锥形钻头在盲孔成型中的应用研究.pdf

印制电路信息 2024 No.3机械加工 Mechanical Processing锥形钻头在盲孔成型中的应用研究薛姣 王正齐（广东鼎泰高科技术股份有限公司，广东 东莞 523000）摘要针对高速高频电路板上的梯形盲孔加工，通过对盲孔成型方法的分析，对结构的设计进行试验验证并开展小批量测试，开发了一款锥形钻头。以盲孔形状和孔壁质量为评判准则。结果表明，开发的锥形钻头在多次研磨后依然能保持优良的孔型和高孔壁质量，无断针。关键词高速高频板；锥形钻头；梯形盲孔中图分类号：TN41文献标志码：A文章编号：10090096（2024）03002104Research on application of conical drill bit in blind hole formingXUE Jiao WANG Zhengqi（Guangdong Dtech Technology Co.，Ltd.，Dongguan 523000，Guangdong，China）Abstract For the blind hole processing on high speed and high frequency boards,a conical drill bit is developed through the analysis of the blind hole forming method,the design of the drill bit structure,the experimental verification,and the small batch test.Taking the blind hole shape and hole wall quality as the evaluation criteria,the results show that the conical drill bit developed can still produce excellent hole shape and high hole wall quality after repeated grinding,and there is no broken needle.Key wordshigh speed and high frequency board;conical drill bit;trapezoidal blind hole0引言随着5G通信技术的飞速发展和无人驾驶技术的 日 趋 成 熟，高 速 高 频 印 制 电 路 板（printed circuit board，PCB）的应用市场越来越广阔。聚四氟乙烯（polytetrafluoroethylene，PTFE）树脂基板因具有优秀的介电性能、耐热耐腐蚀性、低吸湿率、半阻燃性等特点1-2，成为高速高频PCB的首选材料。多层高速高频板通过微径导通孔，在基板的上下实现电气互连3，而孔型及孔壁质量的可靠及稳定性直接关系着电路板的导通良率。对于PTFE基板上的梯形盲孔加工，目前主要有 3 种常见的加工方式：激光成孔、机械钻孔、机械+激光成孔。针对多个铜层的高速高频板梯形盲孔加工，通过分析板材的特点、不同加工方法的优劣，最终采用机械+激光成孔的工艺方法。为此，我司专门开发了一款锥形钻，在高速高频板作者简介：薛 姣（1992），女，中级工程师，硕士，主要研究方向为金属切削加工及仿真模拟。-21机械加工 Mechanical Processing印制电路信息 2024 No.3上钻出锥形盲孔，预留部分加工余量。经过结构设计、试验验证、小批量测试等关键环节，最终保证了孔型及孔壁质量的稳定可靠，达到了客户要求。1盲孔成型工艺所要加工的PTFE基板4含有多个铜层，如图1（a）所示。在该板材上加工梯形孔，需要穿透2个铜层。针对该板材，通过分析3种常见的加工方式来确定最佳的加工方案。1.1激光成孔CO2激光可以高速打孔、大功率输出，常用于PCB板的盲孔加工5。对于加工多个铜层的梯形盲孔，CO2激光能量受到脉冲周期、脉冲宽度的限制，在开铜窗时，需要多次冲孔，从而造成效率低下6-7。另外，当 CO2激光采用高能量密度冲孔时，由于孔内热量聚集，烧蚀严重而造成鼓形盲孔，达不到孔型要求；甚至会出现内部铜层温度过高导致内部铜层与内部介质分离的缺陷。这些缺陷在使用过程中可能导致电镀层的断裂或脱层，造成严重的电气导通不良。1.2机械钻孔机械钻梯形盲孔时，速度快、效率高，可以加工多类板材。在加工多个铜层的梯形盲孔时，比激光钻孔的效率高。但是，这类梯形盲孔有孔型（上下孔径比和孔深）的要求，也就要求钻孔工艺有精确的控深能力。众所周知，激光打孔具有精确的控深能力，而机械钻孔的控深能力还达不到精确的范围。此外，由于锥形钻有一定的钻尖角度的结构，在机械钻孔时会出现孔底不平整的现象。综上，单独使用机械钻孔也不是最佳工艺。1.3机械+激光钻孔针对多个铜层的PTFE基板，机械钻梯形盲孔时，速度快，开铜窗效率高，而激光钻孔具有精确的控深功能。综合上述 2 种加工方式的优点，最终选择机械+激光钻孔的工艺方式。先使用锥形钻进行机械钻孔，留出部分加工余量，再使用激光钻到设计深度来达到目的。加工工艺图如图 1所示。2锥形钻结构设计针对多个铜层的PTFE基板加工梯形类盲孔，我司开发了一款高性能的锥形钻头。钻头的材料选择耐磨、高韧性的住友AF308，在钻头材料上做好了基本保障。该板材含有多个铜层，还需要开大孔径的铜窗，那么必然要求锥形钻头耐磨耗；另外，对于孔型的可靠及稳定性的需求，要求锥形钻头在多次研磨后，依然能够保持稳定的上下孔径比以及稳定的孔深；梯形孔的孔壁质量要求高，加工后的孔壁粗糙度要低。因此，设计了双锥度的微钻，钻尖角 为160170，优选 165，锥角 为 2535，优选30，圆周后角为30，如图2所示。圆周后角30是为了保证钻尖的锋利度，在钻孔时降低孔壁的粗糙度，同时具有一定的耐磨性。主切削刃尖部到容屑槽处的曲面逐步靠近钻芯，减少微钻与孔壁的接触面积，提升孔壁表面质量。钻尖角起到定位的作用。锥角、第二刃长l2、钻尖角、第一刃长l1和微钻半径R的关系来保证梯形盲孔的上下孔径比和钻孔深度，第二刃图1孔加工工艺图-22印制电路信息 2024 No.3机械加工 Mechanical Processing长l2是根据孔的锥度及孔深度来确定的。其关系如下：l1sin2+l2sin2=R（1）式中：l1l2；0.05 mmR0.35 mm。3试验与分析3.1试验材料多个铜层的 PTFE 基板一叠。锥形钻的钻径 为0.40 mm，刃长l为3.0 mm，如图3所示。3.2试验平台及条件方法加工设备、被加工材料与加工参数见表1。3.3结果及分析孔限 1 000 hit，使用新刀、研一、研二钻孔后，截取一段高速高频板做孔切片，进行测量观察。每种各取2张，如图4所示。由图4可见，不管是新刀、研一还是研二钻孔后，孔壁平整，无凹凸，无玻纤突出。客户要求下上孔径比在70%90%之间，通过切片测量发现，新刀钻孔后的下上孔径比在73%75%之间，研磨一次钻孔后的下上孔径比在78%79%之间，研磨二次钻孔后的下上孔径比在79%图2锥形钻设计图图3锥形钻表1钻孔测试试验条件机台加工板材加工参数Hitachi 6Y210e钻孔机EM827，板厚2.0 mm，1叠转速95 000 r/min，落速48 mm/min，退刀速1 000 mm/min，孔限1 000 hit图4孔切片-23机械加工 Mechanical Processing印制电路信息 2024 No.380%之间。综上，不管是哪一个阶段的微钻，所测得下上孔径比都在客户要求的范围内，并且孔壁质量高。另外，钻孔后的下上孔径比值波动范围小，稳定在7个百分点的范围内，反映出机械钻孔的稳定可靠性高，微钻的耐用性以及加工质量稳定地保持在一个高水平上。针对同一个孔，完成所有的加工工序，即机械钻孔激光钻孔电镀，如图5所示。从电镀孔可以看出，孔壁镀层良好，孔壁粗糙度低，无玻纤突出，说明机械钻孔对后续工序并未产生缺陷性的影响。4结论面对高速高频板上的梯形盲孔加工这一加工难点、热点问题，通过理论分析和试验测试验证，得出如下结论。（1）分析了高速高频板的加工特点，结合 3种常见的加工方法优劣，确定了机械+激光成孔的工艺方法。（2）由于该高速高频板含有多个铜层，因此专门开发了一款锥形钻，材料选用耐磨耗、韧性高的住友AF308型号，设计锥度由大到小的结构，构建了锥度和刃长的函数关系。可制造多尺寸的微钻，满足客户多样性的需求。（3）通过内部测试以及客户端小批量测试，发现该微钻耐磨耗、孔壁质量高，多次研磨后均能保持稳定的下上孔径比，孔限1 000 hit无断针，并且对后序的工序无缺陷性的影响。参考文献 1 李燕青,魏晓伟.聚四氟乙烯在表面处理中的研究现状与发展J.塑料,2005(1):6-8,34.2 RYAN M E,BADYAL J P.Surface texturing of PTFE film using non-equilibrium plasmasJ.Macromolecules,1995,28(5):1377-1382.3 薛姣,陈汉泉,郑鑫,高长径比钻头在通信背板中的应用J.印制电路信息,2022,30(增刊1):308-312.4 王卫,李承祥,张国斌,等.聚酰亚胺的合成与研究J.材料导报,2008(2):119-120,128.5 苟雪萍.PTFE高频电路板孔金属化研究及应用D.成都:电子科技大学,2019.6 杨宏强.PCB微孔成孔技术的现状J.印制电路信息,2020,28(4):31-38.7 颜庙青.印制电路板激光微孔工艺研究D.武汉:华中科技大学,2007.图5梯形孔的金属化过程-24