崔云先 牟 瑜 王成勇 鄭李娟 殷俊偉 薛生俊

1.大連交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院, 大連, 1160282.廣東工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院, 廣州, 510643

0 引言

印刷電路板(printed circuit board，PCB)作為電子元器件的連接和支撐體，在電子產(chǎn)品中起中繼傳輸作用。隨著下游電子消費(fèi)產(chǎn)品對(duì)智能化、輕量化和高可靠性、高密度的發(fā)展需求，作為電子產(chǎn)品重要參與者之一的PCB也面臨更大的挑戰(zhàn)，要求PCB能夠承載高密度、高集成電子元器件在高負(fù)荷下工作。溫度是影響PCB制造質(zhì)量的一個(gè)重要因素，在PCB加工過(guò)程中過(guò)高的溫度可能導(dǎo)致鉆頭與軟化的樹脂材料切屑發(fā)生粘連，影響鉆頭的切削性能進(jìn)而加劇鉆頭磨損，同時(shí)黏附在孔壁的鉆污也會(huì)增大孔壁的不平滑度和入口圓度誤差等，導(dǎo)致鉆孔質(zhì)量降低甚至造成PCB絕緣和連接失效等問(wèn)題。運(yùn)行過(guò)程中一旦PCB的層間溫度超過(guò)PCB所能承受的閾值則會(huì)引起PCB燒毀、電路的短路、斷路等情況，因此鉆削過(guò)程各層PCB溫度的測(cè)量對(duì)PCB的質(zhì)量就顯得格外重要。目前PCB鉆削加工溫度的測(cè)量方法主要有紅外熱像儀法[1-2]和熱電偶測(cè)量法。利用紅外熱像儀可以對(duì)PCB鉆削過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量，最后通過(guò)鉆頭的溫度場(chǎng)近似代替PCB的溫度場(chǎng)，但該種方法容易受諸如光線、粉塵等環(huán)境因素的影響且測(cè)量的溫度并非PCB的真實(shí)溫度，與實(shí)際的溫度場(chǎng)有一定的誤差。熱電偶法主要是用絲式熱電偶進(jìn)行測(cè)量，但絲式熱電偶的響應(yīng)速度慢，對(duì)高速鉆削溫度變化無(wú)法快速響應(yīng)，對(duì)于輕薄的PCB來(lái)說(shuō)絲式熱電偶嵌入困難，還會(huì)對(duì)PCB造成損壞。其他的如感溫試紙法[3]測(cè)量鉆削溫度也存在測(cè)溫滯后、無(wú)法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)測(cè)量、測(cè)量誤差大等問(wèn)題。因此研究一種響應(yīng)速度快、測(cè)量精度高的PCB原位鉆削溫度測(cè)量方法具有重要意義。

本文針對(duì)PCB加工過(guò)程中鉆削溫度準(zhǔn)確測(cè)量的技術(shù)難題，提出了一種在PCB上直接制備NiCr/NiSi薄膜熱電偶傳感器的原位鉆削溫度測(cè)量方法。

1 鉆削過(guò)程中PCB溫度的模擬仿真

機(jī)械孔的加工是PCB制作過(guò)程的重要一環(huán)，這個(gè)過(guò)程會(huì)伴隨著大量熱量的產(chǎn)生，為了研究鉆削過(guò)程中鉆削溫度的變化范圍和分布情況，為鉆削實(shí)驗(yàn)傳感器的選擇、傳感器的測(cè)溫范圍及傳感器放置位置等信息提供理論指導(dǎo)依據(jù),本文對(duì)PCB的鉆孔過(guò)程進(jìn)行了模擬仿真。由于PCB的材料、結(jié)構(gòu)構(gòu)成復(fù)雜，因而在鉆削過(guò)程包含著復(fù)雜的熱力耦合現(xiàn)象，加上影響鉆削溫度的因素很多，包括各種材料的物化、幾何參數(shù)，刀具的幾何參數(shù)，工件的裝夾條件以及鉆削參數(shù)等，想要實(shí)現(xiàn)完全、真實(shí)地模擬鉆削加工過(guò)程有一定困難。為此，本文對(duì)PCB的三維有限元模型進(jìn)行了簡(jiǎn)化，模擬鉆削過(guò)程基于以下假設(shè)條件：

(1)鉆頭設(shè)置為剛體且只考慮溫度傳導(dǎo)；

(2)由于溫度較低，忽略由溫度變化造成的印刷電路板金相組織變化；

(3)多層印刷電路板結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，不考慮組織微顆粒的影響；

(4)忽略鉆削過(guò)程中鉆頭和工件的振動(dòng)以及鉆頭的磨損。

1.1 材料的本構(gòu)模型

材料的本構(gòu)模型用于描述材料的力學(xué)性質(zhì)，表征材料變形過(guò)程中的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，通常用來(lái)表示應(yīng)力與應(yīng)變、應(yīng)變率、溫度之間的熱力耦合函數(shù)等參數(shù)之間的關(guān)系。金屬的切削加工過(guò)程是一個(gè)高度非線性動(dòng)態(tài)熱力耦合的過(guò)程，其中涉及很多如高溫、高應(yīng)變速率、大應(yīng)變等[4]因素。

Johnson-Cook本構(gòu)模型是用來(lái)描述材料的應(yīng)力與應(yīng)變、應(yīng)變率、溫度等變形參數(shù)之間的數(shù)學(xué)函數(shù)關(guān)系以及材料在不同溫度、應(yīng)變率下行為的特征方程，模型可在高應(yīng)變速率下表征材料應(yīng)變硬化、應(yīng)變速率硬化和熱軟化效應(yīng)，具有方程形式簡(jiǎn)單、材料系數(shù)易擬合以及分析過(guò)程容易收斂等優(yōu)點(diǎn)[5]，因此本文中銅箔層采用Johnson-Cook本構(gòu)模型來(lái)描述材料的行為。

PCB的復(fù)合材料層是由單層垂直交叉編織的玻璃纖維層均勻包裹環(huán)氧樹脂經(jīng)冷卻固化而成的。在實(shí)際應(yīng)用中，許多學(xué)者[6-8]在研究該類復(fù)合材料的力學(xué)性能、疲勞壽命預(yù)測(cè)時(shí)將復(fù)合材料視為準(zhǔn)各向同性材料，得到了很好的結(jié)果。立足于研究對(duì)象，本文將玻璃纖維增強(qiáng)樹脂復(fù)合材料等效為面內(nèi)各向同性材料。

1.2 材料失效準(zhǔn)則

當(dāng)最大主應(yīng)力達(dá)到材料的失效強(qiáng)度時(shí)，單元失去承載能力，其剛度緩慢地降低到零，當(dāng)應(yīng)力達(dá)到最大強(qiáng)度時(shí)，應(yīng)變軟化失效以微孔或微裂紋的形式出現(xiàn)，損傷便開始進(jìn)行。Johnson-Cook模型的斷裂失效準(zhǔn)則綜合考慮了應(yīng)力三軸度、應(yīng)變率和溫度等多方面的因素，針對(duì)各向同性的彈性材料，ABAQUS軟件中專門設(shè)置了Johnson-Cook塑性模型來(lái)模擬高應(yīng)變率變形材料的動(dòng)態(tài)失效，因此本文采用Johnson-Cook失效準(zhǔn)則。當(dāng)工件材料進(jìn)入塑性破損階段時(shí)，應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系(彈塑性理論)已不能準(zhǔn)確地描述材料在應(yīng)力下的行為，為了讓分析求解過(guò)程收斂并保持穩(wěn)定，本文還通過(guò)能量失效法對(duì)材料損傷演進(jìn)變化方式進(jìn)行重新定義，銅箔材料失效參數(shù)如表1所示。

表1 銅箔材料失效參數(shù)Tab.1 Failure parameters of copper foil materials

1.3 PCB鉆削有限元模型

PCB鉆削過(guò)程中，鉆頭與不同的材料依次摩擦切削產(chǎn)生熱量，在有限元建模時(shí)，取一個(gè)小的鉆削單元作為研究對(duì)象，建立含有銅箔層、玻璃纖維復(fù)合材料層的工件模型[9]。PCB選用四層高頻高速板，厚度為0.47 mm，PCB三維模型根據(jù)其實(shí)際結(jié)構(gòu)建立而成，PCB截面結(jié)構(gòu)和有限元模型如圖1所示，圖1a為四層高頻高速PCB在數(shù)字顯微鏡下的截面圖，圖中呈銀色具有金屬光澤的為銅箔層，兩層銅箔層之間的是經(jīng)過(guò)熱壓合的玻璃纖維復(fù)合材料(GFRP)；圖1b為疊層PCB有限元模型，根據(jù)PCB截面結(jié)構(gòu)將其描述為直徑為2 mm、厚度為0.41 mm的多層結(jié)構(gòu)的圓柱體。鉆頭選用PCB鉆孔用專用鉆頭，鉆頭參數(shù)如表2所示。

圖1 PCB截面結(jié)構(gòu)和有限元模型圖Fig.1 Cross-sectional structure and finite element model of PCB plate

表2 PCB鉆孔用專用鉆頭參數(shù)Tab.2 Parameters of special bit for PCB board drilling

在三維模型中，將疊層的PCB和鉆頭進(jìn)行裝配，然后對(duì)各個(gè)疊層分別進(jìn)行網(wǎng)格劃分，銅箔和玻璃纖維復(fù)合材料層選用顯式位移溫度耦合六面體單元(C3D8T)，由于鉆頭形狀不規(guī)則，故采用顯式溫度位移耦合四面體單元(C3D4T)。將參與鉆削部分的網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化，其中工件的網(wǎng)格數(shù)為183 058個(gè)，鉆頭網(wǎng)格數(shù)為6 528個(gè)，經(jīng)檢測(cè)所有網(wǎng)格質(zhì)量合格。PCB的材料屬性如表3所示。

表3 PCB的材料屬性Tab.3 Material Properties of PCB Board

鉆削仿真分析分為三步，初始步定義刀-工初始狀態(tài)的邊界條件、相互作用以及初始溫度場(chǎng)等，第二步根據(jù)實(shí)際工況加載載荷，定義鉆頭轉(zhuǎn)速進(jìn)給量等，第三步載荷加載完畢，退刀分析。

根據(jù)實(shí)際加工條件，將PCB邊界條件設(shè)置為四周單元網(wǎng)格和底部網(wǎng)格完全約束，鉆頭轉(zhuǎn)速設(shè)置為20×103r/min，進(jìn)給量為0.2 mm/s。模型提交計(jì)算后得到PCB入口處鉆削溫度仿真云圖，見圖2。

(a) 深度h=0.06 mm

(b) 深度h=0.22 mm

(c) 深度h=0.45 mm

(d) 深度h=0.56 mm圖2 PCB入口處鉆削溫度仿真云圖Fig.2 Simulation cloud of drilling temperature at the entrance of PCB board

仿真云圖中白色圓表示鉆削微孔的理論位置。從圖2中可以看出，鉆削溫度分布于以鉆頭軸線為軸的圓柱體鉆削區(qū)域內(nèi)，并由于熱傳導(dǎo)的原因向四周擴(kuò)散。鉆頭的鉆削區(qū)域相較于未參與鉆削的部分溫度較高，隨著鉆削深度的加大鉆削區(qū)域溫度逐漸升高，最高溫處均分布在孔壁位置。原因是在鉆削過(guò)程中，鉆頭后刀刃與PCB孔壁劇烈摩擦產(chǎn)生大量的熱量，在鉆削過(guò)程中出現(xiàn)溫度累積。仿真結(jié)果表明，當(dāng)鉆頭鉆透PCB時(shí)位于PCB底面的孔壁處具有最高的溫度，孔壁接點(diǎn)溫度隨著鉆頭的鉆入逐漸升高，在鉆透PCB時(shí)達(dá)到最高，最高溫度為53.94 ℃。為了實(shí)現(xiàn)鉆削原位溫度的測(cè)量，保證溫度的可靠性和準(zhǔn)確性，薄膜傳感器的最佳鍍膜位置應(yīng)該處于PCB的鉆削區(qū)域內(nèi)，且必須包含最高鉆削溫度點(diǎn)，即位于鉆頭的垂直底面，在實(shí)驗(yàn)時(shí)通過(guò)定位在薄膜傳感器相反面開始鉆削。

2 薄膜熱電偶傳感器的研制

本文所研制的基于PCB的薄膜熱電偶傳感器包括SiO2絕緣薄膜、NiCr/NiSi薄膜熱電偶、SiO2保護(hù)薄膜，這些薄膜均采用磁控濺射方法在PCB表面制備，制備工作在JZFZJ-500S型高真空多功能復(fù)合鍍膜機(jī)鍍制完成。

2.1 薄膜熱電偶的制備及性能分析

在仿真結(jié)論的基礎(chǔ)上，基于PCB鉆削的特點(diǎn)和原位溫度測(cè)量的需求，本文將薄膜熱電偶傳感器直接濺射在PCB表面。薄膜熱電偶制備流程如圖3所示。

圖3 薄膜熱電偶傳感器的制備流程圖Fig.3 Fabrication flow chart of thin film thermocouple sensor

制備流程主要步驟如下：①將PCB用不同粒度的拋光膏拋光至鏡面；②采用直流脈沖磁控濺射技術(shù)通過(guò)間歇濺射方式制備SiO2絕緣薄膜，如圖3a所示；③覆蓋掩模沉積NiCr熱電極薄膜，如圖3b所示；④覆蓋掩模沉積NiSi熱電極薄膜，與NiCr熱電極薄膜重疊形成熱接點(diǎn)，如圖3c所示；⑤覆蓋掩模沉積SiO2保護(hù)薄膜；⑥粘接補(bǔ)償導(dǎo)線，涂覆引腳保護(hù)膠，如圖3d所示。薄膜熱電偶傳感器可以制備在不同厚度的PCB基板上，制備所得到的薄膜熱電偶傳感器截面如圖4所示。

圖4 薄膜熱電偶傳感器截面圖Fig.4 Cross-sectional diagram of thin film thermocouple sensor

2.2 薄膜熱電偶的技術(shù)特性表征

本文所制備的NiCr/NiSi薄膜熱電偶傳感器由于尺寸效應(yīng)和濺射過(guò)程中成分的離析使得它并非標(biāo)準(zhǔn)的K型熱電偶，因此需要通過(guò)對(duì)薄膜熱電偶傳感器進(jìn)行溫度測(cè)量特性研究以得出熱電勢(shì)與溫度的對(duì)應(yīng)關(guān)系以及傳感器的動(dòng)態(tài)特性參數(shù)，從而確定該傳感器的測(cè)量參數(shù)和測(cè)試能力[10-11]。

選用真空室內(nèi)同一批濺射的薄膜熱電偶傳感器進(jìn)行靜態(tài)標(biāo)定，薄膜熱電偶靜態(tài)標(biāo)定系統(tǒng)框圖見圖5。將靜態(tài)標(biāo)定的溫度范圍設(shè)置為30～200 ℃，每10 ℃記錄一次計(jì)量爐溫度以及薄膜熱電偶輸出的熱電勢(shì)數(shù)據(jù)，用最小二乘法對(duì)標(biāo)定數(shù)據(jù)擬合，得到薄膜熱電偶傳感器輸出熱電勢(shì)E與溫度差θ之間的關(guān)系式：E=0.037 4θ-0.040 6，即薄膜熱電偶的塞貝克系數(shù)為37.4 μV/℃，標(biāo)定數(shù)據(jù)擬合曲線如圖6所示。在整個(gè)測(cè)溫范圍內(nèi)，線性擬合誤差不超過(guò)0.65%，30～200 ℃測(cè)溫范圍內(nèi)最大誤差±0.25 ℃，表明研制的NiCr/NiSi薄膜熱電偶傳感器線性度良好且靈敏度較高。

圖5 靜態(tài)標(biāo)定系統(tǒng)框圖Fig.5 The block diagram of the static calibration system

圖6 靜態(tài)標(biāo)定數(shù)據(jù)擬合曲線圖Fig.6 Static calibration data fitting curve

動(dòng)態(tài)特性是指測(cè)試系統(tǒng)對(duì)隨時(shí)間變化的輸入量的響應(yīng)特性。為了驗(yàn)證所研制的NiCr/NiSi薄膜熱電偶傳感器的測(cè)試能力，我們常用已知迅速變化的溫度信號(hào)來(lái)探明薄膜傳感器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間[12]。本文選取波長(zhǎng)為532 nm、脈沖寬度為8 ns的Ultra-CFR短脈沖激光器作為系統(tǒng)輸入的脈沖激勵(lì)源，設(shè)置其頻率為1 Hz，能量為0.3 mJ。將脈沖源激光垂直打在薄膜熱電偶熱接點(diǎn)上，熱電偶吸收激光的能量產(chǎn)生瞬態(tài)高溫，因而產(chǎn)生溫差電動(dòng)勢(shì)，通過(guò)精密放大器和采樣頻率為1 MHz的NI數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集記錄脈沖響應(yīng)。應(yīng)用一階脈沖響應(yīng)時(shí)間的計(jì)算方法計(jì)算得到的薄膜熱電偶傳感器的時(shí)間常數(shù)τ為0.095 ms。薄膜熱電偶傳感器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)如圖7所示。

圖7 薄膜熱電偶傳感器動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線圖Fig.7 Dynamic response curve of thin film thermocouple sensor

3 PCB原位鉆削溫度測(cè)試實(shí)驗(yàn)

3.1 原位鉆削溫度測(cè)試實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

為了獲取高速鉆削加工過(guò)程中各個(gè)板層PCB鉆削點(diǎn)的原位溫度，本文利用自行研制的薄膜熱電偶測(cè)溫系統(tǒng)對(duì)不同層數(shù)的PCB進(jìn)行了鉆削溫度測(cè)試實(shí)驗(yàn)。鉆削溫度測(cè)試實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要包括PCB高精密臺(tái)鉆、冷端補(bǔ)償冰點(diǎn)器、數(shù)據(jù)采集模塊、計(jì)算機(jī)和上位機(jī)軟件等，其中PCB選取厚度為4層、12層、20層的高頻高速板，臺(tái)鉆最高鉆速為20×103r/min，鉆頭直徑為1 mm，PCB鉆削溫度測(cè)試實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖8所示。鉆削實(shí)驗(yàn)前，為了保證原位溫度測(cè)量的真實(shí)可靠，保證鉆削過(guò)程中薄膜熱電偶傳感器的熱電勢(shì)不損失，先在臺(tái)鉆工作面表面貼附一層絕緣膠帶，然后用記號(hào)筆在PCB背面對(duì)應(yīng)薄膜熱電偶熱接點(diǎn)位置進(jìn)行定位，再將薄膜熱電偶傳感器一面貼近臺(tái)鉆工作面，將熱接點(diǎn)的定位點(diǎn)置于鉆頭正下方并用絕緣膠帶固定，如圖9所示。

圖8 PCB鉆削溫度測(cè)試實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)圖Fig.8 PCB Drillingtemperature test system

圖9 薄膜熱電偶定位點(diǎn)及固定方式圖Fig.9 Location point and fixing mode diagram of thin film thermocouple

圖10 不同層數(shù)PCB原位鉆削溫度圖Fig.10 In-situ drilling temperature diagram of PCB plates with different layers

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

實(shí)驗(yàn)時(shí)鉆頭對(duì)準(zhǔn)PCB的定位點(diǎn)勻速鉆削直至鉆頭鉆透PCB時(shí)停止，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集并記錄不同層數(shù)PCB鉆削過(guò)程的實(shí)時(shí)溫度，如圖10所示?？梢钥闯觯煌瑢訑?shù)的PCB在鉆削過(guò)程中溫度隨時(shí)間都呈現(xiàn)升高的趨勢(shì)，越接近PCB的底部時(shí)溫度升高得越快，在鉆頭鉆透PCB的瞬間溫度達(dá)到了最大值，4層、12層、20層的最高溫度分別為49.33 ℃、53.92 ℃、63.94 ℃。在多組重復(fù)實(shí)驗(yàn)中各組的溫度測(cè)量誤差不超過(guò)0.8 ℃，產(chǎn)生誤差的原因可能是鉆頭磨損、板層厚度不均等。通過(guò)與4層PCB的仿真結(jié)果對(duì)比可知，實(shí)驗(yàn)溫度數(shù)據(jù)略低于仿真溫度數(shù)據(jù)，仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的差距來(lái)源于鉆削仿真中雖然建模過(guò)程根據(jù)PCB的實(shí)際疊層結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模，但是對(duì)玻璃纖維復(fù)合材料層建模時(shí)進(jìn)行了一定的簡(jiǎn)化，忽略了其中用于導(dǎo)熱的顆粒部分，仿真過(guò)程忽略鉆頭和工件的振動(dòng)以及鉆頭的磨損等因素，仿真結(jié)果對(duì)鉆削實(shí)驗(yàn)具有一定的指導(dǎo)作用，實(shí)驗(yàn)是對(duì)仿真結(jié)果的印證。從鉆削實(shí)驗(yàn)可以看出薄膜熱電偶傳感器在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中響應(yīng)迅速、測(cè)溫穩(wěn)定，可以應(yīng)用于PCB原位鉆削溫度的測(cè)量。

4 結(jié)論

(1)本文利用ABAQUS有限元仿真軟件根據(jù)PCB的截面結(jié)構(gòu)采用材料疊層建模的方法對(duì)PCB鉆削過(guò)程進(jìn)行建模仿真，得到了鉆削過(guò)程中PCB溫度的分布及變化情況，確定了用于測(cè)量PCB原位鉆削溫度的最佳鍍膜位置，位于鉆頭鉆削區(qū)域進(jìn)給方向的垂直背面，即鉆頭的出口處。

(2)研制了一種用于PCB原位鉆削溫度測(cè)量的薄膜熱電偶傳感器，該傳感器通過(guò)磁控濺射的方法直接鍍制在PCB的表面，具有靈敏度高、響應(yīng)速度快、穩(wěn)態(tài)精度高等特點(diǎn)。傳感器的靜、動(dòng)態(tài)標(biāo)定結(jié)果顯示薄膜傳感器的塞貝克系數(shù)為37.4 μV/℃，在30～200 ℃測(cè)量范圍內(nèi)非線性誤差不超過(guò)0.65%，動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間為0.095 ms。

(3)將薄膜熱電偶傳感器濺射于不同層數(shù)高頻高速PCB上，并在高速PCB鉆孔機(jī)上進(jìn)行原位鉆削溫度測(cè)試實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)表明鉆頭在鉆透PCB時(shí)溫度最高，鉆削4層、12層、20層時(shí)的最高鉆削溫度分別為49.30 ℃、53.95 ℃、63.90 ℃，各組鉆削溫度測(cè)量誤差不超過(guò)0.8 ℃，表明該薄膜傳感器能夠用于PCB原位鉆削溫度的測(cè)量。