槽孔為PTH屬性的圓角槽孔和直角槽孔加工方式

PCB行業(yè)越來越多地使用高頻高速板材來滿足信號傳輸速度、信號完整度及阻抗匹配等特殊要求。聚四氟乙烯是一種廣泛應(yīng)用的高頻材料，該材料具有優(yōu)秀的電氣性能。但由于PTFE材料自身的特性，在PCB槽孔機械加工過程中，很容易出現(xiàn)孔邊銅皮起翹、槽孔變形損傷以及角孔邊緣纖維絲去除不凈等問題。本文著重從銑床加工參數(shù)優(yōu)化和鉆床加工參數(shù)優(yōu)化兩方面入手，選擇最優(yōu)化的加工方式和加工參數(shù)，期望可以提高PTFE系列板材槽孔加工品質(zhì)。

PCB設(shè)計中，目前使用的高頻材料，都是以PTFE為主體，混合玻璃纖維布或者陶瓷等其他不同填料制成，以使材料的介電常數(shù)、介質(zhì)損耗等性能指標(biāo)滿足高頻設(shè)計需求。但由于PTFE材質(zhì)的特性差異，對于PCB機加工是個巨大的挑戰(zhàn)，雖然材料供應(yīng)商們竭盡全力的改進填料配方，降低其機加難度，但到目前為止其加工難度和成本依舊高于普通的FR-4材料。各大PCB供應(yīng)商也在致力于PTFE材料機械加工工藝的革新，期望可以降低機加工成本，提高加工效率，但大都不太理想，槽孔作為印制電路板機加工常見的一種工具孔，在高頻材料加工時也不可避免的遇到了麻煩。

槽孔類型

槽長度分類：槽孔有短槽、長槽。長度在寬度兩倍以下的槽為短槽，以上的槽為長槽；

槽孔形狀分類：圓角槽孔和直角槽孔。

槽屬性分類：NPTH槽和PTH槽。

本文討論的槽孔為PTH屬性的圓角槽孔和直角槽孔加工方式。

改進方向

常規(guī)的生產(chǎn)方式是通過鉆槽孔或銑槽孔完成槽孔機械加工。無論鉆槽孔還是銑槽孔，槽孔均容易產(chǎn)生邊緣毛刺，沉銅板電時鍍銅層附著在PTFE毛刺上，同時迅速生長銅刺，嚴(yán)重的甚至完全堵塞槽孔，影響槽孔功能。本論文通過對鉆槽孔或銑槽孔進行對比實驗，尋找合適的作業(yè)方式及作業(yè)參數(shù)，來提升槽孔加工質(zhì)量及效率。

鉆槽孔，是通過鉆機使用硬度比鉆刀硬度更高的槽刀按照所需槽孔的寬度和長度有規(guī)律的鉆孔形成槽孔。鉆槽優(yōu)化方向，從鉆槽作業(yè)參數(shù)優(yōu)化和鉆槽工程資料優(yōu)化兩方面著手。通過鉆孔作業(yè)參數(shù)優(yōu)化，減少每次鉆孔時孔內(nèi)及孔邊上的毛刺；通過工程資料優(yōu)化，期望可以通過改變鉆孔路徑，減少甚至去除孔與孔相接處的毛刺殘留。

銑槽孔，是通過銑床使用銑刀按照一定的路徑進行切削形成槽孔。銑槽優(yōu)化方向，主要通過刀類型的選用、銑床作業(yè)參數(shù)和工程資料三方面著手，減少槽孔毛刺，滿足品質(zhì)要求。

鉆槽工藝優(yōu)化

一、現(xiàn)狀

在前期生產(chǎn)過程中，槽孔經(jīng)常會有毛刺堵孔（如圖1），需要人工手工修理，不僅影響產(chǎn)品交期，而且影響品質(zhì)，容易因修理不良造成孔無銅，影響客戶元器件插件和焊接；即使客戶讓步使用后，對于天線類產(chǎn)品信號的調(diào)試也有一定的影響。

圖1 有毛刺的槽孔

二、鉆槽孔毛刺產(chǎn)生的原因：

現(xiàn)有的PTFE板料，鉆孔時未被切碎的纖維絲會纏繞在鉆刀上，使得鉆刀排屑性能下降，從而引起更多的纖維絲纏刀，造成孔壁粗糙，孔邊披鋒嚴(yán)重等不良現(xiàn)象。所以鉆孔參數(shù)的優(yōu)化目的，就是確保可以最大限度的割碎板材內(nèi)的纖維絲，保證在生產(chǎn)過程中，鉆刀不被纖維絲纏繞。

三、鉆孔參數(shù)優(yōu)化

優(yōu)化鉆孔參數(shù),選取PTFE材料常用的0.3mm、0.8mm、1.2mm、2.4mm、3.2mm幾個孔徑進行參數(shù)對比試驗，沉銅板電后切片確認(rèn)孔壁粗糙程度，來確認(rèn)鉆刀工作時對板料的切割是否可以滿足品質(zhì)要求。試驗材料：某供應(yīng)商2.0mm 1/1、介電常數(shù)2.65。試驗參數(shù)及結(jié)果對比表如下表1：

表1 原鉆孔參數(shù)與新參數(shù)孔粗對比

通過以上鉆圓孔對比實驗，可以發(fā)現(xiàn)鉆孔新參數(shù)比原參數(shù)有更好的加工效果，孔壁質(zhì)量由原參數(shù)的1.16mill提升至0.56mill，可以取得很好的加工效果。

新參數(shù)：槽孔加工時主軸轉(zhuǎn)速下降10%，最低轉(zhuǎn)速不低于20krpm，進刀速度降低40%，退刀速度降低20%，使用全新刀具，且刀具壽命調(diào)為原參數(shù)壽命的80%。

四、鉆孔資料優(yōu)化

短槽使用鉆孔生產(chǎn)，以某產(chǎn)品進行工藝試驗，槽孔設(shè)計如圖2。為保證和客戶需求相符，選用和客戶要求相同的某供應(yīng)商1.0mm 1/1、介電常數(shù)2.55的PTFE料進行工藝試驗。

圖2 槽孔設(shè)計圖

試驗參數(shù)、方法及板電后結(jié)果記錄如下表2:

表2 鉆孔試驗參數(shù)及沉銅后效果

試驗分析：

（1）1號試驗，使用之前G85格式工程資料，參數(shù)選用優(yōu)化后的新參數(shù)，鉆槽時孔密度為5孔，槽刀鉆槽的順序為1、2、3、4、5，為線性生產(chǎn)，鉆孔完畢，沉銅板電后，個別孔有瘤狀毛刺，超出品質(zhì)接受標(biāo)準(zhǔn)。

（2）2號試驗，針對槽刀鉆孔順序進行工程資料優(yōu)化，打散后重新設(shè)定鉆槽順序為跳刀鉆法，順序為1、3、5、4、2，并重新進行試驗，用優(yōu)化后的新參數(shù)生產(chǎn)，沉銅板電后，毛刺改善效果不明顯，個別槽孔內(nèi)毛刺仍舊超出標(biāo)準(zhǔn)。

（3）通過1號和2號實驗，我們發(fā)現(xiàn)毛刺產(chǎn)生的位置主要位于每個孔與孔的間隙處，故設(shè)計3號和4號實驗時，進行槽孔孔數(shù)加密，3號實驗孔數(shù)由G85格式設(shè)備默認(rèn)n孔增加到2n-1孔，4號實驗孔數(shù)由G85格式設(shè)備默認(rèn)n孔增加到4n-3孔，3、4號試驗，增加鉆槽孔數(shù)量至9孔（3號）和17孔（4號），并且使用線性生產(chǎn)方式。按照新鉆孔參數(shù)，使用新鉆孔工程資料生產(chǎn)后，槽孔毛刺現(xiàn)象進一步減少，加密至9孔的3號實驗，槽孔孔壁毛刺較小，加密至17孔的4號實驗，生產(chǎn)的槽孔幾乎沒有毛刺。

通過上述試驗得出結(jié)論:假定設(shè)備默認(rèn)G85格式工程資料槽孔孔數(shù)為n，加工時槽孔孔數(shù)設(shè)定為4n-3，并且采用線性鉆法，槽孔可以得到非常好的加工效果。

五、生產(chǎn)效果驗證

依據(jù)試驗結(jié)果，更新工程資料和鉆孔參數(shù)后試生產(chǎn)，槽孔基本無毛刺，品質(zhì)良好。

圖3 沉銅后槽孔 圖4 圖電后槽孔

六、鉆槽孔試驗小結(jié)

優(yōu)化鉆孔參數(shù),主軸轉(zhuǎn)速下降10%，最低轉(zhuǎn)速不低于20krpm,進刀速度降低40%，退刀速度降低20%，使用全新刀具，且刀具壽命調(diào)為原壽命的20%；同時孔數(shù)由G85格式工程資料設(shè)備默認(rèn)n孔增加到 4n-3孔，槽孔內(nèi)基本無毛刺，可以得到比較好的加工效果。

銑槽工藝優(yōu)化

一、現(xiàn)狀

直角槽孔中角孔與銑槽結(jié)合處最容易產(chǎn)生毛刺，人工修刮不僅效率低下，而且易造成孔無銅影響客戶器件焊接，需要對直角槽孔生產(chǎn)進行工藝試驗，避免此類客訴發(fā)生。

圖5 客訴角孔周圍毛刺修理不凈

二、角孔毛刺產(chǎn)生原因

由于鉆刀和銑刀均為圓形，不能生產(chǎn)出絕對的直角槽孔，為避免非直角槽對插件的不良影響，通常的做法是先在槽孔四個角處鉆角孔，然后進行CNC銑槽。而PTFE太過柔軟，角孔邊緣的材料在進行CNC銑槽時發(fā)生移動，使得銑刀無法去除角孔與銑刀交接處的毛刺。

三、改善方向

1、優(yōu)化CNC工程資料：去除角孔，將角孔整合在CNC銑槽路徑中，從而去除銑刀加工因材料形變而產(chǎn)生的切削盲點。

2、優(yōu)化CNC參數(shù)：因參數(shù)設(shè)定不當(dāng)，切斷的纖維絲難以排出，銑刀被纖維絲纏繞而喪失切削能力，造成剛開始行刀就發(fā)生斷刀，如圖6。為了避免銑刀被纖維絲纏繞而斷刀，最主要的改善是：

① 優(yōu)化主軸轉(zhuǎn)速，提高刀具切削能力，將纖維絲徹底切碎。增加切削能力的主要方法是提高刀具邊緣的線速度，線速度越大切削能力越高，當(dāng)然線速度也不是越快越好，需要實時考慮散熱狀況。

② 使用螺旋銑刀，降低行刀速度，增加銑刀的排屑能力。用排屑能力更強的螺旋銑刀代替普通銑刀，降低銑刀的切削速度，讓銑刀有充裕的時間排屑。

圖6 試驗中因纖維絲纏繞失去切削力而斷掉的銑刀

四、CNC工程資料優(yōu)化試驗

以客戶的槽孔為藍本，將角孔整合進CNC路徑中，制作試驗工程資料，為保證槽邊角品質(zhì)，設(shè)計0.8mm和1.0mm兩種刀徑,以便對比同一種參數(shù)下兩種刀具生產(chǎn)出的毛刺的不同。工程資料如圖7。為保證和客戶需求相符，選用和客戶要求相同的某供應(yīng)商1.0mm 1/1、介電常數(shù)2.55的PTFE料進行工藝試驗。

圖7 試驗用工程資料圖

生產(chǎn)時為防止槽邊銅皮起翹，我們使用白色密胺墊板和冷壓蓋板夾緊生產(chǎn)，由于設(shè)備限制，轉(zhuǎn)速在0-24000轉(zhuǎn)之間調(diào)節(jié)。銑槽孔試驗參數(shù)及結(jié)果如下表3：

表3 銑槽孔加工參數(shù)

試驗小結(jié)：

使用1.0mm螺旋銑刀，主軸轉(zhuǎn)速24000轉(zhuǎn)，行刀速度為0.24m/min的3號試驗槽孔毛刺最小，相比前期有很大的改善，但還不是最理想的效果，但對于客戶插件已經(jīng)不影響了。根據(jù)試驗結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)：毛刺產(chǎn)生區(qū)域主要處于刀具路徑改變位置。

圖8 毛刺產(chǎn)生地點處于刀具路徑改變位置

五、銑床工程資料進一步優(yōu)化

更改槽孔資料，拉長槽孔，并改為圓角槽孔，保證槽內(nèi)矩形為客戶需要的插件尺寸；選用1.0mm刀徑的螺旋銑刀進行工程資料制作，并試制生產(chǎn)樣板，沉銅板電后孔內(nèi)無毛刺，品質(zhì)良好，如圖9。

圖9 優(yōu)化后槽孔品質(zhì)良好

六、銑槽試驗小結(jié)

1）PTFE材料不適合機械加工直角金屬化槽孔，在工程階段應(yīng)及時與客戶溝通，更改圓角槽型，可以使用鉆槽也可以銑槽，減少毛刺。

2）無法更改時，工程階段將角孔整合進銑槽路徑中，刀具用1.0mm制作工程資料；生產(chǎn)時選用螺旋銑刀，行刀速度在需要適當(dāng)下調(diào)；加工時完成一次銑槽加工后再加工一次，二次加工行刀速度可以更改為原參數(shù)，可以達到一個較理想的加工效果。

針對PTFE系列板料進行的槽孔生產(chǎn)實驗跟進，得出以下結(jié)論：

1) 鉆槽孔，按照優(yōu)化后作業(yè)參數(shù)生產(chǎn)，工程資料進行加密孔，孔數(shù)由G85格式工程資料設(shè)備默認(rèn)n孔增加到 4n-3孔，并且采用線性鉆法，可以得到較好的加工效果。

2) 銑槽孔，直角槽孔需要CNC加工時，工程資料優(yōu)化階段，將角孔整合進銑槽路徑中，刀具用1.0mm制作工程資料；生產(chǎn)時選用螺旋銑刀，行刀速度在原基礎(chǔ)需要適當(dāng)下調(diào)；加工時完成一次銑槽加工后再加工一次，第二次加工行刀速度可以更改為原參數(shù)，可以達到一個相對理想的加工效果。

3) 針對PTFE板料直角槽孔，在前階段建議客戶進行資料優(yōu)化，更改為圓形槽孔，在不影響插件功能的前提下，可以達到更好的加工效果。