PCB數(shù)控背鉆機(jī)械鉆孔機(jī)鉆孔深度異常原因分析

劉定昱 王 星 蔡小麗 翟學(xué)濤（深圳市大族數(shù)控科技有限公司，廣東 深圳 518057）

PCB數(shù)控背鉆機(jī)械鉆孔機(jī)鉆孔深度異常原因分析

Paper Code: S-049

劉定昱 王 星 蔡小麗 翟學(xué)濤
（深圳市大族數(shù)控科技有限公司，廣東 深圳 518057）

通訊行業(yè)的發(fā)展對高頻電路板制造的需求越來越高，為確保高頻信號的完整性和阻抗連續(xù)性，在PCB制造過程中采用和常規(guī)制造不同的工藝流程。全工藝流程的核心工藝為背鉆工藝，背鉆工藝采用有特殊控深功能的PCB數(shù)控機(jī)械鉆孔機(jī)對多余的過孔分支進(jìn)行鉆除。在背鉆加工過程中，鉆深和鉆淺是影響背鉆功能的兩大因素，特別是鉆深。如果在加工過程中出現(xiàn)鉆深，該通訊背板將無法使用，直接造成報(bào)廢。通訊背板單價(jià)昂貴，且背鉆工序處于全工序的后段工序，所以對設(shè)備和工藝可靠性要求很高。本文從PCB數(shù)控背鉆機(jī)械鉆孔機(jī)設(shè)備和背鉆鉆孔工藝的角度，對引起鉆孔深度異常的原因進(jìn)行大量的實(shí)驗(yàn)和分析，并給出可行的處理辦法。

背鉆；鉆深；鉆淺；通訊背板；PCB數(shù)控背鉆機(jī)械鉆孔機(jī)

隨著全球通訊行業(yè)的迅速發(fā)展，高階多層通訊板需求急劇增加，4G或更高頻數(shù)字信號傳輸對高頻電路板制造提出更高的要求。普通多層線路板在信號經(jīng)過時(shí)在過孔處有不連續(xù)信號通路，容易引起阻抗不連續(xù)，并帶來衰減、反射、延遲等信號完整性問題。為了解決過孔帶來的信號完整性問題，PCB廠商多采用背鉆工藝加工特殊的多層線路板來確保信號的完整性，行業(yè)內(nèi)也稱這種板為通訊背板。

通訊背板采用和常規(guī)制造不同的工藝流程，全工藝流程中核心工藝為背鉆工藝，如圖1所示。背鉆工藝一般在圖電后，所以需要二次定位，這樣對鉆孔機(jī)的精度要求高。

圖1 通訊背板制造流程

背鉆是用比鉆孔工序更大直徑的鉆頭，從過孔的背面將沉銅電鍍孔內(nèi)多余的過孔分支金屬鉆掉，如圖2所示。由于鉆頭端部有鉆尖角，過孔分支不可能完全去除掉，剩余過孔分支在業(yè)內(nèi)被稱為Stub，其長度為B值。

圖2 背鉆示意圖

目前，業(yè)內(nèi)B值一般保持在50～150 μm范圍內(nèi)， B值太大影響信號傳輸， B值太小Stub在后續(xù)的蝕刻工序中有被蝕刻掉導(dǎo)致斷路的可能。隨著PCB向高密集、微型化發(fā)展，層間厚度越來越小，B值也逐步變小。影響B(tài)值公差的主要因素有介質(zhì)厚度公差、鋁片厚度公差和PCB機(jī)械背鉆鉆孔機(jī)的背鉆控深精度。

業(yè)內(nèi)，背鉆工藝的兩大難點(diǎn)是鉆深和鉆淺。在加工過程中出現(xiàn)鉆深，是無法彌補(bǔ)的，會直接導(dǎo)致整板報(bào)廢。通訊背板價(jià)格昂貴，同時(shí)由于背鉆在制程的最后幾道工序，所以出現(xiàn)鉆深造成的損失較大。因此每家公司對背鉆的設(shè)備和工藝要求極高。引起深度異常的原因綜合了工藝和設(shè)備等不確定因素。由于背鉆完成后，其鉆孔深度無法立刻檢查，所以背鉆深度異常問題一般在幾個(gè)工序以后才能檢查出來，追述問題的原因就異常困難。而大部分生產(chǎn)企業(yè)，背鉆深度異常一兩個(gè)月會發(fā)生一次，所以找到影響深度異常的因素有著重大的意義。

1 背鉆功能的實(shí)現(xiàn)原理及系統(tǒng)構(gòu)成

PCB數(shù)控機(jī)械鉆孔機(jī)上實(shí)現(xiàn)背鉆加工，常用辦法是將PCB數(shù)控機(jī)械鉆孔機(jī)上的氣浮主軸作為信號通道，視其為電容，壓縮空氣為絕緣介質(zhì)，動(dòng)子和定子為電容的兩極。將鋁片通過蘑菇頭接地，控制板產(chǎn)生交流信號通過氣浮主軸，當(dāng)氣浮主軸夾持刀具碰到覆蓋在PCB板上的鋁片時(shí)形成回路，而刀具離開鋁片則信號斷路。當(dāng)信號回路形成瞬間Z軸方向上的光柵尺讀數(shù)頭記錄的位置即為背鉆起點(diǎn)位置，借助Z軸光柵尺進(jìn)行精確的深度控制鉆孔完成背鉆，如圖3所示。

圖3 背鉆加工示意圖

為提高鉆孔加工效率，多采用6軸級聯(lián)的PCB數(shù)控機(jī)械鉆孔機(jī)進(jìn)行加工。

礦區(qū)內(nèi)共發(fā)現(xiàn)19條煤脈，其中主要煤脈7條，次要煤脈12條。它們均產(chǎn)于河瀝溪組地層的斷裂破碎帶中，其產(chǎn)狀和形狀，嚴(yán)格地受斷裂構(gòu)造所控制，酷似熱液貫入的金屬礦脈。常明顯切穿地層層理，而與斷層面的產(chǎn)狀相吻合，并隨相應(yīng)斷裂帶的產(chǎn)狀變化而變化。因其傾角較陡(>60°)，可稱之為“立槽型”煤脈。

6軸級聯(lián)背鉆加工設(shè)備中，電氣采用CBTD（接觸鉆信號控制）板和Z軸光柵尺共同反饋信號到運(yùn)動(dòng)控制器里實(shí)現(xiàn)深度控制的加工。

在軟件系統(tǒng)中，背鉆一般有LODI和SUTO兩個(gè)參數(shù)值供修改，定義了平面范圍LODI內(nèi)允許的Z軸方向的深度控制誤差值SUTO。因在被加工范圍內(nèi)，作為地回路的鋁片表面平整度非常高，在100 mm范圍內(nèi)，誤差一般都可以控制在正負(fù)0.02 mm內(nèi)，LODI設(shè)定為10 mm ～ 100 mm范圍，前后兩孔的觸發(fā)表面應(yīng)該在SUTO范圍內(nèi)，如果前后孔超出SUTO設(shè)定值，則以上次孔深度為參考加工。

圖4 LODI和SUTO參數(shù)描述

2 引起鉆孔深度異常的原因與分析

不同廠家生產(chǎn)的PCB數(shù)控機(jī)械鉆孔機(jī)都有類似LODI和SUTO參數(shù)設(shè)置控制，但是在實(shí)際加工中仍然不時(shí)發(fā)生背鉆深度異常。對這些異常進(jìn)行深入的分析，為分析更準(zhǔn)確，設(shè)定SUTO值為正負(fù)0.1 mm，LODI值為50 mm，在LODI參數(shù)范圍內(nèi)，SUTO值超出設(shè)定范圍后，上位機(jī)報(bào)警，同時(shí)捕捉接觸鉆信號控制板上的示波器圖形，示波器上捕捉的圖形是時(shí)間信息，其屏幕上顯示的最后一個(gè)波形為報(bào)警發(fā)生時(shí)的波形，從波形和時(shí)間信息來對比上位機(jī)的Z向觸發(fā)位置異常信息，以尋找異常出現(xiàn)時(shí)候的原因。

2.1 電木板表面不平整引起的鉆孔過深或者鉆淺

示波器通道1和通道2分別記錄的是1號軸的采樣信號和輸出波形，通道3和通道4記錄2號軸的采樣信號和輸出波形，LODI值為50 mm，SUTO值為正負(fù)0.1 mm，在鉆孔過程中，偶爾在示波器上出現(xiàn)1號軸比2號軸提前9.8 ms觸發(fā)現(xiàn)象。

Z軸下行速度為0.8 m/min， 在9.8 ms內(nèi)移動(dòng)的距離為0.13 mm，說明1號軸的刀尖提前0.13 mm碰到鋁片表面。從波形上分析，無任何異常，表示1號軸異常發(fā)生時(shí)，鋁片表面比前一孔提高0.13 mm。經(jīng)切片處理后測試，發(fā)現(xiàn)該孔出現(xiàn)鉆深0.13 mm現(xiàn)象。

分析其他切片正常的孔的波形圖，正常鉆孔時(shí)，1號軸比2號軸普遍滯后0.4 ms觸發(fā)。分析原因，主要是Z軸等高和板材在50 mm平面范圍的誤差造成，可以滿足客戶使用要求。

圖5 鉆孔順序陣列示意圖

鉆孔點(diǎn)采用單點(diǎn)觸發(fā)，記錄鉆孔表面觸發(fā)值。鉆孔完成后，橫向偏移1 mm的位置再重新鉆一遍。根據(jù)系統(tǒng)觸發(fā)值繪制加工平面圖，第一次鉆孔和第二次鉆孔所繪圖形趨勢基本一致。說明從示波器上觀察到的提前和滯后觸發(fā)來源確定為板面不平整。

根據(jù)上面得到的啟發(fā)，把同次加工的6個(gè)軸表面觸發(fā)位置圖繪制出來，發(fā)現(xiàn)各軸圖形形狀并不一致，表面都有0.2～0.3的變化值。

針對上述現(xiàn)象，針對6號軸比較突出的點(diǎn)，從上到下檢驗(yàn)。鋁片、背鉆板、紙板、都很平整，沒有異常突起或凹陷現(xiàn)象。在突出點(diǎn)位置，用2 kg壓力模擬加工狀態(tài)下壓腳下壓，用千分表測量異常位置，發(fā)生0.2 mm左右凸起。移除被加工板，發(fā)現(xiàn)該位置有銷釘孔劈鋒。電木板單價(jià)昂貴，客戶會反復(fù)使用，多次使用后，電木板表面會密布銷孔，銷孔劈鋒無法避免。

客戶端同行設(shè)備出現(xiàn)故障，進(jìn)行同樣測試時(shí)，對6個(gè)軸的表面觸發(fā)圖繪制出來，每個(gè)軸的表現(xiàn)不一，較好表面在0.2～0.25范圍變化，5號軸與6號軸分別有0.8和0.9高度變化。

為避免該問題出現(xiàn)，首先要盡量保證背鉆板表面平整度在0.2 mm以內(nèi)變化，其次應(yīng)避免使用超出SUTO值后，以前一個(gè)孔作為參考深度，如圖6所示。當(dāng)鉆到第4只孔時(shí)，由于孔4距離孔3在LODI設(shè)置范圍內(nèi)，且孔4位置突起導(dǎo)致表面觸發(fā)值與孔3位置表面觸發(fā)值差異大于SUTO值，那么孔4的終鉆位參考孔3終鉆位，導(dǎo)致孔4鉆深。

經(jīng)多次測量，如果電木板正常公差，銷釘孔無劈鋒，電木板螺釘無凸起現(xiàn)象，整個(gè)背鉆板表面平整度在0.2 mm范圍內(nèi)變化，所以可將SUTO值設(shè)置為大于0.3 mm來避免因軟件保護(hù)帶來鉆深和鉆淺。

圖6 SUTO設(shè)置過小引起的鉆深

2.2 刀具纏屑引起的提前觸發(fā)導(dǎo)致鉆淺

用多通道示波器分別監(jiān)控不同軸的接觸鉆信號控制板，示波器屏幕實(shí)時(shí)圖像顯示刀尖觸碰鋁片的波形為刀具接觸鋁片時(shí)為高電平，離開鋁片時(shí)為低電平。在試驗(yàn)過程中，分析原因確定，在刀具接觸鋁片前有短暫的導(dǎo)通形成電流回路，造成提前觸發(fā)，經(jīng)切片分析，這些孔出現(xiàn)背鉆深度過淺。

經(jīng)實(shí)際的加工檢驗(yàn)，主要是鉆孔過程中，鋁片加工產(chǎn)生的長金屬屑纏繞在刀具上，在加工下一個(gè)孔的時(shí)候，造成金屬纏繞物提前接觸鋁片，形成回路提前觸發(fā)造成鉆孔深度過淺。

解決方向是在加工過程中不產(chǎn)生長金屬屑或即使有長金屬屑在加工過程中也不會提前觸發(fā)，根據(jù)行業(yè)內(nèi)的加工方式，在接地鋁片上面再放一層薄酚醛樹脂蓋板，這樣既可以減少長金屬屑也可以防止金屬屑提前觸發(fā)導(dǎo)電鋁片。

2.3 長金屬屑造成刀具與接地吸屑罩短路引起的提前觸發(fā)鉆淺

纏繞在刀具上的長金屬屑也會造成刀具和吸屑罩導(dǎo)通，造成回路提前觸發(fā)。吸屑罩主要是在加工過程中把加工下來的粉屑吸走，但在吸的過程中會造成長金屬屑將刀具和吸屑罩導(dǎo)通。

解決的方向是將吸屑罩與地絕緣，并與主軸定子導(dǎo)通，因此吸屑罩與刀具等電位。即使吸塵過程中長金屬屑將刀具和吸屑罩導(dǎo)通也不會引起任何提前觸發(fā)信號產(chǎn)生。

2.4 重復(fù)鉆孔引起的鉆孔過深

在加工過程中發(fā)生斷刀或其他異常中斷后，更換刀具后重新鉆孔。在加工次孔時(shí)會出現(xiàn)觸發(fā)報(bào)警并顯示首孔波形異常。一般控制系統(tǒng)軟件中，為確保在斷刀后不會出現(xiàn)漏鉆或鉆淺，系統(tǒng)默認(rèn)斷刀后對已經(jīng)完成的孔進(jìn)行補(bǔ)孔。對普通通孔加工沒有影響，但是對深度控制的背鉆加工，因第一次加工時(shí)，鋁片已經(jīng)被鉆過，造成表面觸發(fā)值低，導(dǎo)致鉆深。在背鉆機(jī)器中需要屏蔽重鉆功能，在全部背鉆孔加工完成后，再重新更換鋁片進(jìn)行補(bǔ)鉆。

2.5 蘑菇頭接地不良引起鉆深

背鉆功能的信號檢測是讓交流信號通過氣浮主軸，當(dāng)氣浮主軸夾持刀具碰到覆蓋在背鉆板材上的接地鋁片時(shí)形成回路，離開鋁片則信號斷路。接地鋁片是通過蘑菇頭接地的。如果蘑菇頭接地不良，那么當(dāng)?shù)毒吲龅戒X片表面，回路沒有形成，上位機(jī)默認(rèn)還沒有找到表面觸發(fā)位置，開始直接鉆孔，造成鉆深發(fā)生。在背鉆中一定確保蘑菇頭接地良好。

3 加工樣件切片分析

使用上述5種工藝改善后的大族數(shù)控HANS-F6MB背鉆機(jī)型進(jìn)行加工測試，六個(gè)軸同時(shí)鉆0.4 mm、0.85 mm、1.6 mm、2.3 mm、2.7 mm五種不同深度的孔，隨機(jī)取樣并進(jìn)行加工切片。為測量準(zhǔn)確，采用放大100倍光學(xué)顯微鏡，隨機(jī)取樣5個(gè)樣本進(jìn)行切片測量，并統(tǒng)計(jì)切片數(shù)據(jù)如表1。

表1 HANS-F6MB 6個(gè)軸鉆5種深度不同孔切片數(shù)據(jù)（mm）

目前，業(yè)內(nèi)高端主流背鉆鉆深精度公差為±0.05 mm，業(yè)內(nèi)背鉆深度異常引起的報(bào)廢率要求控制在3‰內(nèi)。從表1可以看到最大深度差異軸為1號軸所鉆孔5位置，其背鉆深度公差為負(fù)46 μm，完全滿足生產(chǎn)需求。

4 結(jié)論

基于大族HANS-F6MB背鉆機(jī)型的精度和可靠性，輔以文中全部工藝改善，通過多臺機(jī)器大批量的背鉆板加工測試，深度控制良好，表面觸發(fā)穩(wěn)定，無鉆深和鉆淺現(xiàn)象發(fā)生。

經(jīng)多次測試，文中每種工藝對于背鉆深度控制是必要的，也從試驗(yàn)中驗(yàn)證測試和實(shí)驗(yàn)方法是可行的和正確的。

引起背鉆深度異常原因復(fù)雜，除設(shè)備因素外，還有工藝因素、生產(chǎn)過程因素、人為因素等，除上述試驗(yàn)的影響因素外，更多細(xì)致的影響因素需PCB生產(chǎn)廠商和更多的鉆機(jī)設(shè)備生產(chǎn)廠家更深入的研究。

[1] 徐偉. 高速通信電路系統(tǒng)背板過孔影響的研究[J]. 電子科學(xué), 2010(19)∶10-12.

[2] 陳健. 機(jī)械背鉆孔制作技術(shù)研究淺談[J]. 印制電路信息, 2014(1)∶59-62.

Abnormal over-depth drilling analysis on PCB CNC backdrilling

LIU Ding-yu WANG Xing CAI Xiao-li ZHAI Xue-tao

The telecommunication industry development imposes growing high requirements on high frequency PCB manufacturing. And in order to keep high frequency signal integrity and consistent impedance, the process and technology different from conventional manufacturing must be used. The core of such a full process is backdrilling process, which utilizes special depth controlled PCB CNC drilling machine to drill redundant via branches. During backdrilling process, over-depth(overrun) or under-depth(underrun) are the two main factors which affect backdrilling functionality and quality, especially, if over-depth occurred, it will cause direct faulty of backplane board and lead to backplane board malfunction. As a result, backplane can’t be used anymore. The expense of backplane board is high and usually backdrilling is in the last stage of whole backplane board manufacturing. Thus it needs high reliability on drilling equipment and process. From the point of backdrilling process and PCB CNC drilling machine control, this paper analyzed over-depth root causes based on a large amount of real tests and gave a practical solution method on over-depth drilling issue.

Backdrilling; Over-Depth; Under-Depth; Telecommunication Backplane Board; PCB CNC Drilling Machine

TN41

A

：1009-0096（2015）03-0046-05