錐形鉆頭在盲孔成型中的應(yīng)用研究

薛姣 王正齊

（廣東鼎泰高科技術(shù)股份有限公司，廣東 東莞 523000）

0 引言

隨著5G 通信技術(shù)的飛速發(fā)展和無(wú)人駕駛技術(shù)的日趨成熟，高速高頻印制電路板（printed circuit board，PCB）的應(yīng)用市場(chǎng)越來(lái)越廣闊。聚四氟乙烯（polytetrafluoroethylene，PTFE）樹(shù)脂基板因具有優(yōu)秀的介電性能、耐熱耐腐蝕性、低吸濕率、半阻燃性等特點(diǎn)［1-2］，成為高速高頻PCB 的首選材料。多層高速高頻板通過(guò)微徑導(dǎo)通孔，在基板的上下實(shí)現(xiàn)電氣互連［3］，而孔型及孔壁質(zhì)量的可靠及穩(wěn)定性直接關(guān)系著電路板的導(dǎo)通良率。

對(duì)于PTFE基板上的梯形盲孔加工，目前主要有3 種常見(jiàn)的加工方式：激光成孔、機(jī)械鉆孔、機(jī)械+激光成孔。針對(duì)多個(gè)銅層的高速高頻板梯形盲孔加工，通過(guò)分析板材的特點(diǎn)、不同加工方法的優(yōu)劣，最終采用機(jī)械+激光成孔的工藝方法。為此，我司專(zhuān)門(mén)開(kāi)發(fā)了一款錐形鉆，在高速高頻板上鉆出錐形盲孔，預(yù)留部分加工余量。經(jīng)過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、試驗(yàn)驗(yàn)證、小批量測(cè)試等關(guān)鍵環(huán)節(jié)，最終保證了孔型及孔壁質(zhì)量的穩(wěn)定可靠，達(dá)到了客戶(hù)要求。

1 盲孔成型工藝

所要加工的PTFE 基板［4］含有多個(gè)銅層，如圖1（a）所示。在該板材上加工梯形孔，需要穿透2個(gè)銅層。針對(duì)該板材，通過(guò)分析3種常見(jiàn)的加工方式來(lái)確定最佳的加工方案。

圖1 孔加工工藝圖

1.1 激光成孔

CO2激光可以高速打孔、大功率輸出，常用于PCB 板的盲孔加工［5］。對(duì)于加工多個(gè)銅層的梯形盲孔，CO2激光能量受到脈沖周期、脈沖寬度的限制，在開(kāi)銅窗時(shí)，需要多次沖孔，從而造成效率低下［6-7］。

另外，當(dāng)CO2激光采用高能量密度沖孔時(shí)，由于孔內(nèi)熱量聚集，燒蝕嚴(yán)重而造成鼓形盲孔，達(dá)不到孔型要求；甚至?xí)霈F(xiàn)內(nèi)部銅層溫度過(guò)高導(dǎo)致內(nèi)部銅層與內(nèi)部介質(zhì)分離的缺陷。這些缺陷在使用過(guò)程中可能導(dǎo)致電鍍層的斷裂或脫層，造成嚴(yán)重的電氣導(dǎo)通不良。

1.2 機(jī)械鉆孔

機(jī)械鉆梯形盲孔時(shí)，速度快、效率高，可以加工多類(lèi)板材。在加工多個(gè)銅層的梯形盲孔時(shí)，比激光鉆孔的效率高。但是，這類(lèi)梯形盲孔有孔型（上下孔徑比和孔深）的要求，也就要求鉆孔工藝有精確的控深能力。眾所周知，激光打孔具有精確的控深能力，而機(jī)械鉆孔的控深能力還達(dá)不到精確的范圍。此外，由于錐形鉆有一定的鉆尖角度的結(jié)構(gòu)，在機(jī)械鉆孔時(shí)會(huì)出現(xiàn)孔底不平整的現(xiàn)象。綜上，單獨(dú)使用機(jī)械鉆孔也不是最佳工藝。

1.3 機(jī)械+激光鉆孔

針對(duì)多個(gè)銅層的PTFE基板，機(jī)械鉆梯形盲孔時(shí)，速度快，開(kāi)銅窗效率高，而激光鉆孔具有精確的控深功能。綜合上述2 種加工方式的優(yōu)點(diǎn)，最終選擇機(jī)械+激光鉆孔的工藝方式。先使用錐形鉆進(jìn)行機(jī)械鉆孔，留出部分加工余量，再使用激光鉆到設(shè)計(jì)深度來(lái)達(dá)到目的。加工工藝圖如圖1所示。

2 錐形鉆結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

針對(duì)多個(gè)銅層的PTFE 基板加工梯形類(lèi)盲孔，我司開(kāi)發(fā)了一款高性能的錐形鉆頭。鉆頭的材料選擇耐磨、高韌性的住友AF308，在鉆頭材料上做好了基本保障。

該板材含有多個(gè)銅層，還需要開(kāi)大孔徑的銅窗，那么必然要求錐形鉆頭耐磨耗；另外，對(duì)于孔型的可靠及穩(wěn)定性的需求，要求錐形鉆頭在多次研磨后，依然能夠保持穩(wěn)定的上下孔徑比以及穩(wěn)定的孔深；梯形孔的孔壁質(zhì)量要求高，加工后的孔壁粗糙度要低。

因此，設(shè)計(jì)了雙錐度的微鉆，鉆尖角β為160°～170°，優(yōu)選165°，錐角α為25°～35°，優(yōu)選30°，圓周后角δ為30°，如圖2所示。

圖2 錐形鉆設(shè)計(jì)圖

圓周后角30°是為了保證鉆尖的鋒利度，在鉆孔時(shí)降低孔壁的粗糙度，同時(shí)具有一定的耐磨性。主切削刃尖部到容屑槽處的曲面逐步靠近鉆芯，減少微鉆與孔壁的接觸面積，提升孔壁表面質(zhì)量。

鉆尖角β起到定位的作用。錐角α、第二刃長(zhǎng)l2、鉆尖角β、第一刃長(zhǎng)l1和微鉆半徑R的關(guān)系來(lái)保證梯形盲孔的上下孔徑比和鉆孔深度，第二刃長(zhǎng)l2是根據(jù)孔的錐度及孔深度來(lái)確定的。其關(guān)系如下：

式中：l1＜l2；0.05 mm＜R＜0.35 mm。

3 試驗(yàn)與分析

3.1 試驗(yàn)材料

多個(gè)銅層的PTFE 基板一疊。錐形鉆的鉆徑Φ為0.40 mm，刃長(zhǎng)l為3.0 mm，如圖3所示。

圖3 錐形鉆

3.2 試驗(yàn)平臺(tái)及條件方法

加工設(shè)備、被加工材料與加工參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 鉆孔測(cè)試試驗(yàn)條件

3.3 結(jié)果及分析

孔限1 000 hit，使用新刀、研一、研二鉆孔后，截取一段高速高頻板做孔切片，進(jìn)行測(cè)量觀(guān)察。每種各取2 張，如圖4 所示。由圖4 可見(jiàn)，不管是新刀、研一還是研二鉆孔后，孔壁平整，無(wú)凹凸，無(wú)玻纖突出。

圖4 孔切片

客戶(hù)要求下上孔徑比在70%～90%之間，通過(guò)切片測(cè)量發(fā)現(xiàn)，新刀鉆孔后的下上孔徑比在73%～75%之間，研磨一次鉆孔后的下上孔徑比在78%～79%之間，研磨二次鉆孔后的下上孔徑比在79%～80%之間。

綜上，不管是哪一個(gè)階段的微鉆，所測(cè)得下上孔徑比都在客戶(hù)要求的范圍內(nèi)，并且孔壁質(zhì)量高。另外，鉆孔后的下上孔徑比值波動(dòng)范圍小，穩(wěn)定在7 個(gè)百分點(diǎn)的范圍內(nèi)，反映出機(jī)械鉆孔的穩(wěn)定可靠性高，微鉆的耐用性以及加工質(zhì)量穩(wěn)定地保持在一個(gè)高水平上。

針對(duì)同一個(gè)孔，完成所有的加工工序，即機(jī)械鉆孔→激光鉆孔→電鍍，如圖5 所示。從電鍍孔可以看出，孔壁鍍層良好，孔壁粗糙度低，無(wú)玻纖突出，說(shuō)明機(jī)械鉆孔對(duì)后續(xù)工序并未產(chǎn)生缺陷性的影響。

圖5 梯形孔的金屬化過(guò)程

4 結(jié)論

面對(duì)高速高頻板上的梯形盲孔加工這一加工難點(diǎn)、熱點(diǎn)問(wèn)題，通過(guò)理論分析和試驗(yàn)測(cè)試驗(yàn)證，得出如下結(jié)論。

（1）分析了高速高頻板的加工特點(diǎn)，結(jié)合 3 種常見(jiàn)的加工方法優(yōu)劣，確定了機(jī)械+激光成孔的工藝方法。

（2）由于該高速高頻板含有多個(gè)銅層，因此專(zhuān)門(mén)開(kāi)發(fā)了一款錐形鉆，材料選用耐磨耗、韌性高的住友AF308型號(hào)，設(shè)計(jì)錐度由大到小的結(jié)構(gòu)，構(gòu)建了錐度和刃長(zhǎng)的函數(shù)關(guān)系?？芍圃於喑叽绲奈@，滿(mǎn)足客戶(hù)多樣性的需求。

（3）通過(guò)內(nèi)部測(cè)試以及客戶(hù)端小批量測(cè)試，發(fā)現(xiàn)該微鉆耐磨耗、孔壁質(zhì)量高，多次研磨后均能保持穩(wěn)定的下上孔徑比，孔限1 000 hit 無(wú)斷針，并且對(duì)后序的工序無(wú)缺陷性的影響。