УСТРОЙСТВО ПЕРЕМЕЩЕНИЯ ЗАГОТОВКИ ПЕЧАТНОЙ ПЛАТЫ

Полезная модель относится к области изготовления печатных плат путем электролитического нанесения покрытий, в частности, к конструкции гальванических ванн и их отдельных узлов, а именно - к конструкции устройства перемещения заготовки печатной платы в гальванической ванне для заращивания глухих отверстий путем осаждения меди. Полезная модель может быть использована при разработке узла перемещения заготовки, обеспечивающего движение заготовки, неподвижно зафиксированной в узле крепления, по заданной траектории с целью обеспечения нанесения равномерного и однородного покрытия по всей поверхности заготовки (т.е. на всех участках поверхности заготовки).
При гальванической обработке заготовки печатной платы в ванне заращивания глухих отверстий осуществляется заполнение глухих отверстий осажденной медью и нанесение осажденной меди на поверхность заготовки.
В состав узла (устройства) перемещения заготовки входят следующие элементы: устройство крепления заготовки (заготовка закреплена в узле крепления неподвижно и обычно расположена вертикально); двигатель (или двигатели), создающий крутящий момент; кинематические элементы, составляющие механическую передачу и обеспечивающие передачу крутящего момента двигателя с преобразованием вращательного движения выходного вала двигателя в движение (обычно - в линейное поступательное) движение узла крепления заготовки (и самой заготовки, так как она неподвижно закреплена в узле крепления).
При нанесении гальванического покрытия на заготовки печатных плат, в том числе при заращивании медью глухих отверстий, требуется обеспечить, в частности:
полное заполнение глухих отверстий осажденной медью;
равномерное покрытие всей поверхности заготовки после заполнения отверстий, а именно, отсутствие дефектов в виде наростов на отдельных участках заготовки (шариков, бугров) и равномерную толщину слоя покрытия с отклонением от номинала в пределах установленных допусков;
однородное покрытие всей поверхности заготовки, а именно, одинаковые физико-механические и химические свойства покрытия, в частности, плотность, пластичность, прочность, состав покрытия, размер зерен и др. (значения указанных характеристик должны быть в пределах допусков, установленных нормативными документами).
В настоящее время российские и зарубежные компании, являющиеся ведущими в области производства печатных плат высокой плотности, занимаются исследованиями и разработками, позволяющими обеспечить равномерность и однородность покрытия всей поверхности заготовки печатной платы.
Для обеспечения ряда требований применяют традиционные, хорошо зарекомендовавшие себя на практике решения. Так, например, с целью устранения пузырьков в массе (в объеме) зарощенной меди при заполнении медью глухих отверстий осуществляют встряхивание заготовки, обычно с помощью вибродвигателя, соединенного с узлом крепления заготовки печатной платы. Улучшение условий затекания раствора в отверстия, способствующее полному заращиванию глухих отверстий, обеспечивают, например, направлением струи раствора (оси расположения форсунок) под острым углом к оси отверстия, а также регулировкой скорости (давления) потока раствора.
Однако в настоящее время существует ряд актуальных направлений, по которым продолжаются поиски эффективных решений, например, с целью обеспечения одинаковых условий обработки (в частности, количества раствора, давления) всей поверхности заготовки (при том, что заготовка полностью погружена в гальванический раствор), так как вследствие, например, дискретного расположения форсунок для подачи раствора (наличия зон/областей между форсунками в вертикальном и горизонтальном направлениях) и неравномерности распыления раствора в поле обработки каждой форсунки (в центральной зоне и по периферии поля обработки) имеет место неравномерность и неоднородность слоя покрытия участков заготовки, находящихся в центральной области поля обработки каждой из форсунок и в периферийной области (по краям) поля обработки, а также в зонах между форсунками, где на отдельных участках периферийные области полей обработки соседних форсунок могут накладываться друг на друга либо не пересекаться между собой. Неодинаковые условия обработки различных участков поверхности заготовки приводят к неравномерности и неоднородности покрытия, в частности, к появлению наростов, недопустимым отклонениям толщины покрытия, а также различию химических и физико-механических характеристик покрытия на разных участках поверхности печатной платы (например, плотности, пластичности, прочности, отклонениям в составе покрытия, размере зерен и т.д.).
При выполнении системы перемещения заготовок печатных плат в гальванической ванне обычно предусмотрена возможность неподвижного крепления каждой заготовки в вертикальном положении в узле крепления, который связан с приводом перемещения. При осуществлении процесса осаждения меди узел крепления с закрепленной в нем заготовкой совершает возвратно-поступательное движение, периодически перемещаясь вперед и назад вдоль ванны в горизонтальном направлении.
Например, известна гальваническая ванна для нанесения покрытия на заготовки печатных плат, в том числе с глухими отверстиями, по патенту № CN203007458U [«PCB (Printed Circuit Board) electroplating bath with movable cathode», МПК C25D 17/02, дата публ. 19.06.2013], в которой заготовка, являющаяся катодом, закреплена на подвижной раме, связанной с двигателем и имеющей возможность возвратно-поступательного перемещения в одном направлении. Однако, следует отметить, что осуществление возвратно-поступательного движения заготовки в горизонтальном направлении перпендикулярно плоскости заготовки будет способствовать удалению пузырьков с поверхности платы и улучшению заполнения глухих отверстий, но не обеспечит одинаковых условий обработки для всей поверхности заготовки печатной платы.
В некоторых контрукциях гальванических ванн реализуют вращение заготовки в процессе нанесения на нее гальванического покрытия, например, по патенту № CN213596447U [«Cathode moving device for electroplating bath», МПК C25D 17/04, C25D 21/10, дата публ. 02.07.2021]. Однако вращение заготовки относительно своей вертикальной оси способствует перемешиванию раствора и выравниванию условий нанесения покрытия только в горизонтальном направлении, а в вертикальном направлении условия нанесения покрытия остаются неравномерными.
Для улучшения заполнения глухих отверстий гальваническим раствором держатель заготовки дополнительно соединяют со вторым двигателем (вибродвигателем) для встряхивания заготовки при ее возвратно-поступательном движении в горизонтальном направлении при работе первого двигателя. Такое выполнение узла перемещения заготовки также широко распространено в конструкциях гальванических ванн и обеспечивает повышение эффективности перемешивания раствора, а также равномерность заполнения глухих отверстий и известно, например, по патентам №№ CN 106119921 A [«PCB (Printed Circuit Board) plating line», МПК C25D 17/00, C25D 7/12, дата публ. 16.11.2016], CN 105316737 A [«High density interconnector (HDI) board blind hole electroplating device», МПК C25D 7/04, дата публ. 10.02.2016], CN 214960366 U [«HDI circuit board blind hole electroplating device», МПК H05K 3/42, дата публ. 30.11.2021]. Следует обратить внимание, что возвратно-поступательное перемещение заготовки совершается только вдоль одной (горизонтальной) оси в плоскости заготовки, что позволяет создать равномерные условия нанесения покрытия только в данном направлении, при этом по другой (вертикальной) оси в плоскости заготовки условия нанесения покрытия останутся неодинаковыми, что приведет к неравномерному распределению слоя покрытия (вдоль вертикальной оси, по которой не производится возвратно-поступательное движение заготовки) и различию характеристик слоя покрытия.
Известны технические решения, например, по патентам №№ DE3905100A1 [«Method and appliance for electrolyte exchange especially in narrow recesses of large-area workpieces», МПК C23C 18/16, C25D 21/10, H05 K3/00, дата публ. 23.08.1990], DE4322378A1 [«Method and device for the surface treatment, in the horizontal operating position, of workpieces which are primarily in the form of boards», МПК C25D 5/04; C25D 5/08; C25D 5/20; H05K 3/00, дата публ. 12.01.1995], CA2211545A1 [«Method and device for the treatment of plate-shaped workpieces having small holes», МПК H05K 3/42, дата публ. 11.07.1996], US6016817A [«Method and device for the treatment of plate-shaped workpieces having small holes», МПК B05D1/18, C25D21/10, H05K3/00, дата публ. 25.01.2000], относящиеся к устройствам электролитической обработки заготовок печатных плат с глухими отверстиями, в которых, как указано в описаниях упомянутых патентов, реализовано прямолинейное возвратно-поступательное движения заготовки вдоль вертикальной оси в плоскости заготовки и движение, совершаемое заготовкой одновременно с первым и представляющее собой быстро пульсирующие вибрационные колебания вдоль горизонтальной оси в плоскости заготовки. Узел крепления заготовки, в котором заготовка неподвижно зафиксирована, соединен через соответствующие передачи с двумя электродвигателями, причем в соединении с одним из электродвигателей предусмотрено выполнение конструктивной развязки, обеспечивающей возможность одновременного выполнения двух независимых друг от друга движений, передаваемых различными электродвигателями. Важно отметить, что пульсирующие вибрационные колебания заготовки способствуют удалению пузырьков водорода со всей поверхности заготовки, но не оказывают существенного влияния на выравнивание условий обработки поверхности заготовки вдоль направления оси колебаний, так как вибрации совершаются с высокой частотой, но незначительной амплитудой (при которой не обеспечивается смещение заготовки на величину, превышающую шаг между форсунками в горизонтальном направлении). В указанных конструкциях линейное возвратно-поступательное движение вдоль одной оси в плоскости заготовки создается электродвигателем с эксцентриком, при этом электродвигатель вращается с постоянной скоростью. Такое движение заготовки способствует выравниванию условий обработки только вдоль оси прямолинейного возвратно-поступательного движения заготовки (вдоль вертикальной оси), однако по другой (горизонтальной) оси заготовки условия обработки поверхности платы на различных участках останутся различными, а следовательно, в данном направлении будет иметь место неравномерность (наросты, отклонения толщины покрытия свыше допустимых значений) и неоднородность (различия характеристик) покрытия на различных участках поверхности заготовки.
В качестве технического решения (прототипа), наиболее близкого по совокупности существенных признаков к заявляемой полезной модели, предлагается устройство перемещения заготовки печатной платы, входящее в состав гальванической ванны [патент № CN 213142257 U «Electroplating device with movable cathode», МПК C25D 17/02, C25D 17/10, C25D 21/10, C25D 5/08, дата публ. 07.05.2021], предназначенной для нанесения гальванического покрытия на заготовки печатных плат с глухими отверстиями.
В известном техническом решении силовой блок, представляющий собой устройство перемещения заготовки печатной платы, содержит два электродвигателя, держатель для крепления заготовки (в вертикальном положении), телескопическую штангу.
Вертикальное и горизонтальное направление определяется в рабочем положении элементов при гальванической обработке заготовки печатной платы, погруженной в гальваническую ванну.
Штанга расположена вертикально. Нижний конец штанги жестко соединен с держателем заготовки. При нанесении покрытия заготовка неподвижно закреплена в держателе, который, например, может быть выполнен в виде рамки (т.е. в процессе работы заготовка неподвижна относительно штанги). Следует отметить, что заготовку печатной платы часто называют «катодом», так как при гальванической обработке на нее подводят положительный заряд, при этом аноды расположены по обеим сторонам заготовки, а также с каждой из сторон заготовки в гальванической ванне установлены форсунки, через которые осуществляется подача раствора на заготовку.
Электродвигатели связаны со штангой таким образом, что один из электродвигателей в процессе работы обеспечивает возможность раскрытия и закрытия выдвижной части телескопической штанги (а значит, и держателя с закрепленной в нем заготовкой) в вертикальном направлении («вверх-вниз»), а другой обеспечивает возможность движения штанги (а также держателя с закрепленной в нем заготовкой) в продольном направлении («вправо-влево»), т.е. в горизонтальном направлении, перпендикулярном плоскости заготовки.
Электродвигатели закреплены на наружной, верхней, поверхности опорного элемента, выполненного в виде горизонтально ориентированной пластины, которая является частью кронштейна, предназначенного для неподвижного крепления к корпусу гальванической ванны. На противоположной, нижней, поверхности пластины (опорного элемента) вдоль всей поверхности выполнен прямоугольный паз (желоб), в котором установлен верхний конец штанги с возможностью перемещения вдоль этого паза, при этом паз выполнен таким образом, что движение в нем штанги с заготовкой осуществляется в горизонтальном направлении перпендикулярно плоскости заготовки.
Таким образом, в процессе нанесения гальванического покрытия два электродвигателя управляют (через перемещение штанги) траекторией движения заготовки, а именно, сообщают заготовке два линейных возвратно-поступательных движения: в вертикальном направлении («вверх-вниз») при раскрытии и закрытии телескопической штанги и в горизонтальном направлении перпендикулярно плоскости заготовки («вправо-влево») при перемещении штанги по пазу. В описании известного технического решения отмечается, что такое перемещение заготовки способствует более равномерному нанесению покрытия на поверхность заготовки (т.е. выравниванию толщины покрытия).
Однако следует обратить внимание на то, что при использовании данного технического решения равномерность и однородность покрытия при гальванической обработке заготовки печатной платы будут обеспечиваться только в вертикальном направлении, так как при линейном возвратно-поступательном движении в этом направлении («вверх-вниз») в плоскости заготовки при перемещении заготовки каждый участок поверхности заготовки перемещается из поля обработки одной форсунки в поля обработки других форсунок, т.е. происходит выравнивание условий обработки в данном направлении.
При линейном возвратно-поступательном движении в горизонтальном направлении перпендикулярно плоскости заготовки (т.е. в продольном направлении, «вправо-влево») заготовка будет то приближаться, то удаляться от форсунок, расположенных по обеим сторонам заготовки, что может способствовать удалению пузырьков с поверхности платы и улучшению заполнения глухих отверстий. Кроме того, необходимо отметить, что при продольном возвратно-поступательном движении заготовки будет иметь место некоторое выравнивание толщины покрытия в периферийных зонах поля обработки каждой форсунки, но это выравнивание будет незначительным, так как не будет происходить переход участков поверхности заготовки из поля обработки одной форсунки в поля обработки других форсунок.
Таким образом, при использовании данного технического решения при нанесении гальванического покрытия на заготовку печатной платы возвратно-поступательное перемещение в плоскости заготовки совершается только вдоль одной, вертикальной, оси, благодаря чему в этом направлении будут обеспечиваться равномерные условия нанесения покрытия. При этом в горизонтальном направлении не обеспечивается выравнивание условий нанесения покрытия, в результате чего будут иметь место неравномерность покрытия (наросты, отклонения толщины) и неоднородность состава покрытия на различных участках поверхности заготовки.
Кроме того необходимо отметить, что в части конструктивного выполнения наличие телескопической штанги, имеющей выдвижные секции, крепления заготовки (держателя с заготовкой) к нижнему концу штанги (т.е. крепление в одной точке), а также выполнение подвижного соединения «шток - паз» снижают надежность устройства в целом, так как выдвижные элементы характеризуются высокой вероятностью выхода из строя, крепление держателя (заготовки) к нижнему концу штанги как крепление в одной точке не может обеспечить высокую прочность удержания закрепленного элемента, а при перемещении в пазу верхнего конца штанги возможно заклинивание даже вследствие незначительного перекоса.
Техническим результатом, достижение которого обеспечивается заявляемой полезной моделью, является выравнивание условий (создание максимально возможных одинаковых условий) обработки всей поверхности заготовки печатной платы в процессе нанесения гальванического покрытия, что, в свою очередь, позволяет обеспечить равномерность покрытия и однородность состава покрытия всей поверхности заготовки (различных участков поверхности заготовки) как в горизонтальном, так и в вертикальном направлении.
Для достижения указанного выше технического результата предлагается устройство перемещения заготовки печатной платы, которое содержит узел крепления заготовки, два сервопривода, каждый из которых содержит электродвигатель, выполненный с возможностью изменения частоты и направления вращения, и механическую передачу, обеспечивающую возможность преобразования вращательного движения в поступательное. Сервоприводы соединены с узлом крепления заготовки с возможностью сообщения от каждого сервопривода упомянутому узлу крепления заготовки линейного поступательного движения. При этом обеспечивается возможность выполнения указанных движений узлом крепления заготовки одновременно и независимо друг от друга в двух взаимно перпендикулярных направлениях в плоскости заготовки.
В предлагаемом техническом решении применены два сервопривода, каждый из которых связан с узлом крепления заготовки посредством указанной выше механической передачи таким образом, что при работе электродвигателей узел крепления (а следовательно, и сама заготовка - при осуществлении процесса ее гальванической обработки) выполняет два одновременных и независимых друг от друга линейных поступательных движения во взаимно перпендикулярных направлениях в плоскости заготовки. Использование в составе каждого сервопривода электродвигателя, имеющего возможность изменения направления вращения выходного вала и изменения частоты вращения, позволяет изменять направление движения узла крепления (обеспечивая выполнение возвратно-поступательного движения), а также задавать параметры каждого из движений.
Таким образом, в отличие от прототипа (в котором обеспечена возможность движения заготовки в ее плоскости в одном направлении - в вертикальном, что позволяет обеспечить равномерные условия нанесения покрытия в одном направлении) предлагаемое выполнение устройства перемещения заготовки, в котором реализована возможность выполнении узлом крепления (с неподвижно закрепленной в нем заготовкой) одновременных и независимых возвратно-поступательных движений в плоскости заготовки в двух взаимно перпендикулярных направлениях, позволяет при функционировании устройства в составе гальванической ванны обеспечить выравнивание условий нанесения покрытия (при подаче раствора из форсунок) по всей поверхности заготовки - на участках, находящихся в центральной области распыления раствора каждой форсунки, в краевой области, а также между форсунками, позволяя тем самым обеспечить равномерность нанесения покрытия и однородность состава покрытия по всей поверхности.
Следует отметить, что под равномерностью покрытия понимают отсутствие наростов на отдельных участках заготовки в виде шариков, бугров, а также толщину покрытия с отклонением от номинала в пределах установленных допусков, а под однородностью покрытия понимают одинаковые физико-механические и химические свойства осажденной меди по всей поверхности заготовки: плотность, пластичность, прочность, состав покрытия, размер зерен и др.
Выполнением, при котором обеспечивается оптимальное выравнивание условий нанесения покрытия, является такое выполнение, при котором при соединении сервоприводов с узлом крепления заготовки обеспечивается возможность осуществления узлом крепления заготовки линейных поступательных движений в плоскости заготовки в вертикальном и горизонтальном направлении.
Соединение механических передач сервоприводов с узлом крепления заготовки (представляющееся наиболее технологичным) с целью обеспечения возможности одновременного выполнения узлом крепления двух независимых друг от друга движений может быть реализовано следующим образом. Механическая передача, входящая в состав сервопривода, обеспечивающего возможность перемещения узла крепления заготовки в горизонтальном направлении, соединена с узлом крепления заготовки таким образом, что в горизонтальном направлении обеспечена возможность совместного возвратно-поступательного движения выходного звена упомянутой механической передачи и узла крепления заготовки в горизонтальном направлении в плоскости заготовки, а в вертикальном направлении обеспечена возможность свободного возвратно-поступательного движения в плоскости заготовки узла крепления заготовки относительно выходного звена упомянутой механической передачи. Механическая передача, входящая в состав сервопривода, обеспечивающего возможность перемещения узла крепления заготовки в вертикальном направлении, соединена с узлом крепления заготовки таким образом, что в вертикальном направлении обеспечена возможность совместного возвратно-поступательного движения в плоскости заготовки выходного звена упомянутой механической передачи и узла крепления заготовки, а в горизонтальном направлении обеспечена возможность свободного возвратно-поступательного движения узла крепления заготовки относительно выходного звена упомянутой механической передачи.
Каждая из двух механических передач, обеспечивающих возможность перемещения узла крепления заготовки в горизонтальном или вертикальном направлении, может быть выполнена, например, в виде зубчато-реечной передачи или передачи «винт-гайка». Оба вида передач относятся к наиболее часто применяемым в технологии машино- и приборостроения, однако выполнение зубчато-реечной передачи представляется более технологичным, так как выходное звено «рейка» совершает только линейное движение и передача характеризуется более высокой эксплуатационной надежностью.
Конструктивное выполнение соединение механических передач сервоприводов с узлом крепления заготовки, характеризующееся оптимальным сочетанием простоты конструкции, технологичности и эксплуатационной надежности, может быть реализовано следующим образом.
Узел крепления заготовки содержит горизонтальную штангу и жестко соединенные с ней вертикально расположенные держатели для закрепления заготовки.
Рейка зубчато-реечной передачи сервопривода, обеспечивающего возможность перемещения узла крепления заготовки в горизонтальном направлении, на концевой части, обращенной в сторону узла крепления заготовки, снабжена пазом, в котором размещен выступающий элемент, выполненный на обращенной в сторону рейки концевой части горизонтальной штанги. При этом паз выполнен протяженным в вертикальном направлении с возможностью движения в нем в вертикальном направлении выступающего элемента.
Рейка зубчато-реечной передачи сервопривода, обеспечивающего возможность перемещения узла крепления заготовки в вертикальном направлении, неподвижно соединена с толкателем, который также неподвижно соединен с рамой, снабженной опорами, на которых расположена горизонтальная штанга узла крепления с возможностью осуществления возвратно-поступательного движения в горизонтальном направлении на упомянутых опорах.
Наиболее простым и надежным выполнением выступающего элемента является выполнение, при котором выступающий элемент представляет собой стержневой элемент типа «палец».
Оптимальным выполнением, при котором минимизирована вероятность перекоса горизонтальной штанги, является выполнение, при котором рама снабжена двумя опорами, на которых расположена горизонтальная штанга, так как прямая геометрически задается двумя точками.
Графические материалы содержат пример конкретного выполнения заявляемого устройства перемещенияя заготовки печатной платы.
На фигуре представлено схематичное изображение устройства перемещения заготовки в составе гальванической ванны (с заготовкой, закрепленной в узле крепления).
Процесс нанесения гальванического покрытия на заготовку 1 печатной платы производится в гальванической ванне 2. Заготовка представляет собой пластину, толщина которой существенно меньше двух других ее габаритов - высоты и ширины, поэтому заготовку принято считать плоской. При обработке заготовка в гальванической ванне находится в вертикальном положении, т.е. плоскость заготовки расположена преимущественно перпендикулярно дну гальванической ванны (основанию), и полностью погружена в раствор. С двух сторон от заготовки (предпочтительно на равном расстоянии) в ванне расположены нерастворимые аноды, подключенные к источникам тока таким образом, что протекающий между ними и заготовкой, являющейся катодом, ток обеспечивает гальваническое осаждение меди на поверхности заготовки и в ее отверстиях, включая глухие. Между заготовкой и анодами расположены трубки с закрепленными на них форсунками, через которые подается раствор на заготовку. К ванне подключается система циркуляции и фильтрации раствора (на фиг. не показаны).
В представленном примере выполнения устройство 3 перемещения заготовки содержит узел крепления 4 заготовки 1, который связан с двумя сервоприводами 5 и 6, каждый из которых предназначен для преобразования вращательного движения выходного вала электродвигателя (соответственно 7 и 8) в линейное поступательное движение, передаваемое узлу крепления заготовки.
Узел крепления 4 заготовки (с неподвижно закрепленной в нем заготовкой 1, которую крепят перед выполнением гальванической обработки) имеет возможность линейного поступательного движения в плоскости заготовки 1 в двух взаимно перпендикулярных направлениях - по горизонтальной оси X и по вертикальной оси Y (оси указаны на фиг.).
Под сервоприводом принято понимать механический привод с автоматической коррекцией состояния через внутреннюю отрицательную обратную связь в соответствии с параметрами, заданными извне [адрес интернет-страницы: https://ru.wikipedia.org/wiki/Сервопривод]. Следует отметить, что важными преимуществами использования сервоприводов является их высокая динамика, возможность получить высокостабильное и/или точное управление, широкий диапазон регулирования скорости, малые габариты и вес, а также помехоустойчивость [адрес интернет-страницы: https://interlaser.ru/frezernye-stanki/260-sravnenie-shagovykh-i-servodvigatelej?ysclid=l6gq2fhuqu76509973].
Узел крепления 4 обеспечивает неподвижное закрепление в нем заготовки. Конструктивная реализация узла крепления может быть разнообразной. Например, он может быть выполнен в виде рамки или, как показано на фиг., может представлять собой штангу 9, расположенную горизонтально, с которой жестко соединены вертикальные держатели 10, предназначенные для закрепления в них заготовки 1. На фиг. показана заготовка 1, неподвижно закрепленная на держателях 10.
В состав каждого сервопривода 5 и 6 входят электродвигатель (соответственно, 7 и 8), имеющий возможность изменения направления и частоты вращения, и соединенная с ним кинематическая пара (соответственно, 11 и 12), преобразующая вращательное движение выходного вала электродвигателя в линейное поступательное движение своего выходного звена, связанного с узлом крепления заготовки. Кинематическая пара (11, 12) может представлять собой, например, передачу «винт-гайка», или, как показано на фиг., зубчато-реечную передачу, выходным звеном которой является рейка (соответственно, 13 и 14).
Предлагаемое выполнение соединения сервопривода с узлом крепления заготовки обеспечивает возможность линейного возвратно-поступательного движения заготовки при цикличном изменении направления вращения электродвигателя. При этом от частоты вращения электродвигателя зависит скорость поступательного движения заготовки, а интервал времени, в течение которого вал двигателя вращается в одну сторону, в сочетании с частотой вращения вала двигателя, определяет амплитуду движения заготовки.
Узел крепления заготовки связан с сервоприводами таким образом, что каждый из сервоприводов (одновременно с другим сервоприводом) сообщает узлу крепления заготовки движение, независимое от движения, передаваемого другим сервоприводом. В результате узел крепления заготовки (и неподвижно закрепленная в нем заготовка) имеет возможность при работе электродвигателей совершать два одновременных независимых друг от друга движения (с учетом возможности изменения направления вращения электродвигателей - одновременные независимые линейные возвратно-поступательные движения) в плоскости заготовки в вертикальном и горизонтальном направлениях. Следует уточнить, что всегда существует допустимые отклонения от вертикали и горизонтали вследствие объективно существующих отклонений размеров при изготовлении передаточных механизмов.
Обеспечение возможности передачи узлу крепления двух одновременных независимых линейных поступательных движений может быть реализовано с помощью различных конструктивных решений.
Например, в представленном на фиг. примере выполнения узел крепления 4 заготовки 1 содержит горизонтальную штангу 9 и жестко соединенные с ней вертикальные держатели 10.
Узел крепления 4 заготовки связан с сервоприводом 5, который обеспечивает при вращении электродвигателя 7 возможность движения узла крепления (и закрепленной в нем заготовки) в плоскости заготовки в горизонтальном направлении вдоль оси X (на фиг. направление указано двойной стрелкой "a"), следующим образом.
На концевом участке горизонтальной штанги 9 (со стороны, обращенной к рейке) расположен выступающий элемент - палец 15. На концевом участке рейки 13, обращенном в сторону узла крепления 4, выполнен сквозной паз 16, протяженный в вертикальном направлении (по оси Y).
Палец 15 заведен в паз 16, что обеспечивает жесткую связь между рейкой 13 и узлом крепления 4 в горизонтальном направлении (по оси Х) и возможность движения узла крепления 4 относительно рейки 13 в вертикальном направлении (по оси Y).
При совершении рейкой 13 возвратно-поступательного движения в горизонтальном направлении (по оси Х) указанное движение через палец 15 (выполненный на концевом участке штанги 9 и заведенный в паз 16 рейки 13) передается горизонтальной штанге 9.
При движении горизонтальной штанги 9 вдоль оси Y палец 15 свободно скользит внутри паза 15 по его протяженности в вертикальном направлении, благодаря чему штанга 9 имеет возможность свободно перемещаться в вертикальном направлении.
Сервопривод 6 связан с узлом крепления 4 заготовки, а именно с горизонтальной штангой 9, через раму 17. В представленном примере выполнения рама 17 снабжена двумя опорными элементами 18. Следует отметить, что опорных элементов может быть выполнено и больше, в зависимости от массы штанги, но оптимальным количеством является два, так как перемещение штанги 9 должно осуществляться горизонтально вдоль оси Х по прямой (прямая определяется двумя точками).
Горизонтальная штанга 9 узла крепления 4 заготовки расположена на опорных элементах 18, при этом горизонтальная штанга 9 имеет возможность свободного движения (например, скольжения) в горизонтальном направлении (вдоль оси Х) по упомянутым опорным элементам.
Рама 17 установлена в направляющих 19 с возможностью перемещения по ним вдоль оси Y. Направляющие 19 неподвижно закреплены относительно гальванической ванны 2.
Рейка 14 зубчато-реечной передачи сервопривода 6 соединена с рамой 17 через толкатель 20, который связан как с рамой 17, так и с рейкой 14.
Такое выполнение обеспечивает возможность движения узла крепления 4 заготовки (при вращении электродвигателя 8 сервопривода 6) в вертикальном направлении, вдоль оси Y, в плоскости заготовки (на фиг. направление указано двойной стрелкой "b").
Следует отметить, что каждому электродвигателю 7 и 8 задается свой режим работы. При этом линейное поступательное движение узла крепления 4 (и закрепленной в нем заготовки 1) по осям X и Y может происходить с разными скоростями и амплитудами по каждой из осей, а при изменении направления вращения электродвигателя будет происходить изменение направления движения узла крепления (и закрепленной в нем заготовки), что позволяет задать различные законы движения заготовки по каждой из осей X и Y при нанесении покрытия в гальванической ванне. Управление электродвигателями 7 и 8 сервоприводов 5 и 6 осуществляется с помощью внешнего блока автоматического управления (на фиг. не показан).
Функционирование заявляемого узла перемещения заготовки печатной платы осуществляется в составе гальванической ванны для заращивания медью глухих отверстий, которая, в свою очередь, входит в состав автоматической линии гальванического меднения.
Перед началом гальванической обработки заготовку 1печатной платы неподвижно закрепляют в узле крепления 4. Узел крепления 4 с закрепленной в держателях 10 заготовкой 1 транспортируют в ванну 2 заращивания глухих отверстий и полностью опускают в гальванический раствор, которым уже заполнена ванна 2. Заготовка 1 в гальванической ванне 2 расположена вертикально. Форсунки (на фиг. не показаны), расположенные напротив заготовки по обеим ее сторонам, осуществляют подачу раствора на заготовку. Форсунки с каждой стороны заготовки обычно располагают регулярно, с определенным шагом в горизонтальном (по оси Х) и вертикальном (по оси Y) направлениях.
Когда заготовка 1 оказывается полностью погруженной в гальванический раствор, подают гальванический ток, и начинается процесс осаждения меди.
В это время внешний блок управления (на фиг. не показан) подает команду каждому сервоприводу 5 и 6на вращение электродвигателя (соответственно, 7 и 8)с заданными параметрами (частота вращения, направление вращения), в результате чего сервоприводы 5 и 6 приводят в движение узел крепления 4 с закрепленной в нем заготовкой 1.
В представленном примере выполнения выходной вал электродвигателя 7 сервопривода 5 передает вращение на зубчатое колесо зубчато-реечной передачи 11, которое приводит в движение рейку 13, с которой находится в зацеплении. В результате рейка 13 совершает линейное поступательное движение в горизонтальном направлении, которое далее передается горизонтальной штанге 9, соединенной с рейкой 13 через палец 15. При этом штанга 9 скользит по опорным элементам 18 рамы 17. С горизонтальной штангой 9 неподвижно соединены держатели 10, в которых неподвижно закреплена заготовка 1. Таким образом при передаче линейного поступательного движения на штангу 9 узла крепления 4 от сервопривода 5 осуществляется линейное поступательное движение заготовки 1 в горизонтальном направлении (по оси Х).
При изменении направления вращения электродвигателя 7 сервопривода 5 по команде, поступающей от внешнего блока управления, направление движения заготовки 1 по оси X изменится на противоположное, т.е. заготовка 1 начнет двигаться в обратную сторону. Таким образом заготовка будет осуществлять линейное возвратно-поступательное движение вдоль оси Х.
Движение заготовки 1 вдоль оси Y, одновременное с движением заготовки вдоль оси Х, выполняется следующим образом. Команда поступает от внешнего блока управления на сервопривод 6, электродвигатель 8 начинает вращение с заданными параметрами, передает вращение на зубчатое колесо зубчато-реечной передачи 12, которое приводит в движение рейку 14, соединенную через толкатель 20 с рамой 17, в результате чего рама 17, на опорных элементах 18 которой расположена горизонтальная штанга 9, совершает линейное поступательное движение в вертикальном направлении (по оси Y), перемещаясь при этом в направляющих 19 (для предотвращения перекосов), вовлекая в это движение горизонтальную штангу 9 с держателями 10 и зафиксированной в них заготовкой 1. При изменении направления вращения электродвигателя 8 направление движения рамы 17, штанги 9 и заготовки 1 по оси Y изменится на противоположное. При этом горизонтальная штанга 9 будет свободно перемещаться в вертикальном направлении относительно рейки 13 сервопривода 5, благодаря выполнению на конце рейки 13 паза 16, в котором размещен палец 15, выполненный на концевом участке горизонтальной штанги 9 и имеющий возможность свободно перемещаться в этом пазу в вертикальном направлении.
Таким образом, благодаря выполнению конструктивной «развязки» (например, как описано выше) обеспечивается возможность осуществления одновременных и независимых друг от друга движений, передаваемых от сервоприводов 5 и 6 на узел крепления 4 заготовки, что позволяет задавать заготовке 1 сложное движение, являющееся суммой одновременных и независимых движений в плоскости заготовки в двух взаимно перпендикулярных направлениях - вдоль оси X и вдоль оси Y. Следует также отметить, что предлагаемое выполнение позволяет реализовать на практике различные законы движения заготовки. При этом описанное выполнение характеризуется конструктивной простотой, технологичностью и эксплуатационной надежностью.
При движении заготовки (как описано выше) в процессе нанесения гальванического покрытия происходит выравнивание условий обработки в горизонтальном и вертикальном направлении всей поверхности (всех участков поверхности) заготовки, в результате чего обеспечивается равномерность и однородность покрытия.
Задавая параметры вращения электродвигателя каждого сервопривода (частоту вращения, направление вращения и интервал времени, через который изменяется направление вращения), определяют параметры движения заготовки по той оси, по которой задает движение данный сервопривод - скорость движения заготовки; ускорение в течение того промежутка времени, когда происходит изменение направления вращения электродвигателя; амплитуда движения заготовки.
Настройки выполняются специалистом-технологом перед выполнением процесса гальванической обработки заготовки печатной платы.
Например, можно реализовать такой закон движения заготовки по каждой оси X и Y, при котором график зависимости скорости от времени будет приближен к меандру, т.е. время изменения направления движения вдоль оси будет минимизировано.
Следует обратить внимание на то, что для оптимального обеспечения выравнивания условий обработки различных участков по всей поверхности заготовки величину амплитуды движения заготовки по оси следует задавать не менее шага между форсунками по этой же оси.
Были проведены контрольно-измерительные исследования опытных образцов заготовок печатных плат (с глухими отверстиями), на которые выполнялось нанесение покрытия с использованием в гальванической ванне узла перемещения заготовки, выполненного согласно заявляемой полезной модели. Результаты проведенного контроля качества нанесения покрытия подтвердили качественное полное заращивание глухих отверстий диаметром вплоть до 0,1 мм и соотношением глубины глухого отверстия к его диаметру вплоть до 1,2:1 при соблюдении требований к толщине слоя меди внутри сквозных отверстий согласно п.2.3.4.1 ГОСТ 23752-79 и требований к пластичности осаждаемого слоя меди согласно ОСТ 107.460092.028-96. Контрольные измерения проводились в лабораторных условиях с применением измерительного металлографического микроскопа МЕТАМ ЛВ-42 и испытательного комплекса ЭЛ-РМ.
Таким образом, использование заявляемого устройства перемещения заготовки в составе гальванической ванны для заращивания медью глухих отверстий позволяет реализовать сложное движение заготовки печатной платы, являющееся суммой двух одновременных и независимых друг от друга возвратно-поступательных движений во взаимно перпендикулярных направлениях (по осям X и Y) в плоскости заготовки. Выполнение указанного сложного движения заготовкой в процессе нанесения гальванического покрытия обеспечивает выравнивание условий нанесения покрытия по всей поверхности заготовки, а именно, на участках, находящихся в центральной области распыления раствора каждой форсунки, в краевой области, а также между форсунками, что в свою очередь обеспечивает равномерность толщины покрытия (т.е. отсутствие наростов на отдельных участках заготовки в виде шариков, бугров, а также толщину покрытия с отклонением от номинала в пределах установленных допусков), а также однородность состава покрытия (т.е. одинаковые физико-механические и химические свойства осажденной меди на всей поверхности заготовки: плотность, пластичность, прочность, состав покрытия, размер зерен и др.).