總銅厚3mm以上超厚銅板量產(chǎn)的專項技術(shù)研究

紀龍江 樊智洪 鄭 威

（大連太平洋電子有限公司，大連 116600）

1 前言

材料在重復或交變應力（交變載荷）作用下而不破壞的最大應力稱為疲勞強度或疲勞極限，是機械零件失效的主要原因之一。對于PCB機械數(shù)控鉆床而言，主軸結(jié)構(gòu)均是空氣軸承，所能承受的軸/徑向機械外力較小，長期在重載荷作用下必然會對主軸精度、夾緊力狀態(tài)造成一定影響，使其過早喪失鉆削功能，并隨著主軸使用壽命的降低，在8 000 h左右，當其扭力降到一定程度時（一般在300 g左右，最低控制在200 g以上），對于加工總銅厚3 mm（3000 μm）左右，總板厚約5 mm的工件時非常容易出現(xiàn)斷刀、孔壁異常等一系列問題。在客戶要求越來越高、銅箔越來越厚、設備越來越老化、持續(xù)控制成本和節(jié)約能源的前提下，我們是如何使用常規(guī)刀具在扭力僅300g左右的主軸上對超厚銅板（以下均指單層420 μm/總厚超過3 000 μm）進行高速、高效鉆削的一種加工方法。

2 存在問題

在最大扭力不足500 g的空氣軸承結(jié)構(gòu)的機械數(shù)控鉆床伺服主軸上加工超過一定厚度的覆銅板時發(fā)生圖1所示缺陷的概率將非常高，幾乎無法正常生產(chǎn)，產(chǎn)品質(zhì)量更是無法保證！

圖1 超厚銅板量產(chǎn)時存在的問題

這是我公司某客戶的一份8層板，單內(nèi)層銅厚420 μm，外層層銅210 μm，總銅厚約3 000 μm，鋁質(zhì)蓋板厚200 μm，總金屬切削厚度達到3 200 μm，層壓板厚約5 000 μm，這類板的鉆孔加工難度極高。雖然我們通過之前的研究成果可以量產(chǎn)，但是加工適應性很低，無論是對設備、刀具、參數(shù)的匹配性等各方面都有較高的要求，再加上實際生產(chǎn)過程中客觀存在的一些問題，如設備的老化、人員的變更等，稍有不慎就會有上面所示問題發(fā)生，再加上特殊刀具的采購成本高、周期長等因素，一系列問題便被逐漸顯露出來，真正給厚銅電源板的穩(wěn)定量產(chǎn)帶來較大影響，同時也迫使我們工程技術(shù)人員必須要想出有效辦法來解決此問題，因此，如何使用常規(guī)刀具并且在300 g左右夾緊力的主軸上對總銅厚達3 000 μm的超厚銅板進行高速、高效、高品質(zhì)的加工便成為最新研究課題！

3 問題分析

圖1中，我們清楚的看到基材碳化、銅箔變形、焊盤脫落、外觀發(fā)白、分層等一系列問題，分析主要產(chǎn)生原因是由于主軸動態(tài)鉆削扭力不足以克服鉆削抗力而導致孔質(zhì)量惡化的一種物理現(xiàn)象，鉆削力不足使材料在被切削時產(chǎn)生的彈性變形過大、切削時間長、摩擦時間長、切削熱過高，切削熱過高又導致銅層熱脹冷縮的變化量加大，最終使刀具喪失切削力使產(chǎn)品廢棄，而且對設備壽命亦造成更為嚴重影響。下面具體分析。

3.1 主軸結(jié)構(gòu)

對于PCB機械數(shù)控鉆床，在最高轉(zhuǎn)速一定的前提下主軸鉆孔精度、最大/小孔的加工極限是評價其加工能力及壽命的主要技術(shù)指標與關(guān)鍵控制點，而夾頭的主要作用就是對力、速度與位移的連接與傳遞，是伺服執(zhí)行機構(gòu)的末端部件，能將主軸的轉(zhuǎn)速、扭矩、Z向位移精準無損的傳遞給刀具。夾緊力的大小是評價夾頭狀態(tài)的主要手段之一，一般要求在加工φ4.0 mm以上孔徑時的主軸夾緊力不得低于500 g。根據(jù)圖2所示，假設理論轉(zhuǎn)速為S，實際轉(zhuǎn)速為V，一般要求。

圖2 數(shù)控鉆床主軸結(jié)構(gòu)效果

S×1.05≥V≥S×0.95

V1≈V2，F(xiàn)1=F2

當夾頭的夾緊力不足以有效克服鉆削抗力時，“V2”＜“V1”，鉆柄與夾頭之間產(chǎn)生相對滑動，所產(chǎn)生的摩擦力會迅速轉(zhuǎn)變成摩擦熱使金屬部分受熱變形，使鉆削過程進一步惡化。

3.2 鉆孔參數(shù)的匹配性失衡

鉆孔參數(shù)的內(nèi)在設計是基于切削速度、切削力、切屑變形、切削熱的狀態(tài)進行的，常規(guī)情況下當轉(zhuǎn)速、進給一定時，鉆頭每轉(zhuǎn)進給量“f”便確定，結(jié)合公式（1）：

在材料及鉆削參數(shù)一定的前提下，鉆削抗力主要受鉆頭直徑的影響，鉆頭直徑越小，切削力越小，越容易切削，當鉆頭直徑一定時，進給量“f”對鉆削抗力“F”的影響就非常大，“f”越大，“F”越大，再根據(jù)鉆削扭力公式（2）：

在扭矩方面亦是相同原理，當進給量“f”增大時對扭矩“M”的影響是非常大的，f越大，M越大。

我們假設進給量用f表示，單位μm/r；進給速率用F表示，單位mm/min（in/min）；轉(zhuǎn)速用S表示，單位kr/min，則根據(jù)下面公式，S降低，f增大，則F、M均增大。

f＝F×25.4mm／S

綜合以上分析，當主軸扭力不足時，V2＜V1即“掉轉(zhuǎn)現(xiàn)象”，當V2由正常的100%逐漸降至0時，“f”逐漸趨于無究大，切削熱短時間內(nèi)急劇升高并使樹脂碳化、斷刀等一系列問題隨即發(fā)生，并嚴重危害主軸壽命！

4 采取措施

4.1 優(yōu)化預鉆孔方式，以降低切削力

預鉆孔最主要目的就是斷屑、化解鉆削力，需要注意的并不是預鉆孔數(shù)越多越好，而是側(cè)重斷屑還是化解鉆削抗力，要綜合考慮設備的性能狀態(tài)與對生產(chǎn)效率的影響，在能滿足產(chǎn)品質(zhì)量要求的前提下，預鉆孔數(shù)量是越少越好。

不同廠家都有不同的預鉆孔方式，但是萬變不離其中，在實際設計預鉆孔的加工方案時必須要注意以下幾點，否則不但解決不了問題還會使問題惡化。

（1）“A”、“B”、“C”，均為預鉆孔，其分布位置要對稱，數(shù)量為鉆頭齒數(shù)的偶數(shù)倍，“A”與“C”要配合使用，大小隨“D”的大小而變化；

（2）要保證“A”、“C”、“D”這間的“Δ”越小越好，可以有效減小鉆屑變形，減小鉆削力；

（3）“B”主要是減小軸向力作用，因為有8%左右的鉆削抗力是由鉆頭橫刃產(chǎn)生的，同時也要考慮鉆頭下鉆時可能會由于“B”的原因造成定心不準或左右擺動現(xiàn)象，一般設計不易超過0.5D；

（4）“λ”是為了“保護”鉆削力對孔壁的沖擊而設計的銅層寬度，具體設計時應結(jié)合板厚、疊層高度進行，一般最小值不應低于30 μm，如果設計過大亦可能達不到預期效果，過小可能會對孔壁造成其它影響，因此要十分注意；

（5）ε1、ε2為預鉆孔間的留筋寬度，在保證一定強度的前提下越小越好，ε1一般最小值不低于100 μm；ε2一般不超過180 μm。

圖3 超厚銅板預鉆方法示意圖

4.2 優(yōu)化鉆孔參數(shù)，減小切屑變形，降低切削熱

鉆孔參數(shù)的設計是亦是非常關(guān)鍵的，科學合理的鉆孔參數(shù)能非常有效的減小摩擦力與切削溫度，這當中要以切削速度與進給量的影響最大，根據(jù)金屬切削原理公式（3）。

式中：θ—切削溫度

Cθv—對單因素Vc的切削溫度公式的系數(shù)

X—切削速度對切削溫度的影響指數(shù)

根據(jù)切削原理，一般情況下X≈0.26～0.41，進給量越大，則X越小，這是因為進給量越大，切屑厚度越大，切削的熱容量就越大，而且，進給量的增加能使單孔加工周期縮短，所以切削區(qū)的溫度上升較為緩慢，另外，轉(zhuǎn)速越高，切削力越大，切削熱就越大，但是單位切削力會降低，綜合考慮還是要盡量適當?shù)慕档娃D(zhuǎn)速、增大進給量以改善切削熱狀態(tài)。

4.3 調(diào)整刀具幾何角度，減小銅絲纏繞現(xiàn)象，改善毛刺狀態(tài)

如圖4所示，通過不同的鉆尖研磨角度α1、α2可以使刀具在鉆削時產(chǎn)生不同的軸/徑向力，鉆尖角越大，徑向?qū)妆阢~層的擠壓力越小，軸向力越大。在實際生產(chǎn)過程中，當鉆孔參數(shù)一定時，可適當對刀具的鉆尖研磨角度進行調(diào)整，以改善刀具對孔壁的擠壓力，改善孔邊的毛刺狀態(tài)。目前常用的鉆尖角度有三種，分別為φ130°（D≤φ3.150 mm）、φ150°和φ165°（D＞φ3.150 mm），可在φ130°的基礎上適當增加研磨角度使切削層寬度縮小，銅絲纏繞的可能性就降低或消除。

圖4 不同鉆尖角對材料的擠壓力分析

4.4 合理優(yōu)化主軸的維護保養(yǎng)，延長主軸壽命

主軸的失效模式分兩種，要么由于軸承磨損造成的精度偏差大，要么是由于夾頭維護保養(yǎng)及日常使用不當造成的夾緊力不足。在實際生產(chǎn)過程中，對主軸的維護保養(yǎng)主要注意以下幾個方面：

（1）在主軸連續(xù)運轉(zhuǎn)狀態(tài)下，必須保證每24小時內(nèi)清洗一次夾頭；

（2）要使用正規(guī)的清潔劑，能有效清除夾頭內(nèi)的粉塵雜質(zhì)，但不過度向夾頭內(nèi)噴射，一般連續(xù)噴射不超過三下為宜；

（4）要定期對主軸的夾緊力狀態(tài)進行檢測，要根據(jù)主軸的夾緊力狀態(tài)有針對性的進行選擇使用，盡量不要拿夾緊力不足300 g的設備加工銅箔較厚（單層420 μm以上）、疊層較高（4.8 mm以上）的生產(chǎn)板，避免對夾頭造成過度磨損，同時對產(chǎn)品質(zhì)量也是較大的危害；

（5）要定期對主軸的徑跳進行檢測，并且千萬保證不要使主軸受到外力撞擊以免影響主軸精度。

5 實驗確認

通過以上的綜合分析結(jié)果，我們成功進行了實驗論證，下面我們就展示一下我們是如何使用夾緊力為300 g的普通主軸，并選擇常規(guī)刀具加工總銅厚超過3 000 μm、總層壓板厚約5 000 μm生產(chǎn)板的一種加工方法。

5.1 實驗圖形（圖5）

圖5 超厚銅板實驗圖形設計方案示意圖

（1）H/V孔間距10 mm/U間距20 mm；焊盤徑=刀徑+1400 μm；孔數(shù)，500孔/列，100孔/U；

（2）8層-高Tg板材，銅厚420 μm/層，累計420×8=3360 μm，鋁質(zhì)上蓋板，200 μm；

（3）排版尺寸457 mm×610 mm（18 in×24 in），層壓板厚4500 μm。

5.2 實驗方案

（1）使用整體/焊接硬質(zhì)合金鉆頭，鉆頭幾何結(jié)構(gòu)、角度暫不做調(diào)整；

（2）鉆孔疊1層，使用最高轉(zhuǎn)速為120 kp/min的機械數(shù)控鉆床加工；

（3）實驗刀具選擇φ4.00 mm/φ5.00 mm/φ6.50 mm三種加工難度較大孔進行；

（4）實驗刀具鉆頭前要全數(shù)檢測確認主/副切削刃狀態(tài)，工具X80倍放大鏡，

（5）鉆孔參數(shù)設“參數(shù)A～E”共五套方案，進給速率從參數(shù)A開始按25%遞增，轉(zhuǎn)速不變；

（6）預鉆孔方式按上面分析方法進行，加工過程確認沒有異常斷刀現(xiàn)象發(fā)生；

（7）鉆孔后確認孔邊無明顯毛刺及外觀發(fā)白（將外層銅剝掉確認）等不良現(xiàn)象；

（8）電鍍后制切片確認釘頭狀態(tài)、燈芯狀態(tài)、焊盤脫落狀態(tài)、基材碳化等孔壁狀態(tài)等現(xiàn)象；

（9）SES后用微電阻測試儀確認初始/3次REFLOW后的阻值變化率情況，要求不大于2%。

5.3 實驗結(jié)果

從上面實驗結(jié)果中，參數(shù)A完全不能滿足要求，不合格，參數(shù)E效率最高且各項技術(shù)指標均能滿足要求，合格，評價為最佳方案。

5.4 效果展示

從上表中選擇最佳參數(shù)方案（參數(shù)E）中加工難度最大的φ6.50 mm孔進行效果展示。

我們成功運用中等夾緊力狀態(tài)的主軸（300g左右），在不采用特殊刀具的前提下，經(jīng)過對預鉆孔方式、鉆孔參數(shù)的調(diào)整，實現(xiàn)了超厚銅板的常規(guī)化量產(chǎn)，且生產(chǎn)效率較之前至少提高至少2倍以上，使該類別生產(chǎn)板的現(xiàn)場可加工性得到很大的提升。目前該類別生產(chǎn)板在我公司已批量生產(chǎn)，并且針對超厚銅板的具體加工方法我們經(jīng)過進一步的優(yōu)化與完善后，已形成規(guī)范。

6 結(jié)論、今后課題及研究方向

（1）通過該項鉆孔技術(shù)成功解決在普通數(shù)控鉆床上量產(chǎn)總銅厚3 000 μm超厚銅板的技術(shù)難題。

（2）要科學正確的對主軸進行日常維護與保養(yǎng)，定期進行主軸徑跳、夾緊力的測試，避免主軸在已惡化或狀態(tài)不良的狀態(tài)下進行重度使用，否則會加速縮短主軸的壽命，如精度不良、夾緊力喪失等。

（3）對應汽車用厚銅電源板的高性能、高可靠性、安全性考慮，針對不同板材、不同疊層、不同銅箔厚度的多層板應給予更加切實性的對應。今后，對新加工技術(shù)的開發(fā)也會及時的開展下去。

[1] 陳玉婷,陳曉宇等. 高厚銅板鉆孔工藝探討[C]. 2011秋季國際PCB技術(shù)/信息論壇.

[2] 紀龍江等. 420μm以上超厚銅線路板鉆孔加工技術(shù)研究[C]. 2012春季國際PCB技術(shù)/信息論壇.

[3] 韓榮第,周明. 金屬切削原理與刀具[M]. 哈爾濱工業(yè)大學出版社, 1997,4.

[4] 李旦,王廣林,李益民. 機械制造工藝學[M]. 哈爾濱工業(yè)大學出版社, 1997,10.