印制電路板鉆孔過程中鉆頭纏絲問題的探討

李 磊

（深圳市金洲精工科技股份有限公司，廣東 深圳 518000）

在印制電路板（PCB）的生產(chǎn)過程中，鉆孔工序起著至關(guān)重要的作用。鉆孔品質(zhì)的好壞，也極大地影響著PCB的電氣連接功能，以及終端產(chǎn)品使用穩(wěn)定性、可靠性。隨著電子產(chǎn)品技術(shù)迅猛發(fā)展，對(duì)作為電子元器件母體載板的PCB來(lái)說(shuō)，其品質(zhì)也面臨著日益嚴(yán)苛的要求。

近年來(lái)，PCB生產(chǎn)廠家越來(lái)越關(guān)注鉆孔過程中鉆頭纏絲問題，因其對(duì)鉆孔品質(zhì)具有一定的隱患。本文主要探討在鉆孔過程中鉆頭纏絲的種類、產(chǎn)生機(jī)理及相應(yīng)的改善措施，重點(diǎn)探討在多層普通環(huán)氧玻纖板加工小鉆頭的纏鋁絲問題，從中找出一定規(guī)律，讓我們對(duì)纏絲問題有更深入的認(rèn)識(shí)，從而解決這個(gè)頑疾。

1 鉆頭纏絲的分類

根據(jù)鉆頭尺寸來(lái)分，可以分為小尺寸鉆頭（大致在直徑0.4 mm以下）的纏絲與中大尺寸鉆頭（直徑2.0～6.5 mm）纏絲，而鉆頭直徑在0.45～2.0 mm區(qū)間時(shí)，一般較少發(fā)生纏絲問題。

根據(jù)纏絲物質(zhì)來(lái)源區(qū)分的話，有來(lái)源于線路板基材的樹脂膠絲、銅絲，有來(lái)源于鋁片蓋板的鋁絲，實(shí)際中的纏絲也可能是兩種以上的混合物（其中某一種成分比例更高，如果不仔細(xì)觀察的話就會(huì)誤以為是一種類型）。

根據(jù)所加工板材類型來(lái)分，又可分為FR4材料多層板纏絲、柔性板纏絲、PTFE（聚四氟乙烯）板纏絲等等，其中PTFE材料由于其物理特性，在加工中纏絲的概率極高，讓廠家十分頭痛。除了上述常見的鉆頭纏絲意外，還有一個(gè)比較特殊的場(chǎng)合，即背鉆加工中的鉆頭纏絲。由于背鉆加工與常規(guī)鉆孔相比，其主要的切削對(duì)象為銅，因此極容易產(chǎn)生纏絲，從而導(dǎo)致背鉆深度異常、塞孔等問題的產(chǎn)生。背鉆加工的板件一般價(jià)值較高，背鉆工藝也具有較高的難度，因此背鉆加工中的纏絲完全可以單獨(dú)作為一個(gè)課題來(lái)進(jìn)行針對(duì)性的研究。

可以看出，鉆頭纏絲在PCB鉆孔加工中是比較普遍的，其發(fā)生的場(chǎng)合多、概率高，足以引起我們的重視和探討。各種纏絲示例（見圖1）。

2 多層環(huán)氧玻纖板加工小鉆頭的纏鋁絲問題

2.1 問題描述

我們通過G客戶處發(fā)生過的一個(gè)案例來(lái)闡述多層環(huán)氧玻纖板加工小鉆頭的纏鋁絲問題。

G客戶反饋發(fā)現(xiàn)單刃0.25～4.5 mm鉆頭存在纏絲問題（主要是纏鋁絲），擔(dān)心對(duì)品質(zhì)有隱患?，F(xiàn)場(chǎng)了解其加工條件如下。

板材：臺(tái)耀TU66P、Tg150 ℃、板厚0.72 mm、疊數(shù)3塊。

刀具：?jiǎn)稳?.25～4.5 mm鉆頭。

設(shè)備：日立MARK30，最高轉(zhuǎn)速20萬(wàn)轉(zhuǎn)。

加工參數(shù)：S150 kr/min、F27 mm/s、U300 mm/s、H1600。

蓋墊板：蓋板為0.15 mm的普通鋁片，墊板為2.5 mm的普通木墊板。

2.2 原因分析與思路

從兩個(gè)方向去考慮：一是鉆孔切削量（chipload），二是鉆頭設(shè)計(jì)參數(shù)（主要是螺旋角）。為了考察這兩個(gè)因素對(duì)纏絲的影響，我們?cè)O(shè)計(jì)兩個(gè)試驗(yàn)，分別考察鉆頭切削量、鉆頭螺旋角對(duì)鉆頭纏絲的影響程度。

2.3 鉆孔切削量對(duì)纏絲的影響

測(cè)試條件和結(jié)果（見表1）。

小結(jié)：從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，隨著切削量的增加，鉆頭纏絲的比率迅速下降，因此我們可以得出，切削量的大小，對(duì)鉆頭纏絲有著顯著的影響（見圖2）。

圖1 鉆頭纏絲示例

表1 鉆孔纏絲測(cè)試

圖2 切削條件對(duì)鉆頭纏絲的影響

2.4 鉆頭螺旋角度對(duì)纏絲的影響

測(cè)試條件和結(jié)果見表2所示。

小結(jié)：從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，在同樣的加工參數(shù)（相同切削量）條件下，螺旋角為45度的鉆頭纏絲比率為18%，纏絲較嚴(yán)重；鉆頭的螺旋角調(diào)整到40度，鉆頭纏絲已消失（極個(gè)別輕微纏絲，對(duì)品質(zhì)無(wú)影響）。因此，較小的螺旋角對(duì)鉆頭纏絲的改善有著顯著的效果。

2.5 小結(jié)

對(duì)于普通多層環(huán)氧玻纖板加工中小鉆頭的纏鋁絲問題，通過以上兩個(gè)試驗(yàn)，得出如下結(jié)論：較大的切削量，及較小的鉆頭螺旋角度，是在工藝實(shí)踐中改善此類纏絲問題的最行之有效的辦法。當(dāng)然有時(shí)為了減少纏絲量，會(huì)采用較薄的鋁片，或者采用鍍膜鋁片。采用鍍膜鋁片有時(shí)會(huì)帶來(lái)另外一個(gè)問題：鉆頭纏膠，主要是鍍膜鋁片上的“鍍膜”成分（一般是樹脂，或者水溶性樹脂）在鉆孔過程中黏附、纏繞在鉆頭上。這里往往是某種鍍膜鋁片有此問題，需要關(guān)注不同廠家鍍膜鋁片的配方、工藝差異性。

3 中大鉆纏絲問題

3.1 大鉆（直徑3.2～6.5 mm區(qū)間）的纏絲問題

中大鉆纏絲，主要是鉆頭直徑2.0 mm～6.5 mm規(guī)格區(qū)間的纏絲，尤其是直徑3.2 mm及以上的大鉆頭，不夸張的說(shuō)在每個(gè)鉆孔工廠都存在這個(gè)問題。由于大鉆的切削材料體積又比較大，所以容易形成較多的纏絲，而為了保護(hù)主軸大鉆的轉(zhuǎn)速又設(shè)置的偏低，不容易發(fā)揮鉆頭通過旋轉(zhuǎn)而甩掉纏絲的功能。

大鉆的纏絲較多時(shí)，容易導(dǎo)致以下問題的產(chǎn)生：一是纏絲較多時(shí)，對(duì)孔口形成積壓，易造成孔口的變形缺陷；二是纏絲較多時(shí)，鉆頭下鉆時(shí)阻力較大，會(huì)導(dǎo)致板材未鉆透，底板會(huì)未透或者孔??；三是在主軸退刀時(shí)，較多的纏絲會(huì)擠壓刀具座導(dǎo)致成刀具座的破損等等。

表2 鉆孔纏絲測(cè)試

圖3 鉆頭圖片

由于對(duì)大鉆纏絲苦無(wú)良策，只能是現(xiàn)場(chǎng)的操作員工每隔一段時(shí)間對(duì)纏絲較嚴(yán)重的鉆頭手工拔除，這十分浪費(fèi)員工的精力和時(shí)間。在幾年前，工廠人力尚不緊缺、人力成本較低的情況下，這樣手工拔除纏絲的做法還可勉強(qiáng)為之。但是隨著近些年工業(yè)自動(dòng)化水平的日益普及，人力成本大大提高下，再用這種人工的辦法，PCB廠家實(shí)在難以容忍。因此，是否有更好的辦法來(lái)解決企業(yè)的困境呢？在這種背景下，斷屑刀橫空出世。

從圖4可以看出，與常規(guī)大鉆刀面相比，斷屑刀在切削刃口上增加了兩個(gè)子槽，稱為斷屑槽。斷屑槽具有斷屑功能，從而改善大鉆的纏絲。除了改善纏絲性能，斷屑刀對(duì)大孔的孔粗也具有一定的改善效果。

圖4 斷屑鉆頭刀面

3.2 中鉆（直徑2.0～3.175 mm區(qū)間）纏絲

相比于大鉆的纏絲，中鉆纏絲發(fā)生的幾率要低很多，在個(gè)別板材尤其是內(nèi)層銅較厚、較多的板材上，容易發(fā)生纏絲。而其改善起來(lái)也容易一些。鉆頭的頂角對(duì)切削形態(tài)具有一定的決定作用：頂角大，切削成粒狀，比較容易排出；頂角小，切削成絲狀，則容易纏絲。直徑2.0～3.175 mm區(qū)間規(guī)格中鉆，常規(guī)設(shè)計(jì)頂角為130度。為了改善纏絲，制作了頂角為165度的樣品，測(cè)試后發(fā)現(xiàn)對(duì)纏絲改善效果非常明顯。

4 背鉆纏絲問題

4.1 背鉆工藝概述

PCB板上的鍍銅孔起到了層間電路連接的作用，然而某些孔某些層間的鍍銅并不具有連接作用，反而會(huì)導(dǎo)致信號(hào)在傳輸過程中的折回共振，造成信號(hào)傳輸?shù)姆瓷?、散射、延遲等，給信號(hào)帶來(lái)“失真”的問題，影響信號(hào)完整性。為了解決這類信號(hào)失真的問題，從而誕生了背鉆工藝。所謂背鉆，是利用機(jī)械鉆機(jī)的深度控制功能，在某些PTH（鍍通孔）孔上用比基孔直徑稍大的鉆頭（一般背鉆鉆頭直徑比PTH基孔直徑大0.15 mm或者0.2 mm左右），下鉆一定深度（見圖5），以去除部分多余的孔銅。

圖5 背鉆孔

4.2 背鉆常見問題

背鉆工藝要求比較高，加工難度大，而且一般需要背鉆加工的板價(jià)值較高，一旦報(bào)廢對(duì)于PCB廠家來(lái)說(shuō)損失很大。背鉆常見的問題有纏絲、堵孔、偏孔、深度超差等。而其中背鉆纏絲問題最為常見，也最頭痛。

背鉆纏絲具有以下幾個(gè)危害：一是背鉆纏絲堆積較多的時(shí)候，會(huì)對(duì)板面孔口形成擠壓，造成孔口損失；二是背鉆纏絲一般為銅絲居多，個(gè)別銅絲垂落下來(lái)接觸導(dǎo)電層會(huì)導(dǎo)致設(shè)備提前計(jì)算背鉆深度，從而導(dǎo)致背鉆深度異常；三是背鉆纏絲過多，會(huì)影響排屑，導(dǎo)致背鉆孔堵孔；四是因?yàn)闆]有好辦法解決背鉆纏絲，只能靠員工用手去除鉆刀上的纏絲，既浪費(fèi)員工的時(shí)間、精力，又降低了生產(chǎn)效率。

4.3 背鉆纏絲的原因

背鉆所切削的對(duì)象主要為孔壁銅。而銅作為一種延展性很好的金屬，鉆孔加工形成的切屑為絲狀，不易切斷，容易形成纏絲包住鉆頭大溝槽根部。

另外背鉆作為一種高難度工藝，為了確保品質(zhì)的完好，大部分廠家在加工時(shí)均采取比較低的進(jìn)給。前面已經(jīng)談到，低的進(jìn)給、低的切削量會(huì)比較容易形成纏絲。

從刀具上來(lái)說(shuō)，目前大部分廠家在背鉆加工中采用刀具為普通鉆頭，也有的廠家采用槽刀來(lái)進(jìn)行背鉆加工，只有少數(shù)廠家會(huì)采用專門的背鉆鉆刀。

4.4 背鉆纏絲的解決

目前最有效的解決背鉆纏絲的措施主要有兩個(gè)：一是采用專用背鉆刀，比如金洲開發(fā)的A129BD系列；二是在背鉆參數(shù)上進(jìn)行優(yōu)化，盡量采用稍大的切削量，在背鉆深度較深（背鉆深度大于2 mm）時(shí)，甚至采用分步鉆孔的辦法，在工藝實(shí)踐中往往起到很好的效果。

針對(duì)背鉆加工的特點(diǎn)，A129BD背鉆刀具有以下設(shè)計(jì)特點(diǎn)：刃長(zhǎng)短、小螺旋角、薄芯厚。金洲的這款背鉆不僅可以很好的解決纏絲問題，更可以顯著改善背鉆堵孔、偏孔等問題。

4.5 背鉆纏絲改善案例

4.5.1 問題描述

C客戶反饋發(fā)現(xiàn)背鉆加工中存在纏絲嚴(yán)重問題，希望提供技術(shù)協(xié)助進(jìn)行改善。從圖6可以看出主要是纏銅絲。

現(xiàn)場(chǎng)了解其加工條件如下。

板材：臺(tái)耀TU883，板厚3.0 mm，板層數(shù)為22層。

背鉆深度：2.4 mm。

刀具：某品牌普通UC鉆頭，規(guī)格：0.4～7.0。

設(shè)備：德國(guó)SHMOLL，型號(hào)：X6-200。

加工參數(shù)：S95 kr/min、F10 mm/s～U360 mm/s、H500。

蓋板：某品牌專用背鉆鋁片。

4.5.2 原因分析與改善

如前所述，從兩個(gè)方向去改善：一是鉆孔切削量?jī)?yōu)化，二是采用專用背鉆刀具。具體見表3。

5 PTFE板材纏絲問題

聚四氟乙烯（Poly tetra fluoroethylene，簡(jiǎn)寫PTFE），具有耐高溫，耐腐蝕、不粘、自潤(rùn)滑、優(yōu)良的介電性能等。由于其優(yōu)秀的電氣性能，廣泛應(yīng)用于雷達(dá)、高頻通訊器材、無(wú)線電器材等PCB中。PTFE材料由于其材料特性，在PCB鉆銑工藝中存在諸多問題：鉆孔比較常見的有鉆頭纏絲、孔壁毛刺、孔銅斷裂、孔環(huán)分離（ICD）等，成型中比較普遍的則是板邊毛刺等問題。

PTFE板材鉆頭纏絲問題，更準(zhǔn)確來(lái)說(shuō)是“纏膠”，因?yàn)槔p在鉆頭上的絲的成分主要為PTFE基材，而不是鋁絲或者銅絲。而其改善思路，與小鉆纏鋁絲的改善思路基本相同，主要也是從加工參數(shù)（適當(dāng)增大切削量）、鉆頭結(jié)構(gòu)（采用較小螺旋角設(shè)計(jì)）上來(lái)進(jìn)行調(diào)整和改善，實(shí)踐中效果也是良好的。

需要注意的是，PTFE板材生產(chǎn)廠家比較多，PTFE板材的品牌眾多，板材類型也是紛繁復(fù)雜，每種板材的配方差異較大；有純PTFE的，有添加無(wú)機(jī)填料以增加耐磨及力學(xué)性能的PTFE，還有PTFE與環(huán)氧樹脂玻纖板材混壓的板料等等，凡此種種，導(dǎo)致PTFE板材在機(jī)加工中困難重重。針對(duì)不同的PTFE板材需要制定出不同的加工參數(shù)，才能滿足品質(zhì)的要求。

表3 背鉆改善

當(dāng)然，PTFE的鉆孔加工還需要材料商、PCB生產(chǎn)廠家、刀具生產(chǎn)廠家進(jìn)行更為緊密的聯(lián)系和合作，繼續(xù)不斷深入的探討研究，才能找出更為有效且經(jīng)濟(jì)的解決方案。

6 結(jié)語(yǔ)

PCB鉆孔加工過程中的鉆頭纏絲，是一個(gè)業(yè)界常見的問題，對(duì)PCB鉆孔品質(zhì)具有較大的隱患，也會(huì)降低生產(chǎn)效率。本文對(duì)一些常見的鉆頭纏絲種類進(jìn)行了探討，對(duì)不同加工場(chǎng)合下纏絲產(chǎn)生的原因進(jìn)行了分析，對(duì)纏絲的危害也進(jìn)行闡述，最后提出了一些行之有效的改善措施和思路，對(duì)PCB相關(guān)生產(chǎn)管理、工程技術(shù)人員會(huì)起到很好的借鑒、參考作用。