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      高速材料鉆孔解決方案研究

      2020-11-12 07:39:10陳海斌鄒衛(wèi)賢
      印制電路信息 2020年9期
      關(guān)鍵詞:板材鉆頭涂層

      陳海斌 鄒衛(wèi)賢

      (深圳市金洲精工科技股份有限公司,廣東 深圳 518116)

      0 前言

      高速材料因其超低傳輸損耗、高耐熱、高可靠性的性能,廣泛應用于第5代移動通信系統(tǒng)(5G)的通信基礎設備、高端服務器、路由器、開關(guān)、無線基站等。隨著“5G”大規(guī)模的應用,高速印制板使用量越來越多。因為高速板材低Dk/Df的屬性,高速板的鉆孔加工通常會存在內(nèi)層互連失效(ICD)、鉆頭壽命低、加工效率低及鉆孔成本高等棘手問題,對PCB廠家的鉆孔制程提出了較大的挑戰(zhàn)和要求。本文在針對高速板鉆孔加工的鉆頭普通白刀的選用、涂層刀具的選用、鉆孔參數(shù)如何優(yōu)選的基礎上,探討高速板鉆孔的可行性解決方案,最終達到高速板材PCB鉆孔的高效、低成本的應用要求。

      1 高速板鉆孔問題分析

      1.1 高速板鉆孔的主要問題

      1.1.1 ICD失效

      ICD(Inner Connection Defects)為內(nèi)層互連缺陷[1]。對于PCB生產(chǎn)廠家而言,ICD問題在電測工序較難有效攔截,往往是流到下游甚至是客戶端。在進行SMT(表面安裝技術(shù))貼裝過程,PCB板經(jīng)歷IR(紅外線)無鉛回流焊、波峰焊接、以及一些手工焊或是返修等高溫制程的沖擊下,會發(fā)生內(nèi)層互聯(lián)失效開路,而此時的PCB已進行了組裝,因此產(chǎn)生極大的品質(zhì)風險。高速板在加工過程中容易出現(xiàn)鉆污,如圖1所示。

      1.1.2 鉆孔效率低成本高

      為了減少ICD風險,加工高速板時,一是鉆頭加工壽命普遍設置較低,通常只有普通PCB板鉆孔壽命的1/2或者更低;二是鉆孔的落速設定較低(通常比普通板低20%以上),且因換刀非頻繁,整體加工效率極低。這樣的鉆刀壽命和效率設定使得高速板鉆孔加工的成本極高,交付周期拉長,造成大量積壓的研磨針庫存在難以消耗。

      1.2 高速板難加工的原因分析

      高速材料具有低Dk、低Df的特性[2],其極性小,材料活性低,去除膠渣困難。同時,高速板材介質(zhì)層樹脂填料多,物理特性比較硬[3],對鉆頭的鉆嘴磨耗大,孔壁粗糙度大,鉆嘴摩擦高溫凝膠較多,可能導致除膠藥水循環(huán)不良,造成除膠效果不佳,從而產(chǎn)生ICD失效。

      1.3 高速板加工對策分析

      避免ICD問題關(guān)鍵在于高頻材料PCB鉆孔和除膠參數(shù)DOE(正交試驗)試驗驗證,尋找改善方案[4]。在板材和除膠參數(shù)DOE確定的情況前提下,控制孔壁粗糙度、改善釘頭異常的關(guān)鍵在于鉆頭的設計與優(yōu)選、鉆孔工藝參數(shù)優(yōu)化與控制。

      2 鉆頭的設計與優(yōu)選

      2.1 鉆頭不同型號的優(yōu)選

      ICD產(chǎn)生主要與鉆孔時產(chǎn)生的鉆污有關(guān),控制ICD,對鉆頭的排屑和發(fā)熱有嚴格要求。試驗表明:不同型號的鉆頭對排屑和發(fā)熱有明顯的差異。

      選用金洲公司所生產(chǎn)的UCSN(普通鉆頭)和USF(雙刃單槽鉆頭)兩種不同型號的鉆頭做對比分析,分析鉆污厚度的主效應因子。

      試驗方法為:M6板材T1.8 mm,鉆頭壽命設定為H500,研磨1次,進給速度設置為70 IPM。試驗結(jié)果如圖2所示。

      通過分析試驗結(jié)果可知:

      (1)鉆頭壽命與鉆孔鉆污的殘留呈現(xiàn)較高之相關(guān)性;

      (2)USF型鉆頭的鉆孔鉆污殘留較少。

      圖1 ICD問題

      圖2 鉆污厚度主效應圖

      2.2 涂層效果的驗證

      刀具表面涂層技術(shù)是一項優(yōu)質(zhì)表面改性技術(shù),它將刀具基體與硬質(zhì)薄膜表層相結(jié)合,使基體保持良好韌性和較高強度。硬質(zhì)薄膜表層具有高耐磨性和低摩擦系數(shù),從而使刀具的性能大大提高[5]。為進一步驗證涂層的作用,進行對比測試。

      試驗條件如下:

      測試板材:M6 3 mm板厚、26層板;酚醛墊板;0.15 mm鋁片。

      測試鉆頭:USF 0.20 mm×4.0 mm未涂層鉆頭及SHC涂層鉆頭。

      測試參數(shù):主軸轉(zhuǎn)速S:130 Kr/min,落速F:30 mm/s,退刀 U:300 mm/s,孔數(shù)H:1。

      通過對比視頻,可以發(fā)現(xiàn)SHC涂層鉆頭在鉆孔過程中切屑能夠及時排出,而未涂層鉆頭在回刀過程中出現(xiàn)大量碎屑,說明鉆孔過程中普通鉆頭螺旋槽內(nèi)留有大量切屑未及時排(見圖3)。

      結(jié)論:SHC涂層鉆頭排屑性能優(yōu)于未涂層鉆頭,有利于降低鉆孔溫度,提升鉆孔質(zhì)量。

      3 鉆孔工藝參數(shù)的優(yōu)化

      3.1 涂層刀鉆孔落速提升試驗

      為了進一步分析涂層刀與白刀在不同的鉆孔落速下對鉆孔質(zhì)量的影響,進行了鉆孔試驗,加工條件(見表1)。

      鉆孔驗得到鉆孔品質(zhì)和鉆尖磨損樣圖如圖3所示。從圖3可以看出:按表1參數(shù)加工,涂層刀面磨損較輕微,涂層刀生產(chǎn)的板件表面批鋒較小,兩種刀具均未出現(xiàn)焊盤拉脫、爆孔等現(xiàn)象。利用SHC涂層刀的潤滑作用,可以大幅提升鉆孔的進給速度。

      3.2 涂層刀鉆孔壽命提升試驗

      為了進一步分析涂層刀與白刀在不同的鉆孔壽命下對鉆孔質(zhì)量的影響,設計了鉆孔試驗,如表2所示。在表2參數(shù)下對比試驗切片,結(jié)果如圖4所示。通過試驗結(jié)果分析可知:0.25未涂層鉆頭鉆孔后孔粗表現(xiàn)不良;0.25SHC涂層鉆頭在提升鉆孔壽命的情況下孔粗效果優(yōu)異。

      以上試驗結(jié)果表明:在加工參數(shù)優(yōu)化的情況下,使用SHC涂層產(chǎn)品,鉆孔進刀速度可提升30%,鉆頭壽命可提升60%以上。

      4 結(jié)論

      通過以上的實驗設計和結(jié)果對比可以看出:(1)USF型(雙刃單槽鉆)相比UCSN型(普通鉆)在高速板的ICD問題上效果明顯;

      表1 鉆孔落速試驗加工參數(shù)

      圖3 鉆孔品質(zhì)樣圖

      表2 不同壽命的鉆孔試驗

      圖4 USF與SHC加工高速板材的對比效果

      (2)SHC涂層鉆頭在排屑性能方面明顯優(yōu)于未涂層鉆頭,有利于降低鉆孔溫度,減少ICD的發(fā)生

      (3)選用USF型號單槽鉆頭結(jié)合SHC涂層的鉆頭,在高速板上的鉆孔壽命和鉆孔落速方面均可大幅提升。

      綜上所述,選用USF型單槽鉆頭結(jié)合SHC涂層能有效解決當前PCB廠家對M6型等高速板鉆孔存在的ICD問題、加工效率低、鉆孔壽命低的三大鉆孔難題。

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