印制電路板鉆孔中鼓孔問題研究

江庭富 李 磊 陳 曦 秦偉鵬

（深圳市金洲精工科技股份有限公司，廣東 深圳 518100）

0 前言

隨著電子產(chǎn)品的多樣化、復(fù)雜化，印制電路板線路的設(shè)計密度和傳輸頻率也隨之攀升，對高質(zhì)量、高集成的印制電路板（PCB）機械鉆孔面臨著巨大的挑戰(zhàn)[1]。印制電路板作為電子元器件的載體，每道工序品質(zhì)都需要嚴(yán)格把控，而機械鉆孔在PCB生產(chǎn)過程中起到連接各層線路的作用，鉆孔品質(zhì)尤為重要，例如：孔壁粗糙度、釘頭、孔口毛刺、孔位精度、鉆污與分層等品質(zhì)項目，一旦出問題會嚴(yán)重影響各層電路的相互連接[2][3]，對線路信號傳輸產(chǎn)生不利影響。

PCB由銅箔、玻璃纖維、樹脂和填充料組成，例如FR-4覆銅板由環(huán)氧樹脂作為黏合劑，以電子級玻璃纖維布作為增強材料，兩邊覆上銅箔并壓合在一起。覆銅板抗剝強度主要取決于黏合劑的性能[4]。當(dāng)環(huán)氧樹脂與銅箔粘合力差時，鉆削過程中由于鉆頭沖擊力容易出現(xiàn)孔口處樹脂基材與銅箔分離、孔口周圍嚴(yán)重凸起的鼓孔問題（也有稱爆孔）。在鉆孔過程中，鉆頭要分別鉆削金屬、玻璃纖維及樹脂等非金屬，然而每一種材料的物理、化學(xué)性能差異很大，因此整個鉆削加工過程是十分復(fù)雜的[5]。鉆頭在切削PCB過程中鉆削溫度高時，樹脂軟化并粘附到切削刃上，導(dǎo)致切削和排屑困難則刀具磨損加劇[6]，當(dāng)鉆削溫度過高、鉆頭磨損過大、排屑不順暢就會出現(xiàn)切削擠壓、側(cè)刃與孔壁摩擦大等問題。本文采用金洲UC型鉆頭及金洲設(shè)計專利產(chǎn)品USF雙刃單槽鉆頭作改善實驗，并從加工工藝、鉆孔參數(shù)、基板平整度、PCB蓋墊板等不同角度探討鼓孔問題，從而找出產(chǎn)生鼓孔問題的主要因素和解決途徑。

1 鼓孔的形成原因分析

鼓孔問題影響因子眾多，本文從設(shè)備、材料、鉆頭、鉆孔參數(shù)、鉆板操作等方面列出一些關(guān)聯(lián)因素，并對可能產(chǎn)生鼓孔因素進行理論分析。如表1所示，是可能產(chǎn)生鼓孔的關(guān)聯(lián)因素，綜合理論和實際測試驗證得出鉆頭頭型、鉆頭槽型、加工參數(shù)、加工方式、板件平整度、墊板硬度是影響鼓孔的關(guān)鍵因素。

表1 鼓孔因素分析表

2 不同鉆頭類型對鼓孔的影響

2.1 不同鉆頭類型對鼓孔的影響

在加工厚銅板時出現(xiàn)鼓孔問題，采用ST型和UC型鉆頭進行對比實驗，具體加工條件如表2所示，實驗結(jié)果如圖1所示。

表2 試驗條件表

圖1是ST型和UC型鉆頭對比效果圖，加工厚銅板時，ST型鉆頭出現(xiàn)鼓孔現(xiàn)象。在相同條件下，使用UC型鉆頭對比實驗，UC型鉆頭因側(cè)刃與孔壁接觸面積小、摩擦小未出現(xiàn)鼓孔現(xiàn)象。兩種鉆頭特點如圖2所示。

圖1 ST型、UC型鉆頭對比

圖2 UC＆ST鉆頭特點對比圖

參照兩種頭型鉆頭的設(shè)計特點，我們在選擇鉆頭類型時，應(yīng)根據(jù)鉆孔品質(zhì)的管控要求評估，在加工難度高及品質(zhì)管控嚴(yán)的板材，建議優(yōu)先選用UC型鉆頭。

2.2 不同鉆頭槽型對鼓孔的影響

某單一料號板件出現(xiàn)爆孔問題時，使用雙刃雙槽鉆頭，我們采用雙刃單槽與雙刃雙槽鉆頭對比試驗，具體加工條件如表3所示，實驗結(jié)果如圖3所示。

表3 試驗條件表

從圖3可看到：在使用0.5 mm鉆頭加工單一料號覆銅板時，雙刃雙槽鉆頭出現(xiàn)鼓孔現(xiàn)象。然而改用雙刃單槽鉆頭測試，則沒有鉆孔現(xiàn)象，這是由于雙刃單槽鉆頭得益其更寬的排屑槽，排塵效果好，減小粉屑對孔口擠壓、降低鉆削溫度，鼓孔得到有效改善，兩種鉆頭設(shè)計特點如圖4所示。

圖3 雙刃雙槽對比雙刃單槽對比

圖4所示的金洲雙刃單槽鉆頭，其設(shè)計特點有：剛性強、排塵性能優(yōu)異，能夠在保證孔壁品質(zhì)的基礎(chǔ)上大幅度提高孔位精度。雙刃單槽鉆頭優(yōu)秀的排塵性能，可降低粉屑與孔壁的摩擦，減小粉屑對孔口的擠壓，從而抑制鼓孔。

圖4 雙刃雙槽和雙刃單槽槽型對比圖

3 加工參數(shù)對鼓孔的影響

在加工單一料號板件時出現(xiàn)鼓孔問題，采用優(yōu)化加工參數(shù)作對比實驗，具體加工條件如表4所示，實驗結(jié)果如圖5所示：

表4 試驗條件表

圖5是不同參數(shù)得出的刀面磨損及爆孔對比效果圖，從實驗結(jié)果得出，轉(zhuǎn)速從105 krpm降低至68 krpm，落速從2.6 m/min降低至2.0 m/min，通過優(yōu)化參數(shù)降低線速度減小刀面磨損，降低切削阻力和鉆孔溫度，鼓孔現(xiàn)象得到改善。

圖5 不同轉(zhuǎn)速刀面磨損及鼓孔對比效果圖

刀面磨損過大是影響鼓孔因素之一，在探討加工參數(shù)時，我們主要分析加工參數(shù)對刀面磨孔品質(zhì)管控也帶來一些難題。在使用Φ4.6 mm鉆頭加工4.1 mm厚板時出現(xiàn)鼓孔問題，采用反面預(yù)損的影響，刀面磨損過大切削時容易出現(xiàn)推擠和拉扯、切削阻力大、鉆溫升高，從而產(chǎn)生鼓孔現(xiàn)象。其中加工參數(shù)中的線速度（Cutting Speed）對刀面磨損影響較大，在切削的過程中，主切削刃上各部位的線速度是不一樣的，磨損也不一樣。而線速度和主軸轉(zhuǎn)速是成正比，切削速度設(shè)定是否恰當(dāng)，可從鉆頭的磨損情況來判斷，然后適當(dāng)?shù)卣{(diào)整主軸轉(zhuǎn)速。

（1）如果鉆尖橫刃附近磨損太快，則表明切削速度太慢，則可提高轉(zhuǎn)速。

（2）如果主切削刃靠近外徑處磨損太快，則表明切削速度太快，則須降低轉(zhuǎn)速。

（3）鉆尖中心和鉆尖切削刃在切削過程中磨損相當(dāng)時，表明切削速度是理想狀態(tài)。

4 加工工藝對鼓孔影響

目前厚背板在行業(yè)內(nèi)比較常見，在加工厚背板時，由于切削銅箔較厚，切削阻力較大，對鉆鉆加正面貫穿鉆方式作改善測試，測試結(jié)果見圖6，具體加工試驗條件見表5所示。

表5 試驗條件表

圖6 不同加工方式對比效果圖

圖6是不同類型鉆頭及不同加工方式對比效果圖，從此次實驗結(jié)果得出，不加預(yù)鉆的方式下有嚴(yán)重的鼓孔現(xiàn)象。然后改用增加反面預(yù)鉆方式對比測試，先使用Φ3.65 mm鉆頭反面預(yù)鉆1.65 mm深度，再使用Φ4.6 mm鉆頭正面對接貫穿鉆孔。通過增加反面預(yù)鉆可降低鉆孔切削阻力，鼓孔現(xiàn)象有明顯改善。

5 板件平整度對鼓孔的影響

多層板在壓合過程中有可能出現(xiàn)板面局部不平整的現(xiàn)象，例如5.0 mm厚的覆銅板最大厚度誤差達到0.5 mm，在加工過程中，底面不平整的位置與墊板接觸位置處于懸空狀態(tài)，從而產(chǎn)生鼓孔。在實際驗證中，我們選擇一塊不同區(qū)域厚度差值大的覆銅板測試，對比不同厚度區(qū)域的孔口品質(zhì)，具體試驗條件如表6所示，實驗結(jié)果如圖7所示。

表6 試驗條件表

圖7 不同區(qū)域孔口品質(zhì)效果圖

此次選用不同區(qū)域厚度差值大的覆銅板測試，從圖7結(jié)果可以看出：板件較薄區(qū)域（厚度5.02 mm）鉆孔時與墊板接觸面處于懸空狀態(tài)導(dǎo)致鼓孔現(xiàn)象，板件較厚區(qū)域（5.36 mm）加工時能貼住墊板、在墊板支撐下未出現(xiàn)鼓孔。

6 不同硬度墊板對鼓孔的影響

墊板在鉆孔過程中起到抑制毛刺及鼓孔等作用，硬度、翹曲度、厚度公差、表面質(zhì)量是衡量墊板的關(guān)鍵指標(biāo)。加工難度較高及品質(zhì)管控高的板時，應(yīng)選用硬度高、平整度較好的墊板來輔助，以提升孔口品質(zhì)。生產(chǎn)中高多層高Tg（玻璃鉆孔溫度）材料時出現(xiàn)鼓孔問題，我們采用兩種不同硬度的墊板做對比實驗，試驗條件見表7所示。

表7 試驗條件表

圖8是兩種不同硬度墊板孔口品質(zhì)效果對比，在加工高多層高Tg材料時，使用普通木纖板墊板出現(xiàn)嚴(yán)重的麻花孔鼓孔現(xiàn)象，使用超硬密胺墊板測試則無鼓孔。究其因，超硬密胺墊板硬度更高、平整度更好，可以有效抑制鼓孔問題產(chǎn)生。在加工難度較高及品質(zhì)要求高的板材時，建議選擇硬度高、平整度更好的墊板。

圖8 不同墊板孔口品質(zhì)對比效果

7 結(jié)語

本文從鉆孔方式、鉆頭類型、鉆孔參數(shù)、蓋墊板四個角度對鉆孔過程中出現(xiàn)的鼓孔現(xiàn)象進行試驗，對影響鼓孔問題的關(guān)鍵因素進行分析和研究，并提找到一些有效的預(yù)防和解決鼓孔問題的方法。

（1）在鉆頭類型選用上，本文采用金洲UC型鉆頭及金洲設(shè)計專利產(chǎn)品USF雙刃單槽鉆頭作改善實驗，UC型鉆頭側(cè)刃與孔壁接觸面積小、雙刃單槽鉆頭排屑性能優(yōu)秀，在加工一些難加工板材出現(xiàn)鼓孔時有很好的改善效果。

（2）在加工方法上，通過對鉆孔參數(shù)優(yōu)化降低線速度、增加預(yù)鉆加工工藝來減小切削阻力等方法，能較好地解決鼓孔問題。

（3）在加工難度較高及品質(zhì)要求高的板材時，建議選擇硬度高、平整度更好的密胺墊板，可以有效抑制鼓孔問題產(chǎn)生。