高厚度微小孔徑PCB的鉆孔效率改善研究

梁 柳 何園林 張細海 尋瑞平

（江門崇達電路技術有限公司，廣東省智能工控印制電路板工程技術研究中心，廣東 江門 529000）

0 前言

印制電路板（PCB）是重要的電子部件，是電子元器件的支撐體，是電子元器件電氣連接的提供者。通常，PCB在實際應用時，由于走線、結構、過電流等的需要，需要進行鉆孔加工。為了保護PCB板材以及提高鉆孔的孔位精度和孔壁質量等，需要在PCB上方覆上一層蓋板，在下方墊上一層墊板，鉆孔示意圖如圖1所示[1]。

提高生產效率、降低生產成本，是企業生產管理的永恒課題。在實際鉆孔生產過程中，為了提高生產效率，往往都會在確保鉆孔精度和孔壁質量的情況下適當增加PCB在制板（PNL）疊板數，也就是多塊PCB疊在一起鉆孔[2]。此種方法一般適用于常規大孔徑（孔徑一般＞0.3 mm）、低鉆孔密度、低板厚的鉆孔生產；對于高密度、高板厚、微小孔徑（＜0.25 mm）的鉆孔情況，由于受技術能力限制，只能單疊（1 PNL/疊）鉆孔生產，嚴重影響生產效率，導致鉆孔工序產能不足成為生產瓶頸。

我公司近期遇到的批量生產孔密度高（超60 000孔/PNL）、板厚高（2 mm）、孔徑小（最小鉆頭0.225 mm）的PCB鉆孔實例，本文探討在保證鉆孔孔位精度、孔壁質量的基礎上，增加疊板數、提高生產效率、降低生產成本的可行性。

圖1 PCB鉆孔示意圖

1 研究內容

本研究主要研究內容包括如下方面：

（1）厚2.0 mm最小孔0.225 mm鉆孔疊板數行業調查；

（2）鉆頭樣品基本信息及改進研究；

（3）鉆頭樣品測試過程及結果；

（4）鉆頭小批量導入跟進結果；

（5）2.0 mm板厚1PNL/疊改2PNL/疊價值核算。

2 結果與討論

2.1 行業調查

本研究首先調查了行業內銷售規模排名前列的5家知名公司“板厚2.0 mm、最小孔徑0.225 mm”的鉆孔生產情況，調查結果如表1。

可以看到，目前行業內此類高厚度、微小孔鉆孔一般都為單疊（1 PNL/疊）生產，且鉆頭最大磨次為磨一。單疊、磨一生產明顯不利于鉆孔效率和成本控制。見表1。

2.2 鉆頭改進實驗結果

考慮到PCB厚度增加、鉆孔孔徑變小，帶來的直接問題是鉆孔過程中常規鉆針刃長不夠，同時鉆孔過程摩擦增加、排屑難度加大，因此首要改善方案是設計一款加長鉆頭并聯系供應商制造，確保刃長大于一塊蓋板和至少兩塊生產板的厚度之和，從而可將疊板數量由1 PNL/疊改為2 PNL/疊，提高鉆孔效率，降低生產成本；同時配備涂樹脂鋁片蓋板進行鉆孔跟進，涂樹脂鋁片蓋板表面涂覆的高分子樹脂能夠防止鉆頭打滑，提高鉆孔孔位精度，還能吸收鉆頭高速旋轉及與板材摩擦產生的熱量，并通過自身熔融的相態變化潤滑鉆頭、清潔孔壁，進一步保護鉆頭和改善鉆孔孔壁質量[3]。具體鉆頭改進情況見表2，實驗跟進結果見表3。

從表3孔位Cpk值分析結果來看，方案2、3、4的孔位Cpk值均大于1.33，表現合格，方案1孔位Cpk值為小于1.33，表現不合格，說明板厚2.0 mm、最小孔徑0.225 mm、2 PNL/疊鉆孔必須使用涂樹脂鋁片蓋板。從孔壁方面來看，4個方案的孔壁粗糙度小于25.4 μm，釘頭（內層銅厚）＜2.0，孔壁粗糙度和釘頭表現合格；4個方案的鉆孔孔壁燈芯長度在109.80～160.69 μm，大于100 μm，表現不合格。

表1 板厚2.0 mm、最小孔0.225 mm鉆孔疊板數行業調查情況

表2 加長鉆頭和普通鉆頭基本信息

表3 加長鉆針鉆孔實驗結果

基于表3實驗中燈芯問題，優化鉆孔參數（鉆頭壽命、轉速、進刀速）跟進測試，結果如表4。從實驗結果來看，孔壁燈芯長度仍然大于100 μm，改善效果不大。這說明，涂樹脂鋁片有利于改善鉆孔孔位精度和孔壁質量，仍存在燈芯長度不合格的問題還需要進一步改善研究。

2.3 鉆頭第二次改進實驗結果

繼續研究鉆頭改進方案，在加長鉆頭表面加鍍一層金屬碳化鉭膜（TaC），TaC膜是一種類金剛石非晶四面體碳膜，具有高致密性、高耐磨性、低摩擦系數等優點，可將鉆頭表面摩擦系數由0.45降低到0.05，用來進一步改善鉆頭與孔壁摩擦及排屑效果。具體鉆頭改進情況見表5所示。

實驗結果見圖2所示，板厚2.0 mm、最小孔徑0.225 mm采用鍍膜鉆頭及涂樹脂鋁片蓋板2 PNL/疊鉆孔，使用新刀、磨一、磨二、磨三的鉆頭鉆孔過程均無出現斷針，孔位Cpk值大于1.33，孔位精度合格；孔壁粗糙度均小于25 μm，孔壁釘頭（釘頭/內層銅厚）小于2.0，孔壁燈芯長度小于100 μm，孔壁質量合格。這說明鍍膜鉆頭配合涂樹脂鋁片鉆孔測試符合要求，但考慮到測試樣品數量有限，建議先小批量試用。

表4 燈芯問題優化方案實驗結果

表5 鍍膜鉆針和加長鉆針基本信息

圖2 鍍膜鉆頭鉆孔實驗結果

2.4 鉆頭小批量導入跟進生產結果

為進一步驗證改進方案的可行性，采用六軸鉆機實施板厚2.0 mm、最小孔徑0.225 mm、2 PNL/疊PCB小批量鉆孔生產，鉆孔參數與測試條件保持一致，跟進結果如表6、表7。

實驗結果顯示，小批量生產，鉆孔過程無斷針，六個鉆軸鉆孔的孔位Cpk值均大于1.3，孔位精度合格；孔壁粗糙度均小于25.4 μm，孔壁釘頭（釘頭大小/內層銅厚）小于2.0，孔壁燈芯長度小于100 μm，孔壁質量合格。說明改進方案小批量生產合格，具備批量生產的可行性。

2.5 1 PNL/疊改2 PNL/疊的鉆孔價值核算

經我公司財務成本組價值核算，板厚2.0 mm最小孔0.225 mm鉆孔由1 PNL/疊改2 PNL/疊，材料成本可下降10.98元/m2，生產效率提高37.01%，換算成人工成本可節約22.17元/m2，鉆孔總成本節約33.15元/m2，極具有推廣應用價值。

3 結論

（1）目前板厚2.0 mm、最小孔0.225 mm鉆孔采用1 PNL/疊，嚴重影響生產效率；（2）采用0.225×5.2 mm加長鉆頭，并在鉆頭表面加鍍一層3～5 μm TaC涂層，配合使用涂樹脂鋁片蓋板，實現了板厚2.0 mm、最小孔0.225 mm鉆孔的2 PNL/疊生產；孔位Cpk值、孔壁粗糙度、孔壁釘頭、燈芯測試合格，滿足品質要求；（3）經成本核算，采用板厚2.0 mm、最小孔0.225 mm、2 PNL/疊鉆孔方法，材料成本可下降10.98元/m2，生產效率提高37.01%，極具推廣應用價值。

表6 小批量生產孔位Cpk值情況

表7 小批量生產孔壁質量情況