基于高厚徑比的高頻PCB微型鉆孔失效工藝研究

杜玉芳 劉湘淼

（深南電路股份有限公司，廣東 深圳 518000）

隨著5G通信技術(shù)的發(fā)展，相應(yīng)的印制電路板（PCB）普遍采用高速基材，線路密度也越來(lái)越高。在元器件面積比率不變的情況下，減小通孔直徑，可滿足BGA通孔布線能力。隨著通孔直徑的減小，機(jī)械鉆的孔徑從0.3 mm達(dá)到0.2 mm左右，而板厚在4.5 mm左右的高速基材背板設(shè)計(jì)非常常見(jiàn)，那么PCB厚徑比（AR）將進(jìn)一步增大。厚徑比值在20:1以上，尤其是超過(guò)23:1厚徑比的加工難度更大，尤其是在鉆孔、電鍍的制程中對(duì)可加工性、可靠性等方面有更高的要求，如存在不足將引起電氣開(kāi)路、產(chǎn)品功能性缺失等缺陷，使得硬件無(wú)法滿足上線要求，導(dǎo)致產(chǎn)品報(bào)廢，也制約著整個(gè)行業(yè)的發(fā)展與進(jìn)步。

因此，實(shí)現(xiàn)該類產(chǎn)品技術(shù)能力的突破，不僅能提升公司產(chǎn)品在市場(chǎng)上的競(jìng)技能力，也是技術(shù)引領(lǐng)創(chuàng)新優(yōu)勢(shì)的體現(xiàn)。

1 現(xiàn)狀分析

經(jīng)過(guò)對(duì)本公司不同材料有微孔設(shè)計(jì)的產(chǎn)品比例、厚徑比的分布狀況以及微孔鉆孔缺陷進(jìn)行分析，微鉆產(chǎn)品正朝著高速、超高厚徑比等方向發(fā)展（本文中微孔專指0.2 mm直徑的孔）。隨著5G產(chǎn)品的全面布局，高速產(chǎn)品的占比持續(xù)上升，圖1所示為不同類型基材的用量比例。目前公司高速材料（簡(jiǎn)稱H材料）產(chǎn)品，含H1、H2、H3不同種類及其混合材料產(chǎn)品占比已約78%。因H級(jí)材料的填料方式、樹(shù)脂黏度等特性與傳統(tǒng)的FR4普通材料的差異，其鉆孔加工潛在風(fēng)險(xiǎn)和難度也面臨新的挑戰(zhàn)。圖2所示為不同厚徑比孔產(chǎn)品所占比例，目前AR20:1以上超高厚徑比產(chǎn)品比例已經(jīng)超20%，鉆孔加工能力不足的問(wèn)題凸顯出來(lái)，鉆孔加工將會(huì)成為產(chǎn)品量產(chǎn)的關(guān)鍵技術(shù)瓶頸。

圖2 微鉆通孔加工產(chǎn)品厚徑比程度分布

分析2020年某單個(gè)工廠鉆孔工序微鉆超高厚徑比產(chǎn)品的報(bào)廢，微孔斷鉆頭失效引起的孔損缺陷占到整個(gè)鉆孔報(bào)廢缺陷類型的近50%，也是鉆孔加工報(bào)廢最主要的原因，后續(xù)文中“失效”視同“斷鉆失效”。本論文重點(diǎn)針對(duì)此問(wèn)題進(jìn)行分析研究并進(jìn)行改善，用于指導(dǎo)生產(chǎn)加工，達(dá)到提升公司超高厚徑比產(chǎn)品批量加工能力及市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的目的。

2 微孔斷鉆失效機(jī)理研究

2.1 斷鉆失效原因分解

微孔鉆孔加工中斷鉆失效的影響因素較多，主要影響因素來(lái)自人員、機(jī)器、工藝方法、材料等方面。人員的影響因素在于是否有效執(zhí)行操作文件的要求；而機(jī)器方面可能產(chǎn)生的影響因素有主軸夾持力，Runout值（主軸跳動(dòng)）、吸塵負(fù)壓、蘑菇頭對(duì)地的導(dǎo)電電阻大??；工藝方法主要是鉆孔的一系列參數(shù)，如進(jìn)頭速度，退頭速度，鉆速等的合理設(shè)置；物料方面的影響因素主要是鉆頭的類型，包含鉆頭材料、鉆頭形狀等。

2.2 斷鉆失效理論模型研究

2.2.1 鉆孔切削力分析

如圖3所示，鉆孔在加工的切削過(guò)程中時(shí)，主切削刃與樹(shù)脂、銅層接觸面產(chǎn)生切削力，在三維空間中分別可以表示為軸向力Fn、徑向力Fm、切向力FL。理論情況下，三種受力在空間中形成動(dòng)態(tài)平衡時(shí)則可以穩(wěn)定、高效的加工出高質(zhì)量的產(chǎn)品。在超高厚徑比產(chǎn)品微鉆加工過(guò)程中，切削力受到多種因素的影響，如：

圖3 鉆頭鉆孔的受力圖

（1）軸向力Fn是鉆頭垂直板面往下鉆孔的力，受主切削刃磨損程度加重、進(jìn)頭速度增加而變大。

（2）徑向力Fm是（垂直于鉆頭旋轉(zhuǎn)方向的力），切向力FL受排屑難度增加而變大。

這些單向受力的增大會(huì)使切削合力增加，當(dāng)鉆刀受到的合力超出鉆頭的屈服強(qiáng)度極限時(shí)鉆頭便會(huì)發(fā)生斷裂，導(dǎo)致斷鉆失效。

如圖4所示，常見(jiàn)的斷鉆失效形式包括：（1）彎折斷裂，多發(fā)生在異形孔加工時(shí)，因鉆刀抗彎能力不足導(dǎo)致；（2）扭曲斷裂，多發(fā)生在高厚徑比、厚銅加工時(shí)，因排屑不良或抗扭能力不足導(dǎo)致。

圖4 斷鉆失效類型示意圖和鉆頭斷面圖

2.2.2 斷鉆失效類型分析

0.2 mm鉆頭完成對(duì)超高厚徑比產(chǎn)品加工后，其鉆頭磨損量、排屑狀態(tài)、斷裂面形貌如圖5所示。通過(guò)對(duì)鉆刀的磨損量、排屑狀態(tài)、斷裂面形貌表征分析可知：

圖5 微孔加工斷鉆狀態(tài)圖

（1）鉆頭主切削刃磨損程度良好，即鉆頭受到的軸向壓力Fn不大。

（2）鉆頭排屑槽出現(xiàn)了排屑不良的現(xiàn)象，堵屑主要為銅絲、樹(shù)脂兩種鉆屑，新鉆頭與磨損鉆頭對(duì)比如圖6所示。

圖6 新鉆頭（左圖）與磨損鉆頭（右圖）對(duì)比圖

（3）鉆頭斷裂截面形貌不平整，呈斜臺(tái)狀，與扭斷失效類型截面更接近。

基于以上結(jié)論，結(jié)合鉆頭實(shí)際加工情況可知：因排屑不良引起的切向應(yīng)力FL增大而導(dǎo)致鉆頭過(guò)載斷裂，其失效形式為扭斷失效。

2.2.3 切削原理與鉆屑量分析

（1）切削過(guò)程分析。切削過(guò)程示意圖如圖7所示。

圖7 切削示意圖

其中，切削寬度aw表達(dá)見(jiàn)式（1）所示。

切削厚度ac表達(dá)達(dá)見(jiàn)式（2）所示，F(xiàn)為進(jìn)刀速，S為轉(zhuǎn)速

切削體積V表達(dá)達(dá)見(jiàn)式（3）所示。

（2）鉆屑量分析。

采用公司常見(jiàn)H級(jí)材料0.2 mm鉆孔加工參數(shù)如表1所示。

表1 H級(jí)材料加工鉆孔參數(shù)

根據(jù)鉆孔參數(shù)可以對(duì)鉆屑進(jìn)行基本計(jì)算，鉆屑量寬度：aw≈110 μm；鉆屑量厚度：ac≈13 μm；鉆屑量體積：V≈6.3×107μm3。

（3）排屑能力分析。

鉆孔時(shí)的排屑過(guò)程如圖8所示：鉆屑在切削過(guò)程中不斷產(chǎn)生，主要由銅屑和樹(shù)脂組成，兩者產(chǎn)生的形貌有所差別，但均是在離心力的作用和在后續(xù)鉆屑的推擠下，沿著排屑槽排出鉆頭。

圖8 排屑示意圖

通過(guò)三維無(wú)損測(cè)量技術(shù)可以完成鉆刀的輪廓數(shù)據(jù)采集，圖9所示為0.2 mm鉆刀的三處輪廓采樣數(shù)據(jù)。不難發(fā)現(xiàn)，鉆頭排屑槽設(shè)計(jì)從鉆尖到末端呈逐漸變窄、變淺。鉆末處截面尺寸約210 μm×16 μm。

圖9 鉆頭輪廓曲線圖

通過(guò)對(duì)排屑槽數(shù)據(jù)分析，可以計(jì)算得到排屑槽排屑能力。

（1）鉆頭螺旋線以及展開(kāi)示意圖如圖10所示。

圖10 螺旋線示意圖

（2）鉆頭螺旋槽截面示意圖如圖11所示。螺旋槽橫截面積S可表達(dá)見(jiàn)式（4）所示。

圖11 螺旋槽截面圖

（3）鉆頭模型如圖12所示。

圖12 鉆頭三維模型圖

我司使用常規(guī)雙刃單槽型鉆頭，排屑槽包含兩種結(jié)構(gòu)，前段為雙螺旋槽容積為V1，后段為單螺旋槽容積為V2，則：螺旋槽體積V= V1+V2。

根據(jù)體積公式：V=S×L，推導(dǎo)出螺旋槽體積表達(dá)式見(jiàn)式（5）所示。

其中：K為雙螺旋槽系數(shù)（雙螺旋槽系數(shù)是指鉆頭雙螺旋結(jié)構(gòu)中兩條螺旋線的長(zhǎng)度比值，可由1/計(jì)算得到，其中 為螺旋角度），通常取值1.0～1.2為宜；n為螺旋線層數(shù)；a1，b1、a2，b2、a3，b3、為鉆尖部1、鉆中部2、鉆末部3螺旋槽的槽深、槽寬值，根據(jù)圖12對(duì)鉆頭三部位測(cè)量得到的三維數(shù)據(jù)值，帶入體積公式可得鉆頭的排屑能力為式（6）所示。

通過(guò)上述對(duì)鉆屑量與排屑能力的分析，可得出如下結(jié)論。

（1）根據(jù)前述鉆屑量分析鉆屑量寬度：aw≈110 μm，鉆屑量厚度：ac≈13 μm；以及排屑能力分析中測(cè)得鉆末處截面尺寸約210 μm×16 μm，計(jì)算得到鉆頭位置3的排屑口處的排屑剩余空間為：

（2）根據(jù)前述第2.2.3.2節(jié)中鉆屑量分析，運(yùn)用公司現(xiàn)有高速材料的微孔鉆孔加工參數(shù)計(jì)算出的鉆屑量體積V≈6.3×107μm3

通過(guò)理論上計(jì)算可知：鉆屑在單個(gè)排屑槽橫截面空間占用率接近70%，在整個(gè)排屑槽中的體積占用率接近80%，表明鉆屑無(wú)論是在產(chǎn)生還是排出能力上均已接近鉆刀排屑極限，加上實(shí)際加工的切削過(guò)程中，鉆屑的形成與排出狀，為實(shí)時(shí)變化的動(dòng)態(tài)量。排屑過(guò)程復(fù)雜多變，鉆屑中的樹(shù)脂極易形成樹(shù)脂固化物與銅絲粘連在一起，進(jìn)一步增大了排屑的難度，也充分證明了現(xiàn)有的加工條件（鉆孔參數(shù)和鉆頭結(jié)構(gòu)形狀）極易造成鉆頭排屑不良，進(jìn)而導(dǎo)致鉆頭斷鉆失效。

3 斷鉆失效改善方案研究

3.1 斷鉆失效改善方向

對(duì)于鉆頭尺寸而言有刃徑比數(shù)值，刃徑比是指鉆頭刃長(zhǎng)與直徑的比值，刃徑比通常比加工板件厚徑比大，超高厚徑比產(chǎn)品對(duì)鉆頭刃徑比需求為(25～30):1。相同切削條件下，超高厚徑比用鉆頭產(chǎn)生的鉆屑在排屑槽中停留的時(shí)間更久，鉆屑排出需求空間更大，排屑也更加困難。根據(jù)上述斷鉆失效的分析，如果對(duì)鉆屑量或排屑能力進(jìn)行有效的控制，斷鉆失效問(wèn)題將有望得到有效改善。

通過(guò)上述對(duì)斷鉆失效機(jī)理的研究可知，現(xiàn)有加工條件下排屑不良是導(dǎo)致斷鉆失效的主要原因。因此，優(yōu)化鉆屑量或改善排屑能力便可作為斷鉆失效缺陷的主要研究方向。

（1）鉆屑量改善方向。可以從預(yù)鉆、分段鉆和優(yōu)化鉆孔參數(shù)入手。優(yōu)化預(yù)鉆、分段鉆方式是通過(guò)控制每一次進(jìn)給的切削量來(lái)達(dá)到降低切削量的目的；優(yōu)化加工參數(shù)的方式則是通過(guò)控制進(jìn)刀速和轉(zhuǎn)速的比值控制（即chipload值），通過(guò)降低每一轉(zhuǎn)的切削量，來(lái)達(dá)到降低切削量的目的。

（2）排屑能力改善方向?？梢詮膬?yōu)化鉆頭的螺旋槽角度，溝幅比、芯厚錐度入手。通過(guò)優(yōu)化螺旋槽角度以減少鉆屑在排屑槽內(nèi)停留的時(shí)間，達(dá)到提升排屑速率的目的；優(yōu)化溝幅比、芯厚錐度則是通過(guò)改變排屑槽橫截面積的方式提高鉆屑的通過(guò)能力，以降低因排屑不良導(dǎo)致的排屑槽堵屑的風(fēng)險(xiǎn)。

我們?cè)O(shè)計(jì)了系列實(shí)驗(yàn)板進(jìn)行斷鉆影響因素的試驗(yàn)驗(yàn)證，流程為：鉆孔→孔化→加厚鍍銅→板內(nèi)取切片觀測(cè)。

3.2 鉆屑量改善研究和結(jié)果

3.2.1 預(yù)鉆改善設(shè)計(jì)研究和結(jié)果

預(yù)鉆具有良好的鉆孔定心、導(dǎo)引功能。此外，其通過(guò)預(yù)切削的方式，使得鉆屑更容易斷裂，利于排屑。預(yù)鉆量由切削殘量控制，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)如圖13所示，設(shè)計(jì)DOE實(shí)驗(yàn)如表2所示。

表2 預(yù)鉆DOE實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)表

圖13 預(yù)鉆設(shè)計(jì)示意圖

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中，反面預(yù)鉆擬采用0.11 mm與0.15 mm直徑的鉆頭，使用0.15 mm直徑的鉆頭預(yù)鉆時(shí)對(duì)孔位的定位精度要求更高。

試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)為0.15 mm鉆頭預(yù)鉆時(shí)通孔對(duì)接單邊誤差值達(dá)到＜0.025 mm，0.11 mm鉆刀時(shí)小于0.045 mm。0.11 mm和0.15 mm的鉆刀參數(shù)使用目前公司H材料常規(guī)加工參數(shù)。試驗(yàn)結(jié)果如圖14所示。

從圖14的結(jié)果看：（1）斷鉆率與反面預(yù)鉆深度和殘量厚度呈正相關(guān)，較淺的反面預(yù)鉆深度和殘量厚度可有效降低斷鉆率；（2）反面預(yù)鉆直徑對(duì)斷鉆率有一定的影響，但兩者斷鉆率差別不明顯。此外，當(dāng)反面預(yù)鉆深度大于1.0 mm時(shí)，0.11 mm鉆刀斷鉆率高于0.15 mm鉆刀。

圖14 預(yù)鉆設(shè)計(jì)試驗(yàn)結(jié)果關(guān)系圖

3.2.2 分段鉆改善設(shè)計(jì)研究

鉆機(jī)設(shè)置中，常用的有兩種不同的分段鉆方式，即standard與chipbreaker分段法，如圖15所示。兩者區(qū)別在于：standard模式每次分鉆回刀抬至第一次回刀高度位置，對(duì)鉆刀具有充分排屑和散熱的作用，該模式需要的鉆孔時(shí)間更長(zhǎng)；chipbreaker模式每次分段鉆均回刀抬至下鉆位置相同高度差的高度，在鉆孔過(guò)程中實(shí)現(xiàn)斷屑功能，該模式存在一定的積屑風(fēng)險(xiǎn)。

圖15 分段鉆方式示意圖

高厚徑比產(chǎn)品通孔加工多采用分段鉆穿，公司現(xiàn)有鉆孔通常選用3段鉆穿，因考慮到現(xiàn)有鉆孔參數(shù)計(jì)算的排屑槽容量已經(jīng)達(dá)80%，因此，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)增加采用4段鉆穿進(jìn)行對(duì)比研究。鉆孔參數(shù)采用現(xiàn)有H材料加工參數(shù)，試驗(yàn)結(jié)果是4段情況下standard分段加工方式斷鉆率低于chipbreaker分段鉆加工方式，且兩種分段鉆方式都顯示4段鉆穿加工斷鉆率顯著低于3段鉆穿斷鉆率。

3.2.3 Chipload參數(shù)設(shè)計(jì)研究

chipload越高單位時(shí)間內(nèi)切削量大，鉆屑厚度大，鉆屑形態(tài)多變；低chipload（切削量）單位時(shí)間內(nèi)切削量小，鉆屑厚度小，容易形成穩(wěn)定的鉆屑。作為鉆屑表征的基本方法，可表示進(jìn)刀速/轉(zhuǎn)速，表達(dá)式為如式（7）所示。

采用如表3所示的DOE試驗(yàn)對(duì)比，得到的試驗(yàn)結(jié)果如圖16所示。

表3 轉(zhuǎn)速/進(jìn)刀速水平參數(shù)表

從圖16的試驗(yàn)結(jié)果可知：（1）斷鉆率與進(jìn)刀速關(guān)系呈正相關(guān)，與轉(zhuǎn)速呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)，但隨著轉(zhuǎn)速的不斷升高，斷鉆率會(huì)有所上升。（2）當(dāng)轉(zhuǎn)速為130 kr/min，進(jìn)刀速為1.3 m/min，即chipload為10 μm/rev時(shí)，斷鉆率較低。

圖16 chipload試驗(yàn)結(jié)果關(guān)系圖

小結(jié)：通過(guò)上述對(duì)預(yù)鉆參數(shù)、分段鉆和chipload的研究可得出，超高厚徑比產(chǎn)品0.2 mm鉆孔加工方式與加工參數(shù)的最優(yōu)方案為：（1）加工方式：反面預(yù)鉆（0.11 mm控深0.5 mm）＋正面預(yù)鉆（0.15 mm控深1.0 mm）＋正面預(yù)鉆（0.15 mm預(yù)鉆X值）＋正面鉆穿（standard分4段）。其中：X值＝理論板厚－1.0 mm；（2）加工參數(shù)方面：采用chipload值為10的參數(shù)分段鉆4次效果最佳。

3.3 排屑能力改善設(shè)計(jì)原則

鉆頭的設(shè)計(jì)在行業(yè)內(nèi)已經(jīng)趨于成熟，常用的結(jié)構(gòu)類型也基本確定。針對(duì)不同的使用場(chǎng)景，鉆頭結(jié)構(gòu)可通過(guò)螺旋角、芯厚、溝幅比等參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。螺旋角是一個(gè)十分關(guān)鍵的參數(shù)，它不僅影響切削的鋒利程度還對(duì)排屑和鉆頭剛度有影響。芯厚越大鉆刀剛度越大，則抗彎曲變形的能力越強(qiáng)，那么鉆孔時(shí)斷鉆的可能性降低。溝幅比（溝寬度和幅寬度的比值）越高時(shí)，雖然鉆孔時(shí)的應(yīng)力越大但排屑越快，但相應(yīng)的鉆頭的剛性減小斷鉆概率又有所增加[1]。

如何平衡這三個(gè)參數(shù)的達(dá)到最佳的微鉆鉆頭是個(gè)難點(diǎn)，我們做如下四種設(shè)計(jì)（見(jiàn)表4所示）。對(duì)四種不同設(shè)計(jì)類型鉆頭的測(cè)試結(jié)果如圖17所示。

圖17 不同鉆頭設(shè)計(jì)試驗(yàn)結(jié)果

表4 不同鉆刀設(shè)計(jì)方案參數(shù)表

通過(guò)上述實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明：

（1）增加排屑槽截面積，可有效降低斷鉆率；

（2）螺旋角為42°降低了鉆頭剛性，鉆孔有臺(tái)階孔風(fēng)險(xiǎn)；螺旋角為38°增加了鉆頭剛性，但不利于排屑；

（3）當(dāng)鉆頭溝幅比約為1.0:1時(shí)，斷鉆失效得到有效改善。因此從這4款新刀型涉及中可以得出，B型鉆頭的設(shè)計(jì)目前從斷鉆率和鉆孔定位精度能力最佳，也無(wú)其他鉆孔不良的鉆孔缺陷，具有最佳的性能。

由于鉆孔切削是一個(gè)極其復(fù)雜的過(guò)程，本節(jié)加工能力的提升出發(fā)點(diǎn)從鉆頭設(shè)計(jì)出發(fā)，根據(jù)非圓截面軸抗彎、抗扭K值曲線關(guān)系[2]，參照公式5結(jié)合我們的鉆孔參數(shù)可以得到理論的排屑能力，新設(shè)計(jì)優(yōu)化的鉆刀對(duì)比原設(shè)計(jì)排屑能力提升了約1.7 倍。

4 總結(jié)

本文高厚徑比產(chǎn)品直徑0.2 mm鉆孔加工能力研究，主要從加工方式和鉆刀結(jié)構(gòu)兩個(gè)方面對(duì)斷鉆進(jìn)行了分析和改善研究。通過(guò)優(yōu)化改善后的效果明顯，尤其是超高厚徑比產(chǎn)品加工斷鉆率由25.50%左右降低至0.95%左右，改善效果顯著，但微孔鉆孔的工藝能力提升除此之外對(duì)機(jī)臺(tái)的性能也有很高的依賴性，因此提升機(jī)臺(tái)的綜合性能是下一個(gè)可重點(diǎn)研究的方向。