印制板用高長刃鉆頭開發(fā)及應(yīng)用

俞建星 劉吉慶 孫 游 陳 光

(華偉納精密工具（昆山）有限公司，江蘇 昆山 215345)

0 前言

隨著PCB設(shè)計(jì)不斷趨向更高密度，更小的線寬線距、更小的導(dǎo)通孔直徑、更高的電路板層數(shù)與厚度等發(fā)展趨勢，隨之而來的高厚徑比板（厚徑比≥20以上）的鉆孔品質(zhì)也是必須面對(duì)和需要克服的難題。

本文通過分析高厚徑比料號(hào)生產(chǎn)難點(diǎn)，研究高長刃鉆頭相關(guān)設(shè)計(jì)因子，提出不同鉆頭設(shè)計(jì)，同時(shí)進(jìn)行相關(guān)驗(yàn)證測試，最終成功開發(fā)出高長刃系列鉆頭，并通過客戶相關(guān)測試。

1 高厚徑比料號(hào)鉆孔生產(chǎn)工藝

1.1 高厚徑比料號(hào)生產(chǎn)方式

鉆頭通過鉆機(jī)在高轉(zhuǎn)速和一定落速帶動(dòng)下，配合適當(dāng)?shù)膲|蓋板，達(dá)到鉆穿線路板的目的，從而為最終完成孔壁電鍍做準(zhǔn)備。目前高厚徑比料號(hào)常見生產(chǎn)方式有：多刃長鉆頭組合、正反面對(duì)鉆、單支高長刃鉆頭分步鉆等（見圖1）。

圖1 機(jī)械鉆孔疊板與加工方式

多刃長組合鉆受多次鉆孔對(duì)位影響，易發(fā)生對(duì)位不佳產(chǎn)生階梯及斷刀等影響，同時(shí)加工效率很低；正反面對(duì)鉆則容易受兩次定位差異產(chǎn)生臺(tái)階，另外加工效率也相對(duì)較低；單支高長刃鉆頭分步鉆穿的方式，主要受斷刀和孔偏等因素的影響，對(duì)加長刃鉆頭的品質(zhì)要求極高。

1.2 高厚徑比料號(hào)生產(chǎn)難點(diǎn)

普通料號(hào)通常厚徑比10以下，以0.20 mm的鉆孔制造徑為例，

板厚一般控制在2 mm以下，隨著目前的PCB設(shè)計(jì)發(fā)展，在制造徑

不變的情況下，板厚設(shè)計(jì)越來越厚，目前0.20 mm孔徑已設(shè)計(jì)到4.5 mm以上，但斷鉆、孔偏破、孔壁異常等問題也隨之增加，對(duì)現(xiàn)場生產(chǎn)及工藝提出了巨大的挑戰(zhàn)（見圖2）。

圖2 斷鉆、孔偏破、孔壁不良

因?yàn)榘搴瘛~層的增加，切削深度及阻力也隨之增加，鉆頭崩斷、偏位、刀面磨損嚴(yán)重、排屑不佳等問題也是必須面對(duì)和需要克服的難題。同樣情形下，刃長越長偏移越大（見圖3）。

圖3 高長刃鉆頭偏移量

2 高長刃鉆頭設(shè)計(jì)

2.1 鉆頭設(shè)計(jì)說明

總結(jié)高厚徑比料號(hào)鉆孔難點(diǎn)，主要在鉆頭定位、剛性、排屑、散熱幾個(gè)方面，因此在鉆頭設(shè)計(jì)的諸多因子中選取相應(yīng)設(shè)計(jì)因子進(jìn)行開發(fā)驗(yàn)證（見圖4）。

2.1.1 鉆尖角

圖4 鉆頭各項(xiàng)參數(shù)

鉆頭兩個(gè)主切削刃的夾角。鉆尖角大小影響定位、排屑角度、切屑力、毛刺的產(chǎn)生、孔內(nèi)壁粗糙度的重要因素。鉆尖角越大，在相同進(jìn)給量下切削越厚，就越有利于斷屑。大鉆尖角產(chǎn)生的切屑厚而且窄，小鉆尖角則寬而且薄。另一方面，鉆尖角越小，定位能力越強(qiáng)（見圖5）。

圖5 鉆尖角對(duì)鉆頭性能的影響

2.1.2 螺旋角

螺旋角是螺旋線展開后與鉆頭軸線的夾角。螺旋角大小直接影響著鉆頭的排屑能力，在不考慮其他因素的交互影響下，螺旋角越大鉆頭的排屑能力越強(qiáng)、鉆切加工中產(chǎn)生的熱量越小、孔壁凹凸度越小，但由于鉆孔過程中切削阻力與螺旋角呈正相關(guān)，因此隨著螺旋角的增大鉆頭的位置精度也會(huì)隨之下降（見圖6）。

圖6 螺旋角對(duì)鉆頭性能和排屑距離的影響

2.1.3 橫刃斜角

橫刃上有個(gè)幾何角度叫“橫刃斜角”，如圖7所示。這個(gè)橫刃斜角實(shí)際上反映的是鉆頭近鉆芯處后角的大小。當(dāng)鉆頭近鉆芯處軸向后角較大時(shí)，橫刃斜角ψ就較大，橫刃較短，這樣橫刃的擠壓現(xiàn)象不那么明顯，但橫刃的強(qiáng)度較差，易于損壞；而當(dāng)鉆頭近鉆芯處軸向后角較小時(shí)，橫刃斜角ψ就較小，橫刃較長，橫刃的擠壓就更嚴(yán)重，但橫刃強(qiáng)度高。常規(guī)鉆頭橫刃斜角ψ一般在50°～55°，這時(shí)橫刃處前角約為-（54°～60°），而后角約為26°～30°。這樣的橫刃斜角在切削力和強(qiáng)度方面相對(duì)比較平衡。

圖7 橫刃斜角

2.1.4 芯厚及錐度

芯厚是指兩個(gè)排屑槽槽底之間的距離。錐度是鉆頭由鉆尖向鉆柄，任意截面的直徑在一定長度上逐步減少，這一減少量形成鉆頭的副偏角，鉆頭的直徑倒錐常用一定長度上的直徑減少量作為參數(shù)。在不考慮其它因素的交互影響下，芯厚越大鉆頭的剛性越強(qiáng)，定位精度會(huì)提升、斷鉆幾率也會(huì)下降，但排屑能力越差，相應(yīng)的孔壁狀況也越差（見圖8）。

圖8 芯厚對(duì)鉆頭性能的影響

2.1.5 溝背比

鉆頭的溝背比直觀反映了鉆頭剛性與容屑排屑的關(guān)系，平衡兩者的關(guān)系是確定鉆頭槽型的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。但是，鉆頭的溝背比影響的不僅僅是這兩者，它還影響著斷屑、切削阻力等多個(gè)方面（見圖9）。

圖9 鉆頭溝背比對(duì)鉆頭性能的影響

2.1.6 鉆頭結(jié)構(gòu)

對(duì)比傳統(tǒng)雙刃雙槽、單刃單槽、雙刃單槽三種結(jié)構(gòu)優(yōu)缺點(diǎn)（見圖10）。

2.1.7 棒料材質(zhì)

目前PCB加工所用鉆頭的材質(zhì)為硬質(zhì)合金，其組成成分主要為碳化鎢和Co，為達(dá)到理想的PCB加工效果，需對(duì)WC晶粒大小、Co的分布方式以及WC和Co的配比比例進(jìn)行工藝優(yōu)化和調(diào)整以實(shí)現(xiàn)鉆頭的高耐磨性、高韌性和高熱導(dǎo)率，最終提升鉆孔品質(zhì)。

2.2 鉆頭設(shè)計(jì)因子分析及模擬

經(jīng)過對(duì)上述設(shè)計(jì)因子的分析及鉆頭設(shè)計(jì)模擬（見圖10），初步設(shè)定鉆尖角在120°～140°范圍，螺旋角在35°～45°范圍，橫刃斜角在45°～55°范圍，芯厚在0.10～0.15 mm（鉆尖處）范圍，溝背比在0.6:1.0～1.0:1.0范圍，棒料在A/B/C三種材質(zhì)，傳統(tǒng)雙槽、單刃單槽、雙刃單槽三種不同結(jié)構(gòu)之間進(jìn)行模擬驗(yàn)證，最終確定了高長刃鉆頭最優(yōu)設(shè)計(jì)（見圖11）。

圖10 不同鉆頭結(jié)構(gòu)優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比

圖11 鉆頭相關(guān)設(shè)計(jì)因子和高長刃鉆頭模擬圖

3 鉆頭模擬及測評(píng)

3.1 鉆孔試驗(yàn)

我們基于目前市場上一款較為熱門的4.5 mm板厚LowDK材質(zhì)料號(hào)，搭配直徑0.20 mm、刃長6.0 mm鉆頭進(jìn)行上述設(shè)計(jì)因子的分析及模擬測試，最終確定了最優(yōu)設(shè)計(jì)并試產(chǎn)相關(guān)鉆頭樣品（見表1）。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

3.2.1 斷鉆率

0.20×6.0 mm，測試壽命500孔，小量測試1000支，無斷鉆。

3.2.2 鉆頭磨損

鉆頭整體磨耗良好，未發(fā)現(xiàn)鉆頭異常磨損，滿足生產(chǎn)需求。鉆頭涂層工藝為目前業(yè)界廣泛應(yīng)用的潤滑涂層，后續(xù)會(huì)對(duì)涂層工藝研究做具體分享（見圖12）。

圖12 鉆頭磨損狀況

3.2.3 孔位精度

0.20×6.0 mm，出口端水準(zhǔn)：±3 mil、Cpk1.33以上，孔位精度可滿足生產(chǎn)需求，但仍有改善空間。

3.2.4 孔壁品質(zhì)

孔壁粗糙度平均值19 μm，最大值25 μm。釘頭平均值1.24，最大值1.58。整體孔型及孔壁品質(zhì)良好，滿足生產(chǎn)需求（見圖13）。

圖13 孔壁品質(zhì)狀況

綜上，0.20×6.0 mm高長刃鉆頭經(jīng)多次開發(fā)測試，鉆孔品質(zhì)良好，目前客戶端已測試通過，反映較好。

3.3 同步開發(fā)的其它高長刃鉆頭

同步開發(fā)了其它高長刃鉆頭規(guī)格，相繼通過了廠內(nèi)測試及客戶端驗(yàn)證，反映較好（見圖14）。

4 結(jié)束語

表1 測試料號(hào)信息

針對(duì)高厚徑比料號(hào)厚度大、銅層多、鉆切行程長等特點(diǎn)，對(duì)鉆頭的關(guān)鍵因子進(jìn)行設(shè)計(jì)開發(fā)得到高長刃鉆頭，在采取單支高長刃分步鉆的情況下可獲得滿意的鉆孔品質(zhì)及效率。在新材質(zhì)、新設(shè)計(jì)和新工藝日新月異的今天，產(chǎn)品的持續(xù)優(yōu)化依然是我們不斷努力的方向。

圖14 長刃鉆頭明細(xì)圖