高填材料基材鉆孔能力優(yōu)化

周尚松 司明智 廖志鵬

（深南電路股份有限公司，廣東 深圳 518117）

0 引言

某產(chǎn)品的印制電路板（printed circuit board，PCB）采用高填材料基材，該P(yáng)CB 的信號(hào)孔厚徑比加工能力為≤8∶1，現(xiàn)有鉆孔加工能力無(wú)法滿足客戶產(chǎn)品設(shè)計(jì)需求，加工過(guò)程中常出現(xiàn)斷鉆、孔損、層間分離等質(zhì)量問(wèn)題。為提升該高填材料基材的厚徑比加工能力和市場(chǎng)接單能力，需立項(xiàng)研究提升該高填材料鉆孔能力［1-2］。

對(duì)此款材料展開(kāi)調(diào)研，該類基材填料顆粒要比國(guó)產(chǎn)睿龍某系列的基材大將近一倍，該基材填料占比40%，睿龍基材常規(guī)填料占比20%。因此，該款材料對(duì)鉆頭的切削能力和排屑能力有較高要求。

1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/h2>

（1）提升某高填材料產(chǎn)品鉆孔厚徑比為12∶1的加工能力；

（2）確保高填材料鉆孔厚徑比為12∶1 的產(chǎn)品滿足5次無(wú)鉛回流后孔壁無(wú)可靠性問(wèn)題。

2 相關(guān)質(zhì)量要求

（1）孔壁質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)要求：孔壁導(dǎo)體界面應(yīng)無(wú)分離或污染，但允許外層銅箔垂直邊緣導(dǎo)體界面間的分離，如圖1所示。

圖1 PCB孔壁質(zhì)量示意

（2）鉆孔斷鉆率＜1/3 000。

3 實(shí)驗(yàn)概述

3.1 現(xiàn)有加工能力

前期多次驗(yàn)證鉆孔參數(shù)，但無(wú)法解決該高填材料導(dǎo)致的斷鉆問(wèn)題。該高填材料使用超美的Y型號(hào)鉆頭，經(jīng)常出現(xiàn)斷鉆、孔壁質(zhì)量差等問(wèn)題，且只能滿足厚徑比為8∶1 的加工能力，對(duì)鉆孔參數(shù)及輔料研究無(wú)明顯改善，因此需改善鉆頭設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

3.2 鉆頭磨損驗(yàn)證及改善思路

斷鉆開(kāi)展思路：鉆頭各部位磨損程度不同，圓周切削速度最高，磨損最嚴(yán)重。因此，要改善這種高填料的鉆孔問(wèn)題，需優(yōu)化鉆頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，增加鉆頭芯厚，提升鉆頭剛性?，F(xiàn)有鉆頭磨損如圖2所示，常規(guī)鉆頭在加工該高填料產(chǎn)品時(shí)，200孔鉆刃磨損嚴(yán)重，缺失鋒利性。

圖2 普通鉆頭磨損

4 機(jī)理分析

4.1 鉆孔工作原理

（1）鉆機(jī)機(jī)臺(tái)移動(dòng)由計(jì)算機(jī)的獅模（Schmoll）系統(tǒng)控制，按客戶所需鉆出孔位置。

（2）設(shè)備控制方面分別由X軸、Y軸和Z軸控制，計(jì)算機(jī)控制機(jī)臺(tái)鉆孔參數(shù)，按照輸入后的坐標(biāo)資料，在PCB 板上鉆出對(duì)應(yīng)大小的孔，如圖3所示。

圖3 鉆孔機(jī)工作原理示意

4.2 鉆頭切削過(guò)程

切削過(guò)程中，主切削刃與樹(shù)脂、銅層接觸面產(chǎn)生切削力，在三維空間中分別表示為軸向力Fn、徑向力Fm和切向力FL。理論情況下，3 種受力在空間中形成動(dòng)態(tài)平衡，可以穩(wěn)定、高效地加工產(chǎn)品。

在高厚徑比產(chǎn)品微鉆加工過(guò)程中，切削力受多種因素影響：軸向力Fn受主切削刃磨損程度、進(jìn)刀速度增加而變大；徑向力Fm、切向力FL受排屑難度增加而變大。如圖4所示。

圖4 鉆孔切削

隨著單向受力的增大，切削合力隨之增加，當(dāng)鉆頭受到的應(yīng)力超出鉆刃強(qiáng)度極限時(shí)，鉆頭發(fā)生斷裂，引起斷鉆失效。

4.3 斷鉆機(jī)理

常見(jiàn)的斷鉆失效形式如下。

（1）彎折斷裂：多發(fā)生在異形孔加工時(shí)，因鉆頭抗彎能力不足導(dǎo)致。

（2）扭曲斷裂：多發(fā)生在高厚徑比、厚銅加工中，因排屑不良或抗扭能力不足導(dǎo)致，如圖5所示。

圖5 斷鉆失效形式

通過(guò)分析鉆頭磨損量、排屑狀態(tài)和斷裂面形貌表征可得以下結(jié)論。

（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)排屑不良現(xiàn)象，堵屑主要為銅絲和樹(shù)脂2種鉆屑。

（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。

綜上所述，結(jié)合鉆頭實(shí)際加工情況，排屑不良引起切向應(yīng)力FL增大，導(dǎo)致鉆頭過(guò)載斷裂，其失效形式為扭斷失效。

4.4 鉆刃排屑過(guò)程

在切削過(guò)程中會(huì)不斷產(chǎn)生鉆屑，鉆屑主要由銅屑和樹(shù)脂組成，兩者產(chǎn)生的形貌有所差別，在離心力的作用和后續(xù)鉆屑的推擠下，沿著排屑槽排出鉆頭。排屑不良是導(dǎo)致斷鉆失效的主要原因，因此，優(yōu)化鉆屑量可作為斷鉆失效缺陷的主要研究方向，如圖6所示。

圖6 鉆刃排屑示意

4.5 優(yōu)化方向

通過(guò)發(fā)明問(wèn)題解決理論（TRIZ）分析，確定解決方案為優(yōu)化特征（物理或化學(xué)參數(shù)的改變），主要優(yōu)化方向如圖7所示。

圖7 優(yōu)化方向TRIZ分析

（1）鉆屑量?jī)?yōu)化方向：通過(guò)優(yōu)化預(yù)鉆、分段鉆方式和加工參數(shù)，降低切削量，目前分段鉆已經(jīng)投入現(xiàn)場(chǎng)使用。

（2）鉆刃排屑能力優(yōu)化方向：改變鉆頭結(jié)構(gòu)優(yōu)化螺旋槽角度，減少鉆屑在排屑槽內(nèi)停留的時(shí)間，提升排屑速率；優(yōu)化芯厚錐度方式，提高鉆屑的排放能力，以降低因排屑不良導(dǎo)致排屑槽堵屑產(chǎn)生的斷鉆風(fēng)險(xiǎn)。

5 優(yōu)化方案設(shè)計(jì)

5.1 新型鉆頭設(shè)計(jì)方案

通過(guò)鉆頭原理圖對(duì)比可知，螺旋角度的改變會(huì)引起溝幅比變化，如圖8所示。溝越大排屑效果越好，芯厚錐度的變化會(huì)引起排屑槽深的變化，因此針對(duì)螺旋角、溝幅比和槽深優(yōu)化設(shè)計(jì)，見(jiàn)表2和表3。

表2 鉆頭優(yōu)化方案

表3 鉆頭優(yōu)化設(shè)計(jì)

圖8 新舊型鉆頭設(shè)計(jì)示意

調(diào)整鉆頭角度和排屑槽及芯厚，經(jīng)過(guò)測(cè)試對(duì)比可得B方案最優(yōu)，另外2種斷鉆率不合格；本次只測(cè)試排屑，因此測(cè)試時(shí)未搭配蓋板，鉆頭上會(huì)有纏絲，選用B方案進(jìn)行進(jìn)一步驗(yàn)證。

5.2 新型鉆頭驗(yàn)證

將設(shè)計(jì)的新型鉆頭應(yīng)用到板件中，孔位精度收集的數(shù)據(jù)見(jiàn)表4。

表4 優(yōu)化方案設(shè)計(jì)參數(shù)

按每種直徑單點(diǎn)設(shè)計(jì)程序，每個(gè)密集孔數(shù)計(jì)300 孔，設(shè)孔徑計(jì)3 000 孔。記錄斷鉆數(shù)量和孔位精度數(shù)據(jù)，得出過(guò)程能力＞1.33，且質(zhì)量可靠。

5.3 優(yōu)化方案驗(yàn)證

5.3.1 驗(yàn)證板設(shè)計(jì)

驗(yàn)證板12 層板，板厚為3.2 mm；基材型號(hào)TSM-DS3 和IT180A，銅箔為18 μm，半固化片1080 RC68。試驗(yàn)板設(shè)計(jì)不同孔徑的密集孔，每個(gè)密集孔數(shù)計(jì)300 孔，厚徑比按12.8∶1 設(shè)計(jì)，最小孔徑為0.25 mm。

5.3.2 加工流程設(shè)計(jì)

試驗(yàn)板主要的過(guò)程驗(yàn)證點(diǎn)為鉆孔，首先測(cè)試鉆孔的相關(guān)因子，驗(yàn)證板簡(jiǎn)略流程如圖9所示。

圖9 加工流程優(yōu)化設(shè)計(jì)方案

5.4 驗(yàn)證過(guò)程分析及結(jié)果

收集了新設(shè)計(jì)的鉆頭及未改進(jìn)的鉆頭加工板件的斷鉆率及精度的過(guò)程能力，數(shù)據(jù)結(jié)果見(jiàn)表5。

由表5可知，新設(shè)計(jì)的鉆頭斷鉆率及精度的過(guò)程能力均優(yōu)于未改進(jìn)的鉆頭。

表5 新舊鉆頭實(shí)驗(yàn)對(duì)比

對(duì)比兩種不同型號(hào)的鉆頭，其中現(xiàn)有鉆頭的斷鉆率不合格、孔位精度比新型涂層鉆頭差，因?yàn)楝F(xiàn)有鉆頭芯厚設(shè)計(jì)較薄，整體鉆頭剛性不足。新型涂層鉆頭驗(yàn)證未出現(xiàn)斷鉆，孔位精度均＞3.0，相同孔數(shù)對(duì)比，新型涂層鉆頭磨損輕微，現(xiàn)有鉆頭磨損嚴(yán)重。鉆頭出現(xiàn)磨損比較嚴(yán)重時(shí)都會(huì)出現(xiàn)區(qū)域爆孔或單點(diǎn)爆孔現(xiàn)象，如圖10所示。

圖10 鉆孔磨損現(xiàn)象

5.4.1 孔壁質(zhì)量對(duì)比驗(yàn)證數(shù)據(jù)

選用驗(yàn)證板常態(tài)下取最小孔徑0.25 mm 和0.30 mm 位置，切片確認(rèn)孔壁凹凸度和層間分離，見(jiàn)表6。凹凸度結(jié)果滿足≤25 μm 的要求，且無(wú)層間分離，測(cè)試結(jié)果合格。

表6 不同孔徑不同位置孔壁狀態(tài)

5.4.2 釘頭數(shù)據(jù)

常態(tài)下取最小孔徑0.25 mm 和0.3 mm 位置，切片確認(rèn)釘頭大小，如圖11所示。釘頭測(cè)試結(jié)果滿足釘頭寬/內(nèi)層銅箔厚＜1.5 的要求，測(cè)試結(jié)果合格。

圖11 釘頭數(shù)據(jù)

5.4.3 芯吸數(shù)據(jù)

常態(tài)下取最小孔徑0.25 mm 和0.30 mm 位置，切片確認(rèn)孔壁芯吸量，如圖12所示。芯吸測(cè)試結(jié)果滿足＜80 μm的要求，測(cè)試結(jié)果合格。

圖12 芯吸數(shù)

6 優(yōu)化方案應(yīng)用結(jié)果

選擇新型涂層鉆頭量產(chǎn)，結(jié)果如下：共加工40 塊，孔數(shù)約50 萬(wàn)，在加工過(guò)程未出現(xiàn)斷刀異常，具體數(shù)據(jù)見(jiàn)表7。應(yīng)用結(jié)果表明，新型涂層鉆頭滿足質(zhì)量要求。

表7 料號(hào)數(shù)據(jù)收集

7 結(jié)論

優(yōu)化后的新型涂層鉆頭徑驗(yàn)證未出現(xiàn)斷鉆問(wèn)題，釘頭和芯吸都滿足要求，且優(yōu)于現(xiàn)有鉆頭。對(duì)比相同孔數(shù)的加工板件數(shù)量，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有鉆頭磨損嚴(yán)重，新型涂層鉆頭僅有輕微磨損。因此，可得出如下結(jié)論。

（1）使用新型涂層鉆頭可以滿足該高填材料厚徑比為12∶1的產(chǎn)品，鉆孔加工能力從8∶1提升到12∶1，解決了高填材料的高厚徑比PCB產(chǎn)品。

（2）使用新型涂層鉆頭后，高填材料鉆孔報(bào)廢率從25%降低至0.95%，產(chǎn)品質(zhì)量得到了大幅提升。