印制電路板微孔超高速機(jī)械鉆孔工藝研究

何玲，王志剛，吳恒玉

（1.海南軟件職業(yè)技術(shù)學(xué)院，海南瓊海517400；2.廣東水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東廣州510000；3.深圳市大族激光科技股份有限公司，廣東深圳518052）

印制電路板微孔超高速機(jī)械鉆孔工藝研究

何玲1，2，王志剛3，吳恒玉1

（1.海南軟件職業(yè)技術(shù)學(xué)院，海南瓊海517400；2.廣東水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東廣州510000；3.深圳市大族激光科技股份有限公司，廣東深圳518052）

針對(duì)印刷電路板微孔超高速機(jī)械鉆孔工藝問(wèn)題，通過(guò)Kistler高精密微型測(cè)力系統(tǒng)測(cè)試鉆孔切削力，配合紅外溫度攝像儀監(jiān)測(cè)鉆頭溫度，以鉆孔質(zhì)量為優(yōu)化目標(biāo)，運(yùn)用實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)（DOE）正交分析方法，對(duì)鉆孔加工中影響鉆孔質(zhì)量的各種工藝參數(shù)進(jìn)行分析，優(yōu)化加工條件和加工工藝，確定較優(yōu)的鉆孔參數(shù)，以滿足數(shù)控機(jī)械鉆孔機(jī)對(duì)BGA封裝的IC載板板材鉆孔的要求。

印制電路板；微孔；機(jī)械鉆削；工藝研究

隨著微電子技術(shù)的飛速發(fā)展，具有封裝體積小、單位面積引腳數(shù)量多、散熱性和信號(hào)完整性能佳以及更小焊接誤差等優(yōu)點(diǎn)高密度的球柵陣列（BGA）器件在通信網(wǎng)絡(luò)、消費(fèi)終端、軍工電子、可編程邏輯器件等領(lǐng)域得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用［1］，目前市面上可見(jiàn)的BGA器件管腳數(shù)目最高可達(dá)2 000多個(gè)，管腳間距最小可達(dá)0.2 mm［2］，如圖1、2所示，更高的引腳數(shù)和更小的引腳間距必須采用更高的PCB密度來(lái)滿足設(shè)計(jì)需求，而提高PCB密度最有效的方法是減小通孔的孔徑和數(shù)量及精確設(shè)置盲孔、埋孔來(lái)實(shí)現(xiàn)［3］。一般布置BGA封裝的IC載板小孔較多，大多數(shù)BGA過(guò)孔設(shè)計(jì)為成品孔直徑φ0.2～φ0.3 mm，甚者φ0.05～φ0.1 mm，在一張560 mm×680 mm的面積內(nèi)可以達(dá)到10萬(wàn)孔，甚至12萬(wàn)孔的數(shù)量，對(duì)于直徑為φ0.1 mm的鉆孔，CO2激光燒蝕孔所需燒蝕時(shí)間十分短，但是CO2激光鉆孔過(guò)程中再冷凝的材料以及排出物可能會(huì)在孔的上邊緣出現(xiàn)，影響打孔的質(zhì)量；在某種程度上，激光燒蝕出的孔具有一定的錐度［4］；如圖3所示，φ0.1 mm的微導(dǎo)孔介于機(jī)械鉆孔和CO2激光都可以加工的范圍。

隨著新材料、新工藝的應(yīng)用，微孔鉆頭剛度的提高，以及數(shù)控機(jī)械鉆孔機(jī)穩(wěn)定性的提高，特別是涂層微型PCB刀具的發(fā)展，配合高轉(zhuǎn)速氣浮主軸的發(fā)展，使得機(jī)械鉆孔機(jī)能夠鉆φ0.1 mm的微孔鉆削成為可能［5］。

圖1　含有BGA器件的PCB板

1　超高速微鉆孔難點(diǎn)

數(shù)控機(jī)械鉆孔最主要的工藝參數(shù)是轉(zhuǎn)速和進(jìn)刀速，切削速度是指鉆頭外徑的線速度，其計(jì)算公式為［6］：

圖2　鄰居有BGA器件的PCB板

圖3　微導(dǎo)孔徑與PCB產(chǎn)品趨勢(shì)

式中：D為鉆頭直徑，N為主軸轉(zhuǎn)速，

根據(jù)刀具直徑為φ0.1 mm，切削線速度選擇150 m/min，計(jì)算可得主軸轉(zhuǎn)速的理論速度約為478 kr/min，為了盡可能的接近理論要求轉(zhuǎn)速，選用westwind公司300 kr/min的空氣主軸，由于轉(zhuǎn)子氣浮面積的減少，速度的增加，所以需要更高的工作壓力，而westwind公司30萬(wàn)轉(zhuǎn)的主軸要求0.7 MPa的工作氣壓，如圖4所示，一般工廠能夠提供0.6 MPa以下的穩(wěn)定壓力，所以必須在數(shù)控鉆孔機(jī)氣路增加增壓閥，如圖5、6所示以保證能夠?yàn)橹鬏S提供穩(wěn)定的工作氣源。

圖4　westwind公司300 KRPM的空氣主軸

圖5　配置增壓閥的數(shù)控鉆孔機(jī)

圖6　SMC增壓閥

電子產(chǎn)品在多功能化、高I/O數(shù)及小型化趨勢(shì)下，IC封裝技術(shù)隨之改變，因此由1980年代以前的通孔插裝（PTH Insertion），1980～1993年大幅變革成表面貼裝SMT方式，進(jìn)展到至今以BGA、CSP及Flip Chip為主的封裝方式［7，8］，由IC載板生產(chǎn)成本來(lái)看，材料價(jià)占比重高達(dá)40%～50%，原料中又以BT樹(shù)脂（Bismaleimide Triazine Resin）為主，日本三菱瓦斯公司開(kāi)發(fā)出來(lái)的BT樹(shù)脂，主要以B（Bismaleimide）and T（Triazine）聚合而成，以BT樹(shù)脂為原料所構(gòu)成的基板具有高Tg（255℃～330℃）、耐熱性（160℃～230℃）、抗?jié)裥浴⒌徒殡姵?shù)（Dk）及低散失因素（Df）等優(yōu)點(diǎn)［9］，BT樹(shù)脂關(guān)鍵的制作過(guò)程是先將BT樹(shù)脂配制成A-stage的凡立水（Varnish），再將電子級(jí)玻纖布含浸BT樹(shù)脂凡立水，經(jīng)過(guò)烘干、裁切之后形成BT膠片（Preprag），BT膠片再經(jīng)上、下兩面銅箔壓合后即形成BT銅箔基板（CCL）［10］。

由于以BT樹(shù)脂為基板IC載板的高Tg，如果選用普通鋁片作為蓋板，是由于其表層鋁的硬度較大（50Vickers～140Vickers），鉆微小孔時(shí)（如φ0.1 mm），鉆頭會(huì)有微小的偏離，孔位精度的提高受到限制，而且還比較容易斷刀［11，12］。本次選用涂樹(shù)脂的潤(rùn)滑鋁片（簡(jiǎn)稱MVC，Resin Coated Cduminium Foil For Entry Board），通過(guò)粘接性能分析，蓋板樹(shù)脂層與鋁片之間沒(méi)有空隙，粘接緊密，不會(huì)在鉆針上升過(guò)程中帶離表層樹(shù)脂而影響鉆孔質(zhì)量；通過(guò)MVC的熱熔性能分析，在50℃～65℃的溫度區(qū)間內(nèi)，有一個(gè)強(qiáng)烈的吸熱峰，表征樹(shù)脂在該溫度區(qū)間吸熱產(chǎn)生相變，有利于鉆孔是吸收鉆頭表面的熱量；同時(shí)在160℃～170℃的溫度區(qū)間內(nèi)，樹(shù)脂層分解，溫度曲線上升放熱，而在實(shí)際鉆孔過(guò)程中，溫度只有80℃左右，因此表層樹(shù)脂不會(huì)分解，性能比較穩(wěn)定，如圖7所示。較低的相變溫度和相對(duì)較高的分解溫度在鉆孔時(shí)可以保證優(yōu)良的鉆孔效果，使用MVC蓋板進(jìn)行鉆孔時(shí)，表層樹(shù)脂熔化帶走鉆頭表面大量的熱量，降低鉆頭的表面溫度，同時(shí)MVC表層樹(shù)脂的潤(rùn)滑特性對(duì)鉆頭有一定的潤(rùn)滑作用，減少磨損和降低斷針率［13］。

圖7　涂樹(shù)脂鋁片的熱熔分析圖

墊板選擇改性酚醛紙墊板，能夠減少出口性毛刺、降低鉆頭溫度，減少鉆頭磨損，在一定程度的清掃鉆頭上的鉆污作用的墊板［14］。對(duì)于φ0.1 mm的鉆孔，由于是在微細(xì)的塊狀上進(jìn)行通孔加工，鉆頭選用日本union公司的帶有涂層的鉆頭短刃鉆頭，該鉆頭使用了抗斷性能優(yōu)良的超微粒子，粒度為0.35 μm的鎢鋼超硬合金，并且在形狀設(shè)計(jì)上也利于切削粉塵的排出和剛性的提升。

2　超高速微鉆孔振動(dòng)測(cè)試

由于超高速微孔鉆需要配置300 kr/min以上的空氣主軸和實(shí)現(xiàn)φ0.1 mm以下直徑的鉆孔，無(wú)論是空氣主軸和φ0.1 mm直徑的鉆頭，只要超過(guò)一定的振動(dòng)，都會(huì)引起鉆頭折斷或者主軸卡死，所以使用keyence的NR-600多重?cái)?shù)據(jù)收集系統(tǒng)，如圖8所示，配合PCB品牌的三維加速度傳感器，如圖9所示，將三維加速度傳感器緊貼在主軸的超高速微孔鉆需要配置300 kr/min以上的空氣主軸頂端，測(cè)量的振動(dòng)結(jié)果如圖10所示。單軸正常鉆孔，轉(zhuǎn)速285 r/min工況下振動(dòng)加速度在0.15 m/s2，峰值在0.4 m/s2；六軸同時(shí)鉆孔振動(dòng)加速度在0.4 m/s2，峰值在0.9 m/s2。

圖8　keyence的NR-600的多重?cái)?shù)據(jù)收集系統(tǒng)

圖9　PCB品牌的三維加速度傳感器

基于對(duì)超高轉(zhuǎn)速300 kr/min空氣主軸測(cè)試，分別測(cè)試典型轉(zhuǎn)速下的振動(dòng)加速度如表1所示，振幅如圖10所示。

表1　六軸同時(shí)工作，不同轉(zhuǎn)速下振動(dòng)加速度測(cè)試值

根據(jù)表1測(cè)試結(jié)果，峰值都沒(méi)有超過(guò)1.3 m/s2的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求，具有實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定量產(chǎn)的條件。

3　鉆頭的溫度測(cè)試

任何物體都向外發(fā)射紅外輻射，輻射強(qiáng)度隨著溫度的變化而變化，基于普朗克和波茨曼輻射定律的原理，非接觸紅外測(cè)溫儀通過(guò)吸收物體表面向外輻射的紅外能量來(lái)測(cè)定物體的表面溫度，紅外測(cè)溫通常工作在熱輻射中波長(zhǎng)為1～20 μm的波段。紅外熱像儀是通過(guò)非接觸探測(cè)紅外能量（熱量），并將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，進(jìn)而在顯示器上生成熱圖像和溫度值，并可以對(duì)溫度值進(jìn)行計(jì)算的檢測(cè)設(shè)備。運(yùn)用FLIR公司的型號(hào)為SC325紅外攝像儀配合100 μm的鏡頭，如圖11、12所示，具體參數(shù)如表2所示。

將紅外攝像儀牢固固定在數(shù)控鉆孔機(jī)花崗石平臺(tái)上，如圖12所示，設(shè)定好輻射率。某個(gè)物體向外發(fā)射的紅外輻射強(qiáng)度取決于這個(gè)物體的溫度和這個(gè)物體表面材料的輻射特性，我們用輻射率（ε）這個(gè)參數(shù)描述物體向外發(fā)射紅外能量的能力［15］。

輻射率的取值范圍可以從0到1。我們通常說(shuō)的“黑體”是指輻射率為1.0的理想輻射源，而鏡子的輻射率一般為0.1。可以先通過(guò)接觸式的測(cè)溫裝置檢測(cè)被測(cè)物體得到準(zhǔn)確溫度后，調(diào)節(jié)輻射率值使紅外熱像儀顯示的被測(cè)物體溫度與準(zhǔn)確值一致，如此可將此輻射率值用于后續(xù)的測(cè)試，輻射率設(shè)置為0.35。測(cè)試過(guò)程中，熱象儀以60 Hz的幀頻進(jìn)行拍攝，從而獲得上千張連續(xù)圖片中找出鉆頭鉆孔時(shí)的圖片，進(jìn)行溫度分析測(cè)量，最高溫度在100℃，如圖13、14所示。

表2　FLIR SC325紅外攝像儀參數(shù)

圖11　FLIR SC325紅外攝像儀和100 μm鏡頭

圖12　FLIR SC325紅外攝像儀溫度測(cè)試

圖13　鉆頭溫度測(cè)試結(jié)果

從圖14分析，帶有涂層的union公司φ0.1 mm的鉆頭，以295KRPM的轉(zhuǎn)速鉆BT基材的BGA封裝的IC載板，鉆頭最高溫度在100℃左右。

4　鉆頭受力最小對(duì)應(yīng)最優(yōu)鉆孔工藝參數(shù)

在PCB數(shù)控鉆孔過(guò)程中，鉆機(jī)的精度、PCB板材、主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度、退刀速度、下鉆深度、蓋板類型及厚度、墊板類型及厚度、每支鉆頭設(shè)定的鉆孔數(shù)等各種工藝因素都可能對(duì)鉆孔質(zhì)量產(chǎn)生很大影響，由于鉆孔條件的變化會(huì)造成主要影響因素的不確定性，再加上各因素之間存在交互作用，因此單憑經(jīng)驗(yàn)，很難做到工藝參數(shù)的最優(yōu)化。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)技術(shù)（DOE）是以概率論和數(shù)理統(tǒng)計(jì)為理論基礎(chǔ)、合理安排實(shí)驗(yàn)的一種方法，本文針對(duì)鉆孔過(guò)程中影響因素較多的特點(diǎn)，采用DOE實(shí)驗(yàn)方法，對(duì)不同鉆孔工藝參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)測(cè)試和分析，最后確定最佳工藝參數(shù)。

圖14　SC325紅外攝像儀鉆頭溫度測(cè)試結(jié)果

本次試驗(yàn)采用最高30萬(wàn)轉(zhuǎn)速的大族數(shù)控PCB鉆孔機(jī)如圖5所示、選用三菱瓦斯0.6 mm厚度的以BT樹(shù)脂為基板IC載板，選用散熱效果很好，厚度較厚的酚醛紙墊板和涂樹(shù)脂的潤(rùn)滑鋁片，同時(shí)選用日本union公司φ0.1 mm的有涂層的短刃長(zhǎng)鉆頭。將裝配有測(cè)試鋁基板的力傳感器固定在PCB數(shù)控鉆孔機(jī)的合適位置，在PCB數(shù)控鉆孔機(jī)控制系統(tǒng)輸入固定的切削參數(shù)，設(shè)置好Kistler高精密微型測(cè)力系統(tǒng)，開(kāi)啟鉆孔機(jī)鉆孔，采集z向鉆削力，對(duì)比分析，如圖15所示。本次鉆頭受力最小對(duì)應(yīng)最優(yōu)鉆孔工藝參數(shù)因素主要有轉(zhuǎn)速和進(jìn)刀速，每個(gè)因素有3個(gè)不同水平，如表3所示。

圖15　Kistler高精密微型測(cè)力流程

表3　正交試驗(yàn)1因素

采用圖15所示的微型測(cè)力系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果如表4所示，受力圖如圖16所示。

以最小鉆削力判斷，選擇轉(zhuǎn)速為295 kr/min，進(jìn)刀速為1.6 m/min的工藝參數(shù)為最理想的鉆孔工藝參數(shù)，z軸切削力控制在0.49～0.65 N，可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定高速的鉆孔。

利用短刃長(zhǎng)有涂層鉆頭在一臺(tái)數(shù)控鉆孔機(jī)上進(jìn)行了鉆孔試驗(yàn)，在一張560 mm×680 mm的面積內(nèi)拼版10萬(wàn)孔，選擇轉(zhuǎn)速為295 kr/min，進(jìn)刀速為1.6 m/min的鉆孔參數(shù)，孔限設(shè)置成2 800孔，用AOI檢測(cè)機(jī)測(cè)量工序能力指數(shù)（CPK），如圖17、18所示，CPK值為1.969，高于業(yè)界控制的1.33的標(biāo)準(zhǔn)，能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定的量產(chǎn)。

圖16　Kistler高精密微型測(cè)力流程

表4　不同工藝參數(shù)切削力測(cè)試結(jié)果

圖17　Hole-AOI超高速孔位精度測(cè)量機(jī)

圖18　CPK值測(cè)量結(jié)果

將制作好的切片放至超景深Keyence三維顯微系統(tǒng)VHX-5000下進(jìn)行放大，調(diào)節(jié)鏡頭粗調(diào)、細(xì)調(diào)旋鈕，直至屏幕上出現(xiàn)清晰的孔壁圖像，最終使用軟件進(jìn)行孔壁粗糙度測(cè)量。如圖19、20所示，可以測(cè)量出，孔壁粗糙度最大為24 μm，低于行業(yè)控制的35 μm要求，達(dá)到行業(yè)需求。

圖19　超景深Keyence三維顯微系統(tǒng)VHX-5000孔壁粗糙度測(cè)試

圖20　孔壁粗糙度測(cè)試結(jié)果24.78 μm

根據(jù)DOE實(shí)驗(yàn)結(jié)果，綜合鉆削切削力、工序能力指數(shù)（CPK值）以及孔壁粗糙度和加工效率的考慮，對(duì)于以BT樹(shù)脂為基板高Tg的0.6 mm厚的IC載板，配置300 kr/min主軸的數(shù)控機(jī)械鉆孔機(jī)，選擇轉(zhuǎn)速為295 kr/min，進(jìn)刀速為1.6 m/min的工藝參數(shù)為最理想的鉆孔工藝參數(shù)，同時(shí)配合涂樹(shù)脂鋁片的蓋板和改性酚醛紙墊板，能夠?qū)崿F(xiàn)φ0.1 mm的穩(wěn)定鉆孔，并且鉆孔速度可以達(dá)到680孔/min。

5　結(jié)論與展望

針對(duì)以BT樹(shù)脂為基板高Tg的0.6 mm厚的IC載板鉆孔過(guò)程中影響鉆孔質(zhì)量的眾多因素，采用DOE實(shí)驗(yàn)分析對(duì)鉆孔工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，配合涂樹(shù)脂鋁片的蓋板和改性酚醛紙墊板，轉(zhuǎn)速為295 kr/min，進(jìn)刀速為1.6 m/min的工藝參數(shù)為最佳鉆孔工藝參數(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)φ0.1 mm的穩(wěn)定鉆孔。并且在以BT樹(shù)脂為基板高Tg的IC載板研究基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究在φ0.1 mm及其以下直徑鉆頭鉆削條件下，配合振動(dòng)測(cè)試、溫度測(cè)試和切削力測(cè)試，以及高剛性、低振動(dòng)的數(shù)控鉆孔機(jī)的設(shè)計(jì)，通過(guò)PCB板材-鉆頭-鉆削加工工藝及其蓋、墊板的的優(yōu)化組合系統(tǒng)研究，實(shí)現(xiàn)PCB微孔高質(zhì)量、高效、低成本的量產(chǎn)加工。

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Technological Research on Printed Circuit Board Ultra High-speed Mechanical Drilling

HE Ling1，2，WANG Zhigang3，WU Hengyu1

（1.Hainan college of software technology，Qionghai 517400，China 2.Guangdong Technical College of Water Resources and Electric，Guangzhou，510000，China；3.Han's laser Technology Co.，Ltd，Shenzhen 518052，China）

This paper introduced the printed circuit board micro-holes ultra high-speed mechanical drilling process issues，by Kistler high precision miniature drill cutting force dynamometer test systems，detected the drilling temperature with infrared temperature cameras，the quality is optimize of the target，the Design of Experiments（DOE）orthogonal was used of analysis method，the influence of borehole drilling quality of various process parameters were also analyzed to determine the optimum drilling parameters to optimize processing conditions and processing technology to meet the BGA package IC carrier plate drilling requirements with CNC machine drilling.

Printed circuit board；Micro-holes；Mechanical drilling；Technological research

TN605

A

1004-4507（2016）10-0014-09

2016-09-18

名稱及編號(hào)：2014年海南省自然科學(xué)基金項(xiàng)目614239；

何玲（1980-），女，河南省駐馬店人，碩士研究生，副教授，現(xiàn)從事機(jī)械電子的教學(xué)和研究工作。