電路板複合材料微小孔加工

隨著電子技術的飛速發展，現代電子產品變得越來越小，功能越來越複雜，對電子元器件起支撐和互連作用的印刷電路板（PCB）從單面發展到雙面電路板、多層電路板，向高精度電路板、高密度電路板和高可靠性電路板方向發展，體積不斷縮小，密度呈指數增長，要求電路板上加工的孔徑越來越小，孔的數目越來越多， 孔間距離越來越小。 囙此，需要高品質的微小孔加工技術。 瞭解詳情請看個人資訊。

電路板的規格比較複雜，產品種類多。 本文介紹的是印刷電路板中應用最廣的環氧樹脂基複合材料的微小孔（直徑0.6mm以下為小孔，0.3mm以下為微孔）加工技術。 複合材料電路板脆性大、硬度高，纖維强度高、韌性大、層間剪切强度低、各向異性，導熱性差且纖維和樹脂的熱膨脹係數相差很大，當切削溫度較高時，易於在切削區周圍的纖維與基體介面產生熱應力； 當溫度過高時，樹脂熔化粘在切削刃上，導致加工和排屑困難。 鑽削複合材料的切削力很不均勻，易產生分層、毛刺以及劈裂等缺陷，加工質量難以保證。 這種資料對加工工具的磨蝕性極强，刀具磨損相當嚴重，刀具的磨損反過來又會導致更大的切削力和產生熱量，如果熱量不能及時散去，會導致PCB資料中低熔點組元的熔化及複合材料層與層之間的剝離。 囙此PCB複合材料屬於難加工非金屬複合材料，其加工機理與金屬材料完全不同。 現時微小孔加工方法主要有機械鑽削和雷射鑽削。 瞭解詳情請看個人資訊。

2機械鑽削

機械鑽削PCB資料時，加工效率較高，孔定位準確，孔的質量也較高。 但是，鑽削微小孔時，由於鑽頭直徑太小，極易折斷，鑽削過程中還可能會出現資料分層、孔壁損壞、毛刺及污斑等缺陷。

2.1切削力

機械鑽削過程中出現的各種問題都直接或間接與軸向力、切削扭矩有關，影響軸向力和扭矩的主要因素是進給量、切削速度，纖維束形狀及有無預製孔對軸向力和扭矩也有影響。 軸向力和扭矩隨進給量、切削速度的增大而增大。 隨著進給量新增，切削層厚度新增，而切削速度的增大，組織時間內切割纖維的數量增大，刀具磨損量迅速增大，所以軸向力和扭矩增大。

軸向力可分為靜態分力FS和動態分力FD。 軸向力的分力對切削刃有不同的影響，軸向力的靜態分力FS影響橫刃的切削，而動態分力FD主要影響主切削刃的切削，動態分力FD對表面粗糙度的影響比靜態分力FS要大。 軸向力隨進給量而增大，切削速度對軸向力影響不是很明顯。 另外，有預製孔的情况下，孔徑小於0.4mm時，靜態分力FS隨孔徑的增大而急劇减小，而動態分力FD减小的趨勢較平坦。 瞭解詳情請看個人資訊。

由於複合材料基體和增强纖維的加工性質不同，機械鑽削時基體樹脂和纖維對軸向力的影響不同。 Khashaba研究了基體和纖維的類型對軸向力和扭矩的影響，發現纖維束的形狀對軸向力影響較明顯，而基體樹脂類型對軸向力影響不太大。

2.2鑽頭磨損和折斷

PCB複合材料微鑽磨損包括化學磨損和摩擦磨損。 化學磨損是由於PCB資料中釋放出的高溫分解產物對微鑽資料WC-Co硬質合金中的Co粘結劑的化學侵蝕所造成的。 在300℃左右，這種侵蝕反應已比較明顯。 而在鑽進速度低於150mm/min時，化學磨損不再是磨損的主要形式，摩擦磨損成為磨損的主要形式。 PCB微鑽的磨損還與切削速度、進給量及鑽頭半徑對纖維束寬度的比值有關。 Inoue等人的研究表明：鑽頭半徑對纖維束（玻璃纖維）寬度的比值對刀具壽命影響較大，比值越大，刀具切削纖維束寬度也越大，刀具磨損也隨之增大。 在實際應用中，新鑽頭鑽達2500個孔需研磨，一次研磨鑽頭達2000個孔需再研磨，二次研磨鑽頭達1500個孔需再研磨，三次研磨鑽頭達1000個孔報廢。

在PCB微孔加工過程中，軸向力和扭矩隨著進給量和鑽孔深度的新增而增大，其主要原因與排屑狀態有關。 隨著鑽孔深度的新增，切屑排出困難，在這種情況下，切削溫度升高，樹脂資料熔化並牢固地將玻璃纖維和銅箔碎片粘結，形成堅韌的切削體。 這種切削體與PCB母體資料具有親和性，一旦產生這種切削體，切屑的排出便停止，軸向力和扭矩急劇增大，從而造成微孔鑽頭的折斷。 PCB微孔鑽頭的折斷形態有壓曲折斷、扭轉折斷和壓曲扭轉折斷，一般多為兩者並存。 折斷機理主要是切屑堵塞，它們是造成鑽削扭矩增大的關鍵因素。 减少軸向力和切削扭矩是减少微孔鑽頭折斷的關鍵。

2.3鑽孔損壞形式

（1）分層

機械鑽削GFRP（玻纖增强）層壓板過程中可能會出現各種損壞，其中最嚴重的是層間分層，由此導致孔壁周圍資料效能的急劇下降，鑽尖施加的軸向力是產生分層的主要原因。 分層可分為鑽入分層和鑽出分層。 鑽入分層是鑽頭切削刃與層板接觸時，作用在圓周方向的切削力在軸線方向產生的旋切力通過鑽頭排削槽使層與層間脫離，在層板上表面形成分層區域； 鑽出分層是當鑽頭快接近層板底部時，由於未被切削資料的厚度越來越薄，抵抗變形的能力進一部降低，在載荷超過層板間的粘結力的地方，就出現了分層，而這在層板被鑽通之前就發生了。 軸向力是導致分層的主要原因，切削速度、基材和纖維束的類型對分層也有影響，環氧複合材料的鑽人和鑽出分層隨鑽削速度的新增减小，且鑽出分層損壞程度要比鑽人分層大。 减少分層的主要措施有：採用變數進給科技、預置導向孔、使用墊板以及無支撐鑽削時使用粘性阻尼器等。 瞭解詳情請看個人資訊。

（2）孔壁損壞

在複合材料PCB上鑽削微孔，在孔周圍出現的各種形式的損壞導致孔金屬化後，孔之間的絕緣效能降低及孔壁銅層破裂。 切削方向與纖維方向的相對夾角、孔壁玻璃纖維束的厚度、鑽點對玻璃布的位置等都會對孔壁損壞造成不同影響。

文獻6用直徑1.0mm鑽頭，轉速5000rpm，鑽削玻纖/環氧樹脂複合材料（8層90°交錯，每層0.2mm），試驗表明：每層鑽孔周圍的損壞程度不一樣，在第1，3，5，7，8層纖維皺褶突出很大，最大突出達30 μ m； 而2，4，6層纖維皺褶突出較小，最小處不到5 μ m。 在緯紗與經紗重疊交叉區域，纖維夾角45°處纖維束厚度最大，孔壁損壞寬度最大； 而在中心區域，最大損壞寬度發生在與纖維夾角接近90°處。

LENSUO研究了刀具主偏角對加工孔壁表面粗糙度的影響，發現主偏角為30°時，孔壁表面粗糙度最大，可達50 μ m。

（3）污斑

機械鑽削複合材料時，由於鑽頭橫刃與複合材料的擠壓、倒錐與孔壁之間摩擦及鑲嵌在鑽頭棱邊與孔壁之間細小的切屑隨鑽頭一起回轉摩擦所產生的大量切削熱，使樹脂熔化，並粘附在複合材料的夾層或孔口處的銅箔及孔壁上，形成污斑。 適當的切削用量和修磨微小鑽頭可以减少污斑的產生，降低污斑指數。

（4）毛刺

鑽削複合材料時，由於應力的傳遞作用，在鑽頭未到達孔底時，鑽頭前方的增强資料和基體就會產生許多裂紋，以致增强資料從基體上脫膠，產生拔出現象，導致增强資料不能從根部切斷。 在孔鑽通時，這些未從根部切斷的增强資料不能與切屑一起排除，而是向孔邊傾倒，基體由於切削熱的作用而軟化、流動，又重新凝結到這些傾倒在孔邊的增强資料上，形成毛刺。 出口毛刺大小主要受鑽削力和鑽削溫度的影響。 在複合材料鑽削加工中使用硬質合金鑽頭鑽削、改變刀具幾何尺寸和結構以及採用振動鑽削科技可以减少毛刺。

3振動鑽削

振動鑽削屬於振動切削的一個分支，是建立在切削理論和振動理論基礎上的新穎的鑽削加工方法。 普通鑽削是持續的切削過程，而振動鑽削是脈衝斷續切削過程，在鑽孔過程中通過振動裝置使鑽頭與工件之間產生可控的相對運動。 在振動鑽削過程中，當主切削刃與工件不分離（不分離型振動鑽削）時，切削速度和方向等參數產生週期性變化； 當主切削刃與工件時切時離（分離型振動鑽削）時，切削過程變成了脈衝式的斷續切削。

當振動參數（振動頻率和振幅）、進給量和主軸轉速等選擇合理時，能够明顯提高入鑽定位精度、尺寸精度和圓度、降低孔表面粗糙度、减少出口毛刺以及延長刀具壽命等。 振動鑽削GFRP複合材料的軸向力變化趨勢類似普通鑽削變化趨勢，但軸向力小於普通鑽削，軸向力受進給量、振動頻率和振幅的影響。 Wang等的研究表明：當振幅為6 μ m、振動頻率為300Hz、進給量為250mm/min時，軸向力可達到最小1.5N。 GFRP資料中的玻璃纖維縱橫交錯，其强度及硬度很大，不易切斷，而它周圍的基體則較軟，易迫使鑽頭讓刀，改變了鑽頭前進的方向，形成大的入鑽偏差。 振動鑽削具有剛性化效果，在入鑽時，鑽頭受力作用產生彎曲變形小，入鑽定位誤差比普通鑽削也相應小了許多。

對於多層複合材料，階躍式多元變參數振動鑽削是一種更優化的工藝方法，可以很好地解决纖維複合材料鑽削質量與效率相互衝突的難題。 它充分考慮多層複合材料的結構、效能和鑽削加工的具體過程，在鑽削加工中保持最優的加工狀態，鑽入時採用最上層資料的最優鑽入參數，鑽出時採用最下層資料的最優鑽出參數，將鑽削過程分成多個段，其振動參數和切削參數依層合資料效能的不同呈突變式、階躍式變化， 可實現振動切削參數的最優化，加工效果優於相應條件下的普通鑽。 趙宏偉等人利用電控式微小孔振動鑽床對多層複合材料進行微小孔鑽削試驗。 階躍式三參數振動鑽削的入鑽定位誤差r、孔擴量 Δ D、出口毛刺高度H值比普通鑽削顯著降低。 Rumkumar等比較了GFRP複合材料振動鑽削和普通鑽削的軸向力、扭矩和刀具磨損，發現普通鑽削在鑽孔數目多於30時會出現軸向力、扭矩急劇增加現象，而振動鑽削鑽孔數目可多於60，而且振動鑽削比普通鑽削的軸向力、扭矩和刀具磨損的值都小。 瞭解詳情請看個人資訊。

4雷射鑽削

電路板複合材料在加工直徑小於0.2mm的微孔時，採用機械鑽削，刀具磨損加快、易折斷、成本新增，而雷射束可以將光斑直徑縮小到微米級，是加工微孔的理想工具。 雷射鑽削作為無接觸鑽削科技，是將雷射束聚焦成極小的光點，光點的能量熔化或氣化資料形成微孔，具有鑽削速度快、效率高、無工具損耗、加工表面質量高等特點，特別適合於複合材料微孔鑽削。 尤其在硬、脆、軟等各種資料上進行多數量、高密度的群孔加工。

採用雷射鑽削複合材料易發生複雜的物理和化學變化，其切除資料的機制主要有兩種：熱加工機制，雷射加熱資料，使資料熔化、氣化； 光化學機制，雷射能量直接用於克服資料分子間的化學鍵，使資料分解為細小的氣態分子或原子。 鑽削纖維增強複合材料的關鍵在於選擇合適的雷射源，主要依據被加工資料的特性，如對特定波長光的吸收性、熔化和氣化溫度、熱傳導性等選擇。 常用的雷射源有CO2雷射、KrF准分子鐳射和Nd:YA G雷射。 瞭解詳情請看個人資訊。

4.1 CO2鐳射加工

CO2雷射波長範圍為9.3～10.6 μ m，屬於紅外雷射，切除資料為熱加工機制。 CO2雷射鑽削樹脂基纖維增強複合材料時，雷射功率和加工時間對加工質量的影響比較大，設定適當雷射功率和加工時間可以明顯改善加工質量。 Aoyama等人用波長為10.6 μ m、最大輸出功率為25OW的CO2連續型雷射在玻纖/環氧樹脂複合材料上鑽削直徑為0.3mm的微孔，發現當雷射功率為35W、加工時間為OAS、輔瞭解詳情請看個人資訊。

助氣體為空氣時，孔壁表面環氧樹脂幾乎沒有出現

熱損壞； 而當雷射功率為75W、加工時間為0.1s、輔助氣體為氮氣時，孔壁表面出現黑色的物質。 這是由於雷射能量連續照射樹脂，使樹脂的溫度來不及冷卻，累積到一定程度時，樹脂就出現熱損壞。 Hirogaki等人用波長為10.6 μ m、最大輸出功率為100W的CO2脈衝雷射鑽削玻纖/環氧樹脂和芳綸纖維/環氧樹脂複合材料，發現如果照射時間小於5ms，環氧樹脂幾乎不出現熱損壞。 這是因為减少雷射脈衝的照射時間，可以降低資料吸收的能量，而且脈衝間的時間間隔使資料獲得一定的冷卻，囙此樹脂的熱損壞