Úloha č.5
VRTÁNÍ A KONTROLA DESEK PLOŠNÝCH SPOJŮ 1. UVEDENÍ DO PROBLEMATIKY 1.1. Materiály desek plošných spojů a jejich opracování Desky plošných spojů jsou tvořeny soustavou dvou elektricky zásadně odlišných materiálů. Nosná část - základní materiál - je z izolantu, propojovací z materiálu elektricky dobře vodivého. Tato soustava se vyrábí jako celek - plátovaný materiál, kde na izolační desce nebo fólii je z jedné nebo z obou stran pevně přichycena (nalepením, naválcováním za tepla aj.) souvislá měděná fólie. Tuhé izolační desky se realizují jako kompozity, kde výplní je některý druh vláken (celulózových ve formě papíru, skleněných případně křemenných připravených bud' jako tkanina, nebo neuspořádaných ve vláknině, ve speciálních případech i vláken uhlíkových nebo kevlarových) a pojivem pryskyřice odpovídající požadavkům mechanickým a elektrickým (epoxidová, polyimidová aj.). Tloušťka tuhých desek se pohybuje v rozmezí cca 1 až 3,5 mm. Velikost desek ve formě polotovaru - plátovaného materiálu - je typicky 1 m x 2 m. Na menší rozměry vhodnější pro manipulaci a výrobu se dělí stříháním. Při požadavku výroby výsledných desek plošných spojů malých rozměrů (s délkou a šířkou několik desítek milimetrů) se jednotlivé desky pro jednodušší výrobu slučují do větších celků, a ty se po celkovém zpracování dělí rozlamováním v předlisovaných řadách malých otvorů (připomínajících perforaci na archu poštovních známek) nebo stříháním. Současné konstrukce elektrotechnických zařízení sotva vystačí s jednou rovinou spojů. Vícevrstvé (nejméně dvouvrstvé) spoje ale vyžadují podle funkce jednotlivých vrstev vzájemné propojení jednotlivých úrovní. To se nejčastěji realizuje pokovenými dírami. Již z označení plyne, že budou aplikovány technologické procesy chemického a galvanického nanášení kovů. Ke zhotovení pokovovaných otvorů nelze proto použít žádné postupy založené na lisování, protože stěny děr nejsou dostatečně hladké. Vrtání otvorů je kritickou operací při výrobě desek plošných spojů. Díry se obrábějí bud' třískově nebo laserem. Druhý způsob vrtání se používá pro otvory s průměrem menším než asi 300 ~m. První metoda je mnohem rozšířenější, a proto se ji budeme věnovat podrobněji.
1.2. Vrtáky, parametry vrtání Při třískovém obrábění se vrtá vrtáky se šroubovití obvyklých tvarů. Při vrtání je třeba dosáhnout dokonalých řezných povrchů bez rozmazání materiálu výplně kompozitu. Vnitřní stěny díry musí mít hladký povrch, na kterém nebudou žádné zbytky rozetřené pryskyřice (zvýšením teploty při tření vrtáku pryskyřice změkne) ani místa s vytrhanými vlákny výplně. 1
Optimální podmínky vrtání zahrnující parametry nástroje a vrtacího procesu se ustálily zhruba na těchto hodnotách: Velikost vrcholového úhlu vrtáku závisí na vrtaném materiálu a bývá pro kompozity s papírem 90° až 110°, pro kompozity se sklem 115° až 130°. Úhel stoupání šroubovice vrtáku bývá v rozmezí 20° až 50°. Tvar drážky je rozhodující pro dobrý odvod třísek. Vrtání otvorů do desek plošných spojů je z hlediska obrábění vrtáním dlouhých otvorů, kde hloubka vrtu výrazně převažuje nad jeho průměrem (typickým průměrem je 0,7 mm, typická tloušťka desky 2 až 3 mm). Pro omezení tření se stěnami otvoru jsou povrchy styčných ploch vysoce leštěné. Otáčky vrtáku a rychlost jeho posuvu do řezu jsou závislé jednak na průměru díry, jednak na vrtaném materiálu. Otáčky se pohybují ve velkém rozmezí od 3 000 do 100 000 otáček za minutu. Velikost posuvu pro desky z tvrzeného papíru nebo ze skloepoxidového laminátu je v rozmezí 0,02 mm až 0,075 mm na jednu otáčku vrtáku, podle tloušťky měděné fólie. S ohledem na tvorbu otřepů platí pravidlo, že vrstva mědi (její tloušťka je běžně 35 µm a 17 µm, méně často 70 µm či 5 µm) by měla být proříznuta při jedné otáčce. Pro nejužívanější materiál typu FR4 - epoxidová pryskyřice s výplní skelnými vlákny - je na obr.1. uvedena závislost mezi otáčkami vřetene a průměrem vrtaného otvoru. Podle průměru otvoru a tloušťky měděné fólie se volí optimální otáčky vrtáku a rychlost jeho posuvu do řezu.
Obr.1. Podmínky vrtání skloepoxidového kompozitu (FR4).
Na vstupní a výstupní hraně otvoru nesmí zůstat žádné otřepy. Jejich tvorbě lze zabránit tak, že se nad i pod vrtanou desku vloží vrstvy dalšího materiálu, který je vrtán současně s deskou plošného spoje. Jsou-li všechny vrstvy k sobě dobře stlačeny, nemůže se materiál na vnitřních rozhraních vytlačovat nad či pod desku. Otřepy na vnějších površích nevadí - vznikly na přídavných pomocných deskách. 2
Pro méně náročné použití se vrtáky vyrábějí z rychlořezné oceli. Odolnější a kvalitnější (i méně choulostivé na optimální nastavení parametrů vrtání) jsou monolytické tvrdokovové vrtáky (slinutý karbid wolframu). S ohledem na přesně definované upnutí ve sklíčidle se přednostně, zejména pro menší průměry, užívá vrtáků se zesílenou stopkou. Je zřejmé, že na vrtáky jsou kladeny vysoké nároky. Životnost vrtáků nepřesahuje o mnoho desítku tisíc vrtaných otvorů na jedno nabroušení.
1.3. Vrtačky a jejich řízení Současné požadavky na přesnost umístění otvorů v celé ploše i rozměrné desky a stálá kvalita při opakované výrobě si vynucuje použití číslicově řízených vrtaček (NC vrtačky). Při ručním vrtání s naváděním pomocí optického zaměřování je přesnost umístění sotva lepší než 0,1 mm. Číslicově řízené vrtačky dosahují minimální opakované přesnosti nastavení 0,01 mm a lepší. Konstrukce NC vrtaček odpovídá požadavkům na přesnost a stabilnost výroby i její efektivitu. Jsou stavěny jako vícevřetenové - dvě až čtyři vřetena, vybaveny automatickou výměnou vrtáků. Vrtané desky jsou upínány na stoly s pohybem řízeným ve směrech os X,Y. Přesné umístění je zabezpečeno soustavou vodicích kolíků, na které se desky nasazují. Úspěšnost vrtacích operací je podmíněna i stálostí vnějších pracovních podmínek v prostorech, ve kterých jsou NC vrtačky provozovány. Zejména je třeba dodržovat malé kolísání teploty, protože dilatační změny vyvolané kolísáním teploty konstrukce stroje by mohly způsobovat chyby vrtání. Programy pro řízení činnosti NC vrtaček jsou součástí dodávaných strojů. Zpracovávají datové soubory generované návrhovými systémy desek plošných spojů (např. OrCAD, Formica aj.) ve formátech daných typem použité vrtačky. Často je používán formát pro vrtačky typu "EXCELON" - viz příklad. V úvodu je záhlaví - má informační účel, pro řízení vrtání nejsou nezbytné. Následují řádky začínající písmeny M a T. Jsou to příkazové řádky řídící automatický výběr vrtáku potřebného průměru a podmínky vrtání. Polohu jednotlivých děr určují další řádky se souřadnicemi středů XY. Číselný údaj označuje vzdálenost středu od počátku souřadnic (ten je označován jako nulový bod}, přičemž souřadnice jsou absolutní, vyjádřené v palcích (1 palec = 25,4 mm), počínaje na první pozici za označením osy desítkami palců. Počátek - nulový bod - je volen tak, aby všechny otvory ležely v 1. kvadrantu (X a Y vždy kladné nebo rovné nule). Např. řádek XOOl000Y001000
3
označuje střed díry vzdálené od nulového bodu ve směru obou os o 0,1 palce, tj. 0 2,54 mm. Obecně zápis pro souřadnici v jedné z os zní: OSA, desítky, jednotky, desetiny, setiny, tisíciny, desetitisíciny palce.
Příklad datového souboru pro řízení NC vrtačky.
Každá řádka znamená při provádění programu vrtání jedné díry v zadané pozici. Rychlost vrtání zvyšuje jednak optimalizace datového souboru provedená návrhovým systémem tak, aby po sobě následovaly souřadnice otvorů stejného průměru sobě polohou blízkých, jednak přepočet absolutních souřadnic na relativní, které provádí ovládací program vrtačky. Pohyby vřetene a tím i časové ztráty jsou tak minimalizovány. Provádění programu se přerušuje při výměně vrtáků, která nastává vždy při výskytu řádků počínajících písmeny M a T. Vřeteno odjíždí do tzv. bodu výměny, kde se odloží právě používaný vrták a převezme další.
4
1.4. Kontrola vyvrtaných děr Po vrtání je třeba kontrolovat kvalitu vrtání, a to jak samotného otvoru, tak i umístění děr po desce. Pro úspěšnost dalších technologických pokovovacích operací a tím celé výroby je, jak již bylo dříve řečeno, důležitá kvalita vnitřního povrchu díry a jejích okrajů. Přesvědčit se o jakosti stěny otvoru můžeme bud' destruktivně tak, že podélnou osou díry vedeme řez a pod mikroskopem posoudíme vzhled vnitřní stěny, nebo nedestruktivně její optickou prohlídkou. Vzhledem k veliké hloubce díry a malému průměru musíme používat speciálně konstruované objektivy a osvětlovací zařízení. Otřepy a jejich velikost lze dobře posoudit lupou s lineárním zvětšením několik jednotek až desítek. S ohledem na vznik únavy očí při dlouhodobém pozorování se doporučuje výhradní používání binokulárních optických přístrojů. Překontrolovat správné průměry otvorů a jejich umístění znamená odměřit délky od desetin milimetru až do desítek centimetrů s přesností desítek mikrometru. Pro kontrolu průměrů se používá optických promítacích zařízení, kde lze na zvětšeném obraze díry (děr) promítnutém na matnici měřítkem nebo přiloženou šablonou měřit rozměry. Měření vzdáleností otvorů a jejich umístění je efektivně řešeno použitím moderní techniky zpracování obrazu vytvořeného optickým systémem na plošném nebo liniovém snímači obrazu typu CCD. Obraz vyvrtané desky plošného spoje je promítnut objektivem při vhodném zvětšení na světlocitlivý element a zaznamenán v paměti počítače. Jasový signál z jednotlivých bodů desky je digitalizován - je tak usnadněno jeho další programové zpracování. Úpravou jasu, kontrastu a přechodové charakteristiky obrazu jsou zdůrazněny kontury měřených míst. Při známém převodu mezi skutečnými rozměry v délkových jednotkách (např. mm) a počtem bodů připadajících na daný obraz lze snadno měřit velikost pozorovaných objektů (ručně nebo i zcela automaticky - naleží pouze na programovém zpracování daného úkolu).
1.5. Vybavení pracoviště Souřadnicová vrtačka SV 206 ovládaná řídicím programem VRTACKA osobním počítačem přes paralelní rozhraní. Napájení vrtačky zajišťují dva stejnosměrné zdroje - jeden (24 V) pro výkonové řízení krokových motorů posuvů, druhý (0 V až 18 V) pro pohon motoru vložené vrtačky Bosch. Teoretická přesnost nastavení polohy odvozená od stoupání pohybových šroubů a parametrů krokových motorů je 0,02 mm, praktická s ohledem na vůle v převodech a upevnění vrtačky je při opakovaném nastavení lepší než 0,1 mm. Celkový vzhled a přiřazení os XYZ je na obr.2. 5
Kamera CCD s čb monitorem připojená přes speciální rozhraní k PC, jejíž obraz je zpracováván programem ZOB. Kamera poskytuje obraz s rozlišením 512 x 512 bodů s 256 úrovněmi jasu. Kamera má samostatné napájení.
Binokulární lupa s externím osvětlením pro vizuální hodnocení kvality vrtání, zejména k posouzení velikostí otřepů.
1.6. Tvorba datového souboru a popis programu VRTACKA. Úvodem je třeba zdůraznit, že ovládání vrtačky přes paralelní port využívá pouze jednosměrné komunikace počítač - vrtačka. Tím je ovlivněna vlastní činnost ovládacího komfort.
programu Předpokladem
i
jeho
úspěšné
práce je dobrá znalost ovládání alespoň
Obr.2. Souřadnicová vrtačka SV206.
základních funkcí, které si v dalším osvětlíme. Datové soubory programem zpracovávané mají povinnou příponu SPL.
1.6.1. Datový soubor Základní filozofie skladby datových souborů pro číslicové souřadnicové vrtačky byla již uvedena v odstavci 1.3. Kromě možnosti vytvořit potřebný soubor v návrhovém prostředí (OrCAD, Formica aj.) lze využít jednak spojování existujících souborů ve větší s nutností přepočtu souřadnic, jednak napsáním nového nebo úpravou existujícího v textovém editoru např. manažeru M602, apod. Jako příklad si uveďme datový soubor, který by umožnil splnění části b) zadání úkolu. Vyvrtáním otvorů jednou se svrchní pomocnou deskou a jednou bez ní umožní posoudit míru potlačení vzniku otřepů na vstupním okraji díry. Vrtat budeme jedním průchodem datového souboru dvě řady otvorů. První řadu začneme vrtat s přiloženou pomocnou deskou, při přerušení vrtání ji odstraníme a dokončíme vrtání druhé řady. Vyvrtáme takto uspořádané otvory:
6
Řady otvorů budou od sebe vzdáleny 7,62 mm (0,3 palce), rozteč otvorů v řadě 2,54 mm (0,1 palce), v každé řadě 7 děr. (Vyvrtaný obrazec by umožnil vložení vývodů pouzdra integrovaného obvodu s dvakrát sedmi vývody v řadách - DIP14.) První otvor má být vzdálen od nulového bodu o 10 mm (0,3937 palce) ve směru osy Y. Program odpovídající výše uvedenému zadání by mohl vypadat takto: text programu komentář
1.6.2. Ovládání programu VRTACKA Po startu programu dávkou VRTACKA ze stejnojmenného adresáře se na obrazovce objeví okno s označením VRTÁK. V něm se nastavují základní parametry nutné ke zpracování datového souboru, tj. polohy "nulového (vztažného) bodu", "bodu výměny (vrtáku)" a "hloubky vrtu (posuvu ve směru osy Z)". Před vlastním zadáváním je 7
vhodné zvolit jednotky, ve kterých se budou jednotlivé parametry udávat. Zavřeme okno VRTÁK (stiskem ALT+F3 nebo zavírací ikonou), otevřeme nabídku menu VRTACKA a zvolíme INICIALIZACE. Z nabídek zvolíme vyhovující (doporučujeme milimetry). Po potvrzení volby zvolíme OTEVŘENÍ (F7) a objeví se opět okno VRTÁK. V horní části okna jsou tyto údaje: V okénkách X, Y, Z se zobrazují aktuální souřadnice pro každou osu v právě platných jednotkách. V průběhu zpracovávání datového souboru jsou vždy v palcích, jinak dle nastavení INICIALIZACE. Okénko Dn zobrazuje poslední polohu vrtáku: N = vrták je nahoře, ■ = vrták je dole. Okénka CX,CY vyznačují zadané souřadnice bodu pro výměnu vrtáku. V okénku % je při zpracovávání datového souboru průběžně uváděna informace o délce již hotové části celého souboru (v procentech). V okénku HD je uveden průběžně počet vyvrtaných otvorů. V okénku LD je zapsána nastavená hloubka vrtání, měřená od horní úvratě pohybu v ose Z. V dolní části okna je základní nápověda pro ovládání pohybů vrtačky z klávesnice:
Šipky - posun v osách XY, +/- - posun v ose Z z vrtu/do vrtu PShift - posun x 10 LShift - posun x 100 Enter - nahoru / dolů Ins - nové souřadnice XY Esc - zrušit zpracovávaný soubor CtrlHome - nastav nulový bod Home - přesun do nulového bodu CtrlEnd - nastav bod výměny End - přesun do/z bodu výměny BkSpc - nastav hloubku vrtu PgDn - rychlost dolů PgUp - rychlost nahoru
Před zpracováním datového souboru je třeba: 1. Zapnout napájení vrtačky (krokových motorů).K ovládání lze použít pouze klávesnici, protože na případné ruční změny nastavení polohy nemůže program reagovat (komunikace s vrtačkou je jednosměrná!). 2. Definovat výchozí body řídícího programu: 8
a) Nulový bod. Je výhodné nastavit toto místo ručně otáčením pohybovými šrouby ještě před zapnutím napájení (viz bod 1.), ale po upevnění vrtané desky na stůl vrtačky. Implicitně jsou souřadnice nulového bodu nastaveny na nulu v obou osách. Nová hodnota se po případném nastavení souřadnic zadá stiskem kláves CTRL+HOME. b) Bod výměny vrtáku. Místo, kam je na počátku vrtání nebo při jeho přerušení posunut stůl vrtačky, aby výměna vrtáku byla pohodlná a omezilo se i případné poškození desky neopatrnou manipulací. Implicitní hodnota je shodná se souřadnicemi nulového bodu. Nová hodnota se po případném nastavení souřadnic zadá stiskem kláves CTRL+END. c) Hloubku vrtání. Tou je hodnota zdvihu vrtačky měřená od horní úvratě. Implicitně je nastavena maximální možná hodnota 7 mm (0,28 palce)..Nová hodnota se po nastavení nové hloubky klávesou - (minus) zadá stiskem klávesy BACKSPACE. d) Rychlost posuvu do/z řezu odpovídající průměru vrtáku, jeho otáčkám a tloušťce Cu fólie se zadá výběrem z menu po stisku kláves PageDown/PageUp.
Po nastavení všech parametrů můžeme započít vlastní vrtání. Stiskem klávesy F10 zvolíme ZPRACUJ SOUBOR (lze přímo po stisku F4) a vybereme příslušný datový soubor *.SPL. Po stisku ENTER začne vrtání. Pokud je na počátku souboru TTEXT, odjede stůl vrtačky do bodu výměny a na obrazovce se objeví informační okno s nápisem "Vyměň vrták za TEXT". Po ENTER jsme vyzváni k zadání rychlosti posuvu. Po eventuální změně a potvrzení ENTER pokračuje program stiskem klávesy END (návrat z bodu výměny). Úplný konec vrtání je oznámen textem "Hotovo". Datové soubory lze prohlížet (nikoliv ale editovat) kdykoliv je proces vrtání neaktivní volbou F10 a výběrem PROHLÍŽET (rychleji stiskem F3). Prohlížený soubor opustíme stiskem ALT+F3. Program VRTACKA se korektně ukončuje stiskem ALT+X. Nezapomeňte vypnout zdroj napájení krokových motorů.
1.7. Program ZOB pro zpracování obrazu Program je určen pro počítačové zpracování obrazu pořízeného CCD kamerou s rozlišením 512 x 512 bodů. Umožňuje nezávislé úpravy a vyhodnocování tří obrazů uložených v paměti (označených jako AKT. ROVINA - rovina 1, 2, 3). Snímaný i zpracovávaný obraz je pozorován na černobílém monitoru. Program se spoušti dávkou ZOB při zapnutých čb monitoru a kameře. Na monitoru se snímaný obraz objeví po volbě OBRAZ a poté ZÁPIS. Uloží se do paměti podle volby AKT. ROVINA (implicitně nastavena rovina první). 9
Pro zpracování lze vybrat z celého obrazu jeho část (položkou OBLAST z nabídky VÝBĚR), ale beze změny zvětšení. K zamýšlenému využití programu jako prostředku pro měření rozměrů je třeba pracovat s pracovním oknem s položkami menu JAS a STAT. V položce JAS se volbou JAS-KONTRAST volí možnosti optimálního nastavení jasu a kontrastu obrazu tak, aby bylo možné bez deformací polohy jasně rozlišit okraje vyvrtaných otvorů ("tvrdý" obraz bez detailů). Volba STAT s položkou JAS.ŘEZY umožňuje vybrat záměrným křížem na čb monitoru řádek nebo sloupec, jehož průběh jasu je zobrazen v grafu jas-X(Y).
1.7.1. Postup při měření rozměrů Do zorného pole kamery vložený pozorovaný předmět je třeba optimálně zaostřit hrubým posuvem celé kamery a ostřícím kroužkem na objektivu. Clonovým kroužkem je třeba nastavit obraz nepřesvětlený, ale bez pozorovatelného šumu (projeví se zrněním obrazu). Obraz zaznamenat do AKT.ROVINY 1 volbou STOP. Do zorného pole vložit stupnici (ocelové měřítko, trojúhelník apod.) s milimetrovým dělením a stejným postupem jeho obraz zaznamenat do AKT.ROVINY 2. Protože záznam stupnice má sloužit k ocejchování měřítka zobrazení, není přípustné měnit při ostření polohu kamery. Oba obrazy upravíme do vzhledu vhodného k měření rozměrů využitím volby JASKONTRAST. Zvolíme STAT-JAS.ŘEZY-ŘÁDKOVÝ/SLOUPCOVÝ podle umístění měřených předmětů. Vodorovné nebo svislé rameno zaměřovacího kříže posuneme na místo odměřování. Po potvrzení polohy CENTER nebo levé tlačítko myši) se objeví graf jasu podél vybraného řádku/sloupce. V tomto grafu lze nastavovat čárový ukazatel, jehož poloha vyjádřená pořadovým číslem obrazového bodu je indikována jako souřadnice X/Y. Posuvem ukazatele na a odečteni aktuální polohy pro stejnou jasovou hladinu lze určit rozměry vyjádřené v obrazových bodech. Aplikací tohoto postupu na obraz milimetrové stupnice lze pak jednoduše přejít na rozměry vyjádřené v milimetrech.
2. ZADÁNI ÚLOHY a)
Seznamte se s konstrukcí a ovládáním jednoduché číslicově řízené vrtačky a se strukturou datového souboru.
b)
Vyvrtejte sérii děr definovaných datovým souborem za různých vrtacích podmínek.
c)
Zhodnoťte kvalitu vrtání děr vizuálním pozorováním pomocí optických přístrojů.
10
d)
Zjistěte přesnost umístění děr na desce změřením jejich skutečných vzdáleností a porovnáním s hodnotami zadanými v datovém souboru. Použijte kameru CCD.
3. POZNÁMKY K REALIZACI ÚKOLU ad a,b) Je vhodné ověřit si správnost datového souboru a znalost ovládání vrtačky. Nejjednodušší způsob je simulovat vrtání desky plošného spoje vpichováním jehly do měkké lepenkové desky. Místo vrtáku upneme do sklíčidla vrtačky ocelovou jehlu, motor vrtačky nezapínáme. Místo desky plošného spoje upevníme na spodní pomocnou desku z tvrzeného papíru lepenku o tloušťce 1 až 2 mm. Provedeme všechny dříve uvedené kroky před spuštěním vrtání, ale s jednou odchylkou - hloubku vrtu nastavíme jen tak velikou, aby jehla po sobě zanechala pouze jemný vpich. Podle tloušťky lepenky je optimální hodnota 4,5 až 6 mm. Bod výměny vrtáku nastavujeme zásadně mimo celou plochu desek pro vrtání. Po ověření správného chodu nahradíme lepenku dvěma vrtanými deskami (vrchní je deskou pomocnou), jehlu nahradíme vrtákem, zapneme napájení motoru vrtačky a hloubku vrtu nastavíme na 7 mm. K jednoznačnému nastavování polohy vrtáku nebo jehly ve sklíčidle použijte přípravek. Vrtačku zasouváme do držáku na doraz k přiklopené drátové opěrce a připevňujeme citlivým dotažením upevňovacích šroubů. ad c)
Kvalitu vrtání lze významně ovlivnit zvláště ve smyslu tvorby otřepů. Vrtáním řady děr bez a s použitím pomocné vrchní desky jejich potlačení názorně dokumentuje. Binokulární lupa umožňuje vizuální hodnocení kvality.
11
