PCB沖孔質量和疵病對策



 
   一．沖孔質量與模具設計

隨著電子裝聯技術質量的提高以及市場的競爭需要，全自動插裝機得到迅速普及。這樣對單面PCB紙基板材沖孔質量（少數單雙面非金屬化孔環氧-玻璃布基板也采用沖孔）的要求也就越來越高。就目前生產應用于全自動插裝機的PCB廠家，有關沖孔質量引起的投訴及退貨率已上升到第一位。這里就單面PCB的沖孔質量與疵病對策作為基本介紹，有利與單面PCB的沖孔質量的提高。

1.1 模具設計：

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。許多模具設計者常常忽視這樣一個事實，模具沖頭在退出沖成的孔時所需要的力與沖孔時沖頭穿過材料所需沖力的大小是相等的。因此，對于一付模具把彈簧（彈性膠）卸料板的壓力設計成多大的問題，大多數模具制造者回答是：“要盡量大”。如模具內的空間不能容納足夠的機械彈簧（彈性膠）去起作用時，則采用液壓機構（現在新一代的脫模器都應有這一機構，采購時應引起注意）。彈簧（彈性膠）的放置應保證被沖制的零件彈卸均勻。如沖制件從模具里頂出時受力不均勻，則沖出的孔周圍幾乎都產生裂紋。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量的孔。其實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矩。

如果小沖頭出現嚴重損壞，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損壞的。假若定位銷子損壞了，則一定是沖頭的回程應力造成的。解決的辦法是把沖頭磨成一個不大于11/2度的很小錐度，其長度不大于被沖材料的厚度。磨削時如能保持不超出這個范圍，則沖孔的質量或尺寸就不會測量出什么問題。引起沖頭損壞的另外兩個原因：一是同心度不好，這可以很容易地通過對模具進行嚴格檢查來確定；另一是設計上的毛病，常常是對要沖的孔把沖頭設計得太小。

1.2 紙基層壓板的收縮：

在沖制紙基層壓板時，必須記住這類材料是有彈性的，而且這種回彈的趨勢會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，下表列出沖頭應超出沖制尺寸的量，在模具設計時應充分考慮。（表中所列數值不得用于環氧-玻璃布層壓板的設計，其收縮率大約是紙基層壓板的1/3）。

基材厚度（英寸） 室溫時 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很小。用于沖制紙基層壓材料的凹模孔應比沖頭大0.002-0.004英寸。而對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0.010的綜合公差，用于檢驗標準允許的對孔質量要求不高的地方。

一付間隙要求不嚴格的模具比一付精沖模便宜，凸、凹模之間的間隙不嚴格的模具與要求間隙要求嚴格的相比，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，到現在還有特別要求這種喇叭孔的普通單面板客戶。而沖孔時應采用正沖，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，因為這樣可能造成焊盤脫落。

凹、凸模間隙計算：

E=Ct (mm)

式中：C—覆銅板隙系數，C=0.02-0.06;

t—覆銅板厚度（mm）

1.4 孔距與孔徑：

如果設計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。應該盡可能避開這種設計，但是，當孔距離必須小時，則應盡可能制造質量好的模具。凸凹模和卸料板之間的間隙要嚴格，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（現在常用帶預壓力的液壓脫料系統，不過我對多家單面板廠的沖壓部調查發現老式模用彈性膠做預壓力的廠家無一例外沒有得到應有重視，有80%的模在修模過程中不上或少上預壓力彈性膠，應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，孔間也會產生裂紋。如果不允許孔間有裂紋，則應重新安排工序，把沖孔工序放在覆銅層壓板蝕刻之前。銅箔的增強作用有利于消除裂紋。（大多數環氧-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氧-玻璃布層壓板材）。

1.5 紙基層壓材料的預熱：

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順利得多。這一點，甚至對于通常稱之為冷沖型板或PC級板來說也是如此，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把凹模孔堵死而成廢品。把排屑孔做成錐度，則有利于減少堵塞現象。但有效的解決途徑還是在略低的溫度下沖孔。（在任何時候對環氧-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。覆銅層壓板的供應商可以給出用戶所采用板材的抗剪強度。通常，紙基層壓板約為12000磅/平方英寸，而環氧-玻璃布層壓板材為20000磅/平方英寸。沖掉部分的總周長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。

沖裁力的計算：

P沖=1.3STτ0

式中：S—沖裁周長

T—板材厚度

τ0—板材的抗剪強度

1.7 模具安裝注意事項：

1）根據設計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。

2）首先應啟動沖床，認真檢查剎車，及保護裝置應完好，離合器以及沖床操作機構的運行是否正常，滑塊是否有連沖現象。如發現有不正常現象時，應排除故障后再進行沖模安裝。

3）檢查調整沖床閉合高度與代裝模等高（實際上應高于一高度以免裝模時碰擊，代安裝完成后再調節沖孔深度）；檢查模柄直徑是否與沖頭滑空相符，如模柄小，需在模柄上加適當的開口套筒。

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，防止沖模在工作時滑動造成意外事故。

6）安裝壓板時，螺帽、螺栓頭部應與導套下口保持一定距離，以免上模下降時碰擊而損壞沖床或沖模。

二．沖孔疵病與對策

2.1 毛刺

產生原因:

凹、凸模間隙過小，造成在凸模和凹模兩側產生裂紋而不重合，斷面兩端發生兩次擠壓剪切。

凹、凸模間隙過大，當凸模下降時，裂紋發生晚，像撕裂那樣完成剪切，造成裂紋不重合。

刃口磨損或出現圓角與倒角，刃口未起到楔子的分割作用，整個斷面產生不規則的撕裂。

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，當凸模切入材料時,刃口部形成楔子,使板材產生近于直線形的重合裂紋。

及時對凹、凸模刃口所產生的圓角或倒角進行整修。

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。

2.2 銅箔面孔口周圍凸起

產生原因:

凹、凸模沖裁間隙過小，且凸模刃口變鈍。當凸模入被預熱而軟化的印制板時，板材就在凸模周圍產生向外，向上的擠壓移動。
 
凸模刃口端有錐度。當凸模不斷進入板材后，孔口周圍凸起的現象就會隨著凸模錐度的增加而增加。

解決方法:

被沖裁應超過原設計厚度的百分之二十；否則更換板材或重新設計沖模。

沖裁應有足夠的壓料力，用以克服沖孔時材料移動的反擠力。

2.3孔口銅泊向上翻起

產生原因:

由于反沖，使銅箔拉入凹、凸模的沖裁間隙中。

銅箔與基材的結合力差，當凸模從被從被沖的印制板孔中拔出時，銅箔隨凸模向上提拉。

凸模刃口端有倒錐，鼓脹變形，當凸模從被沖印制板的孔中拔出時，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，應采用滑配合。

2.4基板面孔口周圍分層泛白

產生原因：

凹、凸模沖裁間隙不適當或凹模式刃口變鈍。沖孔時，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熱。

壓料力小。

凹模刃口下部漏料孔堵塞或漏料阻力大，產生膨脹分層。

解決方法:

合理擴大凹，凸模沖裁間隙；

及時修復變鈍的凹模刃口；
 
增加壓料力；

調整基板預熱溫度；

擴大或鉸光漏料孔。

2.5 孔壁傾斜和偏位:

產生原因：

凸模剛性較差，定心不穩，傾斜沖入工件。
 
凸模安裝傾斜或與卸料板的配合間隙太大，卸料板對凸模起不到精密導向作用；

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（指復合沖裁時）。
 
解決方法:

合理選擇凸模的材料；提高凸模剛性、強度、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，確保精密導向。

確保導柱、導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

產生原因

凹、凸模沖裁間隙太大；凹模刃口磨損嚴重。

沖床的沖裁力不足，且不平穩。

      板材沖裁性能差。例如，基材含膠量過高、基材、老化、層壓結合力低等。

解決方法

選擇適當的凹、凸模沖裁間隙。

及時修整凹模刃口。

選用沖裁性能較好的基材并嚴格按工藝要求控制預熱溫度和時間。

2.7 孔之孔與間裂紋

產生原因

孔壁太薄，沖孔時的徑向擠壓力超過印制板基材的孔壁強度。
 
相鄰很近的兩孔不是同時沖出，后沖的孔當凸模進入板材時，由于孔壁太薄而被擠裂。

解決方法

印制板上的孔距設計要合理，孔壁不應小于基板厚度。

相鄰較近的孔應便用一副模具同時沖出。

把相鄰很近的兩個凸模，做成相差 0.5mm的不同長度，使小面積范圍內較集中的沖裁力瞬時分散。

2.8 外形鼓脹

產生原因

模具設計不合理。對外形尺寸較大的印制板，如采用凹模內無推料板的下落料時，被沖印制板在自重的情況下，總是向凹模式孔內彎曲。加之，凸模下沖時，氣流對工件有一股沖擊波，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，出現長邊處產生鼓脹。
 
解決方法

印制板的外形尺寸大于200mm時，宜采用上落料結構的模具沖外形。如采用下落料的模具結構時，則一定要在凹模內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、抗張強度的材料造模具。

盡量減少凹模的熱處理變形。對幾何形狀復雜的凹模，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：

（有時部份廢料在沖孔時不是向下掉，而是向上跳；有的進入工件孔內，還需人工清除；有的跳在下模上面，影響沖裁工作正常進行）。

產生原因

銅箔與基材的粘合力差，沖孔時廢料上的銅箔容易脫落，隨著凸模退出凹模時，進入被沖孔內。

凹模間隙過大，且漏料不暢通，當凸模退出凹模卸料時，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向上跳。

解決方法

加強對基板材料的進廠檢驗。
 
減小凹、凸模的間隙，擴大漏料孔。

及時修整凹模孔的倒錐。

2.10 廢料堵塞

產生原因

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模孔的同心度差，孔的對接有如階。

漏料孔太大，廢料易在孔內作不規則堆集；相鄰兩漏料孔成內切時也易堵塞。

下墊板上無導料孔，當廢料從凹模孔內落下時，不能順利的進入下面的漏料孔。

解決方法

降低凹模刃口，在0.2mm之間可減少廢料積存的個數。

當凹模孔＜ф0.2mm，漏料孔最好做成圓錐孔,當凹模孔大于ф0.2mm時，漏料孔可做成直孔，凹模刃口高度部分不能有倒錐。

調整凹模、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大。

相鄰兩漏料孔內切時，為了不堵塞漏料應做成腰圓孔，或做成一個大孔。

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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