印制電路板微孔超高速機械鉆孔工藝研究

何玲，王志剛，吳恒玉

（1.海南軟件職業技術學院，海南瓊海517400；2.廣東水利電力職業技術學院，廣東廣州510000；3.深圳市大族激光科技股份有限公司，廣東深圳518052）

印制電路板微孔超高速機械鉆孔工藝研究

何玲1，2，王志剛3，吳恒玉1

（1.海南軟件職業技術學院，海南瓊海517400；2.廣東水利電力職業技術學院，廣東廣州510000；3.深圳市大族激光科技股份有限公司，廣東深圳518052）

針對印刷電路板微孔超高速機械鉆孔工藝問題，通過Kistler高精密微型測力系統測試鉆孔切削力，配合紅外溫度攝像儀監測鉆頭溫度，以鉆孔質量為優化目標，運用實驗設計（DOE）正交分析方法，對鉆孔加工中影響鉆孔質量的各種工藝參數進行分析，優化加工條件和加工工藝，確定較優的鉆孔參數，以滿足數控機械鉆孔機對BGA封裝的IC載板板材鉆孔的要求。

印制電路板；微孔；機械鉆削；工藝研究

隨著微電子技術的飛速發展，具有封裝體積小、單位面積引腳數量多、散熱性和信號完整性能佳以及更小焊接誤差等優點高密度的球柵陣列（BGA）器件在通信網絡、消費終端、軍工電子、可編程邏輯器件等領域得到了越來越廣泛的應用［1］，目前市面上可見的BGA器件管腳數目最高可達2 000多個，管腳間距最小可達0.2 mm［2］，如圖1、2所示，更高的引腳數和更小的引腳間距必須采用更高的PCB密度來滿足設計需求，而提高PCB密度最有效的方法是減小通孔的孔徑和數量及精確設置盲孔、埋孔來實現［3］。一般布置BGA封裝的IC載板小孔較多，大多數BGA過孔設計為成品孔直徑φ0.2～φ0.3 mm，甚者φ0.05～φ0.1 mm，在一張560 mm×680 mm的面積內可以達到10萬孔，甚至12萬孔的數量，對于直徑為φ0.1 mm的鉆孔，CO2激光燒蝕孔所需燒蝕時間十分短，但是CO2激光鉆孔過程中再冷凝的材料以及排出物可能會在孔的上邊緣出現，影響打孔的質量；在某種程度上，激光燒蝕出的孔具有一定的錐度［4］；如圖3所示，φ0.1 mm的微導孔介于機械鉆孔和CO2激光都可以加工的范圍。

隨著新材料、新工藝的應用，微孔鉆頭剛度的提高，以及數控機械鉆孔機穩定性的提高，特別是涂層微型PCB刀具的發展，配合高轉速氣浮主軸的發展，使得機械鉆孔機能夠鉆φ0.1 mm的微孔鉆削成為可能［5］。

圖1　含有BGA器件的PCB板

1　超高速微鉆孔難點

數控機械鉆孔最主要的工藝參數是轉速和進刀速，切削速度是指鉆頭外徑的線速度，其計算公式為［6］：

圖2　鄰居有BGA器件的PCB板

圖3　微導孔徑與PCB產品趨勢

式中：D為鉆頭直徑，N為主軸轉速，

根據刀具直徑為φ0.1 mm，切削線速度選擇150 m/min，計算可得主軸轉速的理論速度約為478 kr/min，為了盡可能的接近理論要求轉速，選用westwind公司300 kr/min的空氣主軸，由于轉子氣浮面積的減少，速度的增加，所以需要更高的工作壓力，而westwind公司30萬轉的主軸要求0.7 MPa的工作氣壓，如圖4所示，一般工廠能夠提供0.6 MPa以下的穩定壓力，所以必須在數控鉆孔機氣路增加增壓閥，如圖5、6所示以保證能夠為主軸提供穩定的工作氣源。

圖4　westwind公司300 KRPM的空氣主軸

圖5　配置增壓閥的數控鉆孔機

圖6　SMC增壓閥

電子產品在多功能化、高I/O數及小型化趨勢下，IC封裝技術隨之改變，因此由1980年代以前的通孔插裝（PTH Insertion），1980～1993年大幅變革成表面貼裝SMT方式，進展到至今以BGA、CSP及Flip Chip為主的封裝方式［7，8］，由IC載板生產成本來看，材料價占比重高達40%～50%，原料中又以BT樹脂（Bismaleimide Triazine Resin）為主，日本三菱瓦斯公司開發出來的BT樹脂，主要以B（Bismaleimide）and T（Triazine）聚合而成，以BT樹脂為原料所構成的基板具有高Tg（255℃～330℃）、耐熱性（160℃～230℃）、抗濕性、低介電常數（Dk）及低散失因素（Df）等優點［9］，BT樹脂關鍵的制作過程是先將BT樹脂配制成A-stage的凡立水（Varnish），再將電子級玻纖布含浸BT樹脂凡立水，經過烘干、裁切之后形成BT膠片（Preprag），BT膠片再經上、下兩面銅箔壓合后即形成BT銅箔基板（CCL）［10］。

由于以BT樹脂為基板IC載板的高Tg，如果選用普通鋁片作為蓋板，是由于其表層鋁的硬度較大（50Vickers～140Vickers），鉆微小孔時（如φ0.1 mm），鉆頭會有微小的偏離，孔位精度的提高受到限制，而且還比較容易斷刀［11，12］。本次選用涂樹脂的潤滑鋁片（簡稱MVC，Resin Coated Cduminium Foil For Entry Board），通過粘接性能分析，蓋板樹脂層與鋁片之間沒有空隙，粘接緊密，不會在鉆針上升過程中帶離表層樹脂而影響鉆孔質量；通過MVC的熱熔性能分析，在50℃～65℃的溫度區間內，有一個強烈的吸熱峰，表征樹脂在該溫度區間吸熱產生相變，有利于鉆孔是吸收鉆頭表面的熱量；同時在160℃～170℃的溫度區間內，樹脂層分解，溫度曲線上升放熱，而在實際鉆孔過程中，溫度只有80℃左右，因此表層樹脂不會分解，性能比較穩定，如圖7所示。較低的相變溫度和相對較高的分解溫度在鉆孔時可以保證優良的鉆孔效果，使用MVC蓋板進行鉆孔時，表層樹脂熔化帶走鉆頭表面大量的熱量，降低鉆頭的表面溫度，同時MVC表層樹脂的潤滑特性對鉆頭有一定的潤滑作用，減少磨損和降低斷針率［13］。

圖7　涂樹脂鋁片的熱熔分析圖

墊板選擇改性酚醛紙墊板，能夠減少出口性毛刺、降低鉆頭溫度，減少鉆頭磨損，在一定程度的清掃鉆頭上的鉆污作用的墊板［14］。對于φ0.1 mm的鉆孔，由于是在微細的塊狀上進行通孔加工，鉆頭選用日本union公司的帶有涂層的鉆頭短刃鉆頭，該鉆頭使用了抗斷性能優良的超微粒子，粒度為0.35 μm的鎢鋼超硬合金，并且在形狀設計上也利于切削粉塵的排出和剛性的提升。

2　超高速微鉆孔振動測試

由于超高速微孔鉆需要配置300 kr/min以上的空氣主軸和實現φ0.1 mm以下直徑的鉆孔，無論是空氣主軸和φ0.1 mm直徑的鉆頭，只要超過一定的振動，都會引起鉆頭折斷或者主軸卡死，所以使用keyence的NR-600多重數據收集系統，如圖8所示，配合PCB品牌的三維加速度傳感器，如圖9所示，將三維加速度傳感器緊貼在主軸的超高速微孔鉆需要配置300 kr/min以上的空氣主軸頂端，測量的振動結果如圖10所示。單軸正常鉆孔，轉速285 r/min工況下振動加速度在0.15 m/s2，峰值在0.4 m/s2；六軸同時鉆孔振動加速度在0.4 m/s2，峰值在0.9 m/s2。

圖8　keyence的NR-600的多重數據收集系統

圖9　PCB品牌的三維加速度傳感器

基于對超高轉速300 kr/min空氣主軸測試，分別測試典型轉速下的振動加速度如表1所示，振幅如圖10所示。

表1　六軸同時工作，不同轉速下振動加速度測試值

根據表1測試結果，峰值都沒有超過1.3 m/s2的行業標準要求，具有實現穩定量產的條件。

3　鉆頭的溫度測試

任何物體都向外發射紅外輻射，輻射強度隨著溫度的變化而變化，基于普朗克和波茨曼輻射定律的原理，非接觸紅外測溫儀通過吸收物體表面向外輻射的紅外能量來測定物體的表面溫度，紅外測溫通常工作在熱輻射中波長為1～20 μm的波段。紅外熱像儀是通過非接觸探測紅外能量（熱量），并將其轉換為電信號，進而在顯示器上生成熱圖像和溫度值，并可以對溫度值進行計算的檢測設備。運用FLIR公司的型號為SC325紅外攝像儀配合100 μm的鏡頭，如圖11、12所示，具體參數如表2所示。

將紅外攝像儀牢固固定在數控鉆孔機花崗石平臺上，如圖12所示，設定好輻射率。某個物體向外發射的紅外輻射強度取決于這個物體的溫度和這個物體表面材料的輻射特性，我們用輻射率（ε）這個參數描述物體向外發射紅外能量的能力［15］。

輻射率的取值范圍可以從0到1。我們通常說的“黑體”是指輻射率為1.0的理想輻射源，而鏡子的輻射率一般為0.1。可以先通過接觸式的測溫裝置檢測被測物體得到準確溫度后，調節輻射率值使紅外熱像儀顯示的被測物體溫度與準確值一致，如此可將此輻射率值用于后續的測試，輻射率設置為0.35。測試過程中，熱象儀以60 Hz的幀頻進行拍攝，從而獲得上千張連續圖片中找出鉆頭鉆孔時的圖片，進行溫度分析測量，最高溫度在100℃，如圖13、14所示。

表2　FLIR SC325紅外攝像儀參數

圖11　FLIR SC325紅外攝像儀和100 μm鏡頭

圖12　FLIR SC325紅外攝像儀溫度測試

圖13　鉆頭溫度測試結果

從圖14分析，帶有涂層的union公司φ0.1 mm的鉆頭，以295KRPM的轉速鉆BT基材的BGA封裝的IC載板，鉆頭最高溫度在100℃左右。

4　鉆頭受力最小對應最優鉆孔工藝參數

在PCB數控鉆孔過程中，鉆機的精度、PCB板材、主軸轉速、進給速度、退刀速度、下鉆深度、蓋板類型及厚度、墊板類型及厚度、每支鉆頭設定的鉆孔數等各種工藝因素都可能對鉆孔質量產生很大影響，由于鉆孔條件的變化會造成主要影響因素的不確定性，再加上各因素之間存在交互作用，因此單憑經驗，很難做到工藝參數的最優化。實驗設計技術（DOE）是以概率論和數理統計為理論基礎、合理安排實驗的一種方法，本文針對鉆孔過程中影響因素較多的特點，采用DOE實驗方法，對不同鉆孔工藝參數進行數據測試和分析，最后確定最佳工藝參數。

圖14　SC325紅外攝像儀鉆頭溫度測試結果

本次試驗采用最高30萬轉速的大族數控PCB鉆孔機如圖5所示、選用三菱瓦斯0.6 mm厚度的以BT樹脂為基板IC載板，選用散熱效果很好，厚度較厚的酚醛紙墊板和涂樹脂的潤滑鋁片，同時選用日本union公司φ0.1 mm的有涂層的短刃長鉆頭。將裝配有測試鋁基板的力傳感器固定在PCB數控鉆孔機的合適位置，在PCB數控鉆孔機控制系統輸入固定的切削參數，設置好Kistler高精密微型測力系統，開啟鉆孔機鉆孔，采集z向鉆削力，對比分析，如圖15所示。本次鉆頭受力最小對應最優鉆孔工藝參數因素主要有轉速和進刀速，每個因素有3個不同水平，如表3所示。

圖15　Kistler高精密微型測力流程

表3　正交試驗1因素

采用圖15所示的微型測力系統測試結果如表4所示，受力圖如圖16所示。

以最小鉆削力判斷，選擇轉速為295 kr/min，進刀速為1.6 m/min的工藝參數為最理想的鉆孔工藝參數，z軸切削力控制在0.49～0.65 N，可以實現穩定高速的鉆孔。

利用短刃長有涂層鉆頭在一臺數控鉆孔機上進行了鉆孔試驗，在一張560 mm×680 mm的面積內拼版10萬孔，選擇轉速為295 kr/min，進刀速為1.6 m/min的鉆孔參數，孔限設置成2 800孔，用AOI檢測機測量工序能力指數（CPK），如圖17、18所示，CPK值為1.969，高于業界控制的1.33的標準，能夠實現穩定的量產。

圖16　Kistler高精密微型測力流程

表4　不同工藝參數切削力測試結果

圖17　Hole-AOI超高速孔位精度測量機

圖18　CPK值測量結果

將制作好的切片放至超景深Keyence三維顯微系統VHX-5000下進行放大，調節鏡頭粗調、細調旋鈕，直至屏幕上出現清晰的孔壁圖像，最終使用軟件進行孔壁粗糙度測量。如圖19、20所示，可以測量出，孔壁粗糙度最大為24 μm，低于行業控制的35 μm要求，達到行業需求。

圖19　超景深Keyence三維顯微系統VHX-5000孔壁粗糙度測試

圖20　孔壁粗糙度測試結果24.78 μm

根據DOE實驗結果，綜合鉆削切削力、工序能力指數（CPK值）以及孔壁粗糙度和加工效率的考慮，對于以BT樹脂為基板高Tg的0.6 mm厚的IC載板，配置300 kr/min主軸的數控機械鉆孔機，選擇轉速為295 kr/min，進刀速為1.6 m/min的工藝參數為最理想的鉆孔工藝參數，同時配合涂樹脂鋁片的蓋板和改性酚醛紙墊板，能夠實現φ0.1 mm的穩定鉆孔，并且鉆孔速度可以達到680孔/min。

5　結論與展望

針對以BT樹脂為基板高Tg的0.6 mm厚的IC載板鉆孔過程中影響鉆孔質量的眾多因素，采用DOE實驗分析對鉆孔工藝參數進行優化，配合涂樹脂鋁片的蓋板和改性酚醛紙墊板，轉速為295 kr/min，進刀速為1.6 m/min的工藝參數為最佳鉆孔工藝參數，能夠實現φ0.1 mm的穩定鉆孔。并且在以BT樹脂為基板高Tg的IC載板研究基礎上，進一步研究在φ0.1 mm及其以下直徑鉆頭鉆削條件下，配合振動測試、溫度測試和切削力測試，以及高剛性、低振動的數控鉆孔機的設計，通過PCB板材-鉆頭-鉆削加工工藝及其蓋、墊板的的優化組合系統研究，實現PCB微孔高質量、高效、低成本的量產加工。

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Technological Research on Printed Circuit Board Ultra High-speed Mechanical Drilling

HE Ling1，2，WANG Zhigang3，WU Hengyu1

（1.Hainan college of software technology，Qionghai 517400，China 2.Guangdong Technical College of Water Resources and Electric，Guangzhou，510000，China；3.Han's laser Technology Co.，Ltd，Shenzhen 518052，China）

This paper introduced the printed circuit board micro-holes ultra high-speed mechanical drilling process issues，by Kistler high precision miniature drill cutting force dynamometer test systems，detected the drilling temperature with infrared temperature cameras，the quality is optimize of the target，the Design of Experiments（DOE）orthogonal was used of analysis method，the influence of borehole drilling quality of various process parameters were also analyzed to determine the optimum drilling parameters to optimize processing conditions and processing technology to meet the BGA package IC carrier plate drilling requirements with CNC machine drilling.

Printed circuit board；Micro-holes；Mechanical drilling；Technological research

TN605

A

1004-4507（2016）10-0014-09

2016-09-18

名稱及編號：2014年海南省自然科學基金項目614239；

何玲（1980-），女，河南省駐馬店人，碩士研究生，副教授，現從事機械電子的教學和研究工作。