印制板上半金屬化孔直接成型工藝研究

摘要：文章以新型外形加工高精密設(shè)備為基礎(chǔ)，結(jié)合CAM設(shè)計(jì)、工藝參數(shù)優(yōu)化，研發(fā)新的高精度，高穩(wěn)定性的半金屬化孔制作方法，保證半金屬孔板一次直接成型，不扯銅、無(wú)披鋒、無(wú)毛刺，孔邊左右對(duì)稱(chēng)，提高生產(chǎn)效率及成品良率。

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前言

印制電路板（PCB）實(shí)現(xiàn)成品板邊的半金屬化孔工藝經(jīng)過(guò)同業(yè)者不斷研發(fā)改進(jìn)，在PCB 加工中已經(jīng)是成熟工藝。目前加工半金屬化孔最有效地消除孔內(nèi)殘留披鋒的做法是：圖電鍍錫+半孔成型+堿性蝕刻。其是利用圖形電鍍工序中的鍍錫工藝保護(hù)線(xiàn)路和孔銅，然后通過(guò)增加二次鉆孔或銑板將半金屬化孔成型，再采用堿性蝕刻的方法將半金屬化孔裸露銅面的披鋒給蝕刻掉。其他地方有錫保護(hù)不會(huì)被蝕刻。從制作成本的角度來(lái)看，增加的二次鉆孔或銑板的流程延長(zhǎng)了生產(chǎn)的制作周期，制作成本也成倍增加。同時(shí)二次鉆孔或銑板對(duì)位精度、PCB加工過(guò)程中的漲縮容易造成半金屬化孔偏位，影響加工良率。

近年來(lái)，隨著皮秒激光切割機(jī)、反轉(zhuǎn)銑板機(jī)等高精密設(shè)備的研發(fā)，以新型外形加工高精密設(shè)備為基礎(chǔ)，利用這些設(shè)備的新功能，結(jié)合CAM（計(jì)算機(jī)輔助制造）設(shè)計(jì)、工藝參數(shù)優(yōu)化，已成功開(kāi)發(fā)半金屬化孔一次直接成型的新制作工藝。以下設(shè)計(jì)兩種直接成型制作方案進(jìn)行比較。

01

工藝優(yōu)化方案

1.1 皮秒激光切割法相對(duì)于傳統(tǒng)納秒激光（10-9s），采用皮秒激光加工材料，具有加工精度高、熱效應(yīng)極小、加工邊緣無(wú)毛刺等優(yōu)點(diǎn)。采用高功率激光器的皮秒激光切割機(jī)（如圖1所示），對(duì)厚度2mm以下的陶瓷基板或薄金屬片均可進(jìn)行切割鉆孔。借鑒于之前陶瓷基板和金屬基板的切割經(jīng)驗(yàn)，通過(guò)優(yōu)化激光切割參數(shù)，對(duì)FR4材質(zhì)上的半金屬化孔進(jìn)行直接切割加工。皮秒激光切割機(jī)具備CCD（電荷耦合器件）視覺(jué)自動(dòng)抓靶定位功能，重復(fù)精度1μm，定位精度≤3μm，可以很好解決漲縮偏位，半孔不對(duì)稱(chēng)問(wèn)題。

1.2 反轉(zhuǎn)主軸銑板法銑機(jī)主軸順時(shí)針旋轉(zhuǎn)稱(chēng)為正轉(zhuǎn)，逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)稱(chēng)為反轉(zhuǎn)。銑機(jī)上安裝主軸正反轉(zhuǎn)交換機(jī)及智能控制軟件，實(shí)現(xiàn)刀具主軸可以改變轉(zhuǎn)動(dòng)方向，使刀具的主軸轉(zhuǎn)動(dòng)方向與銑板方向保持一致。分別按照銑板CAM資料中的銑板路徑進(jìn)行加工，銑板加工過(guò)程中通過(guò)控制刀具主軸的旋轉(zhuǎn)方向，使主軸旋轉(zhuǎn)作用在加工面的力和刀具行進(jìn)作用在加工面的力方向一致，確保切割半金屬孔時(shí)不產(chǎn)生毛刺。采用反轉(zhuǎn)（主軸逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)）主軸銑板法，在刀具和銑帶資料上需要做特別的優(yōu)化設(shè)計(jì)。 1.2.1 刀具選擇銑機(jī)主軸順時(shí)針正向旋轉(zhuǎn)時(shí)，選用常規(guī)的右旋轉(zhuǎn)銑刀；逆時(shí)針?lè)聪蛐D(zhuǎn)時(shí)，選用特殊的左旋轉(zhuǎn)銑刀（如圖2所示），通過(guò)左螺旋的刀刃將切削粉屑向下排出。如圖3所示，假定一個(gè)半金屬化孔在PCB外形邊上，A、B兩點(diǎn)是它們的交點(diǎn)，銑刀行進(jìn)方向如圖3所示。銑刀在切割A(yù)點(diǎn)時(shí)正向旋轉(zhuǎn)，不會(huì)產(chǎn)生毛刺，在切割B點(diǎn)時(shí)反向旋轉(zhuǎn)，同時(shí)使用左旋轉(zhuǎn)銑刀，由于向下按壓基板的力的作用，表面不會(huì)產(chǎn)生毛刺，并且基板的尺寸精度變化也小。

1.2.2 銑帶制作銑帶資料中設(shè)計(jì)分粗銑、精修；第一次粗銑采用常規(guī)右旋轉(zhuǎn)銑刀在PCB板的板邊沿順時(shí)針?lè)较蜻M(jìn)行直線(xiàn)切型得到半孔槽體，銑刀所走的路徑與半孔槽體的輪廓線(xiàn)之間保留0.05mm~0.1mm的間距；精修采用左旋轉(zhuǎn)銑刀沿著半孔槽體的輪廓線(xiàn)以波浪式走刀方式進(jìn)行切型，銑刀的直徑比半孔的孔徑大0.2mm~0.3mm。

02實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)以一個(gè)8層PCB，板厚度1.0mm。設(shè)計(jì)成品半金屬化孔徑0.5mm，鉆頭直徑0.6mm，孔間距1.3mm，連接盤(pán)寬0.9mm，如圖4所示。分別采用皮秒激光切割法和反轉(zhuǎn)主軸銑板法兩種方案進(jìn)行測(cè)試，數(shù)量各4PNL，孔數(shù)16920個(gè)/PNL。

2.1 皮秒激光切割法實(shí)驗(yàn)2.1.1 制作流程首先需要選擇皮秒激光切割機(jī)，具有皮秒級(jí)超短脈寬、重復(fù)頻率可調(diào)、脈沖能量高等特點(diǎn)，可以對(duì)在制板進(jìn)行冷燒蝕，減少切割后產(chǎn)生碳化現(xiàn)象，且加工精度高?？梢造`活選擇堿性蝕刻流程或者酸性蝕刻流程制作。

（1）堿性蝕刻流程：在制板一次鉆孔→PTH（鍍銅孔）→外層圖形轉(zhuǎn)移→圖形電鍍→退膜→堿性蝕刻→激光切割→感光阻焊→字符印刷→電鍍→銑外形

（2）酸性蝕刻流程：在制板一次鉆孔→PTH→整板電鍍→外層圖形轉(zhuǎn)移→酸性蝕刻→激光切割→感光阻焊→字符印刷→電鍍→銑外形 其中，激光切割加工步驟如表1所示。

2.1.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果皮秒激光器加工重復(fù)頻率10kHz至1000kHz，功率8W~15W，根據(jù)PCB實(shí)際板厚調(diào)整，可加工板厚范圍0.3mm~3.0mm。加工對(duì)位精度±0.025mm。 通過(guò)調(diào)整脈沖頻率和激光功率，激光切割后，可以徹底地消除半金屬化孔的電鍍殘留（切割效果見(jiàn)圖5所示），避免了人工修理的麻煩。且激光通過(guò)CCD對(duì)位系統(tǒng)抓取板件內(nèi)光學(xué)點(diǎn)圖像對(duì)位，不受板件漲縮因素影響，半金屬化孔左右兩邊對(duì)稱(chēng)無(wú)偏位。

2.2 反轉(zhuǎn)主軸銑板法實(shí)驗(yàn)2.2.1 制作流程在制板按正常制作流程完成阻焊和電鍍工序后進(jìn)入銑外形工序，按照表2步驟進(jìn)行。

2.2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果根據(jù)槽寬和半金屬化孔徑，選擇加工參數(shù)。切割效果見(jiàn)圖6所示。

03量產(chǎn)測(cè)試

按照上述兩種實(shí)驗(yàn)方案，分別批量制作同類(lèi)半金屬化孔電路板，對(duì)比毛刺、偏位改善，結(jié)果見(jiàn)表3所示。從量產(chǎn)的結(jié)果來(lái)看，激光切割法表現(xiàn)最佳，激光對(duì)位精度高，切割效果好，完全可以做到無(wú)毛刺，孔邊左右對(duì)稱(chēng)。

反轉(zhuǎn)主軸銑板法量產(chǎn)時(shí)考慮提升效率，加工疊數(shù)較多，不可避免受到在制板漲縮及銑刀磨損等因素的影響，產(chǎn)生比例很低的毛刺和偏位，而毛刺清洗可除掉，處理難度不大，整體良率完全可以滿(mǎn)足生產(chǎn)要求。

04

總結(jié)

通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)和生產(chǎn)工藝的改進(jìn)，半金屬化孔一次直接成型的工藝已經(jīng)取得了質(zhì)的突破。實(shí)驗(yàn)后通過(guò)量產(chǎn)測(cè)試的判定：半金屬孔板一次直接成型，不扯銅、無(wú)毛刺，孔邊左右對(duì)稱(chēng)，滿(mǎn)足品質(zhì)要求，且縮短了制作流程，節(jié)省加工成本。

審核編輯 ：李倩