高速材料鉆孔解決方案研究

陳海斌 鄒衛(wèi)賢

（深圳市金洲精工科技股份有限公司，廣東 深圳 518116）

0 前言

高速材料因其超低傳輸損耗、高耐熱、高可靠性的性能，廣泛應用于第5代移動通信系統(tǒng)（5G）的通信基礎設備、高端服務器、路由器、開關(guān)、無線基站等。隨著“5G”大規(guī)模的應用，高速印制板使用量越來越多。因為高速板材低Dk/Df的屬性，高速板的鉆孔加工通常會存在內(nèi)層互連失效（ICD）、鉆頭壽命低、加工效率低及鉆孔成本高等棘手問題，對PCB廠家的鉆孔制程提出了較大的挑戰(zhàn)和要求。本文在針對高速板鉆孔加工的鉆頭普通白刀的選用、涂層刀具的選用、鉆孔參數(shù)如何優(yōu)選的基礎上，探討高速板鉆孔的可行性解決方案，最終達到高速板材PCB鉆孔的高效、低成本的應用要求。

1 高速板鉆孔問題分析

1.1 高速板鉆孔的主要問題

1.1.1 ICD失效

ICD（Inner Connection Defects）為內(nèi)層互連缺陷[1]。對于PCB生產(chǎn)廠家而言，ICD問題在電測工序較難有效攔截，往往是流到下游甚至是客戶端。在進行SMT（表面安裝技術(shù)）貼裝過程，PCB板經(jīng)歷IR（紅外線）無鉛回流焊、波峰焊接、以及一些手工焊或是返修等高溫制程的沖擊下，會發(fā)生內(nèi)層互聯(lián)失效開路，而此時的PCB已進行了組裝，因此產(chǎn)生極大的品質(zhì)風險。高速板在加工過程中容易出現(xiàn)鉆污，如圖1所示。

1.1.2 鉆孔效率低成本高

為了減少ICD風險，加工高速板時，一是鉆頭加工壽命普遍設置較低，通常只有普通PCB板鉆孔壽命的1/2或者更低；二是鉆孔的落速設定較低（通常比普通板低20%以上），且因換刀非頻繁，整體加工效率極低。這樣的鉆刀壽命和效率設定使得高速板鉆孔加工的成本極高，交付周期拉長，造成大量積壓的研磨針庫存在難以消耗。

1.2 高速板難加工的原因分析

高速材料具有低Dk、低Df的特性[2]，其極性小，材料活性低，去除膠渣困難。同時，高速板材介質(zhì)層樹脂填料多，物理特性比較硬[3]，對鉆頭的鉆嘴磨耗大，孔壁粗糙度大，鉆嘴摩擦高溫凝膠較多，可能導致除膠藥水循環(huán)不良，造成除膠效果不佳，從而產(chǎn)生ICD失效。

1.3 高速板加工對策分析

避免ICD問題關(guān)鍵在于高頻材料PCB鉆孔和除膠參數(shù)DOE（正交試驗）試驗驗證，尋找改善方案[4]。在板材和除膠參數(shù)DOE確定的情況前提下，控制孔壁粗糙度、改善釘頭異常的關(guān)鍵在于鉆頭的設計與優(yōu)選、鉆孔工藝參數(shù)優(yōu)化與控制。

2 鉆頭的設計與優(yōu)選

2.1 鉆頭不同型號的優(yōu)選

ICD產(chǎn)生主要與鉆孔時產(chǎn)生的鉆污有關(guān)，控制ICD，對鉆頭的排屑和發(fā)熱有嚴格要求。試驗表明：不同型號的鉆頭對排屑和發(fā)熱有明顯的差異。

選用金洲公司所生產(chǎn)的UCSN（普通鉆頭）和USF（雙刃單槽鉆頭）兩種不同型號的鉆頭做對比分析，分析鉆污厚度的主效應因子。

試驗方法為：M6板材T1.8 mm，鉆頭壽命設定為H500，研磨1次，進給速度設置為70 IPM。試驗結(jié)果如圖2所示。

通過分析試驗結(jié)果可知：

（1）鉆頭壽命與鉆孔鉆污的殘留呈現(xiàn)較高之相關(guān)性；

（2）USF型鉆頭的鉆孔鉆污殘留較少。

圖1 ICD問題

圖2 鉆污厚度主效應圖

2.2 涂層效果的驗證

刀具表面涂層技術(shù)是一項優(yōu)質(zhì)表面改性技術(shù)，它將刀具基體與硬質(zhì)薄膜表層相結(jié)合，使基體保持良好韌性和較高強度。硬質(zhì)薄膜表層具有高耐磨性和低摩擦系數(shù)，從而使刀具的性能大大提高[5]。為進一步驗證涂層的作用，進行對比測試。

試驗條件如下：

測試板材：M6 3 mm板厚、26層板；酚醛墊板；0.15 mm鋁片。

測試鉆頭：USF 0.20 mm×4.0 mm未涂層鉆頭及SHC涂層鉆頭。

測試參數(shù)：主軸轉(zhuǎn)速S：130 Kr/min，落速F：30 mm/s，退刀 U:300 mm/s，孔數(shù)H:1。

通過對比視頻，可以發(fā)現(xiàn)SHC涂層鉆頭在鉆孔過程中切屑能夠及時排出，而未涂層鉆頭在回刀過程中出現(xiàn)大量碎屑，說明鉆孔過程中普通鉆頭螺旋槽內(nèi)留有大量切屑未及時排（見圖3）。

結(jié)論：SHC涂層鉆頭排屑性能優(yōu)于未涂層鉆頭，有利于降低鉆孔溫度，提升鉆孔質(zhì)量。

3 鉆孔工藝參數(shù)的優(yōu)化

3.1 涂層刀鉆孔落速提升試驗

為了進一步分析涂層刀與白刀在不同的鉆孔落速下對鉆孔質(zhì)量的影響，進行了鉆孔試驗，加工條件（見表1）。

鉆孔驗得到鉆孔品質(zhì)和鉆尖磨損樣圖如圖3所示。從圖3可以看出：按表1參數(shù)加工，涂層刀面磨損較輕微，涂層刀生產(chǎn)的板件表面批鋒較小，兩種刀具均未出現(xiàn)焊盤拉脫、爆孔等現(xiàn)象。利用SHC涂層刀的潤滑作用，可以大幅提升鉆孔的進給速度。

3.2 涂層刀鉆孔壽命提升試驗

為了進一步分析涂層刀與白刀在不同的鉆孔壽命下對鉆孔質(zhì)量的影響，設計了鉆孔試驗，如表2所示。在表2參數(shù)下對比試驗切片，結(jié)果如圖4所示。通過試驗結(jié)果分析可知：0.25未涂層鉆頭鉆孔后孔粗表現(xiàn)不良；0.25SHC涂層鉆頭在提升鉆孔壽命的情況下孔粗效果優(yōu)異。

以上試驗結(jié)果表明：在加工參數(shù)優(yōu)化的情況下，使用SHC涂層產(chǎn)品，鉆孔進刀速度可提升30%，鉆頭壽命可提升60%以上。

4 結(jié)論

通過以上的實驗設計和結(jié)果對比可以看出：（1）USF型（雙刃單槽鉆）相比UCSN型（普通鉆）在高速板的ICD問題上效果明顯；

表1 鉆孔落速試驗加工參數(shù)

圖3 鉆孔品質(zhì)樣圖

表2 不同壽命的鉆孔試驗

圖4 USF與SHC加工高速板材的對比效果

（2）SHC涂層鉆頭在排屑性能方面明顯優(yōu)于未涂層鉆頭，有利于降低鉆孔溫度，減少ICD的發(fā)生

（3）選用USF型號單槽鉆頭結(jié)合SHC涂層的鉆頭，在高速板上的鉆孔壽命和鉆孔落速方面均可大幅提升。

綜上所述，選用USF型單槽鉆頭結(jié)合SHC涂層能有效解決當前PCB廠家對M6型等高速板鉆孔存在的ICD問題、加工效率低、鉆孔壽命低的三大鉆孔難題。