高厚度鋁基微波印制板加工技術(shù)的研究

紀(jì)龍江 姜曙光 王俊浩（大連崇達(dá)電路有限公司，遼寧 大連 116600）

高厚度鋁基微波印制板加工技術(shù)的研究

紀(jì)龍江 姜曙光 王俊浩
（大連崇達(dá)電路有限公司，遼寧 大連 116600）

鋁基厚度在5mm以上，絕緣層為聚四氟乙烯，厚度超過(guò)0.5mm。作為高頻微波通信用線路板。這類板子在加工中主要存在三個(gè)問(wèn)題：首先，板子厚、散熱差、孔邊毛刺大、披峰嚴(yán)重，鉆孔時(shí)斷刀率高；其次，銑鋁基外形和盲槽難度大、銑削效率低，嚴(yán)重影響生產(chǎn)效率；再次，蝕刻時(shí)，溶液侵蝕鋁基面。本人通過(guò)扎實(shí)的理論基礎(chǔ)與反復(fù)的工藝試驗(yàn)，最終解決了高厚度鋁基微波板在機(jī)械加工過(guò)程中的技術(shù)難題，最終達(dá)到穩(wěn)定量產(chǎn)的技術(shù)水平。

鋁基板；鉆孔；銑削

1 前言

隨著信號(hào)傳輸?shù)母哳l化、高速數(shù)字化、高密度化、多功能化的發(fā)展要求，特別是大功率電源層、電源專用的PCB和高多層板的應(yīng)用場(chǎng)合，對(duì)產(chǎn)品的使用壽命、使用安全性、穩(wěn)定性、可靠性、散熱性等提出越來(lái)越高的要求，鋁基板以其優(yōu)良的物理性能及使用效果得到了市場(chǎng)的認(rèn)可與青睞，并且隨著中國(guó)電子產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展，在電子、通信、電源、LED照明、汽車、馬達(dá)、特種燈源、背光顯示屏等工業(yè)領(lǐng)域會(huì)越來(lái)越多地應(yīng)用金屬基板。深圳艾默生、中興、瑞谷、比業(yè)迪、偉易達(dá)、飛利浦等著名電子企業(yè)，已經(jīng)大批量地把鋁基板用到產(chǎn)品上，未來(lái)幾年，鋁基板將會(huì)得到更加廣泛的應(yīng)用。對(duì)于鋁基厚度在5 mm以上的高厚度鋁基板而言，由于鋁基厚度大，特別給機(jī)械加工過(guò)程帶來(lái)非常大的挑戰(zhàn)，嚴(yán)重影響生產(chǎn)效率與制造成本。本人結(jié)合多年來(lái)的線路板制造技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，詳細(xì)闡述了高厚度鋁基板的一種特殊加工方法，使問(wèn)題得到有效解決。

2 存在問(wèn)題

鋁基板在加工過(guò)程中，由于鋁基板金屬層過(guò)厚，導(dǎo)致鉆孔斷刀、刀具纏絲、毛刺大、成型尺寸穩(wěn)定性差、加工效率低、過(guò)程控制難度大等問(wèn)題較突出，業(yè)界大多使用的一種方法就是在鉆孔、成型加工過(guò)程中，使用酒精或水進(jìn)行散熱，有的還發(fā)明了相應(yīng)的工裝具進(jìn)行配套使用。這些方法嚴(yán)重影響生產(chǎn)效率并增加了制造成本。主要存在的問(wèn)題如圖1～圖4所示。

圖1 微孔毛刺

圖2 大刀折斷

圖3 微鉆纏絲

圖4 大刀纏絲

3 問(wèn)題分析

3.1 毛刺問(wèn)題分析

毛刺是機(jī)械加工過(guò)程中經(jīng)常出現(xiàn)的一種切削現(xiàn)象，對(duì)于高厚度鋁基板、厚銅板、高Tg類材料、陶瓷材料等線路板來(lái)講，問(wèn)題就顯得比較突出嚴(yán)重。根據(jù)金屬切削原理，在材料的一定的前提下，分析毛刺的產(chǎn)生主要有以下幾個(gè)方面。

（1）刀具磨損度。

刀具磨損是一種正?，F(xiàn)象，但是必須將刀具磨損控制在一定范圍內(nèi)，否則產(chǎn)品就會(huì)出現(xiàn)異常。刀具磨損與鉆孔參數(shù)、切削材料、切削條件包括刀具的幾何設(shè)計(jì)均有一定的關(guān)系，在切削材料、刀具一定的前提下，轉(zhuǎn)速越快、進(jìn)給量越大，切削力就越大，刀具磨損就越快，再有一點(diǎn)就是關(guān)于磨損階段的控制，刀具的磨損大體分三個(gè)階段，初期磨損、正常磨損、急劇磨損，刀具的更換必須在急劇磨損狀態(tài)前進(jìn)行，否則會(huì)直接導(dǎo)致產(chǎn)品異常。

（2）加工參數(shù)設(shè)計(jì)。

加工參數(shù)也是影響毛刺大小的一個(gè)直接因素，加工參數(shù)如果設(shè)計(jì)不合理，就很容易出現(xiàn)問(wèn)題。正常情況下，鉆孔參數(shù)越快，越容易產(chǎn)生毛刺，如圖5所示。

圖5　

如上圖5所示，毛刺實(shí)質(zhì)是切削材料在刀具前刀面的擠壓下所產(chǎn)生的一種塑性變形，對(duì)于5 mm以上高厚度鋁基板來(lái)講，切削過(guò)程中產(chǎn)生的大量切削熱得不到有效去除，主要是由于PCB獨(dú)特的干切削方式，常規(guī)的風(fēng)冷方式對(duì)于金屬切削來(lái)講是不能滿足要求，因此，材料在高溫狀態(tài)下更容易產(chǎn)生變形，進(jìn)而影響到產(chǎn)品質(zhì)量，所以，在實(shí)際加工過(guò)程中，要盡可能的優(yōu)化鉆孔參數(shù)，在保證產(chǎn)品質(zhì)量的前提下將效率最大化，不能盲目追求效率的最大化。

（3）設(shè)備方面。

要對(duì)數(shù)控鉆床的主軸狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)控制，對(duì)于高厚度鋁基板來(lái)講，對(duì)于設(shè)備的管控更要加強(qiáng)，具體來(lái)說(shuō)，如圖6所示。

圖6　

主軸對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的影響這里主要闡述二個(gè)方面，一個(gè)是主軸夾緊力，另一個(gè)是主軸與臺(tái)面的垂直度，這二個(gè)指標(biāo)是對(duì)鉆孔毛刺、孔位精度、孔壁狀態(tài)有直接影響的，要求主軸夾緊力最小不低于300 N，這個(gè)數(shù)值來(lái)源于多年的實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)、國(guó)內(nèi)外專家及與行業(yè)精英討論的結(jié)果，當(dāng)主軸夾緊力不足時(shí)，就容易發(fā)生“掉轉(zhuǎn)”現(xiàn)象，假如設(shè)定的轉(zhuǎn)速為100 kr/min，由于夾緊力不足，可能會(huì)損失0～40%，即實(shí)際轉(zhuǎn)速可能僅有60 kr/min ～ 100 kr/min，因此導(dǎo)致切削力嚴(yán)重不足。

3.2 大刀折斷分析

對(duì)于直徑φ3.0 mm以上鉆頭而言，造成刀具折斷的原因分析主要是由于扭力不足導(dǎo)致。根據(jù)數(shù)控鉆床的工作原理，伺服主軸驅(qū)動(dòng)與進(jìn)給驅(qū)動(dòng)是由不同的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)來(lái)完成的，主軸扭力不足以克服切削材料所需的最低切削力時(shí)，刀具會(huì)產(chǎn)生明顯的“掉轉(zhuǎn)”現(xiàn)象，這與上面提到的問(wèn)題屬于同一類問(wèn)題，區(qū)別在于大刀斷裂往往會(huì)帶來(lái)更加嚴(yán)重的后果，會(huì)使設(shè)備或產(chǎn)品損失嚴(yán)重或直接廢棄。

假設(shè)圖中，設(shè)定鉆孔參數(shù)為轉(zhuǎn)速S=20kr/min，進(jìn)F=60ipm，則：

正常情況下，圖7所示：刀具每轉(zhuǎn)進(jìn)給量= 60*25.4/20=76.2μm/r

圖8所示，夾緊力不足情況下導(dǎo)致轉(zhuǎn)速損失30%的情況下，刀具每轉(zhuǎn)進(jìn)給量為：

刀具每轉(zhuǎn)進(jìn)給量=60*25.4/（20*70%）=108.8μm/r

由以上可知，刀具每轉(zhuǎn)進(jìn)給量增加了（108.8-76.2）/76.2=42.7

進(jìn)給量的增加，導(dǎo)致切削力不足，切削力不足又導(dǎo)致刀具每轉(zhuǎn)進(jìn)給量的進(jìn)一步加大…，最終導(dǎo)致圖9所示現(xiàn)象發(fā)生。

圖7　

圖8

圖9 實(shí)際效果

3.3 纏絲問(wèn)題分析

纏絲也是機(jī)械加工過(guò)程中很難徹底根除的一種現(xiàn)象，刀具纏絲現(xiàn)象與刀具類別、刀具幾何角度設(shè)計(jì)、刀具表面處理工藝、鉆床真空強(qiáng)度、壓腳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、鉆孔參數(shù)設(shè)計(jì)等均有很大關(guān)系，特別是在加工高厚度鋁基板這種特殊材料時(shí)，纏絲問(wèn)題就顯得更為嚴(yán)重與突出，如果不能得到很好的處理，可能會(huì)嚴(yán)重影響產(chǎn)品質(zhì)量與加工效率。

4 采取措施

理論與實(shí)踐相結(jié)合，首先根據(jù)高厚度鋁基板材質(zhì)、材料的特性，制定相應(yīng)的磨鈍標(biāo)準(zhǔn)，高厚度鋁基板最大的特性就是切削熱大、材料延展性大，對(duì)刀具的磨損度大，因此，必須建立一套行之有效的刀具磨鈍標(biāo)準(zhǔn)，保證刀具有效切削效果在可控范圍內(nèi)。通常情況下，按下面所示方法對(duì)刀具的磨損度狀態(tài)進(jìn)行確認(rèn)見表1。

刀具磨鈍標(biāo)準(zhǔn)的建立應(yīng)以產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)為前提，并且遵守這樣一個(gè)原則，假如我們?cè)O(shè)定孔毛刺高度的接收標(biāo)準(zhǔn)為20 μm的話，這時(shí)如果對(duì)應(yīng)的刀具壽命是2000孔，那么從產(chǎn)品加工過(guò)程安全性與穩(wěn)定性方面考慮，對(duì)實(shí)際加工孔數(shù)乘以90%，即2000*0.90=1800孔，這個(gè)值就可以規(guī)范為刀具的理論壽命值，當(dāng)然這個(gè)值是可以根據(jù)產(chǎn)品質(zhì)量要求的高低進(jìn)行調(diào)整的。另外一點(diǎn)需要注意的是，在收集數(shù)據(jù)時(shí)，要保證每組實(shí)驗(yàn)方案的數(shù)據(jù)量最少在25組以上。加工參數(shù)的設(shè)計(jì)與設(shè)備維護(hù)方面，在此需要特別強(qiáng)調(diào)的一點(diǎn)是加工參數(shù)的設(shè)計(jì)理念。很多工程技術(shù)人員在進(jìn)行對(duì)孔邊毛刺的問(wèn)題進(jìn)行處理時(shí)，都是以降低鉆孔速率，包括轉(zhuǎn)速、進(jìn)給來(lái)完成的，往往沒(méi)有達(dá)到預(yù)期效果，還犧牲了生產(chǎn)效率，增加了制造成本。針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，本文著眼于切削熱的角度進(jìn)行分析，提出與行業(yè)目前技術(shù)完全不同的理論，就是盡量的降低轉(zhuǎn)速、增加進(jìn)給量，降低轉(zhuǎn)速的目的就是降低切削力，切削力降低了，切削熱自然就減少了，但也不是越低越好，必須找到一個(gè)適合高厚度鋁基板的最佳轉(zhuǎn)速。根據(jù)V=ndπ公式計(jì)劃，一般以切削速度控制在150 m/min ～ 220 m/min為宜，太高或太低都不行；進(jìn)給量方面是要加大，對(duì)于φ1.0mm以上刀具，一般控制在50 μm/r ～ 100 μm/r比較適合，具體還要根據(jù)孔的實(shí)際加工效果進(jìn)行調(diào)整。

表1

圖10 鉆孔實(shí)驗(yàn)圖形設(shè)計(jì)

圖11 成型實(shí)驗(yàn)圖形設(shè)計(jì)

其實(shí)加工高厚度鋁基板的核心技術(shù)還是如何有效去除切削熱的問(wèn)題，只要切削熱能得到有效控制，那么一系列相應(yīng)的問(wèn)題也就基本得到了解決。在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，我們通過(guò)以下方法進(jìn)行反復(fù)實(shí)驗(yàn)確認(rèn)，終于可以達(dá)到高速切削的效果，加工效率是改善前的3倍以上，而且加工過(guò)程中不需要在板面澆水或酒精等嚴(yán)重影響生產(chǎn)效率的工藝步驟，下面簡(jiǎn)要介紹一下成型加工方法。

圖12中：1、墊板；2、線路板；3、物理氣相沉積SHC鉆頭/銑刀，以下簡(jiǎn)稱SHC鉆頭/銑刀；4、銑路徑（銑前）；5、 銑路徑（銑后）；6、大量數(shù)控銑床；7、“D”，預(yù)鉆孔；λ1、λ2、λ3、λ4，均為銑加工余量

圖12 成型加工效果示意圖

具體實(shí)施方法：（1）使用日立HITACHI機(jī)械數(shù)控銑床，并保證數(shù)控銑床的主軸夾緊力≥500 N，主軸徑跳≤20 μm，主軸與臺(tái)面的垂直度≤50 μm；（2）在數(shù)控銑床臺(tái)面上放一張墊板1；（3）將線路板2放在墊板上，并且按常規(guī)工藝要求進(jìn)行固定；（4）在數(shù)控銑床內(nèi)安放1支SHC鉆頭，并按預(yù)先設(shè)計(jì)的位置加工預(yù)鉆孔“D”，預(yù)鉆孔的位置要保證銑加工余量λ1、λ2、λ3、λ4在0.10 mm ～ 0.50 mm之間；（5）預(yù)鉆孔屬于工藝孔，孔質(zhì)量無(wú)嚴(yán)格要求限制，主要目是為了釋放切削刀，有效降低切削熱，減少切削變形，加工時(shí)可進(jìn)行高速鉆削，一般可將轉(zhuǎn)速設(shè)定到（40～60）kr/min，進(jìn)給設(shè)定到100 ipm ～ 200 ipm，使用SHC涂層鉆頭，刀具壽命可設(shè)定為200000孔，鉆孔時(shí)不加鋁蓋板；（6）調(diào)用銑程序，將主軸內(nèi)的SHC鉆頭更換成SHC銑刀，然后按照銑程序軌跡要求進(jìn)行銑削加工，圖中的“4”即為銑加工前的銑路徑狀態(tài)，“5”即為銑加工后的銑路徑狀態(tài)；（7）銑加工過(guò)程中要保證設(shè)備有足夠的真空強(qiáng)度，一般保證真空強(qiáng)度不小于15 kpa，便于有效散熱；（8）該方法適用于總切削厚度小于5.0 mm的各類金屬基板，包括總銅厚411.6 μm以上厚銅板。

5 結(jié)論

通過(guò)以上一系列技術(shù)手段的實(shí)施與反復(fù)實(shí)驗(yàn)確認(rèn)，使高厚度鋁基板類材料在加工過(guò)程中存在的各種問(wèn)題得到有效控制與根本改善，加工效率較改善前提高了3倍以上。這是我們繼611.6 μm以上超厚銅電源板技術(shù)改進(jìn)的基礎(chǔ)上，在特殊結(jié)構(gòu)線路板材料領(lǐng)域的又一次成功的案例。隨著科學(xué)技術(shù)發(fā)展的日新月異線路板業(yè)的蓬勃發(fā)展，PCB產(chǎn)業(yè)呼喚更多新技術(shù)、新產(chǎn)品和新理念出現(xiàn)，希望更多有技術(shù)含量、有產(chǎn)值效益、有制造潛力的企業(yè)能夠快速轉(zhuǎn)變，帶動(dòng)行業(yè)進(jìn)步與提升。今后，我們會(huì)繼續(xù)加大在科技研發(fā)方面的投入，加大在汽車、軍工、醫(yī)療、航空航天等重點(diǎn)市場(chǎng)領(lǐng)域、重點(diǎn)產(chǎn)品的研發(fā)投入力度，為企業(yè)更好的發(fā)展與行業(yè)的進(jìn)步貢獻(xiàn)更多力量。

［1］林金堵等. 現(xiàn)代印制電路先進(jìn)技術(shù)第三版［M］. 2013，2.

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

紀(jì)龍江，技術(shù)中心副主任。

姜曙光，總經(jīng)理。

王俊浩，廠長(zhǎng)。

Research of high thickness aluminum based microwave printed board processing technology

JI Long-jiang JIANG Shu-guang WANG Jun-hao

The structural characteristics of this plate is that the thickness of aluminum is above 5mm， and the insulation layer is PTFE， and the thickness is over 0.5mm. It is a high frequency microwave communication circuit board. This kind of bat in the processing has mainly three issues: first of all， plank， poor heat dissipation， the burr hole big， Phi peaks are seriously， high rate of drilling TB knife； secondly， milling aluminum base shape and the blind grooves difficulty is big， the milling efficiency is low， which seriously affect the production efficiency； thirdly，etching solution aluminum surface erosion. Through solid theoretical foundation and repeated experiments， I finally solved the technical problems in the machining process of high thickness aluminum based microwave printed boards， eventually reached a steady production o=f the technical level.

Aluminum Substrate； Drilling； Milling

TN41

A

1009-0096（2015）11-0055-04