精密印制線路板PCB鉆孔用壓力腳裝置研究

李海平

（福建福強精密印制線路板有限公司，福建福清350301）

1 引言

PCB 又稱印制電路板，是電子元器件的支撐體，能夠作為與電氣相連的載體，為確保PCB 板在制造時能夠滿足相關(guān)工藝要求，符合智能化、模塊化、綜合化的發(fā)展需求，需要進一步加強壓力腳裝置的利用，強化鉆孔品質(zhì)，提高產(chǎn)品質(zhì)量。

2 精密印制線路板PCB鉆孔探究

精密印制線路板PCB鉆孔加工通常需要利用數(shù)控鉆孔機（見圖1）完成，利用高速旋轉(zhuǎn)的鉆頭在電路板上快速進給，以此形成層間電路導(dǎo)通孔，打造焊接零件固定孔。在使用時需要根據(jù)PCB鉆孔的基本性能指標(biāo)進行鉆孔品質(zhì)的判斷，如孔位精度、斷針率以及孔壁品質(zhì)，并采用彈性模量相對較大、吸振效果優(yōu)良的PCB鉆孔設(shè)備進行鉆孔處理，而在材料選擇方面則要以天然花崗石為主，此類材料質(zhì)地堅硬、吸水率低、耐磨、耐酸，能夠滿足相關(guān)加工需要。

圖1 數(shù)控鉆孔機

基于加工效率的考慮，需要將設(shè)備Z軸部分盡可能實現(xiàn)輕量化轉(zhuǎn)變，以此獲取極高的運行速度與加速度，一般情況下PCB 電路板的機械加工孔均需要采用麻花鉆頭，并盡可能減少鉆頭直徑，從而降低切削刃長度。而在鉆柄尺寸、PCB 板孔徑范圍等方面的設(shè)計則要注意，鉆柄尺寸需要固定在φ3.175 mm左右，要求切削刃直徑不可超過φ6.5 mm。同時由于PCB 材料本身的特性要求，需要將鉆頭線速度控制在200 m/min 以下。當(dāng)鉆頭在高速旋轉(zhuǎn)時，會由鉆孔機Z軸進行驅(qū)動，使整體軸呈現(xiàn)自上而下的往復(fù)運動，而X、Y軸則主要負(fù)責(zé)孔位定位，能夠配合三軸組合運動實現(xiàn)定位鉆孔。鉆孔示意圖如圖2所示。

圖2 鉆孔示意圖

根據(jù)圖2 可知，為確保鉆孔加工效率的最大化，需要在實施PCB 板通孔時依照鉆頭切削刃長以及單板厚度確定一次加工板數(shù)量。同時為了避免出現(xiàn)PCB 板被刮花的情況，需要在PCB 板上添加蓋板，蓋板的材料組成大多為鋁與樹脂，具有良好的韌性，能夠在外力作用下產(chǎn)生一定的流動傾向，此類材料環(huán)保性強，加工便捷，可以根據(jù)實際需要組成各式各樣的形狀。此外，為實現(xiàn)整疊PCB 板的一次性鉆透，需要保證鉆頭鉆尖可以超出最底層，并在PCB 板下預(yù)先放置一張墊板[1]。

3 高精密印制線路板制造過程關(guān)鍵技術(shù)

線路板的制造過程主要是指對被切削材料在鉆頭以及螺旋刀面的擠壓作用下發(fā)生彈性變形至塑性變形的過程，該過程的持續(xù)性以及長短都對鉆頭的品質(zhì)提出了更高的要求，一旦出現(xiàn)刀具質(zhì)量不佳的狀況，便會造成斷鉆、偏位等不良現(xiàn)象，因此，為切實解決此類問題，需要研發(fā)一種能夠?qū)Φ毒哌M行多角度檢查的裝置，要求刀具檢查設(shè)備能夠操作便捷、使用靈活，保持極高的性價比，可以對刀具進行在線監(jiān)控與識別。若想該裝置的設(shè)計效果得到最大發(fā)揮，還需要做好以下工作：一是要健全作業(yè)指導(dǎo)書，明確作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，把控產(chǎn)品品質(zhì)，制定合理的規(guī)章制度，對不同狀態(tài)下的刀具進行定期抽驗，確保潛在的安全問題得到及時發(fā)現(xiàn)與處理；二是要做好人員的技術(shù)能力提升，開展理論與實踐相結(jié)合的培訓(xùn)活動，能幫助人員理解刀具檢測的重要性。

4 精密印制線路板PCB鉆孔用壓力腳裝置分析

4.1 工件組合

在工件組合中最為常見的一種便是蓋板、PCB 以及墊板的組合形式，可以在使用過程中保證結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。其中蓋板是安裝在電路板上方的結(jié)構(gòu)零件，其主要作用便是降低PCB 的毛刺與刮傷，在保證PCB 質(zhì)量的同時，提升整體結(jié)構(gòu)的散熱能力，使整個結(jié)構(gòu)可以處于清潔的環(huán)境中，進而提升鉆孔工作的精準(zhǔn)度。此外，蓋板的使用可以提升結(jié)構(gòu)的硬度，防止外界作用對鉆孔產(chǎn)生影響。但是在材質(zhì)上不能選擇硬度較大的材料，否則會在后續(xù)的工序中影響鉆頭的使用壽命，造成資源的浪費。因此現(xiàn)階段在設(shè)計工作中，工作人員多數(shù)會使用樹脂材料的蓋板，但是在材料選擇的過程中還要關(guān)注樹脂的成分，盡可能地避免后續(xù)鉆孔出現(xiàn)熔融的情況。與此同時，蓋板的材質(zhì)需要具備一定的剛性，以此減少鉆孔時結(jié)構(gòu)的顫動，能夠從根本上提升組件的穩(wěn)定性與彈性，使鉆孔工作的進行不會對工件的外在形態(tài)產(chǎn)生不利的影響，進而降低鉆孔工作的難度，使鉆頭可以更加便捷地進入預(yù)定的位置，保證鉆孔工作的質(zhì)量和效率。

蓋板的選材對于最終工件的質(zhì)量來講十分重要，要盡可能選擇質(zhì)地均勻且沒有節(jié)點情況的材料，否則一旦鉆孔過程中出現(xiàn)節(jié)點，便很容易對鉆頭產(chǎn)生影響，甚至?xí)广@頭斷裂。這不僅會損壞資源，還會對工件的質(zhì)量產(chǎn)生不利的影響。此外，應(yīng)避免硬度高、表面摩擦力小的蓋板材料，在進行鉆頭的選擇時，也要盡可能選擇小直徑的鉆頭，此種類型的鉆頭相比于大直徑可以提高工具的導(dǎo)熱性，以便更好地降低鉆孔工作中的熱量，防止熱量過高出現(xiàn)鉆頭起火的情況。

現(xiàn)階段，在國內(nèi)市場中最為常見的墊板類型主要包括酚醛紙質(zhì)板、普通規(guī)格紙質(zhì)板以及木屑板。其中木屑板相比于其他材料，在材料均勻度方面較差，但是硬度較高，極易在鉆孔的過程中產(chǎn)生毛刺的情況。由此可見，墊板的硬度也是影響鉆孔工作質(zhì)量的重要因素。硬度較小，則墊板的軟度較高，在鉆孔工作中極易折斷鉆頭。然而這類材料的成本較低，可以在銅箔質(zhì)地的面板中進行使用，可以保證良好的應(yīng)用效果。此外，對于工件使用以及研發(fā)來講，應(yīng)該加大對國外材料的認(rèn)識與選擇。目前，國外市場中已經(jīng)出現(xiàn)了一種應(yīng)用效果較好的復(fù)合墊板，這種墊板在結(jié)構(gòu)上分為3 層，其中上、下兩層的制作材料是鋁合金箔，而中間層則是使用纖維材料制作。在材料的硬度以及剛性上可以滿足工件使用的需求，且應(yīng)用效果較好。此外這種材料的厚度多數(shù)為1.50 mm，可以在保證性能的基礎(chǔ)上，降低對周圍環(huán)境的影響，進而滿足環(huán)保的需求，可以被較好地應(yīng)用于工作中，但是這種材料的成本較高，因此在選擇時需要注意成本方面的情況。

4.2 基本組成

精密印制線路板PCB鉆孔用壓力腳裝置（見圖3）的主要組成包括小壓腳、壓腳座、檢測傳感器、連接桿等，該裝置的結(jié)構(gòu)特點在于壓腳座中心區(qū)域為通孔，通孔內(nèi)徑與鉆孔設(shè)備主軸呈配合狀態(tài)，在壓腳座凸臺通孔位置設(shè)有縱向套銷孔，能夠與螺紋孔實現(xiàn)緊密連接，并且壓力腳裝置配有壓腳蓋，兩側(cè)向上延伸與銷孔固定連接形成縱向銷柱，在頂部設(shè)有圓環(huán)槽。當(dāng)螺釘與壓腳座連接完成后，螺釘頭便可緊固在圓環(huán)槽中。該裝置不僅可以保證蓋板與PCB 之間的緊密連接，提高孔的加工精度，還能與外部設(shè)備結(jié)合，例如，在接入吸塵管后可以將鉆孔過程中出現(xiàn)的粉塵全部吸走，此外還能在壓腳座底部設(shè)置檢測傳感器，用于判斷是否存在斷鉆現(xiàn)象。該裝置的構(gòu)成相對簡易，能夠?qū)崿F(xiàn)拆卸處理，便于后期維修與養(yǎng)護。

圖3 PCB鉆孔用壓力腳裝置

4.3 制作流程

精密印制線路板PCB鉆孔用壓力腳裝置是決定鉆孔品質(zhì)的重要因素，以往在進行大于φ0.5 mm 的鉆孔處理時，各生產(chǎn)商為了降低成本支出會在滿足CPL 指標(biāo)以及孔壁粗糙度要求的基礎(chǔ)上，采用吸屑罩與單孔壓力腳完成相關(guān)配置，但隨著鉆孔孔徑的持續(xù)降低，傳統(tǒng)的壓力腳裝置已無法滿足不斷提升的鉆孔精度以及品質(zhì)需求，因此設(shè)計人員需要實現(xiàn)PCB鉆孔用壓力腳裝置的升級與創(chuàng)新，將內(nèi)徑為φ8.3 mm 的壓力腳用于大孔開鉆，而內(nèi)徑為φ2.5 mm 的壓力腳則用于小孔開鉆，從而減少空曠區(qū)域，使PCB 工件被壓實牢固。以德國開發(fā)的壓力腳大、小位置合一的設(shè)備為例，此類結(jié)構(gòu)能夠保證壓力腳位于同一平面，可以利用汽缸實現(xiàn)滑板驅(qū)動。其優(yōu)勢在于結(jié)構(gòu)簡易，容易完成機械加工，但缺點也同樣明顯，即壓力腳位于小孔區(qū)域，因此鉆頭周邊需要為壓力腳大小孔切換預(yù)留通道，只能借助位置更遠(yuǎn)的壓力腳完成工件系統(tǒng)的壓緊處理。而日本設(shè)計的壓力腳裝置結(jié)構(gòu)則是將大小壓力腳固定在弧形壓力腳座上，借助驅(qū)動汽缸驅(qū)動壓力腳座實現(xiàn)自由切換。該設(shè)計方法的優(yōu)點在于壓力腳位于小孔位置，因此鉆頭周邊可以實現(xiàn)緊實貼合，但缺點在于結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，弧形面加工難度較高，且維修工作也難以有序開展。此外，在使用壓力腳裝置時壓腳大小與吸塵負(fù)壓容易對鋁片產(chǎn)生影響，如果壓腳偏大，便會在鉆孔時使鋁片在負(fù)壓的作用下吸起，進一步加大鉆孔誤差。若壓腳偏小，則又會導(dǎo)致壓力集中分布，需要設(shè)計人員適當(dāng)降低吸塵負(fù)壓效果，才能確保鉆孔精度得到進一步提升。

至于吸屑罩的設(shè)計重點則在于吸塵效率方面，吸屑罩內(nèi)的流線是將螺旋擴展過程轉(zhuǎn)變?yōu)槌隹诠艿懒骶€，因此出口方向需要遵從圓潤原則，保證中心實線與螺旋線相切，提高吸出斷面面積。同時在出口垂直位置設(shè)計上要盡可能貼近吸屑罩底側(cè)，避免對主軸縫隙入流造成影響，并適當(dāng)減少二者之間的間隔，以此達(dá)到提高吸屑罩吸塵效率的目的，防止靜電干擾的形成。

4.4 型式與材料

壓力腳可以起到壓緊工件的作用，借助開槽透氣結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)空氣補充，形成良好的對流系統(tǒng)，可以產(chǎn)生一定的緩沖效果。相關(guān)鉆孔裝置設(shè)計廠家需要在設(shè)計過程中進行不同側(cè)重點的分析，例如，在材料方面，壓力腳的材料可細(xì)分為金屬材料與非金屬材料，其中金屬材料大多表現(xiàn)為不銹鋼以及黃銅，使用時需要考慮硬度、耐磨損性、使用壽命等因素。而非金屬材料則以PA66、PU 為主，使用時需要將材料的吸振特性、抗沖擊效果等因素考慮在內(nèi)[2]。

4.5 參數(shù)確定

在進行參數(shù)確定時需要利用ABA 仿真軟件完成壓腳材料的調(diào)整與把控，本文以100 N 壓腳力與10 kPa 真空度作為實驗條件，進一步探究不同材料壓力腳的性能狀況。根據(jù)實驗顯示，剛壓腳在壓腳力沖擊下會產(chǎn)生一定程度的振蕩，在振蕩時間內(nèi)振蕩效果呈衰減趨勢變化，而PU 壓腳則具有極強的吸振效果，在發(fā)生振蕩后能夠在0.01 s 內(nèi)迅速穩(wěn)定下來。

通過上述方法設(shè)計的壓力腳裝置需要在相同環(huán)境以及鉆孔參數(shù)下進行測試，實現(xiàn)壓腳汽缸壓力以及吸塵負(fù)壓的調(diào)整，并準(zhǔn)確測試鉆板精確度，利用PVcheek 檢測裝置完成相關(guān)數(shù)值的測定，其最大壓力為250 N，分辨率在1 N 左右，真空吸附的最大壓力則為30 kPa。測試結(jié)果為：當(dāng)壓力腳壓力設(shè)置在100 N 且真空負(fù)壓在10 kPa 時，鉆孔精確度最高，能夠保持最佳的鉆孔品質(zhì)[3]。

5 高精密印制線路板外觀檢測裝置的研發(fā)

為確保精密印制線路板PCB鉆孔用壓力腳裝置能夠正常使用，進一步保證高精密印制線路板的制作質(zhì)量，生產(chǎn)加工企業(yè)可利用相關(guān)檢測設(shè)備進行印制線路板的質(zhì)量檢測，及時消除外觀缺陷，確保裝置性能的充分發(fā)揮。以某地方研究院生產(chǎn)的高精密印制線路板外觀檢測裝置作為研究對象，該設(shè)備不僅可以緊密吸附線路板，并且操作便捷，靈活度較高，能夠協(xié)助技術(shù)人員從多個角度進行線路板的質(zhì)量檢測，能夠有效提升質(zhì)檢合格率以及質(zhì)檢速率。該裝置的組成部分主要包括：凹陷、承板裝置內(nèi)腔、通風(fēng)孔、承板裝置橫軸、側(cè)蓋板、下蓋板、固定螺釘。其中承板裝置是指一個扁平盒狀的構(gòu)件，在構(gòu)件表面分布大量的通風(fēng)孔，而在側(cè)面則設(shè)有吸附管路風(fēng)口，在裝置兩端則安裝承板裝置橫軸，能夠通過轉(zhuǎn)動軸承與裝置支柱緊密連接，使承板裝置圍繞橫軸進行轉(zhuǎn)動。

在具體安裝過程中要注意，吸附管路風(fēng)口需要開設(shè)在承板橫軸上，實現(xiàn)裝置結(jié)構(gòu)的緊密相連，同時為了進一步提升承板設(shè)備對線路板的吸附效果，還要確保選取的通風(fēng)孔屬于不等徑通孔，外側(cè)孔徑要高于內(nèi)側(cè)孔徑，確保吸附面積的最大化。而在承板裝置表面則要設(shè)置一定凹陷，用以起到對限位板限位的作用，這樣當(dāng)旋轉(zhuǎn)承板設(shè)備時，便可避免線路板出現(xiàn)脫落現(xiàn)象。至于承板裝置的上、下、前、后、左、右蓋板則要使用酚醛樹脂材質(zhì)，該材料耐高溫效果優(yōu)良、粘結(jié)強度高、低煙低毒，能夠進一步提高構(gòu)件的使用壽命，即使在惡劣環(huán)境下也能正常使用。在連接蓋板時要采用過隼卡合的方式，之后利用螺釘進行固定處理，并在四周涂抹黏膠提高設(shè)備的密封性。

6 結(jié)論

綜上所述，通過對精密印制線路板PCB鉆孔主要內(nèi)容進行分析討論，闡述精密印制線路板PCB鉆孔用壓力腳裝置的工件組合、基本組成、制作流程、型式與材料以及參數(shù)確定，以此保證印制電路板的高品質(zhì)鉆孔，切實提高鉆孔精確性。