隨著大功率電子元件對PCB散熱能力的要求越來越高，市場對金屬基板的需求也是水漲船高，同時(shí)對銅基板產(chǎn)品也提出了更高的加工要求。尤其是鉆孔方面，越來越多的銅基板要求鉆0.5mm以下的通孔，若按常規(guī)鉆孔方式加工極易出現(xiàn)斷刀報(bào)廢的情況。本文將通過對銅基板鉆孔機(jī)理的研究，提出一些改善鉆孔工藝的方案，從而提升銅基板小孔的加工良率。

銅基板鉆孔加工的難點(diǎn)分析

由于客戶對散熱或制板的需求較為多樣，市面上用于銅基板的銅材料也有多種，而不同種類的銅基板其硬度也不一樣。目前主流的銅基板所用材料為銅含量較高的紫銅，紫銅的特點(diǎn)是塑性較好以及強(qiáng)度、硬度稍低，其散熱性能是各類銅基板中最好的。從PCB鉆孔加工的角度來看，銅塊同時(shí)兼有“硬”和“軟”兩方面的特點(diǎn)[1]。一方面銅塊比FR-4等有機(jī)材料或有機(jī)復(fù)合材料硬很多，鉆刀加工時(shí)切削難度大大增加，容易磨損過度導(dǎo)致斷刀；另一方面銅塊具有一定塑性，鉆孔過程可能會使銅屑粘附刀頭，如下圖1所示，容易出現(xiàn)切屑不良導(dǎo)致斷刀。尤其當(dāng)鉆孔的刀徑小于0.7mm時(shí)，能承受的橫向切削力和軸向力都很有限，褪屑能力又很弱，這對鉆孔的挑戰(zhàn)非常大。

圖1 鉆頭粘銅

鉆頭的選擇

上述展示當(dāng)前銅基板小孔加工過程中存在的幾個(gè)主要問題：磨損大、易斷刀、散熱難。盡管這些問題令人頭疼，但通過選擇適當(dāng)?shù)你@頭卻能夠有效地緩解這些狀況，從而改善銅基板鉆小孔的方方面面。

?鉆刀易磨損問題的解決方案

首先是磨損大的問題，從硬度的角度來看，銅塊比常規(guī)的板材要硬得多，這就決定了同樣的鉆刀對這些材料加工，必然是硬的銅塊對鉆刀磨損較大。為了提升鉆刀的壽命，這就需要強(qiáng)化鉆刀的耐磨損性能?，F(xiàn)有的高速鋼或硬質(zhì)合金鉆刀，盡管硬度偏低，然而其材質(zhì)強(qiáng)度已經(jīng)很高，具有良好的機(jī)械加工性能。因此在提升耐磨度這方面，業(yè)界的普遍做法并非更換鉆刀材質(zhì)，而是在現(xiàn)有鉆刀上增加涂層[2]，從而達(dá)到提高刀具表面硬度、減小摩擦系數(shù)、降低切削溫度的目的，硬質(zhì)合金與各種涂層技術(shù)的硬度對比如下表1所示。

表1 硬質(zhì)合金與各種涂層技術(shù)的技術(shù)對比

可見添加涂層的刀具其表面硬度有所提升，使得產(chǎn)品的耐磨性能也大大提升，而摩擦系數(shù)降低也有利于降低鉆刀的工作溫度，提升鉆孔品質(zhì)的穩(wěn)定性。

?鉆刀易斷刀問題的解決方案

其次是易斷刀的問題，加工銅基板時(shí)由于銅屑不易切斷，且小鉆刀容屑空間小，排屑難，往往容易導(dǎo)致鉆刀被積累的銅屑阻斷。該問題可嘗試對鉆刀結(jié)構(gòu)的優(yōu)化來提升其排屑能力，從而減少鉆刀被銅屑阻斷的情況發(fā)生。鉆刀的結(jié)構(gòu)參數(shù)很多，涉及到鉆尖角、螺旋角、鉆芯厚度、芯厚倒錐度、鉆頭前角和后角、鉆頭橫刃斜角等等。但考慮到同時(shí)優(yōu)化所有的參數(shù)需要進(jìn)行大量刀具制作及大量試驗(yàn)驗(yàn)證，這里選取兩個(gè)對刀具加工影響最大的參數(shù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)調(diào)整，即鉆尖角和螺旋角，這兩個(gè)參數(shù)的調(diào)整與影響如下表2所示。

表2鉆尖角與螺旋角調(diào)整對刀具的影響

要注意的是對鉆刀以上參數(shù)的調(diào)整幅度要合理，應(yīng)確保鉆刀加工的孔位精度以及剛性，鉆尖角過大會造成鉆頭定心差，螺旋角過大則切削強(qiáng)度及散熱能力也會降低。

?鉆刀難散熱問題的解決方案

常規(guī)PCB鉆孔設(shè)備用的是冷空氣散熱，但對銅基板鉆孔而言這種散熱方式的效率并不能滿足。業(yè)界有不少廠商采用噴灑酒精冷卻銅基板的方案來實(shí)施鉆孔作業(yè)，然而操作起來還是比較麻煩的。實(shí)際上對銅基板可以適當(dāng)?shù)夭捎梅植姐@孔的方式來加工，如下圖2所示。分步鉆孔提供了較長的時(shí)間給鉆頭和板材散熱，同時(shí)有助于及時(shí)把銅屑帶出，避免鉆頭纏銅斷刀。盡管這樣的加工效率會低些，但提升鉆孔散熱能力可有效避免鉆孔粘銅情況，不僅延長了鉆刀壽命，也使鉆孔質(zhì)量得到了較好的保證，從而降低鉆孔不良率。

圖2分步鉆孔示意圖

銅基板鉆孔參數(shù)的摸索

選擇適當(dāng)?shù)牡毒吆螅枰槍︺~基的鉆孔加工參數(shù)進(jìn)行摸索，以檢驗(yàn)鉆孔效果能否滿足要求。這里以0.5mm鉆刀為例，對紫銅類銅基板加工，定制鉆尖角145°，螺旋角40°的涂層鉆刀，其余參數(shù)按常規(guī)設(shè)計(jì)，刀具如下圖3所示。

圖3定制0.5mm涂層刀具

?轉(zhuǎn)速區(qū)間的摸索

為了避免其它參數(shù)影響轉(zhuǎn)速調(diào)整對鉆孔質(zhì)量的效果，將鉆機(jī)的進(jìn)給速度調(diào)整至最低0.1m/min，從最低鉆速逐步提升，篩選適合轉(zhuǎn)速區(qū)間，各轉(zhuǎn)速設(shè)置下的鉆孔測試結(jié)果如下表3所示。

表3 進(jìn)給速度0.1m/min下各轉(zhuǎn)速的刀具表現(xiàn)

可見在10krpm/min到20krpm/min這個(gè)區(qū)間的轉(zhuǎn)速能夠滿足0.5mm鉆刀鉆銅塊的要求。而更高的轉(zhuǎn)速則出現(xiàn)了斷刀的情況，斷刀的孔位也出現(xiàn)了孔形崩壞，如下圖4所示。

圖4 高鉆速條件斷刀及孔形崩壞

?鉆孔深度的摸索

根據(jù)上述可接受的轉(zhuǎn)速區(qū)間，選擇居中的15krpm/min的鉆速，依然保持0.1m/min最低進(jìn)給速度，對鉆孔深度逐步提升，分別進(jìn)行不同深度的鉆孔測試，其結(jié)果如下表4所示。

表4 各鉆孔深度的刀具表現(xiàn)

可見鉆刀僅鉆到0.7mm的深度就出現(xiàn)了斷刀的現(xiàn)象，原因在于孔內(nèi)銅屑的殘留在鉆孔過程中不斷累積，從而使刀具受到銅屑不均勻的阻力而斷刀，如下圖5所示。顯然該刀具對于加工深度大于0.6mm的銅基板，必須采用多次疊加鉆孔的方式進(jìn)行加工。

圖5 銅屑阻礙深鉆導(dǎo)致斷刀

?進(jìn)給速度的摸索

繼續(xù)選取15krpm/min的鉆速，進(jìn)給速度從最低的0.1m/min逐步提升，分別進(jìn)行不同進(jìn)給速度的鉆孔測試，各進(jìn)給速度與刀具情況如下表5所示。

表5 各進(jìn)給速度下的刀具表現(xiàn)

上表的測試結(jié)果稍顯意外，在較合適的轉(zhuǎn)速下，進(jìn)給速度作了絲毫的提升還是斷刀了。究其原因，進(jìn)給速度提升會使鉆刀的軸向力增大，并且由于對銅塊鉆孔的鉆速較低，切削和排屑量跟不上進(jìn)給速度也會導(dǎo)致斷刀，低轉(zhuǎn)速高進(jìn)給下殘屑導(dǎo)致的斷刀效果如下圖6所示。

圖6 低轉(zhuǎn)速高進(jìn)給下殘屑導(dǎo)致的斷刀

銅基板小孔加工效果

基于上述摸索的試驗(yàn)結(jié)果，這里設(shè)定鉆速15krpm/min，進(jìn)刀速度0.1m/min，鉆深1.0mm，分步鉆2次，對銅基板進(jìn)行0.5mm小孔的鉆孔測試，同時(shí)以無涂層和有涂層的鉆刀對比作刀具壽命測試，可得效果如下表所示6。

表6 無涂層和有涂層的鉆刀壽命表現(xiàn)

可見在適合的加工參數(shù)下，鉆刀未出現(xiàn)斷刀狀況，孔形也無破損，如下圖7所示，而有無涂層的對比結(jié)果也很好得體現(xiàn)出涂層鉆刀的耐用性。

圖7 銅基板0.5mm鉆針控深鉆孔效果

總結(jié)

上述加工方案的提出，優(yōu)化了對銅基板小孔加工的刀具及參數(shù)選擇，從加工情況來看，也改善了銅基板小孔加工易斷刀及鉆孔品質(zhì)不良的狀況。盡管相比一些專業(yè)的五金加工設(shè)備，其加工效率要低很多，但本方案的優(yōu)勢就在于無需添加額外設(shè)備，基于現(xiàn)有PCB鉆孔工藝就能實(shí)現(xiàn)銅基板的小孔加工，降低了技術(shù)門檻和投入成本。

參考文獻(xiàn)：

[1]何文學(xué),張加鋒.紫銅零件小尺寸孔的鉆孔加工分析[J].湖南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào),2015,10.

[2]張賀勇,陳成,駱金龍,羅春峰,付連宇.硬質(zhì)與超硬涂層在印制電路板微型刀具上的應(yīng)用[J].印制電路信息,2014,11

吳軍權(quán)

研發(fā)工程師，CPCA行業(yè)工程師

主要從事PCB新技術(shù)與新產(chǎn)品研發(fā)項(xiàng)目