印制板上半金屬化孔直接成型工藝研究

陳志宇 喬鵬程 梁龍化

（通元科技（惠州）有限公司，廣東 惠州 516000）

0 前言

印制電路板（PCB）實現(xiàn)成品板邊的半金屬化孔工藝經(jīng)過同業(yè)者不斷研發(fā)改進，在PCB 加工中已經(jīng)是成熟工藝。目前加工半金屬化孔最有效地消除孔內(nèi)殘留披鋒的做法是：圖電鍍錫+半孔成型+堿性蝕刻。其是利用圖形電鍍工序中的鍍錫工藝保護線路和孔銅，然后通過增加二次鉆孔或銑板將半金屬化孔成型，再采用堿性蝕刻的方法將半金屬化孔裸露銅面的披鋒給蝕刻掉。其他地方有錫保護不會被蝕刻。從制作成本的角度來看，增加的二次鉆孔或銑板的流程延長了生產(chǎn)的制作周期，制作成本也成倍增加。同時二次鉆孔或銑板對位精度、PCB加工過程中的漲縮容易造成半金屬化孔偏位，影響加工良率。

近年來，隨著皮秒激光切割機、反轉(zhuǎn)銑板機等高精密設(shè)備的研發(fā)，以新型外形加工高精密設(shè)備為基礎(chǔ)，利用這些設(shè)備的新功能，結(jié)合CAM（計算機輔助制造）設(shè)計、工藝參數(shù)優(yōu)化，已成功開發(fā)半金屬化孔一次直接成型的新制作工藝。以下設(shè)計兩種直接成型制作方案進行比較。

1 工藝優(yōu)化方案

1.1 皮秒激光切割法

相對于傳統(tǒng)納秒激光（10-9s），采用皮秒激光加工材料，具有加工精度高、熱效應(yīng)極小、加工邊緣無毛刺等優(yōu)點。采用高功率激光器的皮秒激光切割機（如圖1所示），對厚度2 mm以下的陶瓷基板或薄金屬片均可進行切割鉆孔。借鑒于之前陶瓷基板和金屬基板的切割經(jīng)驗，通過優(yōu)化激光切割參數(shù)，對FR4材質(zhì)上的半金屬化孔進行直接切割加工。皮秒激光切割機具備CCD（電荷耦合器件）視覺自動抓靶定位功能，重復(fù)精度1 μm，定位精度≤3 μm，可以很好解決漲縮偏位，半孔不對稱問題。

圖1 皮秒激光切割機圖

1.2 反轉(zhuǎn)主軸銑板法

銑機主軸順時針旋轉(zhuǎn)稱為正轉(zhuǎn)，逆時針旋轉(zhuǎn)稱為反轉(zhuǎn)。銑機上安裝主軸正反轉(zhuǎn)交換機及智能控制軟件，實現(xiàn)刀具主軸可以改變轉(zhuǎn)動方向，使刀具的主軸轉(zhuǎn)動方向與銑板方向保持一致。分別按照銑板CAM資料中的銑板路徑進行加工，銑板加工過程中通過控制刀具主軸的旋轉(zhuǎn)方向，使主軸旋轉(zhuǎn)作用在加工面的力和刀具行進作用在加工面的力方向一致，確保切割半金屬孔時不產(chǎn)生毛刺。采用反轉(zhuǎn)（主軸逆時針旋轉(zhuǎn)）主軸銑板法，在刀具和銑帶資料上需要做特別的優(yōu)化設(shè)計。

1.2.1 刀具選擇

銑機主軸順時針正向旋轉(zhuǎn)時，選用常規(guī)的右旋轉(zhuǎn)銑刀；逆時針反向旋轉(zhuǎn)時，選用特殊的左旋轉(zhuǎn)銑刀（如圖2所示），通過左螺旋的刀刃將切削粉屑向下排出。如圖3所示，假定一個半金屬化孔在PCB外形邊上，A、B兩點是它們的交點，銑刀行進方向如圖3所示。銑刀在切割A(yù)點時正向旋轉(zhuǎn)，不會產(chǎn)生毛刺，在切割B點時反向旋轉(zhuǎn)，同時使用左旋轉(zhuǎn)銑刀，由于向下按壓基板的力的作用，表面不會產(chǎn)生毛刺，并且基板的尺寸精度變化也小。

圖2 左旋轉(zhuǎn)銑刀圖

圖3 正向、反向旋轉(zhuǎn)銑半金屬孔效果圖

1.2.2 銑帶制作

銑帶資料中設(shè)計分粗銑、精修；第一次粗銑采用常規(guī)右旋轉(zhuǎn)銑刀在PCB板的板邊沿順時針方向進行直線切型得到半孔槽體，銑刀所走的路徑與半孔槽體的輪廓線之間保留0.05 mm～0.1 mm的間距；精修采用左旋轉(zhuǎn)銑刀沿著半孔槽體的輪廓線以波浪式走刀方式進行切型，銑刀的直徑比半孔的孔徑大0.2 mm～0.3 mm。

2 實驗設(shè)計

以一個8層PCB，板厚度1.0 mm。設(shè)計成品半金屬化孔徑0.5 mm，鉆頭直徑0.6 mm，孔間距1.3 mm，連接盤寬0.9 mm，如圖4所示。分別采用皮秒激光切割法和反轉(zhuǎn)主軸銑板法兩種方案進行測試，數(shù)量各4 PNL，孔數(shù)16 920個/PNL。

圖4 實驗PCB圖

2.1 皮秒激光切割法實驗

2.1.1 制作流程

首先需要選擇皮秒激光切割機，具有皮秒級超短脈寬、重復(fù)頻率可調(diào)、脈沖能量高等特點，可以對在制板進行冷燒蝕，減少切割后產(chǎn)生碳化現(xiàn)象，且加工精度高?？梢造`活選擇堿性蝕刻流程或者酸性蝕刻流程制作。

（1）堿性蝕刻流程：在制板一次鉆孔→PTH（鍍銅孔）→外層圖形轉(zhuǎn)移→圖形電鍍→退膜→堿性蝕刻→激光切割→感光阻焊→字符印刷→電鍍→銑外形

（2）酸性蝕刻流程：在制板一次鉆孔→PTH→整板電鍍→外層圖形轉(zhuǎn)移→酸性蝕刻→激光切割→感光阻焊→字符印刷→電鍍→銑外形

其中，激光切割加工步驟如表1所示。

表1 半金屬化孔激光切割加工步驟表

2.1.2 實驗結(jié)果

皮秒激光器加工重復(fù)頻率10 kHz至1000 kHz，功率8 W～15 W，根據(jù)PCB實際板厚調(diào)整，可加工板厚范圍0.3 mm～3.0 mm。加工對位精度±0.025 mm。

通過調(diào)整脈沖頻率和激光功率，激光切割后，可以徹底地消除半金屬化孔的電鍍殘留（切割效果見圖5所示），避免了人工修理的麻煩。且激光通過CCD對位系統(tǒng)抓取板件內(nèi)光學(xué)點圖像對位，不受板件漲縮因素影響，半金屬化孔左右兩邊對稱無偏位。

圖5 激光切割半金屬化孔效果圖

2.2 反轉(zhuǎn)主軸銑板法實驗

2.2.1 制作流程

在制板按正常制作流程完成阻焊和電鍍工序后進入銑外形工序，按照表2步驟進行。

表2 半金屬化孔銑切加工步驟表

2.2.2 實驗結(jié)果

根據(jù)槽寬和半金屬化孔徑，選擇加工參數(shù)。切割效果見圖6所示。

圖6 反轉(zhuǎn)銑半金屬化孔效果圖

3 量產(chǎn)測試

按照上述兩種實驗方案，分別批量制作同類半金屬化孔電路板，對比毛刺、偏位改善，結(jié)果見表3所示。從量產(chǎn)的結(jié)果來看，激光切割法表現(xiàn)最佳，激光對位精度高，切割效果好，完全可以做到無毛刺，孔邊左右對稱。

表3 半金屬化孔制作方案量產(chǎn)結(jié)果比較表

反轉(zhuǎn)主軸銑板法量產(chǎn)時考慮提升效率，加工疊數(shù)較多，不可避免受到在制板漲縮及銑刀磨損等因素的影響，產(chǎn)生比例很低的毛刺和偏位，而毛刺清洗可除掉，處理難度不大，整體良率完全可以滿足生產(chǎn)要求。

4 總結(jié)

通過優(yōu)化設(shè)計和生產(chǎn)工藝的改進，半金屬化孔一次直接成型的工藝已經(jīng)取得了質(zhì)的突破。實驗后通過量產(chǎn)測試的判定：半金屬孔板一次直接成型，不扯銅、無毛刺，孔邊左右對稱，滿足品質(zhì)要求，且縮短了制作流程，節(jié)省加工成本。