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PCB钻孔 PCB钻孔技术 捷多邦详解线路板钻孔技术流程

PCB钻孔概念

PCB就是印制电路板,PCB钻孔是PCB制版的一个过程,也是非常重要的一步。主要是给板子打孔,走线需要,要打个过孔,结构需要,打个孔做定位什么的;多层板子打孔不是一次打完的,有些孔埋在电路板内,有些就在板子上面打通了,所以会有一钻二钻

线路板钻孔耗材

  • 数控钻孔机或者比较先进的还有激光钻孔设备。
  • 根据工厂生产需要不同型号的钻头;以及钻头需要用到的胶粒。
  • 手动的磨钻头的机器
  • 超声波钻头清洗机;
  • 生产时需要用到的垫板和铝片是必不可少的,还有红胶片;是用来保证生产质量;
  • 双面胶和单面胶,其固定作用。还有就是PIN钉,二钻的时候需要多层板和HDI板

线路板钻孔技术详解

       随着表面贴装技术的广泛使用及高密度板子的制造,对于小孔钻钻孔的需求也在增加,而小孔钻仍有许多技术上的困难。从钻孔的观点来看,一般孔径在双排插脚IC孔着重于解决钻污、孔壁粗糙度、刀具寿命等问题;对于小孔钻则着重于下列几点;

钻针需不宜折断;

  • 孔位精确度要好;
  • 孔内壁要光滑;
  • 刀具使用寿命要长;
  • 减少钻污产生的程度;
  • 减少进刀/出刀孔口处的毛头;

由于小孔的孔径纵横比较一般孔要增加许多,因此断针及孔位精度也因钻针挠性强度降低及退屑槽减小排屑困难而变得更加重要。对于钻孔机,钻孔条件及使用的钻针若不作研讨,则仍有许多问题无法解决。而钻针的形状及材质有更进一步的改善,钻孔问题将会减少,而在目前条件限制下,也尚能对产量及刀具寿命作一定程度的改善。针对钻针的几何特性(钻尖角),槽沟长度,钻针的横切面,可采用添加碳化物材质以提供较高强度的钻针来实行更有效的钻孔及超小孔径的钻孔。

钻针的断针问题:

这是小孔钻的最大困难,但在一般孔径(直径1毫米或40密耳)并不成问题。发生断针的主要原因除了材料的等级和钻针的几何形状外,尚有以下几种情况造成:

  • 钻孔机本身的震动及钻轴摇摆;
  • 线路板本身的材料等级,厚度及铜箔层树;
  • 钻针的直径及孔的纵横比(Aspect Ratio);

钻孔操作条件

钻孔机: 钻机本身的震动及钻轴的摇摆基本上随钻针直径的减小而减小。一半而言,对振动的要求位钻振直径在0.1-0.3毫米时,振幅在微米以下;钻针直径在0.35-0.5毫米时, 振幅在10微米以下,同时从生产力的观点来说,钻针直径减小时,钻轴转速必须相对增加.虽然高速钻轴已经发展到80000转/分钟,但在使用最大转速时,仍会有震动问题,高性能高频率之气动钻轴正是我们所需,它允许超高速(100000转/分钟或更高转速,理想值150000转/分钟)同时在高精度的要求下,机器的震动要限制在最小程度.

基板材料之组成; 钻针之横截面积随钻针直径的减小而减小,因而,钻屑的排除能力也逐渐下降.此外,依据线路板制造材质的不同,钻屑的形状及切削阻力也跟着改变,这是有必要改变钻孔操作条件,甚至钻针形状及制造材料也要修正以符合特殊要求.铜层部分(含内层)的钻孔是特别困难的,它在切削阻力上(包括扭力及推力)都数倍于基材,甚至切削也比较长,因此基板的机械加工性主要变化在铜箔的厚度及内层铜箔的数量,换言之,即较厚的铜箔及较多的内层铜箔在钻孔时是比较困难的.当铜箔层数增加时对钻头的磨损程度也增加,特别是刃带的磨损,除此之外,随铜箔厚度的增加及层数的增加断针的可能性也增加.

孔的纵横比 当孔的纵横比增加时或钻针的直径减小,钻孔变的困难,同时也容易断针,特别是钻针直径减小后相对在碳化物合金结构中的分子颗粒就比较大(0.3毫米以下直径钻针) 因此即使是晶粒界面或结构上的极小的缺点亦会造成超过破裂强度的影响,所以超小直径钻针的强度相对减弱,.为弥补其强度必须增加钻腹(Web)厚度及降低排屑槽面积的比例,也对排屑能力及切削阻力也产生副面的影响,有些实例显示断针也由于退屑不良造成.所以对强度的增加应着眼于高破坏强度碳化物材质的寻求及钻针形状的改进.

钻孔条件

  • 钻轴转速(RPM)基本上钻轴的转速是由钻头的圆周速率计算出来的.从生产力及刀具寿命的角度来看有其适宜的速度范围.对一般直径的钻头而言是100-200米/分钟,但对于超小直径钻头而言,此速度变得相当高,甚至超过10000转/分钟(对0.3毫米以下直径的钻针而言)其最高值在120000-150000转/分钟之间,因此在振动及孔位精度的限制下此类高速钻头的选算必须从效率的角度考虑.
  • 进刀亮:在钻孔过程中,进刀量与钻针的切削阻力关系较为密切.当进刀量增加时钻头所收的扭力及推力也比例的增加.对小钻针而言,为了增加破坏强度所作的加大钻腹及减小排屑槽面积的比例,使得钻孔过程中推力需要增加的很多,排屑变得很不适当,因此反而不能增加进刀量.通常在钻小孔时,进刀量控制范围在0.005-0.03毫米/转(0.2-0.1密耳/转)之间.当钻孔的直径减小或孔的纵横比增加时,进刀量(Feed Rate)也许相对减小.
  • 进料板或盖板:起作用是保护线路板上的线路,减少毛头的产生,改进孔的品质,增加放热能力及钻孔的精确度等.但对小孔而言盖板的使用不完全有用,因会造成孔深度增加,及孔纵横比的增加,在使用0.1-0.2毫米(4-8密耳)值超小钻针时,有时不用盖板反而能获得更佳的结果.在使用盖板时,厚度的选择以工作是不产生飘动为原则下越薄越好,若材料是铝,适当的厚度为0.1-0.2毫米,若为酚类,适当的厚度为0.3-0.5毫米(12-20密耳)较低的棱线平面及平滑的表面是对盖板的要求,尤其是对高准确度的钻孔
  • 穿透深度(Depth Of Penetration):是指钻头穿过线路板后在完成一行程所需对垫板(Back-up)所作的额外穿透程度而言,其长度由线路板每一叠最下层低面算起至钻头所在的最低点的位置它同样增加了孔的纵横比,继而增加了断针的频率,所以穿透深度不能超过钻头的直径,理想的穿透深度范围应该控制在钻针直径的1/2或更小.
  • 钻孔方式:对小孔的钻孔操作可采用较特殊的方法以改善孔的品质,孔位精度及减少断针发生,较具代表性的方法是二次钻孔(Double Drilling)及分段钻孔(Step Drilling)。用两种不同直径的钻针对同一孔作二次钻孔的方法就叫二次钻孔,先用高刚性(High Rigidity),短排屑槽(Flute),不易弯折的钻针先钻出部分深度以作为导引孔(Guide Hole),其余部分再用规定排屑槽长度的钻针来完成.由于先用不易弯折的钻针钻出导引孔,所以第二支钻针开始钻时在导引孔处能容许少许弯曲(Bending),同时孔位准确度好.
  • 钻头断针与孔曲(Hole Deviation)有相当密切的关系.当孔曲超过一定值後,钻针通常会在未达到设定的钻孔数前断针,所以对深孔操作钻孔起始位置的孔位及孔曲程度是非常重要的,由此可知采用两次钻孔来钻导引孔的方式是十分有效的.但在该情况下,两次钻孔若少有偏移导引孔位置时便会发生断针情形,因此采用两次钻孔就必须使用高精确度的钻孔机.
  • 分段式钻孔是以同一钻针作多次往复式动作来完成钻孔操作,由于在钻孔过程中,钻针多次提起以利散热及排屑,因此减小断针及提高孔的品质对含许多内层的多层板的小孔钻孔尤为有效.例1.6毫米的板厚,0.15毫米的孔径,出使用分段式钻孔外,超小钻针易产生环氧胶渣及由于切屑的拖曳形成孔壁粗糙且断针的机会大增.

小孔径钻针的碳化物材质等级

小孔钻针的碳化物材质等级

作为线路板钻孔用的钻针据ISO规定一般是以烧结后的碳化物组成K10或K20作为材料,但小孔或高纵横比的小孔则不合时宜了,.正常钻诊所要求的特性是耐磨利(Wear Resistance)此类钻头直径在0.6毫米以上以提高转速,钻孔效率及延长刀具寿命,换言之,超小钻针要求的特性是要具有优越的横轴面断裂强度及挠性(抗折)强度.此外对于在0.3-0.6毫米之间的钻针其碳化物组成的特性,要求必须有抗磨及抗折(Rupture Resistance)中级程度要求.超小钻针材质等级具有超过500公斤/平方毫米断裂强度.可通过逐渐增加进刀量来提高切削负荷的方法对不同材质等级的抗折强度作一比较.MD30具有极佳的抗折及断裂强度,为得到如此挠曲强度高的材质除钻头材料中的碳化物含量及粒子尺寸外,减少合金结构上的缺失及粒子(Grain)大小的均一化技术,然而为增加碳化物的硬度作了钴的添加,相应的其杨式模数(Young’s Modulus)会相应下降,造成钻针易断.同一形状但不同材质的钻头具有较高杨氏模数的材质具有极佳的孔位精度.

另外钻针的几何形状的应享有盛誉材质等级,诸如钻针横断面(钻腹厚度Web Thickness,槽沟面积比),钻尖胶(Point Angle) 及槽沟的长度等.钻针的抗折强度及刚性随着横断面积的增加而增加,断钻几率也大为减小,同时因孔曲造成的孔位偏差也因而减小.钻尖角会影响到切削的难易程度及钻针的弯曲,对小孔而言容易弯折(Bending)的是一个特别的现象.当具有小钻尖角的钻针在切削环氧树脂胶片(Prepreg)内较为坚硬的部分(如玻璃纤维)会产生偏移情形,即因钻针发生弯曲造成, 换句话说,当钻尖角较大时钻针阻力会增加,易发生断针.钻尖角较大时会有较好的孔位精度,但当具有150度钻尖角的钻针极易折断.当槽沟长度增加时会因弯曲力矩的增加而使钻针易于弯曲,相对孔位精度也降低.当晚趋向铜的程度是,具有较长槽沟的钻针其根部(Neck Root)所受弯曲应力越小.因此在一定长度下,槽沟长度越长的钻针不易折断.

结论:机械操作条件及影响小孔钻孔操作因素

归纳如下:

  • 钻针及孔的品质主要受钻孔设备,线路板材料,孔的纵横比及钻孔条件的影响。
  • 对钻孔条件而言,小心控制钻轴转速,进刀量,盖板厚度,穿透深度等是很重要的;但对小孔钻孔操作而言较为有效的方法是两次钻孔及分步钻孔。
  • 小钻针的碳化物的组成,采用较佳的材料等级以提高硬度,增加弯折抗力是必要的,意见低钻针断折问题。
  • 在钻针形状上,钻尖角,槽勾结面(Flute Cross-section)槽沟长度等都列入考虑范围,引起影响断钻及孔位精度