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(duì)應(yīng)的PCB的通孔數(shù)量、大小、縱橫比等將會(huì)發(fā)生變化，通孔會(huì)越來(lái)越小，越來(lái)越多。導(dǎo)通孔數(shù)量激增，鉆孔時(shí)間就會(huì)延長(zhǎng)，產(chǎn)品加工整個(gè)周期也會(huì)變長(zhǎng)。為解決這些問(wèn)題，提高鉆孔效率，對(duì)超多孔PCB產(chǎn)品進(jìn)行高速鉆孔研究。

對(duì)于超多孔的剛性板基材，當(dāng)基材中含有陶瓷材料時(shí)，采用機(jī)械鉆孔的方式，容易產(chǎn)生撞孔、孔崩等質(zhì)量問(wèn)題和鉆孔效率低下造成高成本問(wèn)題。文章針對(duì)某款超多通孔產(chǎn)品（10萬(wàn)孔以上），進(jìn)行了機(jī)械鉆孔的加工能力提升，通過(guò)試驗(yàn)分析出影響機(jī)械鉆孔效率進(jìn)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(duì)于撓性板PI（聚酰亞胺）基材，當(dāng)孔數(shù)達(dá)到數(shù)十萬(wàn)甚至是百萬(wàn)孔時(shí)，采用機(jī)械鉆孔耗時(shí)過(guò)長(zhǎng)且成本過(guò)高，激光鉆孔比機(jī)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(wèn)題。文章通過(guò)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(duì)超多孔剛性板的機(jī)械鉆孔加工能力提升

1.1 參數(shù)與板材對(duì)機(jī)械鉆孔效率的影響

機(jī)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(duì)鉆頭直徑在0.5 mm以下的小孔。影響機(jī)械鉆孔效率的有兩個(gè)方面，一個(gè)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(jī)械鉆孔參數(shù)影響

機(jī)械鉆通孔的原理是用機(jī)械轉(zhuǎn)軸高速旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)高強(qiáng)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(jī)械鉆孔效率的參數(shù)有主軸轉(zhuǎn)速、鉆刀直徑、進(jìn)刀速度、回刀速度，基于這些參數(shù)計(jì)算表面速度（SFM）和進(jìn)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(jì)算得出，進(jìn)刀量則是由軸轉(zhuǎn)速與進(jìn)刀量的乘積得出，這里根據(jù)公式換算對(duì)比某板材推薦加工參數(shù)和實(shí)際加工參數(shù)如表1所示。

通過(guò)表1對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，實(shí)際加工參數(shù)為保證鉆孔的出屑量、和鉆孔品質(zhì)在進(jìn)刀速方面較為保守。其中實(shí)際加工出屑量是較小的，理論上機(jī)械鉆孔的進(jìn)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(duì)機(jī)械鉆孔的效率影響體現(xiàn)在板材影響鉆頭的壽命，當(dāng)鉆頭壽命達(dá)到時(shí)，需要進(jìn)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(duì)刀具的磨損程度越高，設(shè)置刀具壽命越短。壽命過(guò)短，機(jī)械換刀將很頻繁，進(jìn)而增加鉆孔時(shí)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(jī)械鉆孔加工能力提升試驗(yàn)

為進(jìn)行機(jī)械鉆孔的加工能力提升，實(shí)現(xiàn)超多孔剛性板高速鉆孔效率，對(duì)供應(yīng)商提供的板材鉆孔指南進(jìn)行對(duì)比分析，并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)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(duì)以上分析，選用直徑為0.25 mm的鉆頭進(jìn)行測(cè)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(shí)驗(yàn)結(jié)果圖

從孔的剖切了解到：銅層才是影響機(jī)械鉆孔效率的一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)。純銅具有柔軟性，合金銅雖然相對(duì)硬度有所上升，但是對(duì)比基材其硬度還是相對(duì)較軟。4.6 m/min的進(jìn)刀速時(shí)，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(huì)產(chǎn)生釘頭；當(dāng)進(jìn)刀速度下降到3.5 m/min時(shí)，釘頭呈現(xiàn)可接受狀態(tài)，速度與品質(zhì)狀態(tài)達(dá)到平衡值，當(dāng)進(jìn)刀速度低于3.5 m/min，其鉆孔品質(zhì)都較良好。在機(jī)械鉆孔壽命設(shè)置方面，對(duì)比舊鉆頭壽命設(shè)置，提高了20%鉆頭壽命設(shè)置。

通過(guò)本次試驗(yàn)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(jìn)刀速度提升一個(gè)層次，同時(shí)優(yōu)化疊板數(shù)量，小幅度提升了鉆頭壽命，減少換刀時(shí)間，小幅度減少成本，大幅度提高了鉆孔效率。

1.3 小結(jié)

對(duì)超多孔剛性板材料采用機(jī)械鉆孔進(jìn)行通孔加工，通過(guò)參數(shù)摸索解決介質(zhì)和銅面加工的粗糙問(wèn)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(shí)間縮短。

2 針對(duì)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(wèn)題對(duì)激光鉆孔的影響

對(duì)于超多孔撓性板PI（聚酰亞胺）基材，采用機(jī)械鉆孔耗時(shí)長(zhǎng)、成本高，而激光鉆孔比機(jī)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?？讖皆酱?，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(jìn)行通孔加工測(cè)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(jī)，在參數(shù)方面，影響二氧化碳激光鉆孔機(jī)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(guò)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(wèn)題。采用激光鉆孔容易產(chǎn)生碳化問(wèn)題，將影響孔型的粗糙度；嚴(yán)重碳化時(shí)，孔壁粗糙，進(jìn)而影響介質(zhì)耐壓。當(dāng)兩邊銅層添加一定的電壓時(shí)，將會(huì)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(shù)脂板芯時(shí)，一般采用4～5 μs的脈寬和單面加工，故對(duì)0.075 mm介厚的加工能量參數(shù)要更小。采用單面鉆孔會(huì)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(yàn)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(cè)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(yán)重，能量較小打的發(fā)數(shù)不合理也會(huì)碳化嚴(yán)重。當(dāng)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(wú)法滿足介質(zhì)耐壓要求，需進(jìn)行孔壁除碳化處理。

表3 激光鉆孔實(shí)驗(yàn)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(jī)處理兩種方案。

高錳酸鉀溶液浸泡除碳化。高錳酸鉀具有強(qiáng)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(jìn)行激光過(guò)通孔的PI產(chǎn)品，進(jìn)行沉銅線高錳酸鉀浸泡和自制高錳酸鉀溶液浸泡進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，通過(guò)收集測(cè)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(qiáng)堿性，氧化性質(zhì)較弱，預(yù)計(jì)碳反應(yīng)較慢，在反應(yīng)時(shí)間內(nèi)未能實(shí)現(xiàn)孔壁除碳化；而自制高錳酸鉀溶液在反應(yīng)時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)了孔壁除碳化，耐壓測(cè)試在300 V～400 V之間。再選取按照以上可接受參數(shù)進(jìn)行激光過(guò)通孔的PI產(chǎn)品，采用等離子體處理進(jìn)行孔壁除碳化（見(jiàn)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(jìn)行孔壁除碳化，樣品測(cè)試耐壓值均≥500 V，從耐壓測(cè)試數(shù)值來(lái)看，配合等離子體處理反應(yīng)最優(yōu)的時(shí)間為8 min，同時(shí)通過(guò)切片圖觀察的孔型整體良好，滿足品質(zhì)要求。

通過(guò)高錳酸鉀溶液浸泡除碳化和等離子體處理除碳化方案進(jìn)行對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，沉銅線的高錳酸鉀溶液未能在反應(yīng)時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)孔壁除碳化，自制高錳酸鉀溶液實(shí)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(chǎng)生產(chǎn)操作流程。通過(guò)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(shí)現(xiàn)激光通孔的高速無(wú)碳化加工。

2.4 小結(jié)

對(duì)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(jìn)行通孔加工，通過(guò)參數(shù)摸索完成孔型加工要求并對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)等離子除碳化效果更好且便于實(shí)現(xiàn)大批量生產(chǎn)。故匹配等離子除碳化方案實(shí)現(xiàn)了激光通孔的高速無(wú)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(duì)超多孔剛性板基材的機(jī)械鉆孔，分析了參數(shù)與板材對(duì)機(jī)械鉆孔效率的影響，并通過(guò)能力提升試驗(yàn)驗(yàn)證，解決了介質(zhì)和銅面加工的粗糙問(wèn)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(shí)現(xiàn)了機(jī)械鉆孔高效率加工能力提升。

針對(duì)超多孔軟板的激光鉆孔，分析了激光加工參數(shù)與碳化問(wèn)題對(duì)激光鉆孔的影響，并通過(guò)激光參數(shù)調(diào)整的方法和孔壁除碳化方案對(duì)比分析，提升了撓性板的通孔加工效率，解決了孔壁碳化問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了激光通孔的高速無(wú)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。