电路板复合资料细微孔加工技能
1 导言
跟着电子技能的飞速开展，现代电子产品变得越来越小，功用越来越杂乱，对电子元器件起支撑和互连作用的印刷电路板(PCB)从单面开展到双面、多层，向高精度、高密度和高可靠性方向开展，体积不断缩小，密度呈指数添加，要求电路板上加工的孔径越来越小，孔的数目越来越多，孔间距离越来越小。因而，需求高品质的细微孔加工技能。
印刷电路板的标准比较杂乱，产品品种多。本文介绍的是印刷电路板中运用最广的环氧树脂基复合资料的细微孔(直径0.6mm以下为小孔，0.3mm以下为微孔)加工技能。复合资料电路板脆性大、硬度高，纤维强度高、耐性大、层间剪切强度低、各向异性，导热性差且纤维和树脂的热胀大系数相差很大，当切削温度较高时，易于在切削区周围的纤维与基体界面发作热应力；当温度过高时，树脂熔化粘在切削刃上，导致加工和排屑困难。钻削复合资料的切削力很不均匀，易发作分层、毛刺以及劈裂等缺点，加工质量难以确保。这种资料对加工东西的磨蚀性极强，刀具磨损相当严峻，刀具的磨损反过来又会导致更大的切削力和发作热量，假如热量不能及时散去，会导致PCB资猜中低熔点组元的熔化及复合资料层与层之间的剥离。因而PCB复合资料归于难加工非金属复合资料，其加工机理与金属资料彻底不同。现在细微孔加工办法首要有机械钻削和激光钻削。
2 机械钻削
机械钻削PCB资料时，加工功率较高，孔定位精确，孔的质量也较高。可是，钻削细微孔时，因为钻头直径太小，极易折断，钻削进程中还或许会呈现资料分层、孔壁损坏、毛刺及污斑等缺点。
2.1 切削力
机械钻削进程中呈现的各种问题都直接或直接与轴向力、切削扭矩有关，影响轴向力和扭矩的首要因素是进给量、切削速度，纤维束形状及有无预制孔对轴向力和扭矩也有影响。轴向力和扭矩随进给量、切削速度的增大而增大。跟着进给量添加，切削层厚度添加，而切削速度的增大，单位时刻内切开纤维的数量增大，刀具磨损量敏捷增大，所以轴向力和扭矩增大。
轴向力可分为静态分力FS和动态分力FD。轴向力的分力对切削刃有不同的影响，轴向力的静态分力FS影响横刃的切削，而动态分力FD首要影响主切削刃的切削，动态分力FD对外表粗糙度的影响比静态分力FS要大。轴向力随进给量而增大，切削速度对轴向力影响不是很显着。别的，有预制孔的情况下，孔径小于0.4mm时，静态分力FS随孔径的增大而急剧减小，而动态分力FD减小的趋势较平整。
因为复合资料基体和增强纤维的加工性质不同，机械钻削时基体树脂和纤维对轴向力的影响不同。Khashaba研讨了基体和纤维的类型对轴向力和扭矩的影响，发现纤维束的形状对轴向力影响较显着，而基体树脂类型对轴向力影响不太大。
2.2 钻头磨损和折断
PCB复合资料微钻磨损包含化学磨损和冲突磨损。化学磨损是因为PCB资猜中释放出的高温分化产品对微钻资料WC-Co硬质合金中的Co粘结剂的化学腐蚀所构成的。在300℃左右，这种腐蚀反响已比较显着。而在钻进速度低于150mm/min时，化学磨损不再是磨损的首要方式，冲突磨损成为磨损的首要方式。PCB微钻的磨损还与切削速度、进给量及钻头半径对纤维束宽度的比值有关。Inoue等人的研讨标明：钻头半径对纤维束(玻璃纤维)宽度的比值对刀具寿数影响较大，比值越大，刀具切削纤维束宽度也越大，刀具磨损也随之增大。在实践运用中，新钻头钻达2500个孔需研磨，一次研磨钻头达2000个孔需再研磨，二次研磨钻头达1500个孔需再研磨，三次研磨钻头达1000个孔作废。
在PCB微孔加工进程中，轴向力和扭矩跟着进给量和钻孔深度的添加而增大，其首要原因与排屑状况有关。跟着钻孔深度的添加，切屑排出困难，在这种情况下，切削温度升高，树脂资料熔化并牢固地将玻璃纤维和铜箔碎片粘结，构成坚韧的切削体。这种切削体与PCB母体资料具有亲和性，一旦发作这种切削体，切屑的排出便中止，轴向力和扭矩急剧增大，然后构成微孔钻头的折断。PCB微孔钻头的折断形状有压曲折断、改动折断和压曲改动折断，一般多为两者并存。折断机理首要是切屑阻塞，它们是构成钻削扭矩增大的要害因素。削减轴向力和切削扭矩是削减微孔钻头折断的要害。
2.3 钻孔损坏方式
(1)分层
机械钻削GFRP(玻纤增强)层压板进程中或许会呈现各种损坏，其中最严峻的是层间分层，由此导致孔壁周围资料功能的急剧下降，钻尖施加的轴向力是发作分层的首要原因。分层可分为钻入分层和钻出分层。钻入分层是钻头切削刃与层板触摸时，作用在圆周方向的切削力在轴线方向发作的旋切力经过钻头排削槽使层与层间脱离，在层板上外表构成分层区域；钻出分层是当钻头快挨近层板底部时，因为未被切削资料的厚度越来越薄，反抗变形的才能进一部下降，在载荷超越层板间的粘结力的当地，就呈现了分层，而这在层板被钻通之前就发作了。轴向力是导致分层的首要原因，切削速度、基材和纤维束的类型对分层也有影响，环氧复合资料的钻人和钻出分层随钻削速度的添加减小，且钻出分层损坏程度要比钻人分层大。削减分层的首要办法有：选用变量进给技能、预置导向孔、运用垫板以及无支撑钻削时运用粘性阻尼器等。
(2)孔壁损坏
在复合资料PCB上钻削微孔，在孔周围呈现的各种方式的损坏导致孔金属化后，孔之间的绝缘功能下降及孔壁铜层决裂。切削方向与纤维方向的相对夹角、孔壁玻璃纤维束的厚度、钻点对玻璃布的方位等都会对孔壁损坏构成不同影响。
文献6用直径1.0mm钻头，转速5000rpm，钻削玻纤/环氧树脂复合资料(8层90°交织，每层0.2mm)，实验标明：每层钻孔周围的损坏程度不一样，在第1，3，5，7，8层纤维皱褶杰出很大，最大杰出达30μm；而2，4，6层纤维皱褶杰出较小，最小处不到5μm。在纬纱与经纱堆叠穿插区域，纤维夹角45°处纤维束厚度最大，孔壁损坏宽度最大；而在中心区域，最大损坏宽度发作在与纤维夹角挨近90°处。
Aoyama等人研讨了刀具主偏角对加工孔壁外表粗糙度的影响，发现主偏角为30°时，孔壁外表粗糙度最大，可达50μm。
(3)污斑
机械钻削复合资料时，因为钻头横刃与复合资料的揉捏、倒锥与孔壁之间冲突及镶嵌在钻头棱边与孔壁之间细微的切屑随钻头一同反转冲突所发作的很多切削热，使树脂熔化，并粘附在复合资料的夹层或孔口处的铜箔及孔壁上，构成污斑。恰当的切削用量和修磨细微钻头能够削减污斑的发作，下降污斑指数。
(4)毛刺
钻削复合资料时，因为应力的传递作用，在钻头未抵达孔底时，钻头前方的增强资料和基体就会发作许多裂纹，致使增强资料从基体上脱胶，发作拔呈现象，导致增强资料不能从根部堵截。在孔钻通时，这些未从根部堵截的增强资料不能与切屑一同扫除，而是向孔边倾倒，基体因为切削热的作用而软化、活动，又从头凝聚到这些倾倒在孔边的增强资料上，构成毛刺。出口毛刺巨细首要受钻削力和钻削温度的影响。在复合资料钻削加工中运用硬质合金钻头钻削、改动刀具几许尺度和结构以及选用振荡钻削技能能够削减毛刺。
3 振荡钻削
振荡钻削归于振荡切削的一个分支，是建立在切削理论和振荡理论基础上的新颖的钻削加工办法。一般钻削是继续的切削进程，而振荡钻削是脉冲断续切削进程，在钻孔进程中经过振荡设备使钻头与工件之间发作可控的相对运动。在振荡钻削进程中，当主切削刃与工件不别离(不别离型振荡钻削)时，切削速度和方向等参数发作周期性改变；当主切削刃与工件时切时离(别离型振荡钻削)时，切削进程变成了脉冲式的断续切削。
当振荡参数(振荡频率和振幅)、进给量和主轴转速等挑选合理时，能够显着进步入钻定位精度、尺度精度和圆度、下降孔外表粗糙度、削减出口毛刺以及延伸刀具寿数等。振荡钻削GFRP复合资料的轴向力改变趋势相似一般钻削改变趋势，但轴向力小于一般钻削，轴向力受进给量、振荡频率和振幅的影响。Wang等的研讨标明：当振幅为6μm、振荡频率为300Hz、进给量为250mm/min时，轴向力可到达最小1.5N。GFRP资猜中的玻璃纤维纵横交织，其强度及硬度很大，不易堵截，而它周围的基体则较软，易迫使钻头让刀，改动了钻头行进的方向，构成大的入钻差错。振荡钻削具有刚性化作用，在入钻时，钻头受力作用发作曲折变形小，入钻定位差错比一般钻削也相应小了许多。
关于多层复合资料，阶跃式多元变参数振荡钻削是一种更优化的工艺办法，能够很好地处理纤维复合资料钻削质量与功率彼此对立的难题。它充分考虑多层复合资料的结构、功能和钻削加工的详细进程，在钻削加工中坚持最优的加工状况，钻入时选用最上层资料的最优钻入参数，钻出时选用最基层资料的最优钻出参数，将钻削进程分红多个段，其振荡参数和切削参数依层合资料功能的不同呈骤变式、阶跃式改变，可完成振荡切削参数的最优化，加工作用优于相应条件下的一般钻。赵雄伟等人运用电控式细微孔振荡钻床对多层复合资料进行细微孔钻削实验。阶跃式三参数振荡钻削的入钻定位差错r、孔扩量ΔD、出口毛刺高度H值比一般钻削显着下降。Rumkumar等比较了GFRP复合资料振荡钻削和一般钻削的轴向力、扭矩和刀具磨损，发现一般钻削在钻孔数目多于30时会呈现轴向力、扭矩急剧添加现象，而振荡钻削钻孔数目可多于60，并且振荡钻削比一般钻削的轴向力、扭矩和刀具磨损的值都小。
4 激光钻削
电路板复合资料在加工直径小于0.2mm的微孔时，选用机械钻削，刀具磨损加快、易折断、本钱添加，而激光束能够将光斑直径缩小到微米级，是加工微孔的抱负东西。激光钻削作为无触摸钻削技能，是将激光束聚集成极小的光点，光点的能量熔化或气化资料构成微孔，具有钻削速度快、功率高、无东西损耗、加工外表质量高级特色，特别适合于复合资料微孔钻削。尤其在硬、脆、软等各种资料上进行多数量、高密度的群孔加工。
选用激光钻削复合资料易发作杂乱的物理和化学改变，其切除资料的机制首要有两种:①热加工机制，激光加热资料，使资料熔化、气化；②光化学机制，激光能量直接用于战胜资料分子间的化学键，使资料分化为细微的气态分子或原子。钻削纤维增强复合资料的要害在于挑选适宜的激光源，首要依据被加工资料的特性，如对特定波长光的吸收性、熔化和气化温度、热传导性等挑选。常用的激光源有CO2激光、KrF准分子激光和Nd:YA G激光。
4.1 CO2激光加工
CO2激光波长规模为9.3～10.6μm，归于红外激光，切除资料为热加工机制。CO2激光钻削树脂基纤维增强复合资料时，激光功率和加工时刻对加工质量的影响比较大，设置恰当激光功率和加工时刻能够显着改进加工质量。Aoyama等人用波长为10.6μm、最大输出功率为25OW的CO2接连型激光在玻纤/环氧树脂复合资料上钻削直径为0.3mm的微孔，发现当激光功率为35W、加工时刻为OAS、辅
助气体为空气时，孔壁外表环氧树脂几乎没有呈现
热损坏;而当激光功率为75W、加工时刻为0.1s、辅佐气体为氮气时，孔壁外表呈现黑色的物质。这是因为激光能量接连照耀树脂，使树脂的温度来不及冷却，累积到必定程度时，树脂就呈现热损坏。Hirogaki等人用波长为10.6μm、最大输出功率为100W的CO2脉冲激光钻削玻纤/环氧树脂和芳纶纤维/环氧树脂复合资料，发现假如照耀时刻小于5ms，环氧树脂几乎不呈现热损坏。这是因为削减激光脉冲的照耀时刻，能够下降资料吸收的能量，并且脉冲间的时刻距离使资料取得必定的冷却，因而树脂的热损坏进一步下降。
4.2 KrF准分子激光加工
KrF准分子激光常用波长为248nm，归于紫外激光，切除资料为光化学机制。高能量的紫外线光子能使资料直接分裂为原子，到达切除资料的意图。KrF准分子激光可显着削减激光加工热损坏。Zheng等人用波长为248nm、脉冲宽度为20ns、能量密度为400nd/cm2的KrF激光钻削玻纤/环氧复合资料，孔壁上不只没有呈现黑色物质，并且能够精确操控孔的深度，每次脉冲钻削深度为0.12μm。
可是，KrF准分子激光钻削孔时或许会呈现锥度，这是因为光束在加工形状边际发作的衍射效应使能量的密度和蚀刻率下降而构成的锥度；另一原因或许是运用未批改的棱镜的球形差错导致的。跟着能量密度的添加，锥度逐步减小，乃至呈现负锥度。这或许是因为光束能量密度大于鸿沟处发作衍射作用的临界能量及散焦作用使光束直径变大构成的。
4.3 Nd:YAG激光加工
Nd:YAG激光常用波长为1.06μm和355nm，别离归于红外激光和紫外激光，两种波长别离对应热加工机制和光化学机制。Nd:YAG激光钻削时，激光功率和脉冲频率对热损坏有重要影响。Yang等人用波长为355nm、均匀功率为12W的Nd:YAG激光钻削1.6mm厚的玻纤/环氧复合资料，发现在给定的脉冲频率下，功率越高，加工温度也越高，加快了环氧树脂的焦化和玻璃纤维的熔化，热损坏等效宽度随激光均匀功率增大而增大。在给定激光功率下，热损坏的等效宽度在脉冲频率为7KHz时最大，小于7KHz时随频率的增大而增大，超越7KHz时，热损坏的宽度随之减小。这是因为频率越高，激光脉冲之间的时刻距离越短，加工外表的冷却时刻就越短，而当频率超越7KHz时，脉冲频率越高导致脉冲继续时刻越长，激光脉冲的峰值功率就越小，下降了加工外表的温度，热损坏的等效宽度减小。用波长为355nm、功率0.3W、脉冲频率1KHz的Nd:YAG激光钻削，孔壁外表几乎没有呈现热损坏。
因为复合资料增强纤维的类型及每层纤维的方向不同，Nd:YAG激光钻削进程中会呈现孔的精度下降、孔在层间的分界面呈现不接连及纤维胀大等问题。Rodden等人用波长为1064nm、脉冲宽度为0.1ms的Nd:YAG激光钻削2mm厚的碳纤维/环氧树脂复合层板，发现孔的形状由圆变成椭圆且在层间的分界面处孔的形状不接连，前者是因为碳纤维的热传导系数远远大于环氧树脂的热传导系数，热量先沿碳着纤维方向传导，导致孔沿着碳纤维方向被拉伸；后者是因为每层的碳纤维方向不同，导致层间的孔形不接连。Cheng等人用波长为1.06μm，最大均匀输出能量为135W、脉冲继续时刻为0.5～5ms的Nd:YAG脉冲激光钻削约1mm厚的碳纤维/PEEK复合资料时，发现孔周围的碳纤维在结尾呈现的径向胀大高达50%。因为纤维剧烈的热胀大导致部分填充结构发作不可逆改变，并且纤维结构内微孔的快速增压强化了这种作用。
5 结语
结合近年来国内外树脂基复合资料PCB的机械、激光钻削技能研讨，剖析影响加工质量的各种因素和加工中或许呈现的问题，能够得出以下定论：
(1)关于机械钻削，低进给量、高主轴转速以及运用新刀具能够进步钻削外表质量。
(2)振荡钻削具有刚性化作用，振荡频率、振幅、进给量和主轴转速等挑选合理时，能够显着进步入钻定位精度、尺度精度和圆度，下降孔外表粗糙度、出口毛刺以及延伸刀具寿数。
(3)不论是用接连型仍是脉冲型激光，激光功率对钻削质量影响较大，挑选适宜的激光功率可取得较好的加工质量。
(4)关于脉冲型激光，脉冲频率和峰值功率对钻削质量有较大影响，挑选脉冲时刻短、峰值功率高的激光及恰当添加脉冲间的时刻距离，能够显着改进加工质量。
