PCB印制电路板复合材料微小孔加工技术之机械钻削

随着电子技术的飞速发展，电子产品趋于小型化、复杂化、功能越来越齐全。因此对于PCB印制电路板而言，也从原来的单面板发展到双面板、多层板。高精度、高密度、高可靠性、体积小型化成为PCB印制电路板发展的大趋势。因此，相对应的电路板加工的孔径也越来越多的同时，孔径越来越小，孔与孔的间距越来越小。

印刷电路板的规格比较复杂，产品种类多。目前印刷电路板中应用最广的是环氧树脂基复合材料的微小孔（直径0.6mm以下为小孔，0.3mm以下为微孔）加工技术。

复合材料电路板脆性大、硬度高，纤维强度高、韧性大、层间剪切强度低、各向异性，导热性差且纤维和树脂的热膨胀系数相差很大，当切削温度较高时，易于在切削区周围的纤维与基体界面产生热应力；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。钻削复合材料的切削力很不均匀，易产生分层、毛刺以及劈裂等缺陷，加工质量难以保证。这种材料对加工工具的磨蚀性极强，刀具磨损相当严重，刀具的磨损反过来又会导致更大的切削力和产生热量，如果热量不能及时散去，会导致PCB材料中低熔点组元的熔化及复合材料层与层之间的剥离。因此PCB复合材料属于难加工非金属复合材料，其加工机理与金属材料完全不同。目前微小孔加工方法主要有机械钻削和激光钻削。本文给大家介绍机械钻削。

机械钻削PCB材料时，加工效率较高，孔定位准确，孔的质量也较高。但是，钻削微小孔时，由于钻头直径太小，极易折断，钻削过程中还可能会出现材料分层、孔壁损坏、毛刺及污斑等缺陷。

机械钻削过程中出现的各种问题都直接或间接与轴向力、切削扭矩有关，影响轴向力和扭矩的主要因素是进给量、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。随着进给量增加，切削层厚度增加，而切削速度的增大，单位时间内切割纤维的数量增大，刀具磨损量迅速增大，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主要影响主切削刃的切削，动态分力FD对表面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明显。另外，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减小的趋势较平坦。

由于复合材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研究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明显，而基体树脂类型对轴向力影响不太大。

PCB复合材料微钻磨损包括化学磨损和摩擦磨损。化学磨损是由于PCB材料中释放出的高温分解产物对微钻材料WC-Co硬质合金中的Co粘结剂的化学侵蚀所造成的。在300℃左右，这种侵蚀反应已比较明显。而在钻进速度低于150mm/min时，化学磨损不再是磨损的主要形式，摩擦磨损成为磨损的主要形式。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等人的研究表明：钻头半径对纤维束（玻璃纤维）宽度的比值对刀具寿命影响较大，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。在实际应用中，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个孔报废。

在PCB微孔加工过程中，轴向力和扭矩随着进给量和钻孔深度的增加而增大，其主要原因与排屑状态有关。随着钻孔深度的增加，切屑排出困难，在这种情况下，切削温度升高，树脂材料熔化并牢固地将玻璃纤维和铜箔碎片粘结，形成坚韧的切削体。这种切削体与PCB母体材料具有亲和性，一旦产生这种切削体，切屑的排出便停止，轴向力和扭矩急剧增大，从而造成微孔钻头的折断。PCB微孔钻头的折断形态有压曲折断、扭转折断和压曲扭转折断，一般多为两者并存。折断机理主要是切屑堵塞，它们是造成钻削扭矩增大的关键因素。减少轴向力和切削扭矩是减少微孔钻头折断的关键。

钻孔损坏形式有：分层、孔壁损坏、污斑、毛刺，以下为应对措施：

（1）分层

机械钻削GFRP（玻纤增强）层压板过程中可能会出现各种损坏，其中最严重的是层间分层，由此导致孔壁周围材料性能的急剧下降，钻尖施加的轴向力是产生分层的主要原因。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接触时，作用在圆周方向的切削力在轴线方向产生的旋切力通过钻头排削槽使层与层间脱离，在层板上表面形成分层区域；钻出分层是当钻头快接近层板底部时，由于未被切削材料的厚度越来越薄，抵抗变形的能力进一部降低，在载荷超过层板间的粘结力的地方，就出现了分层，而这在层板被钻通之前就发生了。轴向力是导致分层的主要原因，切削速度、基材和纤维束的类型对分层也有影响，环氧复合材料的钻人和钻出分层随钻削速度的增加减小，且钻出分层损坏程度要比钻人分层大。减少分层的主要措施有：采用变量进给技术、预置导向孔、使用垫板以及无支撑钻削时使用粘性阻尼器等。

（2）孔壁损坏

在复合材料PCB上钻削微孔，在孔周围出现的各种形式的损坏导致孔金属化后，孔之间的绝缘性能降低及孔壁铜层破裂。切削方向与纤维方向的相对夹角、孔壁玻璃纤维束的厚度、钻点对玻璃布的位置等都会对孔壁损坏造成不同影响。

文献6用直径1.0mm钻头，转速5000rpm，钻削玻纤/环氧树脂复合材料（8层90°交错，每层0.2mm），试验表明：每层钻孔周围的损坏程度不一样，在第1，3，5，7，8层纤维皱褶突出很大，最大突出达30μm；而2，4，6层纤维皱褶突出较小，最小处不到5μm。在纬纱与经纱重叠交叉区域，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，最大损坏宽度发生在与纤维夹角接近90°处。

Aoyama等人研究了刀具主偏角对加工孔壁表面粗糙度的影响，发现主偏角为30°时，孔壁表面粗糙度最大，可达50μm。

（3）污斑

机械钻削复合材料时，由于钻头横刃与复合材料的挤压、倒锥与孔壁之间摩擦及镶嵌在钻头棱边与孔壁之间细小的切屑随钻头一起回转摩擦所产生的大量切削热，使树脂熔化，并粘附在复合材料的夹层或孔口处的铜箔及孔壁上，形成污斑。适当的切削用量和修磨微小钻头可以减少污斑的产生，降低污斑指数。

（4）毛刺

钻削复合材料时，由于应力的传递作用，在钻头未到达孔底时，钻头前方的增强材料和基体就会产生许多裂纹，以致增强材料从基体上脱胶，产生拔出现象，导致增强材料不能从根部切断。在孔钻通时，这些未从根部切断的增强材料不能与切屑一起排除，而是向孔边倾倒，基体由于切削热的作用而软化、流动，又重新凝结到这些倾倒在孔边的增强材料上，形成毛刺。出口毛刺大小主要受钻削力和钻削温度的影响。在复合材料钻削加工中使用硬质合金钻头钻削、改变刀具几何尺寸和结构以及采用振动钻削技术可以减少毛刺。