超多孔印制板的高速鉆孔加工技術(shù)研究

陳 春 林洪德 吳軍權(quán)

（深圳市金百澤電子科技股份有限公司，廣東 深圳 518000）

（惠州市金百澤電路科技有限公司，廣東 惠州 516083）

0 前言

PCB（印制電路板）在朝著集成化、微型化地發(fā)展，相對應(yīng)的PCB的通孔數(shù)量、大小、縱橫比等將會發(fā)生變化，通孔會越來越小，越來越多。導(dǎo)通孔數(shù)量激增，鉆孔時間就會延長，產(chǎn)品加工整個周期也會變長。為解決這些問題，提高鉆孔效率，對超多孔PCB產(chǎn)品進行高速鉆孔研究。

對于超多孔的剛性板基材，當基材中含有陶瓷材料時，采用機械鉆孔的方式，容易產(chǎn)生撞孔、孔崩等質(zhì)量問題和鉆孔效率低下造成高成本問題。文章針對某款超多通孔產(chǎn)品（10萬孔以上），進行了機械鉆孔的加工能力提升，通過試驗分析出影響機械鉆孔效率進刀速度的因素是銅層，并探索出在保證其品質(zhì)的前提下，逼近鉆孔速度的極限。

對于撓性板PI（聚酰亞胺）基材，當孔數(shù)達到數(shù)十萬甚至是百萬孔時，采用機械鉆孔耗時過長且成本過高，激光鉆孔比機械鉆孔擁有更快的鉆孔速度、更高的鉆孔效率，但是激光鉆孔需要保證其孔型品質(zhì)并解決激光鉆孔碳化問題。文章通過激光鉆孔參數(shù)探索和孔壁除碳化方法探索，極大地提升了撓性板激光鉆孔的效率。

1 針對超多孔剛性板的機械鉆孔加工能力提升

1.1 參數(shù)與板材對機械鉆孔效率的影響

機械鉆孔的孔徑尺寸有大有小，大孔徑其需要采用慢速或者形成三小孔合成一大孔等鉆法，故不在考慮范圍內(nèi)，文章主要針對鉆頭直徑在0.5 mm以下的小孔。影響機械鉆孔效率的有兩個方面，一個是參數(shù)，即設(shè)備的參數(shù)設(shè)置；二是板材，板材能承受的鉆孔速度，即是保證品質(zhì)合格。

1.1.1 機械鉆孔參數(shù)影響

機械鉆通孔的原理是用機械轉(zhuǎn)軸高速旋轉(zhuǎn)帶動高強度的鉆頭以高度旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的切削力在材料上鉆出孔。常規(guī)影響機械鉆孔效率的參數(shù)有主軸轉(zhuǎn)速、鉆刀直徑、進刀速度、回刀速度，基于這些參數(shù)計算表面速度（SFM）和進刀量（IPM）的公式如下：

從以上公式可以看到：表面速度由材料所需的排屑量結(jié)合鉆刀的直徑和軸轉(zhuǎn)速計算得出，進刀量則是由軸轉(zhuǎn)速與進刀量的乘積得出，這里根據(jù)公式換算對比某板材推薦加工參數(shù)和實際加工參數(shù)如表1所示。

通過表1對比可以發(fā)現(xiàn)，實際加工參數(shù)為保證鉆孔的出屑量、和鉆孔品質(zhì)在進刀速方面較為保守。其中實際加工出屑量是較小的，理論上機械鉆孔的進刀速可以更快，效率可以更高。

表1 某板材加工參數(shù)表

1.1.2 板材材質(zhì)影響

PCB的板材多種多樣，有普通FR-4、中高Tg板材、高頻板材、PTFE（聚四氟乙烯）板材、陶瓷填充板材以及剛撓結(jié)合板。板材對機械鉆孔的效率影響體現(xiàn)在板材影響鉆頭的壽命，當鉆頭壽命達到時，需要進行換刀操作，表2為各類板材常規(guī)鉆頭壽命設(shè)置。

從表2中可看到不同直徑的鉆刀其設(shè)置壽命是有差異的，同一直徑鉆不同的板材其壽命設(shè)置也是不一樣的，其規(guī)律為材料對刀具的磨損程度越高，設(shè)置刀具壽命越短。壽命過短，機械換刀將很頻繁，進而增加鉆孔時間，影響鉆孔效率。

表2 板材鉆刀壽命常規(guī)設(shè)置表

1.2 機械鉆孔加工能力提升試驗

為進行機械鉆孔的加工能力提升，實現(xiàn)超多孔剛性板高速鉆孔效率，對供應(yīng)商提供的板材鉆孔指南進行對比分析，并通過試驗驗證，在保證鉆孔品質(zhì)的前提下，逼近鉆孔速度的極限，略微降低成本。

針對以上分析，選用直徑為0.25 mm的鉆頭進行測試，并用金像顯微鏡收集數(shù)據(jù)得到如圖1所示的鉆孔效果。

圖1 實驗結(jié)果圖

從孔的剖切了解到：銅層才是影響機械鉆孔效率的一個關(guān)鍵點。純銅具有柔軟性，合金銅雖然相對硬度有所上升，但是對比基材其硬度還是相對較軟。4.6 m/min的進刀速時，基材的排屑量滿足且可以承受住高速鉆孔，孔壁質(zhì)量良好，但是銅由于其柔軟性會產(chǎn)生釘頭；當進刀速度下降到3.5 m/min時，釘頭呈現(xiàn)可接受狀態(tài)，速度與品質(zhì)狀態(tài)達到平衡值，當進刀速度低于3.5 m/min，其鉆孔品質(zhì)都較良好。在機械鉆孔壽命設(shè)置方面，對比舊鉆頭壽命設(shè)置，提高了20%鉆頭壽命設(shè)置。

通過本次試驗改善了粉塵堵孔，孔口崩壞的品質(zhì)情況，使孔品質(zhì)可接受。將進刀速度提升一個層次，同時優(yōu)化疊板數(shù)量，小幅度提升了鉆頭壽命，減少換刀時間，小幅度減少成本，大幅度提高了鉆孔效率。

1.3 小結(jié)

對超多孔剛性板材料采用機械鉆孔進行通孔加工，通過參數(shù)摸索解決介質(zhì)和銅面加工的粗糙問題，改善釘頭品質(zhì)，可滿足超多孔板高速加工的效率需求。該參數(shù)摸索基于供應(yīng)商推薦參數(shù)調(diào)整鉆孔加工參數(shù)，在保證品質(zhì)條件下可大幅度提升鉆孔效率，從而將此類超多孔產(chǎn)品的加工時間縮短。

2 針對超多孔撓性板的激光鉆孔加工能力提升

2.1 激光加工參數(shù)與碳化問題對激光鉆孔的影響

對于超多孔撓性板PI（聚酰亞胺）基材，采用機械鉆孔耗時長、成本高，而激光鉆孔比機械鉆孔擁有更快的鉆孔速度、更高的鉆孔效率。激光鉆孔又分為CO2激光鉆孔和UV（紫外）激光鉆孔。CO2紅外激光鉆孔技術(shù)已經(jīng)很成熟，其兩者的比較為：CO2是熱能加工，UV是采用化學(xué)能與熱能結(jié)合加工；CO2一般適用加工孔徑為75 μm～150 μm，而UV激光一般適用加工孔徑為30 μm～50 μm；通常孔徑越大，CO2激光鉆孔效率比UV激光更高。文章超多孔軟板的通孔孔徑需求為100 μm，因此將采用CO2激光進行通孔加工測試與分析。

首先是激光加工參數(shù)。本次加工的激光設(shè)備為三菱CO2激光鉆孔機，在參數(shù)方面，影響二氧化碳激光鉆孔機的鉆孔能量的參數(shù)主要有脈寬、MASK（光圈）、CL（集光鏡位置）。將脈寬、能量、發(fā)數(shù)、MASK、CL以及單雙面鉆孔的選擇作為激光設(shè)備可調(diào)的參數(shù)，并通過工藝參數(shù)組合完成軟板通孔加工。在保證鉆孔品質(zhì)的條件下，還需調(diào)整這些參數(shù)使能量盡可能小，從而減輕碳化情況。其次是碳化問題。采用激光鉆孔容易產(chǎn)生碳化問題，將影響孔型的粗糙度；嚴重碳化時，孔壁粗糙，進而影響介質(zhì)耐壓。當兩邊銅層添加一定的電壓時，將會有火花或者擊穿現(xiàn)象。

2.2 激光加工參數(shù)調(diào)整

常規(guī)激光盲孔加工參數(shù)中，加工0.1 mm的環(huán)氧樹脂板芯時，一般采用4～5 μs的脈寬和單面加工，故對0.075 mm介厚的加工能量參數(shù)要更小。采用單面鉆孔會呈現(xiàn)梯形，為保證較直孔型需采用雙面加工方式。MASK方面，采用大能量光圈不利于微孔形成，結(jié)合經(jīng)驗采用1.8 mm。能量可以由脈寬和CL確定，CL一般取250以內(nèi)能量峰值較高。其參數(shù)設(shè)置及測試結(jié)果如表3所示。

從表3可以了解到能量越大，碳化越嚴重，能量較小打的發(fā)數(shù)不合理也會碳化嚴重。當采用2 mJ的能量和峰值較高的CL且雙面打2發(fā)，碳化呈現(xiàn)可接受狀態(tài)。碳化可接受，但是依然無法滿足介質(zhì)耐壓要求，需進行孔壁除碳化處理。

表3 激光鉆孔實驗表

2.3 孔壁除碳化方案

孔壁除碳化的方式通?？刹捎酶咤i酸鉀溶液浸泡和等離子機處理兩種方案。

高錳酸鉀溶液浸泡除碳化。高錳酸鉀具有強氧化性，碳在高溫條件下反應(yīng)變成二氧化碳去除，其化學(xué)反應(yīng)式如下：

等離子體處理。利用等離子體設(shè)備，將碳化去除。其原理是利用等離子體的特性使用大量離子、激發(fā)態(tài)分子、自由基等多種活性粒子，作用到固體樣品表面，消除表面的碳。

按照以上可接受參數(shù)進行激光過通孔的PI產(chǎn)品，進行沉銅線高錳酸鉀浸泡和自制高錳酸鉀溶液浸泡進行對比試驗，通過收集測試孔絕緣性與耐壓值數(shù)據(jù)，結(jié)果如表4所示。

表4 高錳酸鉀處理表

沉銅線的高錳酸鉀溶液由于添加了NaOH，具有強堿性，氧化性質(zhì)較弱，預(yù)計碳反應(yīng)較慢，在反應(yīng)時間內(nèi)未能實現(xiàn)孔壁除碳化；而自制高錳酸鉀溶液在反應(yīng)時間內(nèi)實現(xiàn)了孔壁除碳化，耐壓測試在300 V～400 V之間。再選取按照以上可接受參數(shù)進行激光過通孔的PI產(chǎn)品，采用等離子體處理進行孔壁除碳化（見圖2所示）。

圖2 等離子體處理表圖

可以發(fā)現(xiàn)激光鉆孔采用脈寬4 μs、能量2 mJ、光圈1.8 mm、雙面加工各2槍的參數(shù)，配合等離子體處理進行孔壁除碳化，樣品測試耐壓值均≥500 V，從耐壓測試數(shù)值來看，配合等離子體處理反應(yīng)最優(yōu)的時間為8 min，同時通過切片圖觀察的孔型整體良好，滿足品質(zhì)要求。

通過高錳酸鉀溶液浸泡除碳化和等離子體處理除碳化方案進行對比可以發(fā)現(xiàn)，沉銅線的高錳酸鉀溶液未能在反應(yīng)時間內(nèi)實現(xiàn)孔壁除碳化，自制高錳酸鉀溶液實現(xiàn)了孔壁除碳化，耐壓值在300～400 V之間，但是不利于批量生產(chǎn)；選用等離子處理除碳化，樣品的耐壓值均≥500 V，且方便于現(xiàn)場生產(chǎn)操作流程。通過切片分析發(fā)現(xiàn)采用脈寬4 μs、能量2 mJ、光圈1.8 mm、雙面加工各2槍的參數(shù)加工孔型良好，匹配等離子體除碳化方案利于實現(xiàn)激光通孔的高速無碳化加工。

2.4 小結(jié)

對超多孔撓性板PI材料采用加工速度更快的激光鉆孔方式進行通孔加工，通過參數(shù)摸索完成孔型加工要求并對比分析發(fā)現(xiàn)等離子除碳化效果更好且便于實現(xiàn)大批量生產(chǎn)。故匹配等離子除碳化方案實現(xiàn)了激光通孔的高速無碳化加工，能提升軟板的通孔加工效率，減少產(chǎn)品生產(chǎn)周期，滿足客戶需求。

3 總結(jié)

針對超多孔剛性板基材的機械鉆孔，分析了參數(shù)與板材對機械鉆孔效率的影響，并通過能力提升試驗驗證，解決了介質(zhì)和銅面加工的粗糙問題，改善了釘頭品質(zhì)，大幅度提升了鉆孔效率，小幅度提升了鉆刀壽命，實現(xiàn)了機械鉆孔高效率加工能力提升。

針對超多孔軟板的激光鉆孔，分析了激光加工參數(shù)與碳化問題對激光鉆孔的影響，并通過激光參數(shù)調(diào)整的方法和孔壁除碳化方案對比分析，提升了撓性板的通孔加工效率，解決了孔壁碳化問題，實現(xiàn)了激光通孔的高速無碳化加工能力提升。

文章基于超多孔PCB，摸索出在滿足品質(zhì)的條件下高速鉆孔的方法，以期提升通孔加工效率，減少產(chǎn)品生產(chǎn)周期，以供參考。