基于薄膜热电偶的PCB原位钻削温度测试技术研究

作     者：牟瑜 

作者单位：大连交通大学 

学位级别：硕士

导师姓名：崔云先

授予年度：2019年

学科分类：080903[工学-微电子学与固体电子学] 080503[工学-材料加工工程] 0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 0802[工学-机械工程] 080201[工学-机械制造及其自动化] 

主      题：薄膜热电偶 有限元仿真 印刷电路板 原位钻削温度 磁控溅射 

摘      要：随着计算机、移动设备、通讯设施等行业的高速发展,印刷电路板被广泛应用于工业生产和日常生活中。印刷电路板制作过程复杂,其中孔的加工是关系电路板质量重要的一步,用于孔加工的钻头直径较小,在0.1mm-1mm之间,钻孔设备主轴转速较高,加之印刷电路板的板层结构构成复杂,导致钻削区域由于热力耦合作用产生的大量切削热,传统的温度测试方法存在感温时间长、受环境影响大等缺点,无法实现实时准确的测量。本文针对以上问题,将薄膜热电偶直接沉积在印刷电路板表面,结合对温度信号的高速采集,实现了钻削过程中温度实时准确的原位测量。具体研究内容如下:根据印刷电路板的截面结构采用材料交替叠层建模方法建立微钻和印刷电路板有限元模型,对钻削过程进行仿真,得到温度场分布云图和温度变化曲线,结果表明:温度场主要分布于以钻头轴线为轴的圆柱体区域内,随着钻头的深入,孔壁处结点温度逐渐升高,在钻透电路板时底部孔壁处温度最高,以此确定了薄膜热电偶溅射于印刷电路板表面的最佳温度测量方法。采用直流脉冲磁控溅射方法在印刷电路板表面制备SiO2绝缘薄膜、NiCr/NiSi热电偶薄膜和SiO2保护薄膜构成薄膜热电偶传感器。研究发现采用分次沉积方法制备的SiO2绝缘薄膜膜厚均匀、绝缘性能优良,其绝缘电阻达到3.65×107Ω,制备的NiCr/NiSi薄膜热电极表面致密均匀、无明显缺陷。采用自行研制的静态自动标定系统对制备的薄膜热电偶传感器进行静态特性研究,结果表明薄膜热电偶传感器的塞贝克系数为37.4μV/℃,非线性误差以及重复性误差分别为0.65%、1.13%,表明传感器灵敏度高,线性度和测温稳定性好。对薄膜热电偶传感器进行动态特性研究,得到热电偶的动态响应时间为95μs,与理论计算值39.35μs相近,均为微秒级别。通过现场钻削实验对印刷电路板原位钻削温度进行了实时测量,结果显示4层、12层、20层的最高温度分别为49.33℃、53.92℃、63.94℃,实验结果表明薄膜热电偶传感器响应迅速、感温速度快,可以实现印刷电路板钻削过程中原位温度测量,为原位钻削温度测量提供了新的技术手段和方法。