PC B機械鉆孔機壓力腳結構設計綜述

王志剛，宋福民，王 星，陳百強

(1.深圳大學機電與控制工程學院，廣東深圳 518060；2.深圳市大族數控科技有限公司，廣東深圳 518052)

近幾年來，在電子信息技術的推動下，微電子 技術和計算機技術的迅猛發展加速了電子產品的更新換代。電子產品正朝著數字化、集成化、智能化、網絡化和綜合化的方向發展，同時基于成本的考慮，加強了模塊化和標準化工作，從而使電子產品的功能更強大、更智能、更輕便[1]。未來智能電子產品將主要朝多種智能化、網絡化、自適應進化3個方向發展，見圖1。多種智能化是電子產品盡可能在其特有的工作功能中模擬多種人的智能思維或智能活動的功能；網絡化的電子產品可以由用戶實現遠程控制，在電子產品之間也可以實現相互操作；自適應進化是電子產品根據自身狀態和外界環境自動優化工作方式和過程的能力[2][3]。

圖1 電子產品發展的總趨勢

圖2 印制電路板

伴隨著歐盟的WEEE（電子電氣產品的廢棄指令）和Rohs（電氣、電子設備中限制使用某些有害物質指令）的實施，全球PCB行業進入了無鉛兼容和無鹵的環保時代。環保型PCB材料在Rohs的大旗下發生了巨大變化。這意味著，作為電子產品中所有電子元器件組裝的基板——印刷電路板（PCB，Printed Circuit Board，見圖2），必須發展成一個多功能組件，并且具備細分的裝配和連接技術。為了順應智慧型手機、筆記本電腦、電腦主板、數碼產品、液晶顯示器等下游電子消費品的多功能化、小型化、輕量化、高密度和高可靠性的要求和發展趨勢[4]，下一代電子系統對PCB的要求是高密度、高集成、封裝化、微細化、多層化[5]。為了適應電子設備的高性能、信號高速化和高頻化，達到幾GHz到幾十GHz頻率要求，以高密度互連板（HDI）、柔性板（FPC）、IC 封裝板（BGA、CSP）既實現高密度組裝，又使元件間連接線路縮短，減少信號損衰和干擾。安裝可靠性高的產品正逐漸替代傳統的印制電路板，使得需要機械加工的直徑小于準0.2mm的PCB超微細導通孔數量急劇增加，見表1。

表1 每平方厘米上孔數的發展趨勢[6]

1 PCB機械鉆孔

PCB鉆孔機械加工一般使用PCB數控鉆孔機，見圖3，通過高速旋轉的鉆頭快速進給在印制電路板上鉆出層間電路的導通孔及焊接零件的固定孔。基于PCB鉆孔的四項基本性能指標——孔位精度、孔壁品質、斷針率和效率的綜合平衡。PCB數控鉆孔機機體一般采用彈性模量較高、吸振性能好，對溫度不敏感的天然花崗石或者鑄鐵材料。基于效率的要求，Z軸運動部分質量盡可能的輕量化，以獲得比較高的速度和加速度。通常PCB印制電路板上的機械加工孔均采用PCB專用麻花鉆頭，由于鉆頭本身的機械強度原因，直徑越小的鉆頭切削刃長度會越短。鉆頭的鉆柄尺寸固定為準3.175mm或者準2mm。針對PCB板的孔徑范圍，切削刃部分的直徑大部分都在準6.35mm以下，也有特殊定制的準10.5mm，一般不會超出準12mm。而實際生產中主要集中在準1mm以下。由于PCB材料特性要求，鉆頭線速度一般在120m/min到200m/min以內。鉆頭在高速電主軸夾持下高速旋轉，由鉆孔機的Z軸（見圖4）驅動，整體軸向上下往復運動，而X、Y軸負責孔位定位，配合既定的程式三軸組合運動實現印制電路板上連續定位鉆孔[7]，見圖 5。

圖3 PCB數控鉆孔機

圖4 Z軸結構放大圖

圖5 鉆孔切削三維模型

如圖6所示，為提高總體鉆孔加工效率，加工PCB板的通孔時，會根據PCB鉆頭的切削刃長和單張板厚確定一次疊幾張同樣的板進行加工；為保護好PCB板不被刮花，會在一整疊的PCB板最上層覆上一張蓋板，蓋板材質多為鋁和樹脂[8]；同時為讓一次能鉆透一整疊PCB板，鉆頭鉆尖會超出最底層，所以會在一整疊的PCB板下墊一張墊板。實際加工中，由蓋板、PCB板、墊板組成的工件系統用銷釘固定在PCB鉆孔機的運動工作臺上，X、Y軸通過帶有光柵反饋的閉環系統確認到達程式預定位置，Z軸便進入快進階段。當Z軸到達一定位置，由同步氣缸、吸屑罩和壓力腳組成壓力腳組件壓緊被加工工件，高速旋轉的氣浮主軸帶動鉆頭實現一次鉆孔功能。

圖6 鉆孔示意圖

2 工件系統和壓力腳組件

2.1 工件組合

在由蓋板、PCB板（可多層疊加）和墊板組成的工件組合中，印制電路板上面的蓋板主要是防止PCB板表面產生毛刺與刮傷，并起散熱與鉆頭清潔作用，還可引導鉆頭鉆入PCB板的軌道，以提高鉆孔準確度[9]。

蓋板有一定表面硬度防止鉆孔上表面毛刺，但又不能太硬而磨損鉆頭。若為樹脂蓋板，其本身樹脂成分不能過高，否則鉆孔時將會形成熔融的樹脂球黏附在孔壁。蓋板要有一定的剛性防止提鉆時板材顫動，又要有一定彈性，當鉆頭下鉆接觸的瞬間立即變形，使鉆頭精確地對準被鉆孔的位置，保證鉆孔位置精度。蓋板材質要均勻不能有雜質產生軟硬不均的節點，否則容易斷鉆頭。如果蓋板表面又硬又滑，小直徑的鉆頭導熱系數越大越好，以便能迅速將鉆孔時產生的熱量帶走，降低鉆孔時鉆頭的溫度，防止鉆頭退火[10]。

國內使用的墊板有酚醛紙質板、紙板、木屑板。木屑板質地均勻度較差，硬度好于紙質板，但鉆孔的線路板銅箔大于35μm以上會產生毛刺。紙板較軟容易產生毛刺，但質地均勻不易斷鉆頭和咬鉆頭，價格便宜，可在銅箔較薄或單面板中使用。同樣國外有一種復合墊板，其上、下兩層是0.06mm的鋁合金箔，中間層是純纖維質的芯，總厚度是1.50mm，顯然，性能十分出眾又環保，大大超過酚醛紙質板，特別是鉆多層板和小直徑孔時可充分體現其優點，缺點是價格昂貴。

2.2 壓力腳組件

在正確選擇蓋板和墊板的情況下，同步氣缸、吸屑罩和壓力腳組成的壓力腳組件是影響鉆孔品質的關鍵因素。在以往鉆準0.5mm以上的孔時，各鉆孔機設備廠商為節約成本，在夠滿足底板反面CPK（工序能力指數）≥1.33和孔壁粗糙度≤25.4μm的情況下，通常采用固定的吸屑罩和單孔壓力腳（見圖7）配置。

圖7 單孔壓力腳

隨著印制電路板鉆孔孔徑的日漸減小（目前主要集中在 準0.3mm以下，準0.1～準0.2mm居多），傳統吸屑罩和單孔壓力腳配置的壓力腳組件在鉆孔精度和鉆孔品質方面都表現得有些力不從心[11]，進而影響了加工精度。為此設計出切換壓腳組件，內徑為準8.5mm壓力腳負責鉆大孔，內徑為準2.5mm壓力腳負責鉆小孔，使壓力腳內徑與鉆頭之間的空曠區域較單壓力腳下的明顯減少，PCB工件系統被壓得更牢固和平整。表2列出市面上比較主流的壓腳切換組件。主要分為兩種設計理念，一種設計理念為德國Schmoll公司設計的壓力腳大、小孔位置一體的設計理念。

表2 市面上主流的壓腳切換系統

這種結構的大小壓力腳在同一平面滑板上，見圖8所示，用氣缸直接連接滑板驅動，或者用鋼絲繩連接驅動氣缸驅動。優點是結構相對比較簡單，機械加工比較容易實現，使用過程比較容易維護；缺點是壓力腳在小孔位置，鉆頭周邊只能有3/4的壓力腳比較緊實的貼合工件，還剩1/4的壓力腳必須為壓力腳大小孔切換留出通道，只能依靠更遠的大孔位置的壓力腳壓緊工件系統。另一種設計理念是日本Hitachi公司設計的大、小孔位置分離的設計理念，見圖9。這種結構的大小壓力腳固定在一個弧形的壓力腳座上，通過驅動氣缸連接曲柄連接桿驅動弧形的壓力腳座，實現壓力腳在大、小孔之間自由切換。優點是壓力腳在小孔位置，鉆頭周邊能夠比較緊實的貼合；缺點是結構比較復雜，弧形配合面較難加工，使用過程也較難維護。圖10形象地說明了鉆孔過程中壓腳大小及吸塵負壓對鋁片的影響，從圖中可明顯地看到，壓腳過大容易在鉆孔時由于吸塵負壓的影響使得鋁片被吸起，造成凸起，容易使鉆孔產生較大偏差，而使用獨立的小壓腳則由于壓力范圍的集中分布，可減少吸塵負壓對鋁片的吸附，提高鉆孔精度[13]。

吸屑罩設計關鍵點在于高效的吸塵效率，COMSOL的CFD分析結果見圖11，吸屑罩內流線主要是從螺旋后的擴展過程轉化為出口管道流線，因此出口方向應該盡量符合圓潤過渡原則，出口中心矢線與螺旋線外徑相切，盡量增大吸出斷面面積。出口垂直位置則應盡量貼近吸屑罩底部，這樣更利于“洗罩”循環流，同時避免對主軸外圈縫隙入流產生影響和被垂直運動的主軸遮擋。利用吸屑罩與主軸之間盡可能小的間隙、出口中心矢線與粉塵螺旋線外徑相切以及盡可能輕的質量設計，可以實現吸屑罩的高效吸塵，同時注意防止靜電干擾。

圖8 大小孔一體式壓力腳

圖9 大、小孔獨立分體式壓力腳

圖10 大孔壓力腳與小孔壓力腳工作時鋁片的狀態

2.3 壓力腳的型式與材料

圖11 吸屑罩CFD分析全流域流線圖

壓力腳的主要功能是壓緊工件系統，通過本身的開槽透氣結構，提供吸塵系統的空氣補充，形成比較良好的對流系統，還有比較大的緩沖作用。機械鉆孔機設計廠家基于不同側重點的考慮，壓力腳的材料（見表3）有金屬材料和非金屬材料。金屬材料主要使用不銹鋼材料（一般是SUS304）和黃銅材料（C3604BD，相當于HPb59-1），非金屬材料主要有PA66、PA6、POM和PU的材料。使用金屬材料（SUS304、C3604BD）主要考慮硬度比較高，比較耐磨損，使用壽命比較長（正常情況下都可以使用8～10個月）；缺點是緩沖作用不明顯，很長一段時間都沒有穩定下來。使用工業橡膠材料（PU、PA6、PA66）主要考慮良好的吸振特性，對于沖擊過程，能夠達到顯著吸振效果，在很短時間振幅就能減??；缺點是硬度比較低，不耐磨損，壽命比較短，通常在一周左右[14]。

3 工程經驗參數的確定

利用ABAQUS軟件仿真，調整壓腳材料，以100N壓腳力以及10kPa真空度進行分析[15]，分析采用鋼壓腳和PU壓腳兩種情況。在圖12中上下兩條曲線分別表示在鋼壓腳和PU壓腳下，“下鉆點”的數值位移曲線。從中可以看出鋼壓腳帶著壓腳力沖擊下來并激起振蕩，振蕩在0.06s內規則衰減；然而PU壓腳具有明顯吸振效果，在激起振蕩以后，“下鉆點”迅速穩定下來，大約在0.01s達到穩定。基于工業橡膠良好的吸振性能，目前多數鉆孔機廠商都采用工業橡膠的壓力腳設計。

表3 壓力腳的材料

圖12 不同材料壓腳的振動分析

采用以上方法設計的壓力腳組件，在相同的環境和鉆孔參數下，調整不同的壓腳氣缸壓力和吸塵負壓，測試鉆板精度，同時用PV-check（見圖13，最大測試壓力為250N，分辨率1N；真空吸附最大壓力30kPa，分辨率0.1kPa）測試壓腳氣缸壓力和真空負壓。結果顯示，只有在壓力腳壓力設置在100N左右和吸塵真空負壓在10kPa左右的狀況下，鉆孔精度高，鉆孔品質好。

圖13 PV-check

4 結 論

PCB數控鉆孔機作為印制電路板加工中的重要設備，其加工質量對電子產品性能影響極大。其吸屑罩與壓力腳組合結構是影響孔加工質量的主要因素之一。吸屑罩與壓力腳組合結構的優良設計和合理的壓力腳壓力與吸塵負壓設置是保證印制電路板高品質鉆孔的關鍵。在大多數工況條件下，實現吸屑罩與主軸之間盡可能小的間隙、出口中心矢線與粉塵螺旋線外徑相切以及盡可能輕的質量的設計，配合吸振性能優良的工業橡膠壓力腳，壓力腳壓力設置約在100N和吸塵真空負壓約在10kPa的狀況下，可以實現吸屑罩的高效吸塵和高品質鉆孔。

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