PCB印制電路板的復(fù)合材料加工技術(shù)解析

隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，電子產(chǎn)品趨于小型化、復(fù)雜化、功能越來越齊全。因此對于PCB印制電路板而言，也從原來的單面板發(fā)展到雙面板、多層板。高精度、高密度、高可靠性、體積小型化成為PCB印制電路板發(fā)展的大趨勢。因此，相對應(yīng)的電路板加工的孔徑也越來越多的同時，孔徑越來越小，孔與孔的間距越來越小。

印刷電路板的規(guī)格比較復(fù)雜，產(chǎn)品種類多。目前印刷電路板中應(yīng)用最廣的是環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料的微小孔（直徑0.6mm以下為小孔，0.3mm以下為微孔）加工技術(shù)。

復(fù)合材料電路板脆性大、硬度高，纖維強度高、韌性大、層間剪切強度低、各向異性，導(dǎo)熱性差且纖維和樹脂的熱膨脹系數(shù)相差很大，當(dāng)切削溫度較高時，易于在切削區(qū)周圍的纖維與基體界面產(chǎn)生熱應(yīng)力；當(dāng)溫度過高時，樹脂熔化粘在切削刃上，導(dǎo)致加工和排屑困難。鉆削復(fù)合材料的切削力很不均勻，易產(chǎn)生分層、毛刺以及劈裂等缺陷，加工質(zhì)量難以保證。這種材料對加工工具的磨蝕性極強，刀具磨損相當(dāng)嚴重，刀具的磨損反過來又會導(dǎo)致更大的切削力和產(chǎn)生熱量，如果熱量不能及時散去，會導(dǎo)致PCB材料中低熔點組元的熔化及復(fù)合材料層與層之間的剝離。因此PCB復(fù)合材料屬于難加工非金屬復(fù)合材料，其加工機理與金屬材料完全不同。目前微小孔加工方法主要有機械鉆削和激光鉆削。本文給大家介紹機械鉆削。

機械鉆削PCB材料時，加工效率較高，孔定位準確，孔的質(zhì)量也較高。但是，鉆削微小孔時，由于鉆頭直徑太小，極易折斷，鉆削過程中還可能會出現(xiàn)材料分層、孔壁損壞、毛刺及污斑等缺陷。

機械鉆削過程中出現(xiàn)的各種問題都直接或間接與軸向力、切削扭矩有關(guān)，影響軸向力和扭矩的主要因素是進給量、切削速度，纖維束形狀及有無預(yù)制孔對軸向力和扭矩也有影響。軸向力和扭矩隨進給量、切削速度的增大而增大。隨著進給量增加，切削層厚度增加，而切削速度的增大，單位時間內(nèi)切割纖維的數(shù)量增大，刀具磨損量迅速增大，所以軸向力和扭矩增大。

軸向力可分為靜態(tài)分力FS和動態(tài)分力FD。軸向力的分力對切削刃有不同的影響，軸向力的靜態(tài)分力FS影響橫刃的切削，而動態(tài)分力FD主要影響主切削刃的切削，動態(tài)分力FD對表面粗糙度的影響比靜態(tài)分力FS要大。軸向力隨進給量而增大，切削速度對軸向力影響不是很明顯。另外，有預(yù)制孔的情況下，孔徑小于0.4mm時，靜態(tài)分力FS隨孔徑的增大而急劇減小，而動態(tài)分力FD減小的趨勢較平坦。

由于復(fù)合材料基體和增強纖維的加工性質(zhì)不同，機械鉆削時基體樹脂和纖維對軸向力的影響不同。Khashaba研究了基體和纖維的類型對軸向力和扭矩的影響，發(fā)現(xiàn)纖維束的形狀對軸向力影響較明顯，而基體樹脂類型對軸向力影響不太大。

PCB復(fù)合材料微鉆磨損包括化學(xué)磨損和摩擦磨損?；瘜W(xué)磨損是由于PCB材料中釋放出的高溫分解產(chǎn)物對微鉆材料WC-Co硬質(zhì)合金中的Co粘結(jié)劑的化學(xué)侵蝕所造成的。在300℃左右，這種侵蝕反應(yīng)已比較明顯。而在鉆進速度低于150mm/min時，化學(xué)磨損不再是磨損的主要形式，摩擦磨損成為磨損的主要形式。PCB微鉆的磨損還與切削速度、進給量及鉆頭半徑對纖維束寬度的比值有關(guān)。Inoue等人的研究表明：鉆頭半徑對纖維束（玻璃纖維）寬度的比值對刀具壽命影響較大，比值越大，刀具切削纖維束寬度也越大，刀具磨損也隨之增大。在實際應(yīng)用中，新鉆頭鉆達2500個孔需研磨，一次研磨鉆頭達2000個孔需再研磨，二次研磨鉆頭達1500個孔需再研磨，三次研磨鉆頭達1000個孔報廢。

在PCB微孔加工過程中，軸向力和扭矩隨著進給量和鉆孔深度的增加而增大，其主要原因與排屑狀態(tài)有關(guān)。隨著鉆孔深度的增加，切屑排出困難，在這種情況下，切削溫度升高，樹脂材料熔化并牢固地將玻璃纖維和銅箔碎片粘結(jié)，形成堅韌的切削體。這種切削體與PCB母體材料具有親和性，一旦產(chǎn)生這種切削體，切屑的排出便停止，軸向力和扭矩急劇增大，從而造成微孔鉆頭的折斷。PCB微孔鉆頭的折斷形態(tài)有壓曲折斷、扭轉(zhuǎn)折斷和壓曲扭轉(zhuǎn)折斷，一般多為兩者并存。折斷機理主要是切屑堵塞，它們是造成鉆削扭矩增大的關(guān)鍵因素。減少軸向力和切削扭矩是減少微孔鉆頭折斷的關(guān)鍵。

鉆孔損壞形式有：分層、孔壁損壞、污斑、毛刺，以下為應(yīng)對措施：

（1）分層

機械鉆削GFRP（玻纖增強）層壓板過程中可能會出現(xiàn)各種損壞，其中最嚴重的是層間分層，由此導(dǎo)致孔壁周圍材料性能的急劇下降，鉆尖施加的軸向力是產(chǎn)生分層的主要原因。分層可分為鉆入分層和鉆出分層。鉆入分層是鉆頭切削刃與層板接觸時，作用在圓周方向的切削力在軸線方向產(chǎn)生的旋切力通過鉆頭排削槽使層與層間脫離，在層板上表面形成分層區(qū)域；鉆出分層是當(dāng)鉆頭快接近層板底部時，由于未被切削材料的厚度越來越薄，抵抗變形的能力進一部降低，在載荷超過層板間的粘結(jié)力的地方，就出現(xiàn)了分層，而這在層板被鉆通之前就發(fā)生了。軸向力是導(dǎo)致分層的主要原因，切削速度、基材和纖維束的類型對分層也有影響，環(huán)氧復(fù)合材料的鉆人和鉆出分層隨鉆削速度的增加減小，且鉆出分層損壞程度要比鉆人分層大。減少分層的主要措施有：采用變量進給技術(shù)、預(yù)置導(dǎo)向孔、使用墊板以及無支撐鉆削時使用粘性阻尼器等。

（2）孔壁損壞

在復(fù)合材料PCB上鉆削微孔，在孔周圍出現(xiàn)的各種形式的損壞導(dǎo)致孔金屬化后，孔之間的絕緣性能降低及孔壁銅層破裂。切削方向與纖維方向的相對夾角、孔壁玻璃纖維束的厚度、鉆點對玻璃布的位置等都會對孔壁損壞造成不同影響。

文獻6用直徑1.0mm鉆頭，轉(zhuǎn)速5000rpm，鉆削玻纖/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料（8層90°交錯，每層0.2mm），試驗表明：每層鉆孔周圍的損壞程度不一樣，在第1，3，5，7，8層纖維皺褶突出很大，最大突出達30μm；而2，4，6層纖維皺褶突出較小，最小處不到5μm。在緯紗與經(jīng)紗重疊交叉區(qū)域，纖維夾角45°處纖維束厚度最大，孔壁損壞寬度最大；而在中心區(qū)域，最大損壞寬度發(fā)生在與纖維夾角接近90°處。

Aoyama等人研究了刀具主偏角對加工孔壁表面粗糙度的影響，發(fā)現(xiàn)主偏角為30°時，孔壁表面粗糙度最大，可達50μm。

（3）污斑

機械鉆削復(fù)合材料時，由于鉆頭橫刃與復(fù)合材料的擠壓、倒錐與孔壁之間摩擦及鑲嵌在鉆頭棱邊與孔壁之間細小的切屑隨鉆頭一起回轉(zhuǎn)摩擦所產(chǎn)生的大量切削熱，使樹脂熔化，并粘附在復(fù)合材料的夾層或孔口處的銅箔及孔壁上，形成污斑。適當(dāng)?shù)那邢饔昧亢托弈ノ⑿°@頭可以減少污斑的產(chǎn)生，降低污斑指數(shù)。

（4）毛刺

鉆削復(fù)合材料時，由于應(yīng)力的傳遞作用，在鉆頭未到達孔底時，鉆頭前方的增強材料和基體就會產(chǎn)生許多裂紋，以致增強材料從基體上脫膠，產(chǎn)生拔出現(xiàn)象，導(dǎo)致增強材料不能從根部切斷。在孔鉆通時，這些未從根部切斷的增強材料不能與切屑一起排除，而是向孔邊傾倒，基體由于切削熱的作用而軟化、流動，又重新凝結(jié)到這些傾倒在孔邊的增強材料上，形成毛刺。出口毛刺大小主要受鉆削力和鉆削溫度的影響。在復(fù)合材料鉆削加工中使用硬質(zhì)合金鉆頭鉆削、改變刀具幾何尺寸和結(jié)構(gòu)以及采用振動鉆削技術(shù)可以減少毛刺。
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