采用薄膜熱電偶的多層印刷電路板原位鉆削溫度測量

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)機械工程學(xué)院, 大連, 1160282.廣東工業(yè)大學(xué)機械工程學(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。隨著下游電子消費產(chǎn)品對智能化、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)量的一個重要因素，在PCB加工過程中過高的溫度可能導(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而加劇鉆頭磨損，同時黏附在孔壁的鉆污也會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題。運行過程中一旦PCB的層間溫度超過PCB所能承受的閾值則會引起PCB燒毀、電路的短路、斷路等情況，因此鉆削過程各層PCB溫度的測量對PCB的質(zhì)量就顯得格外重要。目前PCB鉆削加工溫度的測量方法主要有紅外熱像儀法[1-2]和熱電偶測量法。利用紅外熱像儀可以對PCB鉆削過程進行實時測量，最后通過鉆頭的溫度場近似代替PCB的溫度場，但該種方法容易受諸如光線、粉塵等環(huán)境因素的影響且測量的溫度并非PCB的真實溫度，與實際的溫度場有一定的誤差。熱電偶法主要是用絲式熱電偶進行測量，但絲式熱電偶的響應(yīng)速度慢，對高速鉆削溫度變化無法快速響應(yīng)，對于輕薄的PCB來說絲式熱電偶嵌入困難，還會對PCB造成損壞。其他的如感溫試紙法[3]測量鉆削溫度也存在測溫滯后、無法實現(xiàn)實時測量、測量誤差大等問題。因此研究一種響應(yīng)速度快、測量精度高的PCB原位鉆削溫度測量方法具有重要意義。

本文針對PCB加工過程中鉆削溫度準(zhǔn)確測量的技術(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量方法。

1 鉆削過程中PCB溫度的模擬仿真

機械孔的加工是PCB制作過程的重要一環(huán)，這個過程會伴隨著大量熱量的產(chǎn)生，為了研究鉆削過程中鉆削溫度的變化范圍和分布情況，為鉆削實驗傳感器的選擇、傳感器的測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PCB的鉆孔過程進行了模擬仿真。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，想要實現(xiàn)完全、真實地模擬鉆削加工過程有一定困難。為此，本文對PCB的三維有限元模型進行了簡化，模擬鉆削過程基于以下假設(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)簡化，不考慮組織微顆粒的影響；

(4)忽略鉆削過程中鉆頭和工件的振動以及鉆頭的磨損。

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)，表征材料變形過程中的動態(tài)響應(yīng)，通常用來表示應(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。金屬的切削加工過程是一個高度非線性動態(tài)熱力耦合的過程，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)，具有方程形式簡單、材料系數(shù)易擬合以及分析過程容易收斂等優(yōu)點[5]，因此本文中銅箔層采用Johnson-Cook本構(gòu)模型來描述材料的行為。

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)測時將復(fù)合材料視為準(zhǔn)各向同性材料，得到了很好的結(jié)果。立足于研究對象，本文將玻璃纖維增強樹脂復(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)力達到材料的失效強度時，單元失去承載能力，其剛度緩慢地降低到零，當(dāng)應(yīng)力達到最大強度時，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塑性模型來模擬高應(yīng)變率變形材料的動態(tài)失效，因此本文采用Johnson-Cook失效準(zhǔn)則。當(dāng)工件材料進入塑性破損階段時，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，為了讓分析求解過程收斂并保持穩(wěn)定，本文還通過能量失效法對材料損傷演進變化方式進行重新定義，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，取一個小的鉆削單元作為研究對象，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和鉆頭進行裝配，然后對各個疊層分別進行網(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)格進行細(xì)化，其中工件的網(wǎng)格數(shù)為183 058個，鉆頭網(wǎng)格數(shù)為6 528個，經(jīng)檢測所有網(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等，第二步根據(jù)實際工況加載載荷，定義鉆頭轉(zhuǎn)速進給量等，第三步載荷加載完畢，退刀分析。

根據(jù)實際加工條件，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，進給量為0.2 mm/s。模型提交計算后得到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，在鉆削過程中出現(xiàn)溫度累積。仿真結(jié)果表明，當(dāng)鉆頭鉆透PCB時位于PCB底面的孔壁處具有最高的溫度，孔壁接點溫度隨著鉆頭的鉆入逐漸升高，在鉆透PCB時達到最高，最高溫度為53.94 ℃。為了實現(xiàn)鉆削原位溫度的測量，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，即位于鉆頭的垂直底面，在實驗時通過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鉆削的特點和原位溫度測量的需求，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，如圖3c所示；⑤覆蓋掩模沉積SiO2保護薄膜；⑥粘接補償導(dǎo)線，涂覆引腳保護膠，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，因此需要通過對薄膜熱電偶傳感器進行溫度測量特性研究以得出熱電勢與溫度的對應(yīng)關(guān)系以及傳感器的動態(tài)特性參數(shù)，從而確定該傳感器的測量參數(shù)和測試能力[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 ℃記錄一次計量爐溫度以及薄膜熱電偶輸出的熱電勢數(shù)據(jù)，用最小二乘法對標(biāo)定數(shù)據(jù)擬合，得到薄膜熱電偶傳感器輸出熱電勢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。在整個測溫范圍內(nèi)，線性擬合誤差不超過0.65%，30～200 ℃測溫范圍內(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

動態(tài)特性是指測試系統(tǒng)對隨時間變化的輸入量的響應(yīng)特性。為了驗證所研制的NiCr/NiSi薄膜熱電偶傳感器的測試能力，我們常用已知迅速變化的溫度信號來探明薄膜傳感器的動態(tài)響應(yīng)時間[12]。本文選取波長為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)生溫差電動勢，通過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)時間的計算方法計算得到的薄膜熱電偶傳感器的時間常數(shù)τ為0.095 ms。薄膜熱電偶傳感器的動態(tài)響應(yīng)如圖7所示。

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

3 PCB原位鉆削溫度測試實驗

3.1 原位鉆削溫度測試實驗平臺

為了獲取高速鉆削加工過程中各個板層PCB鉆削點的原位溫度，本文利用自行研制的薄膜熱電偶測溫系統(tǒng)對不同層數(shù)的PCB進行了鉆削溫度測試實驗。鉆削溫度測試實驗系統(tǒng)主要包括PCB高精密臺鉆、冷端補償冰點器、數(shù)據(jù)采集模塊、計算機和上位機軟件等，其中PCB選取厚度為4層、12層、20層的高頻高速板，臺鉆最高鉆速為20×103r/min，鉆頭直徑為1 mm，PCB鉆削溫度測試實驗系統(tǒng)如圖8所示。鉆削實驗前，為了保證原位溫度測量的真實可靠，保證鉆削過程中薄膜熱電偶傳感器的熱電勢不損失，先在臺鉆工作面表面貼附一層絕緣膠帶，然后用記號筆在PCB背面對應(yīng)薄膜熱電偶熱接點位置進行定位，再將薄膜熱電偶傳感器一面貼近臺鉆工作面，將熱接點的定位點置于鉆頭正下方并用絕緣膠帶固定，如圖9所示。

圖8 PCB鉆削溫度測試實驗系統(tǒng)圖Fig.8 PCB Drillingtemperature test system

圖9 薄膜熱電偶定位點及固定方式圖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 實驗結(jié)果與討論

實驗時鉆頭對準(zhǔn)PCB的定位點勻速鉆削直至鉆頭鉆透PCB時停止，實驗過程中，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實時采集并記錄不同層數(shù)PCB鉆削過程的實時溫度，如圖10所示。可以看出，不同層數(shù)的PCB在鉆削過程中溫度隨時間都呈現(xiàn)升高的趨勢，越接近PCB的底部時溫度升高得越快，在鉆頭鉆透PCB的瞬間溫度達到了最大值，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)實驗中各組的溫度測量誤差不超過0.8 ℃，產(chǎn)生誤差的原因可能是鉆頭磨損、板層厚度不均等。通過與4層PCB的仿真結(jié)果對比可知，實驗溫度數(shù)據(jù)略低于仿真溫度數(shù)據(jù)，仿真結(jié)果與實驗結(jié)果的差距來源于鉆削仿真中雖然建模過程根據(jù)PCB的實際疊層結(jié)構(gòu)進行建模，但是對玻璃纖維復(fù)合材料層建模時進行了一定的簡化，忽略了其中用于導(dǎo)熱的顆粒部分，仿真過程忽略鉆頭和工件的振動以及鉆頭的磨損等因素，仿真結(jié)果對鉆削實驗具有一定的指導(dǎo)作用，實驗是對仿真結(jié)果的印證。從鉆削實驗可以看出薄膜熱電偶傳感器在實驗過程中響應(yīng)迅速、測溫穩(wěn)定，可以應(yīng)用于PCB原位鉆削溫度的測量。

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PCB鉆削過程進行建模仿真，得到了鉆削過程中PCB溫度的分布及變化情況，確定了用于測量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原位鉆削溫度測量的薄膜熱電偶傳感器，該傳感器通過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。傳感器的靜、動態(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 ℃測量范圍內(nèi)非線性誤差不超過0.65%，動態(tài)響應(yīng)時間為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鉆孔機上進行原位鉆削溫度測試實驗，實驗表明鉆頭在鉆透PCB時溫度最高，鉆削4層、12層、20層時的最高鉆削溫度分別為49.30 ℃、53.95 ℃、63.90 ℃，各組鉆削溫度測量誤差不超過0.8 ℃，表明該薄膜傳感器能夠用于PCB原位鉆削溫度的測量。