлу (Рис. 2.20) проведем проверочный расчет.
Согласно данным производителя [18], для расчета необходимо принять следующие параметры: длина стержня (длина рабочей части сверла) L = 1,60 мм; диаметр сверла D = 0,105 мм; модуль упругости материала сверла примем равным 622,5 ГПа (соответствует модулю упругости сплава ВК6 при нормальных условиях) [56].
Согласно результатам эксперимента на начальном участке кривой нагружения коэффициент пропорциональности между нагрузкой и величиной перемещения сечения кончика сверла составил 2,036 и 2,475 мН/мкм для сверла без покрытия и с покрытием, соответственно.
С использованием представленных выше экспериментальных данных был рассчитан поправочный коэффициент k=0,93, позволяющий получить значение эффективного диаметра сверла. Для его расчета было использовано следующее выражение:
Где факт – значение величины фактического перемещения кончика сверла под воздействием заданной нагрузки; расч – расчетное значение величины перемещения кончика сверла под воздействием заданной нагрузки. В ходе дальнейшего моделирования было сделано следующее допущение: для получения оценочного значения жесткости сверл других диаметров: можно проводить расчет жесткости стержня круглого сечения соответствующей длины (стержень эквивалентной жесткости), используя в расчете значение диаметра с данным поправочным коэффициентом.
Для оценки приращения жесткости сверла, возникающей из-за нанесения покрытия было сделано следующее допущение: при нанесении покрытия на сверло изгибная жесткость сверла увеличивается, причем жесткость сверла и покрытия (тонкостенного цилиндра) суммируются:
Таким образом, используя известные значения толщины покрытия и эффективного диаметра сверла, было вычислено значение эффективного модуля упругости покрытия. Для покрытия, нанесенного на сверло в рассмотренном примере модуль упругости Eпокр, расчитанный про данной схеме составил 957 ГПа, что соответствует модулю упругости алмаза [57]. В ходе данного расчета для вычисления момента инерции тонкостенной оболочки (отдельно покрытия) было использовано выражение 2.8:
