PCB沖孔質(zhì)量和疵病對(duì)策
一．沖孔質(zhì)量與模具設(shè)計(jì)
隨著電子裝聯(lián)技術(shù)質(zhì)量的提高以及市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)需要，全自動(dòng)插裝機(jī)得到迅速普及。這樣對(duì)單面PCB紙基板材沖孔質(zhì)量（少數(shù)單雙面非金屬化孔環(huán)氧-玻璃布基板也采用沖孔）的要求也就越來越高。就目前生產(chǎn)應(yīng)用于全自動(dòng)插裝機(jī)的PCB廠家，有關(guān)沖孔質(zhì)量引起的投訴及退貨率已上升到第一位。這里就單面PCB的沖孔質(zhì)量與疵病對(duì)策作為基本介紹，有利與單面PCB的沖孔質(zhì)量的提高。
1.1 模具設(shè)計(jì)：
沖孔直徑小到XXXPC和FR-2層壓板厚度的二分之一、FR-3厚度的三分之一是有可能做到的。許多模具設(shè)計(jì)者常常忽視這樣一個(gè)事實(shí)，模具沖頭在退出沖成的孔時(shí)所需要的力與沖孔時(shí)沖頭穿過材料所需沖力的大小是相等的。因此，對(duì)于一付模具把彈簧（彈性膠）卸料板的壓力設(shè)計(jì)成多大的問題，大多數(shù)模具制造者回答是：“要盡量大”。如模具內(nèi)的空間不能容納足夠的機(jī)械彈簧（彈性膠）去起作用時(shí)，則采用液壓機(jī)構(gòu)（現(xiàn)在新一代的脫模器都應(yīng)有這一機(jī)構(gòu)，采購(gòu)時(shí)應(yīng)引起注意）。彈簧（彈性膠）的放置應(yīng)保證被沖制的零件彈卸均勻。如沖制件從模具里頂出時(shí)受力不均勻，則沖出的孔周圍幾乎都產(chǎn)生裂紋。在模具的沖頭開始沖孔的一瞬間，卸料板要壓緊工件才能沖出高質(zhì)量的孔。其實(shí)要是卸料板的壓力能接近被沖材料的抗剪切力，那么既省力又可使沖出的孔更為規(guī)矩。
如果小沖頭出現(xiàn)嚴(yán)重?fù)p壞，則要確定是由于沖頭在沖孔行程中損壞的還是沖頭在回程時(shí)損壞的。假若定位銷子損壞了，則一定是沖頭的回程應(yīng)力造成的。解決的辦法是把沖頭磨成一個(gè)不大于11/2度的很小錐度，其長(zhǎng)度不大于被沖材料的厚度。磨削時(shí)如能保持不超出這個(gè)范圍，則沖孔的質(zhì)量或尺寸就不會(huì)測(cè)量出什么問題。引起沖頭損壞的另外兩個(gè)原因：一是同心度不好，這可以很容易地通過對(duì)模具進(jìn)行嚴(yán)格檢查來確定；另一是設(shè)計(jì)上的毛病，常常是對(duì)要沖的孔把沖頭設(shè)計(jì)得太小。
1.2 紙基層壓板的收縮：
在沖制紙基層壓板時(shí)，必須記住這類材料是有彈性的，而且這種回彈的趨勢(shì)會(huì)使沖出的孔略小于沖頭。引起的尺寸差別決定于材料的厚度。為使沖成的孔在允許公差范圍之內(nèi)，下表列出沖頭應(yīng)超出沖制尺寸的量，在模具設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮。（表中所列數(shù)值不得用于環(huán)氧-玻璃布層壓板的設(shè)計(jì)，其收縮率大約是紙基層壓板的1/3）。
基材厚度（英寸） 室溫時(shí) 90度F以上
1/64 0.001 0.002
1/32
0.002 0.003
3/64
0.003 0.005
1/16
0.004 0.007
3/32
0.006 0.010
1/8
0.10 0.013
1.3 凹、凸模間隙：
假若對(duì)孔的尺寸公差要求很精密，那么沖頭和凹模之間的間隙則應(yīng)很小。用于沖制紙基層壓材料的凹?？讘?yīng)比沖頭大0.002-0.004英寸。而對(duì)玻璃布基層壓材料一般則要求上述公差的一半。然而，有些模具沖頭與模具之間的間隙可多達(dá)0.010的綜合公差，用于檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)允許的對(duì)孔質(zhì)量要求不高的地方。
一付間隙要求不嚴(yán)格的模具比一付精沖模便宜，凸、凹模之間的間隙不嚴(yán)格的模具與要求間隙要求嚴(yán)格的相比，前者損壞較多而剪切力較小。然而，用這種模具沖出的孔略呈漏斗狀(也稱喇叭孔)便于順利插入元件，到現(xiàn)在還有特別要求這種喇叭孔的普通單面板客戶。而沖孔時(shí)應(yīng)采用正沖，總要將銅皮面朝上。不得在兩面都布置有電路圖形的板上沖孔，因?yàn)檫@樣可能造成焊盤脫落。
凹、凸模間隙計(jì)算：
E=Ct (mm)
式中：C—覆銅板隙系數(shù)，C=0.02-0.06;
t—覆銅板厚度（mm）
1.4 孔距與孔徑：
如果設(shè)計(jì)的孔與板邊的距離或孔之間的距離接近材料厚度，這往往是很麻煩的事。應(yīng)該盡可能避開這種設(shè)計(jì)，但是，當(dāng)孔距離必須小時(shí)，則應(yīng)盡可能制造質(zhì)量好的模具。凸凹模和卸料板之間的間隙要嚴(yán)格，而且要使卸料板在凸模開始沖入之前就已有足夠的力壓住代沖板（現(xiàn)在常用帶預(yù)壓力的液壓脫料系統(tǒng)，不過我對(duì)多家單面板廠的沖壓部調(diào)查發(fā)現(xiàn)老式模用彈性膠做預(yù)壓力的廠家無一例外沒有得到應(yīng)有重視，有80%的模在修模過程中不上或少上預(yù)壓力彈性膠，應(yīng)引起沖壓部門的足夠重視）。如果孔距過小，即使是最好的模具，孔間也會(huì)產(chǎn)生裂紋。如果不允許孔間有裂紋，則應(yīng)重新安排工序，把沖孔工序放在覆銅層壓板蝕刻之前。銅箔的增強(qiáng)作用有利于消除裂紋。（大多數(shù)環(huán)氧-玻璃布層壓板材是可以沖孔的，但只適用于非金屬化孔的環(huán)氧-玻璃布層壓板材）。
1.5 紙基層壓材料的預(yù)熱：
如果將紙基層壓材料加熱到90度F，則其沖孔工藝過程就會(huì)順利得多。這一點(diǎn)，甚至對(duì)于通常稱之為冷沖型板或PC級(jí)板來說也是如此，但不得把板材加熱到碎裂的程度，那么就會(huì)有一些沖屑一類的殘留物排不出來。過度加熱的材料沖屑常常會(huì)把凹?？锥滤蓝蓮U品。把排屑孔做成錐度，則有利于減少堵塞現(xiàn)象。但有效的解決途徑還是在略低的溫度下沖孔。（在任何時(shí)候?qū)Νh(huán)氧-玻璃布層壓板材都不得加熱沖孔或落料）。
1.6 沖裁力的計(jì)算：
沖床的噸位取決于沖床每一沖程必須沖制的工作量。覆銅層壓板的供應(yīng)商可以給出用戶所采用板材的抗剪強(qiáng)度。通常，紙基層壓板約為12000磅/平方英寸，而環(huán)氧-玻璃布層壓板材為20000磅/平方英寸。沖掉部分的總周長(zhǎng)乘以板材厚度就可得出模具沖剪面積。如果所有尺寸均用英寸表示，則沖剪面積為平方英寸。
沖裁力的計(jì)算：
P沖=1.3STτ0
式中：S—沖裁周長(zhǎng)
T—板材厚度
τ0—板材的抗剪強(qiáng)度
1.7 模具安裝注意事項(xiàng)：
1）根據(jù)設(shè)計(jì)沖模所需的沖裁力及沖模大小與閉合高度，選取合適的沖床型號(hào)。
2）首先應(yīng)啟動(dòng)沖床，認(rèn)真檢查剎車，及保護(hù)裝置應(yīng)完好，離合器以及沖床操作機(jī)構(gòu)的運(yùn)行是否正常，滑塊是否有連沖現(xiàn)象。如發(fā)現(xiàn)有不正?，F(xiàn)象時(shí)，應(yīng)排除故障后再進(jìn)行沖模安裝。
3）檢查調(diào)整沖床閉合高度與代裝模等高（實(shí)際上應(yīng)高于一高度以免裝模時(shí)碰擊，代安裝完成后再調(diào)節(jié)沖孔深度）；檢查模柄直徑是否與沖頭滑空相符，如模柄小，需在模柄上加適當(dāng)?shù)拈_口套筒。
4）沖模下面的墊塊必須平直，等高、合理安放。原則上是在不阻塞落料的性況下，盡量把墊塊向沖模中心靠擾。
5）壓板、壓板螺絲、墊鐵等必須根據(jù)沖模大小、沖模噸位來選取螺絲必須擰緊，防止沖模在工作時(shí)滑動(dòng)造成意外事故。
6）安裝壓板時(shí)，螺帽、螺栓頭部應(yīng)與導(dǎo)套下口保持一定距離，以免上模下降時(shí)碰擊而損壞沖床或沖模。
二．沖孔疵病與對(duì)策
2.1 毛刺
產(chǎn)生原因:
凹、凸模間隙過小，造成在凸模和凹模兩側(cè)產(chǎn)生裂紋而不重合，斷面兩端發(fā)生兩次擠壓剪切。
凹、凸模間隙過大，當(dāng)凸模下降時(shí)，裂紋發(fā)生晚，像撕裂那樣完成剪切，造成裂紋不重合。
刃口磨損或出現(xiàn)圓角與倒角，刃口未起到楔子的分割作用，整個(gè)斷面產(chǎn)生不規(guī)則的撕裂。
解決方法:
合理選擇凹、凸模的沖裁間隙。這樣的沖裁剪切介于擠壓和拉伸之間，當(dāng)凸模切入材料時(shí),刃口部形成楔子,使板材產(chǎn)生近于直線形的重合裂紋。
及時(shí)對(duì)凹、凸模刃口所產(chǎn)生的圓角或倒角進(jìn)行整修。
確保凹、凸模的垂直同心度，使配合間隙均勻。
確保模具安裝垂直平穩(wěn)。
2.2 銅箔面孔口周圍凸起
產(chǎn)生原因:
凹、凸模沖裁間隙過小，且凸模刃口變鈍。當(dāng)凸模入被預(yù)熱而軟化的印制板時(shí)，板材就在凸模周圍產(chǎn)生向外，向上的擠壓移動(dòng)。
凸模刃口端有錐度。當(dāng)凸模不斷進(jìn)入板材后，孔口周圍凸起的現(xiàn)象就會(huì)隨著凸模錐度的增加而增加。
解決方法:
被沖裁應(yīng)超過原設(shè)計(jì)厚度的百分之二十；否則更換板材或重新設(shè)計(jì)沖模。
沖裁應(yīng)有足夠的壓料力，用以克服沖孔時(shí)材料移動(dòng)的反擠力。
2.3孔口銅泊向上翻起
產(chǎn)生原因:
由于反沖，使銅箔拉入凹、凸模的沖裁間隙中。
銅箔與基材的結(jié)合力差，當(dāng)凸模從被從被沖的印制板孔中拔出時(shí)，銅箔隨凸模向上提拉。
凸模刃口端有倒錐，鼓脹變形，當(dāng)凸模從被沖印制板的孔中拔出時(shí)，銅箔隨凸模向上提拉。
解決方法:
采用正沖。
更換凸模。
凸模與卸料板的配合間隙不能大，應(yīng)采用滑配合。
2.4基板面孔口周圍分層泛白
產(chǎn)生原因：
凹、凸模沖裁間隙不適當(dāng)或凹模式刃口變鈍。沖孔時(shí)，被沖板材難以在凹模式刃口處形成剪切裂口。
基板沖裁性能差或沒有在沖裁前預(yù)熱。
壓料力小。
凹模刃口下部漏料孔堵塞或漏料阻力大，產(chǎn)生膨脹分層。
解決方法:
合理擴(kuò)大凹，凸模沖裁間隙；
及時(shí)修復(fù)變鈍的凹模刃口；
增加壓料力；
調(diào)整基板預(yù)熱溫度；
擴(kuò)大或鉸光漏料孔。
2.5 孔壁傾斜和偏位:
產(chǎn)生原因：
凸模剛性較差，定心不穩(wěn)，傾斜沖入工件。
凸模安裝傾斜或與卸料板的配合間隙太大，卸料板對(duì)凸模起不到精密導(dǎo)向作用；
凹、凸模的配合間隙不均勻。間隙小的一邊，凸模徑向受力大，向間隙大的一邊滑移；
凹、凸模式裝配同心度差；推料板與凹、凸模外形偏位；推料板與凹模配合精度太差（指復(fù)合沖裁時(shí)）。
解決方法:
合理選擇凸模的材料；提高凸模剛性、強(qiáng)度、硬度和不直度。
提高凸模與凹模的加工同心度和裝配同心度。
提高凸模與卸料板的配合精度，確保精密導(dǎo)向。
確保導(dǎo)柱、導(dǎo)套的加工精度和裝配精度；減少推料板外形與凹模的配合間隙，并使推料板的外形和凹凸外形一致。
2.6 斷面粗糙
產(chǎn)生原因
凹、凸模沖裁間隙太大；凹模刃口磨損嚴(yán)重。
沖床的沖裁力不足，且不平穩(wěn)。
板材沖裁性能差。例如，基材含膠量過高、基材、老化、層壓結(jié)合力低等。
解決方法
選擇適當(dāng)?shù)陌肌⑼鼓_裁間隙。
及時(shí)修整凹模刃口。
選用沖裁性能較好的基材并嚴(yán)格按工藝要求控制預(yù)熱溫度和時(shí)間。
2.7 孔之孔與間裂紋
產(chǎn)生原因
孔壁太薄，沖孔時(shí)的徑向擠壓力超過印制板基材的孔壁強(qiáng)度。
相鄰很近的兩孔不是同時(shí)沖出，后沖的孔當(dāng)凸模進(jìn)入板材時(shí)，由于孔壁太薄而被擠裂。
解決方法
印制板上的孔距設(shè)計(jì)要合理，孔壁不應(yīng)小于基板厚度。
相鄰較近的孔應(yīng)便用一副模具同時(shí)沖出。
把相鄰很近的兩個(gè)凸模，做成相差 0.5mm的不同長(zhǎng)度，使小面積范圍內(nèi)較集中的沖裁力瞬時(shí)分散。
2.8 外形鼓脹
產(chǎn)生原因
模具設(shè)計(jì)不合理。對(duì)外形尺寸較大的印制板，如采用凹模內(nèi)無推料板的下落料時(shí)，被沖印制板在自重的情況下，總是向凹模式孔內(nèi)彎曲。加之，凸模下沖時(shí)，氣流對(duì)工件有一股沖擊波，使工件中心更為下曲，而靠近凹模刃口處向下彎曲量很小，造成外形鼓脹。
外形落料的凹模變形，出現(xiàn)長(zhǎng)邊處產(chǎn)生鼓脹。
解決方法
印制板的外形尺寸大于200mm時(shí)，宜采用上落料結(jié)構(gòu)的模具沖外形。如采用下落料的模具結(jié)構(gòu)時(shí)，則一定要在凹模內(nèi)裝一塊具有彈性托料力的推料板，使印制板不變形。
增加凹模的壁厚，或選用具有足夠的抗彎、抗張強(qiáng)度的材料造模具。
盡量減少凹模的熱處理變形。對(duì)幾何形狀復(fù)雜的凹模，可采用選熱處理淬硬，后用線切割加工的辦法來克服變形。
2.9 廢料上跳：
（有時(shí)部份廢料在沖孔時(shí)不是向下掉，而是向上跳；有的進(jìn)入工件孔內(nèi)，還需人工清除；有的跳在下模上面，影響沖裁工作正常進(jìn)行）。
產(chǎn)生原因
銅箔與基材的粘合力差，沖孔時(shí)廢料上的銅箔容易脫落，隨著凸模退出凹模時(shí)，進(jìn)入被沖孔內(nèi)。
凹模間隙過大，且漏料不暢通，當(dāng)凸模退出凹模卸料時(shí)，廢料隨之上跳。
凹模孔有倒錐，沖孔廢料難以下落，反而隨著凸模退出凹模時(shí)向上跳。
解決方法
加強(qiáng)對(duì)基板材料的進(jìn)廠檢驗(yàn)。
減小凹、凸模的間隙，擴(kuò)大漏料孔。
及時(shí)修整凹模孔的倒錐。
2.10 廢料堵塞
產(chǎn)生原因
凹模刃口太高、廢料積存太多。
凹模漏料孔太小或刃口部有倒錐以及孔壁太粗糙。
下墊板和下模座上的漏料孔與凹?？椎耐亩炔睿椎膶?duì)接有如階。
漏料孔太大，廢料易在孔內(nèi)作不規(guī)則堆集；相鄰兩漏料孔成內(nèi)切時(shí)也易堵塞。
下墊板上無導(dǎo)料孔，當(dāng)廢料從凹模孔內(nèi)落下時(shí)，不能順利的進(jìn)入下面的漏料孔。
解決方法
降低凹模刃口，在0.2mm之間可減少?gòu)U料積存的個(gè)數(shù)。
當(dāng)凹?？祝姬?.2mm，漏料孔最好做成圓錐孔,當(dāng)凹?？状笥讧?.2mm時(shí)，漏料孔可做成直孔，凹模刃口高度部分不能有倒錐。
調(diào)整凹模、下墊板以及下模座上的漏料孔的垂同心度，并將各部件上的漏料孔擴(kuò)大。
相鄰兩漏料孔內(nèi)切時(shí)，為了不堵塞漏料應(yīng)做成腰圓孔，或做成一個(gè)大孔。
凹模支承桿和下模座的去撐筋要有足夠的斜度或漏料通道，使廢料順利地漏下，不致堆積和堵塞。
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