CN104537247B - 线路板钻孔孔位精度分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及数控钻孔精度分析技术领域，公开一种线路板钻孔孔位精度分析方法，包括如下步骤：S1、钻刀以一定进刀速下钻；S2、钻刀在钻入线路板的入钻面时，主轴竖直中心线与水平中心线存在误差角；S3、钻刀的主轴动态偏移，使钻刀受到水平方向的分力；S4、误差角和主轴动态偏移作用，使钻刀的钻尖瞬间滑移；S5、钻刀以钻入线路板的入钻面瞬间形成的与竖直方向的夹角进行下钻；S6、线路板的出钻面的反面偏差大于该线路板的入钻面的正面偏差，形成孔位偏差。本发明利用最终的孔位偏差量的精确计算公式，可以在前期对线路板的孔位偏差进行预测，进而指导工程优化和生产操作。

Description

线路板钻孔孔位精度分析方法

技术领域

本发明涉及数控钻孔精度分析技术领域，特别涉及一种线路板钻孔孔位精度分析方法。

背景技术

随着电子产品不断向多功能化、小型轻量化、高性能化的方向发展，对印制线路板的微细化、高密度化的要求也日益提高，其产品也由传统印制板向高密度积层印制板发展。在印制板制作过程中钻孔是实现高密度要求最为关键的工序，只有实现了线路板钻孔工序高孔位精度的制程能力，才可适应高密度积层印制板的发展需求。

目前，行业内对线路板钻孔孔位精度的一般要求是+/-3mil，cpk不小于1.33。然而，由于高密度积层印制板的发展，一方面，此精度水平已无法满足高端产品对于线路板钻孔的技术需求；另一方面，孔位精度受到板厚、铜厚、钻刀等多因素的影响，以上精度水平也只能在特定的条件范围内才可达到。

因此，如何针对不同条件情况下分析钻孔孔位精度，并提升孔位精度则成为线路板钻孔中最为关键的环节。现有的提升孔位精度的方法中，更多的是依据单因素的实验结果来进行优化；对于孔位偏差的产生机理以及多因素综合在一起的情况，则未能给出明确的分析。

发明内容

本发明旨在克服现有线路板钻孔的缺陷，实现高密度积层印制板对孔位精度的需求，提供一种线路板钻孔孔位精度分析方法。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明提供一种线路板钻孔孔位精度分析方法，包括如下步骤：S1、钻刀以一定进刀速下钻；S2、所述钻刀在钻入线路板的入钻面时，所述钻刀的主轴竖直中心线与所述线路板的水平中心线存在误差角；S3、所述钻刀的主轴动态偏移，使钻刀受到水平方向的分力；S4、所述误差角和主轴动态偏移作用，使所述钻刀的钻尖瞬间滑移；S5、所述钻刀钻入线路板内，所述钻刀以钻入所述线路板的入钻面瞬间形成的与竖直方向的夹角进行下钻；S6、所述线路板的出钻面的反面偏差大于该线路板的入钻面的正面偏差，形成孔位偏差。

优选地，所述S6中孔位偏差计算式为，

其中，H为线路板厚度，X₀为钻孔的理论位置，X为下钻瞬间钻刀钻尖的实际位置，θ为下钻过程中钻刀的中轴线与线路板平面法线的夹角，σ为反面钻孔孔位偏差，Δσ为正反孔位差值，σ₀+runout为钻刀的钻刃弯曲与钻刀主轴动态偏移的综合偏差值，Δθ为钻刀钻入线路板瞬间与线路板平面法线夹角θ的修正项。

优选地，所述S4中，所述钻尖瞬间滑移的入钻滑移偏位计算式为，

其中，θ₀为线路板的中心平面与X/Y平面的夹角，θ₁为主轴动态偏差，σ₀+runout为钻刀的钻刃弯曲与钻刀主轴动态偏移runout导致的偏移角，θ₁ˊ为钻刀钻尖滑移与主轴动态偏差，σ₀+runout为钻刀的钻刃弯曲与钻刀主轴动态偏移runout共同导致的偏移角，σ₀为入钻瞬间滑移量。

优选地，所述分析方法还包括两个初始条件，所述钻刀钻入所述线路板的入钻面瞬间，所述钻刀受到的水平分力大于等于线路板的入钻面对钻刀钻尖产生的最大静摩擦力；所述钻刀在滑移弯曲过程中所形成的水平分力大于所述钻刀刀体内应力在水平面的分力。

本发明的有益效果在于：利用最终的孔位偏差量的精确计算公式，可以在前期对线路板的孔位偏差进行预测，进而指导工程优化和生产操作；利用分析孔位偏差量的计算公式，可以对每一个因素进行求偏导研究其对孔位偏差量的影响规律，进而指导提升钻孔孔位精度的研究思路和改善方向。

附图说明

图1示意性示出根据本发明一个实施例的孔位精度分析方法的流程图。

图2示意性示出根据本发明一个实施例的孔位偏差的位置关系图。

图3示意性示出根据本发明一个实施例的入钻滑移的位置关系图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。

为提升线路板钻孔的孔位精度，以实现高密度积层印制板对孔位精度的需求；从根本上解释钻孔孔位偏差的基本规律，并找出孔位偏差与各影响因素的内在量化关系。本发明提出的线路板钻孔孔位精度分析方法，满足如下特征：

T1、钻刀的主轴竖直中心线与待加工的线路板的水平中心线有一误差角，该误差角为一定角度；即相对于90°而言，上述主轴竖直中心线与水平中心线并非完全垂直；

T 2、钻刀未钻入该线路板内时，钻刀在X/Y方向是完全自由的，不受到外部力影响；

钻刀钻入该线路板内时，并在持续钻孔过程中，钻刀在X/Y方向是完全受束缚的，受到外部力(线路板)影响；

T 3、钻刀在钻入该线路板的入钻面瞬间，钻刀的钻尖具有一在X/Y方向滑移，上述滑移形成一偏移量；

T 4、钻刀的刀柄至钻刀的钻刃末端为绝对刚性，即整个钻刀为不可弯曲，以保证线路板钻孔方向控制。

如图1所示，本发明实施例提供一种线路板钻孔孔位精度分析方法，包括如下步骤：

S1、钻刀以一定进刀速下钻，其中下钻的进刀速为一定值，具体根据线路板材质、厚度而调整；

S2、钻刀在钻入该线路板的入钻面时，钻刀的主轴竖直中心线与线路板的水平中心线存在误差角；

S3、钻刀的主轴动态偏移，使钻刀受到水平方向的分力，该水平方向为X/Y方向；

S4、误差角和主轴动态偏移作用，使钻刀的钻尖瞬间滑移；

S5、钻刀钻入线路板内，在X/Y方向受到完全束缚，即水平方向阻力无穷大，钻刀以钻入线路板的入钻面瞬间形成的与竖直方向的夹角进行下钻；

S6、该线路板的出钻面的反面偏差大于该线路板的入钻面的正面偏差，形成孔位偏差。

如图2所示，本发明线路板钻孔孔位精度分析方法的钻孔孔位偏差图。其中，H为线路板厚度，L为钻刀刃长，X₀为钻孔的理论位置，Xˊ为钻刀主轴的实际定位位置，X为下钻瞬间钻刀钻尖的实际位置，θ为偏移角即下钻过程中钻刀的中轴线与线路板平面法线的夹角，σ为反面钻孔孔位偏差，Δσ为正反孔位差值，σ₀+runout为钻刀的钻刃弯曲与钻刀主轴动态偏移的综合偏差值。

一般地，钻孔偏位为几十微米，而钻刀刃长为几个毫米，在图2中的偏移角θ非常小，因此，近似认为钻刀滑移为一个等力臂的旋转运动，图2中给出的位置关系可以确定，孔位偏差计算式：

其中，第一项：σˊ为钻刀在线路板的入钻面(正面)的孔位偏移量；第二项：Δσ为钻刀在线路板的出钻面与入钻面(即反面与正面)的孔位偏移量之差；第三项：Δθ为钻刀钻入线路板瞬间与线路板平面法线夹角θ的修正项，为实际钻孔过程中由于钻刀四周受力的不均匀会有一定的误差。

根据上式可知，钻刀钻入线路板的入钻面瞬间滑移量σ₀及钻刀与线路板平面法线夹角θ与钻刀刀径、刃长、入钻面等因素的关系，从而计算不同情况钻孔偏位量。

如图3所示，本发明线路板钻孔孔位精度分析方法的入钻滑移偏位图。其中，θ₀为线路板的中心平面与X/Y平面的夹角，θ₁为主轴动态偏差，Δσ为正反孔位差值，σ₀+runout为钻刀的钻刃弯曲与钻刀主轴动态偏移runout导致的偏移角，θ₁ˊ为钻刀钻尖滑移与主轴动态偏差，Δσ为正反孔位差值，σ₀+runout为钻刀的钻刃弯曲与钻刀主轴动态偏移runout共同导致的偏移角，σ₀为入钻瞬间滑移量，钻刀钻入线路板的入钻面瞬间钻尖的滑移量。

从图3中给出的位置关系可以确定，入钻滑移偏位计算式：

其中，入钻瞬间滑移量σ₀通过钻尖受力平衡方程和弹性杆弯曲原理推导得出与影响因素的函数关系式：

σ₀＝f(入钻初始角σ₀，主轴动态值run-out，刃长L，盖板μ，钻刃弯曲系数k，钻刃轴向力F)(3)

上式中，σ₀与入钻面、刀径、刃长等因素有关的变量，因此，找出与已知量的关系式即可建立孔位偏差。

在进行孔位精度分析中，为保证孔位偏差与滑移偏位计算准确，具备两个初始条件，之一为钻刀钻入线路板的入钻面瞬间，钻刀受到的水平分力必须大于等于线路板的入钻面对钻刀钻尖产生的最大静摩擦力；之一为钻刀在滑移弯曲过程中所形成的水平分力必须大于钻刀刀体内应力在水平面的分力。

本发明实施案例基于分析步骤及公式第(1)、(2)、(3)，通过代数变换得出反面孔位偏差量与已知影响因素的量化函数关系式，同时基于初始条件和实验数据即可精确的找出函数关系中未知的常量，从而得出完整的量化计算式。

本发明线路板钻孔孔位精度分析方法，利用最终的孔位偏差量的精确计算公式，可以在前期对线路板的孔位偏差进行预测，进而指导工程优化和生产操作；利用分析孔位偏差量的计算公式，可以对每一个因素进行求偏导研究其对孔位偏差量的影响规律，进而指导提升钻孔孔位精度的研究思路和改善方向。

通过本发明的孔位精度分析方法，实现最高孔位精度+/-1.5mil内cpk>1.33的钻孔精度要求，同时也限制了部分无法达到高孔位精度要求的应用范围，为实现高孔位精度的制作提供了技术支持，也及时限制了不适用于高精度钻孔的品质报废。

以上所述本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所作出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (1)

1.一种线路板钻孔孔位精度分析方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、钻刀以一定进刀速下钻；

S2、所述钻刀在钻入线路板的入钻面时，所述钻刀的主轴竖直中心线与所述线路板的水平中心线存在误差角；

S3、所述钻刀的主轴动态偏移，使钻刀受到水平方向的分力；

S4、所述误差角和主轴动态偏移作用，使所述钻刀的钻尖瞬间滑移；

S5、所述钻刀钻入线路板内，所述钻刀以钻入所述线路板的入钻面瞬间形成的与竖直方向的夹角进行下钻；

S6、所述线路板的出钻面的反面偏差大于该线路板的入钻面的正面偏差，形成孔位偏差；

其中，所述S6中孔位偏差计算式为，

$\mathrm{\σ}={\mathrm{\σ}}^{\′}+\mathrm{\Δ}\mathrm{\σ}=\sqrt{{(x-x_0)}^2+{(runout+{\mathrm{\σ}}_0)}^2}+H*\mathrm{\θ}+(H*\mathrm{\Δ}\mathrm{\θ})$

其中，H为线路板厚度，x₀为钻孔的理论位置，x为下钻瞬间钻刀钻尖的实际位置，θ为下钻过程中钻刀的中轴线与线路板平面法线的夹角，σ为反面钻孔孔位偏差，σˊ为钻刀在线路板的正面钻孔的孔位偏移量，Δσ为正反孔位差值，σ₀+runout为钻刀的钻刃弯曲与钻刀主轴动态偏移的综合偏差值，Δθ为钻刀钻入线路板瞬间与线路板平面法线夹角θ的修正项；

所述S4中，所述钻尖瞬间滑移的入钻滑移偏位计算式为，

$\mathrm{\θ}={\mathrm{\θ}}_0+{\mathrm{\θ}}_1^{\′}={\mathrm{\θ}}_0+{\mathrm{\θ}}_1+{\mathrm{\Δ\θ}}_1={\mathrm{\θ}}_0+\frac{runout}{L}+\frac{{\mathrm{\σ}}_0}{L}$

其中，θ₀为线路板的中心平面与X/Y平面的夹角，θ₁为主轴动态偏差，θ₁ˊ为钻刀钻尖滑移与主轴动态偏差，σ₀+runout为钻刀的钻刃弯曲与钻刀主轴动态偏移runout共同导致的偏移角，σ₀为入钻瞬间滑移量；

所述分析方法还包括两个初始条件，所述钻刀钻入所述线路板的入钻面瞬间，所述钻刀受到的水平分力大于等于线路板的入钻面对钻刀钻尖产生的最大静摩擦力；所述钻刀在滑移弯曲过程中所形成的水平分力大于所述钻刀刀体内应力在水平面的分力。