電子電路領域數(shù)控鉆床特殊成孔技術(shù)的研究

沈宏巖，劉黎，紀龍江

（1.大連藝美刻科技有限公司，遼寧 大連 116600；2.大連瑞騰鑫源科技有限公司，遼寧 大連 116600）

0 引言

用于印制線路板加工的數(shù)控鉆床是一種專用鉆孔機床，性能與普通數(shù)控鉆床相比有顯著不同的特點與優(yōu)勢。由于印制線路板上孔的直徑?。ㄗ钚】蛇_Φ0.10mm）、數(shù)量多（一般每平方米可達100000孔以上），故一般都選擇帶有2～6個最高轉(zhuǎn)速可達500krpm，進給速率最高可達12.97m/min的主軸?？梢哉f數(shù)控鉆床的精度狀態(tài)、操作性、穩(wěn)定性、可靠性是大多數(shù)線路板企業(yè)得以快速發(fā)展、提高競爭力的根本保障。隨著科學技術(shù)與人們生活水平的日益提高，無論是航空航天、軍工、通訊等高端科技前沿領域，還是家用電器、手機、電腦等生活領域，高速率、高穩(wěn)定、高功能、小體積已經(jīng)成為核心技術(shù)的持續(xù)發(fā)展趨勢。對于線路板而言，高集成化、高信號傳輸、高可靠性、高穩(wěn)定性的技術(shù)需求引導行業(yè)向超微小孔、超細小線、起低線距、特殊結(jié)構(gòu)孔、高厚銅方向發(fā)展。如孔的類型不再只有以前的一種通孔，埋孔、盲孔、階梯孔、特殊結(jié)構(gòu)孔、半孔、異形孔等應運而生，復雜度和精度越來越高。本文闡述的特殊成孔技術(shù)，指的就是利用普通數(shù)控鉆床實現(xiàn)定深孔高精度加工的一種技術(shù)和方案。這種技術(shù)可以有效解決目前企業(yè)存在的技術(shù)難題，對增大市場份額、滿足客戶需求，推進行業(yè)進步具有重要意義。

1 印制線路板常規(guī)鉆孔技術(shù)與孔類別與簡介

PCB數(shù)控鉆床的主軸大多是空氣軸承，設計理念追求的是高精度、高轉(zhuǎn)速、高速率、低損耗等特點[1]?，F(xiàn)代企業(yè)的管理理念就是精細化管理、科學化管理、機械化/智能化管理，越簡單越好，對于有問題易發(fā)生隱患的工位，有潛在失效模式的因素、行為存在時，要盡量采取相應的手段去避免問題的發(fā)生，而不是在問題發(fā)生后再想盡辦法去彌補[2]，圖1所示為印制線路板數(shù)控鉆孔加工效果示意圖，圖中包含了數(shù)控鉆床主軸、刀具、工件的位置關(guān)系等，在這個過程中，由于數(shù)控鉆孔的速度特別快、刀具用量特別大，加工過程是連續(xù)無間斷的，所以在按下數(shù)控鉆床“START”鍵的同時，對于鉆孔速率可達300-500孔的機械數(shù)鉆孔來講，產(chǎn)品質(zhì)量、加工效率水平結(jié)果就基本上已經(jīng)注定了。

圖1 鉆孔加工效果示意圖

圖2為業(yè)界常用的數(shù)控鉆床24孔孔位精度測評方法。測評條件：刀具采用一般要求使用鋼性較好的槽鉆，直徑范圍φ1.40mm，這類鉆頭因剛性較好，能最真實反映設備精度狀態(tài)；鉆孔疊1層（厚厚1.60mm左右）慢速鉆削，一般鉆孔參數(shù)設定為轉(zhuǎn)速30-40krpm，進給30-60ipm，鉆孔后使用孔位分析儀，根據(jù)事先編制好的鉆孔程序進行檢測，檢測標準為最大孔位偏差不超過20um，Cpk≥1.33[3]。

圖2 數(shù)控鉆床精度測評方法

圖3為線路板上最常見的幾種孔，通孔、定深孔、埋孔、階梯孔、槽孔等。因使用環(huán)境、功能和要求不同采用不同的孔設計，通常情況下，定深孔的加工難度、精度要求、設備要求、技術(shù)標準、過程控制都是比較高的。數(shù)控鉆孔工序是一個以自動化加工為主的工序，對產(chǎn)前準備及基礎化管理的要求相對較高[4]。使用PCB數(shù)控鉆床加工定深孔的過程中存在的最主要問題就是孔深淺不一、斷刀、斷路、孔形異常等關(guān)鍵共性的技術(shù)難題。下面詳細闡述具體解決方案、方法與效果。

圖3 線路板常見孔類別

2 PCB機械數(shù)控鉆床BHT工作原理

定深孔一般采用BHT數(shù)控床加工（Blind Hole Function），這種設備能實現(xiàn)多軸（6軸）同時高精度、高準確度、高效率定深孔加工。定深鉆孔的工作原理為：鉆頭、生產(chǎn)板在傳導裝置的作用下形成閉環(huán)系統(tǒng)。當進行定深鉆孔時，在鉆頭尖部與生產(chǎn)板剛好接觸的一瞬間就會產(chǎn)生一個高度脈沖信號，這種信號再經(jīng)過CNC裝置的差補運算、分析、放大處理后再反饋給伺服控制系統(tǒng)，伺服控制系統(tǒng)再將指令傳給驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)按照提前設計好的工藝參數(shù)進行鉆孔加工，完成定深鉆孔功能。由于該系統(tǒng)屬于閉環(huán)反饋系統(tǒng)，可實時運算，故可實現(xiàn)高精度定深鉆孔功能。

為了提高數(shù)控鉆床的定位精度，并保證臺面與定位系統(tǒng)的完好性，本技術(shù)方案設計采用底板定位的方式進行定深鉆孔。底板定位的原理就是在數(shù)控鉆床的臺面上增加一個浮動臺面（一般由酚醛樹脂材料制成，厚度約10mm,質(zhì)地堅硬）叫做底板，再在底板上安裝專用的定位裝置，即可實現(xiàn)底板的無限次重復使用，不僅有效減少每次更換產(chǎn)品型號時在底板上安裝定位銷釘?shù)臅r間，更能有效保證產(chǎn)品質(zhì)量。該方法具有操作方便靈活、制造及維護成本低、易維護、效率高、底板可永久性重復使用等特點[5]。問題在于底板安裝后，生產(chǎn)板上表面至臺面的距離就超出了BHT傳導裝置的高度加工范圍（約10mm），圖5所示。為了減少定位底板經(jīng)常拆裝造成的時間浪費、擴大加工能力范圍、提升加工精度，發(fā)明了圖6所示的專用裝置，該裝置能在底板免拆除狀態(tài)下直接加工帶有定深鉆類別孔的生產(chǎn)板。主要結(jié)構(gòu)和功能為：信號加長導桿，功用：延長氣動連桿的上升高度，純銅材質(zhì)，規(guī)格：長度約10mm，內(nèi)徑φ4.0mm，外徑φ7.0mm；加長信號導電板，功用：信號傳導，選材：≥2.50mm厚PCB雙面板，銅層厚1oz，規(guī)格：長度約50mm，寬度10mm，厚度2.5-3.0mm；連接螺栓，連接作用，使用M5標件。

圖4 定深鉆孔原理示意圖

圖5 數(shù)控鉆床底板定位結(jié)構(gòu)示意圖

圖6 定深鉆孔裝置

2.1 實驗方案

按表1要求進行。

表1 實驗計劃表

表2 檢測數(shù)據(jù)一覽表

2.2 實驗效果

鉆孔結(jié)束后，按上面實驗方案要求進行檢測，結(jié)果圖7和表1所示。

圖7 檢測結(jié)果分析圖

2.3 實驗結(jié)論

本技術(shù)以關(guān)鍵共性技術(shù)問題為研究方向，通過對設備的技術(shù)改造實現(xiàn)了“定深孔”的高精度加工，深度公差可以控制在0.025mm以內(nèi)，完全可以滿足客戶要求，批量生產(chǎn)完全可以控制在±0.050mm以內(nèi)，技術(shù)水平國內(nèi)領先，完全可以滿足各類用戶的要求。

3 結(jié)語

高精密印制線路板是現(xiàn)代科學技術(shù)得以快速、穩(wěn)定發(fā)展的重要保障，特別是在汽車、軍事、航空、航天、醫(yī)療、通訊等重要應用領域，對線路板的要求與依賴性更高。我們通過創(chuàng)新研發(fā)，完全掌握了定深孔的高精度、高速率、高品質(zhì)加工技術(shù)，為后續(xù)技術(shù)推廣、科研創(chuàng)新、企業(yè)發(fā)展、行業(yè)進步起到重要的支撐作用與效果。