高厚度微小孔徑PCB的鉆孔效率改善研究

梁 柳 何園林 張細(xì)海 尋瑞平

（江門崇達(dá)電路技術(shù)有限公司，廣東省智能工控印制電路板工程技術(shù)研究中心，廣東 江門 529000）

0 前言

印制電路板（PCB）是重要的電子部件，是電子元器件的支撐體，是電子元器件電氣連接的提供者。通常，PCB在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，由于走線、結(jié)構(gòu)、過電流等的需要，需要進(jìn)行鉆孔加工。為了保護(hù)PCB板材以及提高鉆孔的孔位精度和孔壁質(zhì)量等，需要在PCB上方覆上一層蓋板，在下方墊上一層墊板，鉆孔示意圖如圖1所示[1]。

提高生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本，是企業(yè)生產(chǎn)管理的永恒課題。在實(shí)際鉆孔生產(chǎn)過程中，為了提高生產(chǎn)效率，往往都會(huì)在確保鉆孔精度和孔壁質(zhì)量的情況下適當(dāng)增加PCB在制板（PNL）疊板數(shù)，也就是多塊PCB疊在一起鉆孔[2]。此種方法一般適用于常規(guī)大孔徑（孔徑一般＞0.3 mm）、低鉆孔密度、低板厚的鉆孔生產(chǎn)；對于高密度、高板厚、微小孔徑（＜0.25 mm）的鉆孔情況，由于受技術(shù)能力限制，只能單疊（1 PNL/疊）鉆孔生產(chǎn)，嚴(yán)重影響生產(chǎn)效率，導(dǎo)致鉆孔工序產(chǎn)能不足成為生產(chǎn)瓶頸。

我公司近期遇到的批量生產(chǎn)孔密度高（超60 000孔/PNL）、板厚高（2 mm）、孔徑?。ㄗ钚°@頭0.225 mm）的PCB鉆孔實(shí)例，本文探討在保證鉆孔孔位精度、孔壁質(zhì)量的基礎(chǔ)上，增加疊板數(shù)、提高生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本的可行性。

圖1 PCB鉆孔示意圖

1 研究內(nèi)容

本研究主要研究內(nèi)容包括如下方面：

（1）厚2.0 mm最小孔0.225 mm鉆孔疊板數(shù)行業(yè)調(diào)查；

（2）鉆頭樣品基本信息及改進(jìn)研究；

（3）鉆頭樣品測試過程及結(jié)果；

（4）鉆頭小批量導(dǎo)入跟進(jìn)結(jié)果；

（5）2.0 mm板厚1PNL/疊改2PNL/疊價(jià)值核算。

2 結(jié)果與討論

2.1 行業(yè)調(diào)查

本研究首先調(diào)查了行業(yè)內(nèi)銷售規(guī)模排名前列的5家知名公司“板厚2.0 mm、最小孔徑0.225 mm”的鉆孔生產(chǎn)情況，調(diào)查結(jié)果如表1。

可以看到，目前行業(yè)內(nèi)此類高厚度、微小孔鉆孔一般都為單疊（1 PNL/疊）生產(chǎn)，且鉆頭最大磨次為磨一。單疊、磨一生產(chǎn)明顯不利于鉆孔效率和成本控制。見表1。

2.2 鉆頭改進(jìn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

考慮到PCB厚度增加、鉆孔孔徑變小，帶來的直接問題是鉆孔過程中常規(guī)鉆針刃長不夠，同時(shí)鉆孔過程摩擦增加、排屑難度加大，因此首要改善方案是設(shè)計(jì)一款加長鉆頭并聯(lián)系供應(yīng)商制造，確保刃長大于一塊蓋板和至少兩塊生產(chǎn)板的厚度之和，從而可將疊板數(shù)量由1 PNL/疊改為2 PNL/疊，提高鉆孔效率，降低生產(chǎn)成本；同時(shí)配備涂樹脂鋁片蓋板進(jìn)行鉆孔跟進(jìn)，涂樹脂鋁片蓋板表面涂覆的高分子樹脂能夠防止鉆頭打滑，提高鉆孔孔位精度，還能吸收鉆頭高速旋轉(zhuǎn)及與板材摩擦產(chǎn)生的熱量，并通過自身熔融的相態(tài)變化潤滑鉆頭、清潔孔壁，進(jìn)一步保護(hù)鉆頭和改善鉆孔孔壁質(zhì)量[3]。具體鉆頭改進(jìn)情況見表2，實(shí)驗(yàn)跟進(jìn)結(jié)果見表3。

從表3孔位Cpk值分析結(jié)果來看，方案2、3、4的孔位Cpk值均大于1.33，表現(xiàn)合格，方案1孔位Cpk值為小于1.33，表現(xiàn)不合格，說明板厚2.0 mm、最小孔徑0.225 mm、2 PNL/疊鉆孔必須使用涂樹脂鋁片蓋板。從孔壁方面來看，4個(gè)方案的孔壁粗糙度小于25.4 μm，釘頭（內(nèi)層銅厚）＜2.0，孔壁粗糙度和釘頭表現(xiàn)合格；4個(gè)方案的鉆孔孔壁燈芯長度在109.80～160.69 μm，大于100 μm，表現(xiàn)不合格。

表1 板厚2.0 mm、最小孔0.225 mm鉆孔疊板數(shù)行業(yè)調(diào)查情況

表2 加長鉆頭和普通鉆頭基本信息

表3 加長鉆針鉆孔實(shí)驗(yàn)結(jié)果

基于表3實(shí)驗(yàn)中燈芯問題，優(yōu)化鉆孔參數(shù)（鉆頭壽命、轉(zhuǎn)速、進(jìn)刀速）跟進(jìn)測試，結(jié)果如表4。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看，孔壁燈芯長度仍然大于100 μm，改善效果不大。這說明，涂樹脂鋁片有利于改善鉆孔孔位精度和孔壁質(zhì)量，仍存在燈芯長度不合格的問題還需要進(jìn)一步改善研究。

2.3 鉆頭第二次改進(jìn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

繼續(xù)研究鉆頭改進(jìn)方案，在加長鉆頭表面加鍍一層金屬碳化鉭膜（TaC），TaC膜是一種類金剛石非晶四面體碳膜，具有高致密性、高耐磨性、低摩擦系數(shù)等優(yōu)點(diǎn)，可將鉆頭表面摩擦系數(shù)由0.45降低到0.05，用來進(jìn)一步改善鉆頭與孔壁摩擦及排屑效果。具體鉆頭改進(jìn)情況見表5所示。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖2所示，板厚2.0 mm、最小孔徑0.225 mm采用鍍膜鉆頭及涂樹脂鋁片蓋板2 PNL/疊鉆孔，使用新刀、磨一、磨二、磨三的鉆頭鉆孔過程均無出現(xiàn)斷針，孔位Cpk值大于1.33，孔位精度合格；孔壁粗糙度均小于25 μm，孔壁釘頭（釘頭/內(nèi)層銅厚）小于2.0，孔壁燈芯長度小于100 μm，孔壁質(zhì)量合格。這說明鍍膜鉆頭配合涂樹脂鋁片鉆孔測試符合要求，但考慮到測試樣品數(shù)量有限，建議先小批量試用。

表4 燈芯問題優(yōu)化方案實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表5 鍍膜鉆針和加長鉆針基本信息

圖2 鍍膜鉆頭鉆孔實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.4 鉆頭小批量導(dǎo)入跟進(jìn)生產(chǎn)結(jié)果

為進(jìn)一步驗(yàn)證改進(jìn)方案的可行性，采用六軸鉆機(jī)實(shí)施板厚2.0 mm、最小孔徑0.225 mm、2 PNL/疊PCB小批量鉆孔生產(chǎn)，鉆孔參數(shù)與測試條件保持一致，跟進(jìn)結(jié)果如表6、表7。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，小批量生產(chǎn)，鉆孔過程無斷針，六個(gè)鉆軸鉆孔的孔位Cpk值均大于1.3，孔位精度合格；孔壁粗糙度均小于25.4 μm，孔壁釘頭（釘頭大小/內(nèi)層銅厚）小于2.0，孔壁燈芯長度小于100 μm，孔壁質(zhì)量合格。說明改進(jìn)方案小批量生產(chǎn)合格，具備批量生產(chǎn)的可行性。

2.5 1 PNL/疊改2 PNL/疊的鉆孔價(jià)值核算

經(jīng)我公司財(cái)務(wù)成本組價(jià)值核算，板厚2.0 mm最小孔0.225 mm鉆孔由1 PNL/疊改2 PNL/疊，材料成本可下降10.98元/m2，生產(chǎn)效率提高37.01%，換算成人工成本可節(jié)約22.17元/m2，鉆孔總成本節(jié)約33.15元/m2，極具有推廣應(yīng)用價(jià)值。

3 結(jié)論

（1）目前板厚2.0 mm、最小孔0.225 mm鉆孔采用1 PNL/疊，嚴(yán)重影響生產(chǎn)效率；（2）采用0.225×5.2 mm加長鉆頭，并在鉆頭表面加鍍一層3～5 μm TaC涂層，配合使用涂樹脂鋁片蓋板，實(shí)現(xiàn)了板厚2.0 mm、最小孔0.225 mm鉆孔的2 PNL/疊生產(chǎn)；孔位Cpk值、孔壁粗糙度、孔壁釘頭、燈芯測試合格，滿足品質(zhì)要求；（3）經(jīng)成本核算，采用板厚2.0 mm、最小孔0.225 mm、2 PNL/疊鉆孔方法，材料成本可下降10.98元/m2，生產(chǎn)效率提高37.01%，極具推廣應(yīng)用價(jià)值。

表6 小批量生產(chǎn)孔位Cpk值情況

表7 小批量生產(chǎn)孔壁質(zhì)量情況