印制板用微型钻头及微孔钻削进展

付连宇 郭 强

（深圳市金洲精工科技股份有限公司，广东 深圳 518116）

1 前言

微孔是PCB 的重要组成部分，经电镀以后的微孔在PCB 中起着电气互连作用。印制板钻孔（包括激光钻孔）工序是印制板生产的基本和关键工序之一，机械钻孔主要采用微型钻头在机械钻机上进行。微型钻头的主要材料为硬质合金，为节约宝贵的钨资源及降低成本，在微钻头的结构形式上，焊接式微钻头已经逐步取代了原有的整体硬质合金微钻头。同时新型微钻头设计不断出现，特别是以单槽钻和单刃钻最具有代表性，明显地提高了微钻头的性能。为了解决难加工板材的钻孔以及进一步提高微钻头的性能，涂层微钻头的研究受到普遍关注，并已经开始成熟和产业化。随着主轴转速为35万转/分钟的钻机的应用逐渐增多以及封装基板、挠性印制板的技术进步，直径为0.15 mm、0.1 mm及以下的钻头应用量越来越大，微钻头向更微细的方向发展的趋势明显。

为了更好的理解钻孔过程，微孔钻削的应用基础研究在近几年也取得长足进展，在微孔钻削机理以及微孔钻削监测领域的研究逐渐深入。本文即对微钻头及微孔钻削的进展进行综述，对微钻头和微孔钻削的趋势进行展望。

2 机械钻孔及微型钻头

PCB的微孔加工方法主要包括机械钻孔和激光钻孔，受高端智能手机及平板电脑的驱动，任意层互连技术得到快速发展，激光钻孔在任意层互连印制板制程中应用广泛，此外激光钻孔在高密度互连印制板的积层微孔加工也有普遍应用。激光钻孔的突出优势是钻孔效率高，而机械钻孔则在通孔加工上优势明显，而且在极细微孔加工上，机械钻孔也表现出极大的潜力。激光钻孔和机械钻孔相互补充，共同推进PCB行业的技术进步，没有迹象表明二者为相互替代的关系[1]。正如知名期刊《Circuit World》的主编Martin Goosey教授指出的那样“几年前有人质疑传统的机械钻孔方式能否满足孔径日益减小的微孔加工，激光钻孔成为微孔加工的解决方案，但是正如当传统技术受到新技术威胁时，机械钻机和微钻头总能不断发展，使得原来认为不可能的高速钻削成为可能”[2]。

近几年亚洲尤其是中国PCB市场的表现令人瞩目，占全球PCB市场的份额持续扩大。根据PRISMARK发布的数据，2012年中国占全球PCB的比例为40%，预计到2017年该数字将增长到45.1%，继续领跑全球的PCB市场。与持续看好的全球PCB市场相适应，全球的微钻头市场取得了长足的发展，目前全球微钻头（含铣刀）的年消耗量超过12亿支，而且该数字当然会随着全球PCB规模的扩大而变大，PCB微钻头市场被广泛看好。随着全球PCB向亚洲的转移以及与中国PCB稳定的增长势头相适应，中国PCB用微型钻头市场越发成熟，整个微钻头的市场规模超过5亿支，而且中国PCB微钻头市场稳定增长的趋势不减。

微钻头的市场变化也带来了微钻头研发和生产格局的明显变化。和欧美的微钻头生产厂相比，亚洲的微钻头生产厂，尤其是中国的微钻头生产厂表现出更强劲的发展势头。以深圳市金洲精工科技股份有限公司为代表的优秀民族品牌企业迅速崛起，无论从技术水平还是产品品质上都处于行业内的一流水平。目前金洲公司微钻头的年产销量已经超过1.8亿支，按照金洲公司的发展规划，今后几年微钻头的产能还会以近15%～20%的年增长速度递增，继续为推动中国PCB行业的发展和技术进步、推动中国由PCB制造大国向PCB制造强国迈进。

典型的PCB用微型钻头如图1所示。PCB行业的发展也推动着微钻头的技术进步，微钻头生产的自动化程度持续提高，典型的微钻头（含铣刀）生产线如图2所示。同时微钻头的品质保证能力得到增强，一流的微钻头企业都实现了微钻头缺陷（图3）的100%全自动检测，微型钻头的性能持续提升。

图1 微型钻头

图2 典型的微钻头生产线示例

图3 需要控制的微钻头缺陷示例（左起：缺口、外倾、内倾、分离、重叠、大小面）

3 新型结构微型钻头不断出现

3.1 焊接型微型钻头逐渐普及

目前PCB微钻头材料是硬质合金，是由一种或多种难熔金属的碳化物（如碳化钨WC）作为硬质相，用金属粘结剂钴（Co）作为粘结相，经粉末冶金方法烧结而成的一种硬度高、耐磨性高、抗压强度高的复合材料。它的性能特点有：硬度高、耐磨性高；抗压强度高；稳定性好。与工具钢相比，硬质合金可提高工具寿命、提高了切削速度和劳动效率、改善工件的精度和光洁度。一般来说，硬质合金中WC晶粒越细，粘结相Co的平均自由程（即硬质相WC晶粒间钴层的厚度）会减小，抗弯强度、硬度、耐磨性增强。

鉴于PCB制程对微钻头的耐磨性、抗折性以及加工性能有很高的要求，微钻头对硬质合金材料的性能有较高的要求，主要包括[3]：（1）较高的耐磨性与断裂韧性；（2）较高的热导率；（3）硬质合金中WC晶粒越细越好；（4）具有较好的抗化学侵蚀性能；（5）较好的加工性能等。

微型钻头最初由整体硬质合金来制造，在降低成本的因素驱动下，微钻头的结构发生了明显的变化，从整体硬质合金微钻头发展到不锈钢柄和硬质合金对焊式微钻头，再到最新型的不锈钢柄和硬质合金微钻头的非等径平面连接式焊接。微钻头结构形式的可以概括为以下三种（图4）：

图4 不同的微型钻头结构形式

（1）整体硬质合金式微钻头：整支微钻头的材料都为硬质合金；

（2）对焊式微钻头：硬质合金和不锈钢柄的直径相等，平面对接；

（3）非等径平面焊接式微钻头：不锈钢柄部和硬质合金直径不等，采用平面对接。

焊接形式的进步，不断降低硬质合金的使用量，进而降低了微钻头的制造成本，也节约了钨资源的消耗。随着微钻头生产厂研发和制造能力的增强，焊接形式的微钻头凭借其可靠的性能已经取代了绝大部分的整体硬质合金微钻头。

与微钻头结构形式的上述变化相类似，作为印制板外形加工的铣刀结构形式在发生变化，出现了焊接形式的铣刀。即利用不锈钢柄或硬质合金柄和硬质合金工作部分焊接，然后加工成铣刀，如图5所示，目前焊接形式的铣刀在一定的应用范围内表现出良好的使用性能。

图5 不同的铣刀焊接形式

3.2 单槽型微钻头逐步推广

目前常规的PCB钻头包括钻身和钻尖，其钻尖处通常都是有两个对称的切削刃及两组对称的后刀面，钻身上则设有两条对称的螺旋槽。随着微型钻头的直径越来越小，更易断钻，其对刚性的要求也越来越高。而常规钻头两螺旋槽的形式削弱了钻头刚性，抗断的能力提高的空间有限。为解决该问题，单槽型微钻头得到越来越广泛的应用。单槽型微钻头仅有一条完整的长螺旋槽，另一条螺旋槽很短，并且在钻头前部与长螺旋槽汇聚，单槽型钻尖头型结构与普通微钻头相同，单槽型微钻头的螺旋槽形式有几种选择，其中一种如图6所示。

图6 常规型与一种单槽型微钻头结构

单槽型微钻头和常规型微钻头相比，在同样的芯径（图7）条件下，单槽型微钻头的容屑能力更强；故而同样的排尘能力下单槽型微钻头可以将刚度可设计得更好，可达到提高孔位精度的目的。

图7 普通微钻头和单槽微钻头的截面结构

钻孔试验表明（测试参数如表1，结果见图8）单槽型微钻头凭借其独特的结构设计，使得该产品的孔位精度表现优异，可有效提升钻孔孔数、叠板数和降低偏孔报废。

表1 测试参数

3.3 单刃型微钻头性能突出

和单槽钻头相类似，另外一种新型钻头为单刃型微钻头（如图9所示）。该钻头包括钻身及钻尖（钻尖包括横刃及至少一个切削刃）、与切削刃对应的从钻尖一直呈螺旋状延伸到钻身的主排屑槽、切削刃的后刀面对应于横刃的位置处还开设有子槽。单刃型微钻头子槽设计对缠丝性能、断刀性能及耐CAF性能有明显改善，单刃钻的优势如下：

（1）形成了特有的折线刃，增长主切削刃有效长度，同时改善断屑性能；

图8 孔位精度趋势图

图9 常规型与单刃型微钻头结构

（2）增大了靠近中心处的切削刃前角，使得在中心处由挤压变成切削加工，改善切削性能；

（3）下钻轴向力小，定位更精确，且在钻头研磨后仍旧能保持高的孔位精度；

（4）钻削加工中受切削力小，能有效改善切削力大引起的CAF问题；

（5）满足一定条件，使用普通铝片代替镀膜铝片得到相同孔位结果，降低物料成本；

（6）相同条件下，单刃微钻头产品较常规产品寿命明显提升；

（7）满足一定条件，使用单刃微钻头，落速可适当提高，钻孔效率高；较常规型微钻头，单刃微钻头增加叠板数后仍满足加工要求（见图10，钻头直径0.3 mm，主轴转速14万转/分钟）。

3.4 微钻头直径细小化趋势明显

印制板发展的重要驱动力来自HDI板、IC载板和FPC板，其占印制板的比重亦越来越大，PRISMARK发布的数据见图11。HDI板、IC载板和FPC板的一个突出特点是孔小、孔的密度大，从JEITA（日本电子情报技术产业协会）发布的2009版PCB发展路线图可以看出，PCB孔径的微细化将成为PCB发展的必然趋势。图12为JEITA的IC载板机械式钻孔孔径（微钻头直径）的预测，微孔直径不断变小。

图10 孔位精度趋势图

图11 PCB市场预测（数据来源：PRISMARK）

图12 IC载板微孔孔径路线图（数据来源：JEITA）

为适应PCB发展的需求（典型的封装基板加工要求如表2），极细微钻头的研发和生产受到了微型钻头生产企业的高度重视，纷纷投入大量精力来抢占这个制高点。由于封装载板钻头以小径为主，孔密集，板材薄、叠板多，因此钻孔加工中首要避免出现断刀问题、其次是保证孔位的要求，一般来说很少出现孔壁质量的问题。为了保证排尘能力和切削能力，极细钻头一般采用较大螺旋角设计；考虑到钻头的定位及耐磨损性能，钻头顶角一般采用120°、第一和第二面角采用30°和10°设计；为减少钻头与孔壁的磨擦，采用Undercut型设计。目前一流的微钻头企业已经量产直径0.1 mm微钻头，直径0.075 mm的微钻头也能量产，甚至直径为0.05的微钻头也有部分订单，和图12中JEITA给出的数据吻合。此外，部分微钻头生产厂还生产了更微细的钻头作为技术储备，图13就给出了直径为0.02 mm的微钻头。一般来说极细微钻头按柄径分有3.175 mm和2.0 mm两种。

表2 典型的封装基板用微钻头和铣刀尺寸范围及加工要求

图13 极细微型钻头示例

这里需要指出的是，微钻头能向更小的尺寸方向发展，还要得力于钻机技术的进步，目前主轴转速为35万转的钻机开始普及，钻机的性能更加稳定，才使得更细的微孔钻削成为可能。

3.5 加长型微钻头需求量持续增加

印制板有一个发展趋势就是层数越来越多，印制板越来越厚，相对应微孔的厚径比也有越来越大的趋势。同时印制板厂家为了提高钻孔效率、降低钻孔成本，钻孔时增加叠板数的呼声也很高。在这样的背景下，常规的微钻头由于螺旋槽长度的限制已经不能满足要求，必须开发出具有高长径比的微型钻头，才能满足高厚径比微孔钻削的要求。

开发高长径比钻头不能简单地把钻头螺旋槽加长，和常规微孔钻削相比，高厚径比微孔钻削难度很大。首先加长的微钻头螺旋槽显然会降低微钻头的刚度，发生弯曲变形的可能性就会变大，由于微钻头弯曲变形导致微钻头发生断裂的可能性就变大。此外由于钻孔的排尘路径会加长，切屑堵塞在微钻头螺旋槽的可能性就变大，必然会导致微钻头切削扭矩的上升，进而导致微钻头因无法承受过大的扭矩而断裂。此外还切屑堵塞还会导致孔内的温度高，孔粗指标不合格，孔内有钻污。同时微钻头的刚度相对变差，致使微钻头入钻偏差加大，出现孔位精度不良现象。

加长型钻头开发核心的问题就是保证微钻头的变形量尽量小，不会发生断钻，且孔位精度和孔壁粗糙度要保持在合适的水平。为了达到这个目的，高长径比微钻头的材料必须具有合适的粒度、足够的弹性模量和横向断裂强度。此外还要对微钻头的关键参数包括螺旋角、芯厚和沟幅比进行优化，一款直径0.3 mm，长径比为24的加长微钻头示例如图14所示[4]。该类加长微钻头的设计要点如下：

（1）采用较大螺旋角设计，保证微钻头切削锋利以及良好的排尘性能，降低钻削温度，减小孔内钻污的可能；

（2）加大芯厚，提高微钻头的刚度，弥补大螺旋角对微钻头刚度的影响，降低微钻头的弯曲变形，防止断钻；

（3）加大沟幅比，保证微钻头足够的排尘空间，降低大芯厚对排尘空间造成的负面影响。

图14 加长微钻头示例

4 涂层微钻头崭露头角

微型钻头的材料为硬质合金，是一种强度和硬度均较高的材料，但还是不能满足日益提高的钻孔要求。于是工业界和学术界都开始关注微钻头的涂层技术，近几年发展起来的涂层技术使得微钻头的性能得到进一步提高。涂层技术既可使微钻头保持硬质合金的高强度与高韧性，涂敷于微钻头表面的各类硬质涂层又能发挥它们“超硬、强韧、耐磨、自润滑”的优点，从而可提高微钻头的耐用度和适应性，微钻头涂层的功能如图15所示。

图15 微钻头涂层的功能

目前，在世界范围内涂层硬质合金工具的使用量已经占到了各类硬质合金工具总用量的70%。通常PVD（物理气相沉积）技术制备DLC、TiN、TiCN、TiAlN等传统涂层产品，应用于加工金属类、复合材料等的精密刀具上。对于微钻头来讲，由于PCB板材成分更加复杂，存在多种硬质与软质的混合，对微型刀具要求更高。多年的研究表明，传统涂层技术不加改变的移植到微钻头上进行应用是行不通的。

PCB板材加工的复杂环境和对刀具本身在切削锋利度、切削热量、高扭矩负荷等方面的严苛要求，决定了应用于微钻头的涂层必须具备以下特质：

（1）高硬度，延缓刃口磨损，延长刀具寿命；

（2）低摩擦系数，利于排屑，降低切削热量；

（3）与硬质合金刀具基体匹配的热膨胀系数，保障优越的结合力；

（4）保证以上性能的前提下，较薄的膜厚控制，保持刀具锋利度。

近年来，国内外多家单位持续进行该方面研究，其中深圳市金洲精工科技股份有限公司在微钻头涂层方面取得了可喜的突破，目前已经拥有多种性能优越且专门应用于微钻头、微铣刀的涂层技术，推出完善的涂层系列微钻头和铣刀产品（如图16所示）。

适应PCB对微钻头成本、加工效率、加工品质等方面越来越高的要求，涂层PCB刀具产品的普及成为必然的趋势，可预见涂层微型PCB刀具势必会成为市场的主流应用产品。后续的微钻头涂层研究，要朝复合、多元、超硬化方向发展，概括来讲主要是两类技术路线。

图16 涂层微钻头和铣刀示例

PVD技术复合多元涂层：突破传统PVD单一涂层局限，制备多元复合镀膜，在硬度、摩擦系数、结合力、膨胀系数、厚度等多方面与微钻头进行匹配性研究。

CVD（化学气相沉积；化学蒸镀）技术超硬金刚石涂层：目前市场陶瓷填充类的高频板及其它高硬度板材应用逐步增多，此类板材对刀具磨损非常剧烈，刀具寿命大为缩短，加工效率极低，造成加工成本非常高。金刚石涂层的应用是解决该问题的最佳途径，超高的涂层硬度解决了刀具寿命、加工效率、加工成本等问题，同时加工精度及品质非常稳定。

5 PCB微孔钻削研究

5.1 PCB微孔钻削特性研究

PCB微孔钻削的研究历来都受到国内外广大学者和工程界的广泛关注，近几年中国学者的研究颇具特色。以广东工业大学王成勇教授为带头人的团队，先后承担了国家自然科学基金-广东省联合基金、广东省科技攻关、中国博士后基金特别资助等项目，对印制板微孔钻削进行了深入研究，取得重要进展[5]-[10]。

在印制板微细导通孔钻削方面，研究了基于尺寸效应的多层高密度印制板复合材料在介观尺度下的超高速超微细钻削去除机理；揭示了复杂环境下超微细钻头的磨损和断裂失效机制；建立了基于热－力多物理场耦合理论的印制板多相材料表面创成过程与质量控制模型；对弱刚性超高速超微细钻削系统进行多体动力学建模仿真分析和切削加工稳定性研究；研究了物理约束、几何约束和材料性能约束之间相容性，建立超高速钻削多层高密度印制板超微细孔加工系统工艺技术体系。研究结果表明：

（1）钻削过程中形成锥螺旋状切屑（图17），铜屑在在排出过程中重力作用下向下弯曲并折断，最后在微钻头的高速旋转下甩出；环氧树脂玻璃纤维布切屑呈白色粉末状排出，切屑中的树脂容易在受热条件下软化，将玻璃纤维切屑粘附在一起形成混合切屑，这种混合切屑容易粘附在孔壁形成钻污，也会粘附在钻尖影响钻头下一步钻削，更可能会粘附在螺旋槽表面妨碍排屑。

（2）通过扫描电镜观察微钻头磨损形貌发现，微钻头的磨损特征主要是磨粒磨损和粘附磨损。磨粒磨损主要是横刃和主切削刃上的，影响微钻头的使用寿命。印刷电路板中的玻璃纤维和填料是微钻头磨料磨损的主要原因。微钻头的钻尖和螺旋槽表面会发生树脂混合切屑粘附磨损。影响微钻头的切削性能和排屑，进而使孔内温度再次升高，更加剧微钻头磨损。

（3）通过扫描电镜观察微孔切片，发现微孔表面不仅存在入口毛刺、出口毛刺问题，还存在入口圆度误差、入口尺寸误差、钉头、孔位精度、孔壁粗糙等问题。微钻头的毛刺和钉头主要是由微钻头磨损所造成的；微孔孔壁粗糙主要发生在环氧玻纤层中多根玻璃纤维的断裂与脱落；孔位精度（CPK值）主要与主轴振动特性、钻头直径和钻头磨损有关。减小进给速度和增大转速可以在一定钻孔数内提高印刷电路板微孔质量，通过减小微钻头与印刷电路板的接触面积来提高微钻头的耐磨性进而提高微孔质量是最根本的路径。

（4）在挠性板钻削方面：通过红外热像仪测量钻削温度，发现钻削温度随着钻孔数量的增大而急剧上升；通过扫描电镜观察微钻头形貌发现，钻削过程中产生的切屑容易受热形成钻污，并粘附微钻头螺旋槽，妨碍排屑，造成孔内温度，钻污情况加剧。

（5）在盖/垫板钻削方面：通过高速摄影观察盖板钻削过程与排屑情况，发现铝盖板在一定条件下会有铝屑缠绕在微钻头上，且随着钻孔数的增多，更多的铝屑缠绕在微钻头上，妨碍微钻头的正常钻削。通过使用不同盖板和不同垫板钻削印刷电路板，发现镀膜铝片和冷冲板能提高微孔入口质量，酚醛垫板最能提高微孔出口质量。

（6）在印制板安装孔（直径2 mm ～ 3 mm）钻削方面，分析了大孔钻屑形成过程与钻削力特征、大直径钻头磨损和毛刺的关系，分析了大孔钻削加工中钻削力、钻削温度的动态变化规律以及大直径钻头磨损机理。建立了大孔钻削加工条件与印刷电路板钻屑形态、钻屑形成规律、已加工表面质量、钻头磨损的关系，建立了基于热一力多物理场耦合理论的钻削加工PCB板中铜箔材料表面创成过程模型，并对加工过程的多种特征进行了仿真。最后，基于对钻削过程及其主要特征的应用基础理论研究，分析了大直径钻头结构与钻屑排屑的畅通关系，提出了改进大直径钻头几何参数的基本原则和方法，并经过实际验证获得良好的加工效果。

（7）对比印制板大孔钻削与微孔钻削发现其钻削过程具有极大的差异，存在尺寸效应。微钻头钻削的环氧玻纤布切屑中玻璃纤维切屑是相互独立的，而大直径钻头钻削的环氧玻纤布切屑中玻璃纤维仍然有规则的排列在一起；微钻头钻削环氧玻纤布时轴向钻削力波动剧烈，且随钻削参数的改变环氧玻纤布的轴向钻削力有大于铜箔钻削力的趋势，而大直径钻头钻削环氧玻纤布时平稳且小于铜箔轴向钻削力；微钻头钻削温度远远低于大直径钻头钻削温度；微钻头钻削和大钻钻削的刀具磨损都主要为磨粒磨损，在微钻头钻削时还存在树脂混合切屑粘附在横刃和螺旋槽内，影响微钻头切削性能和排屑，而大直径钻头则树脂混合切屑粘附和妨碍排屑的问题。

图17 进给对切屑形成的影响[D=0.1mm,f=（0.004, 0.006, 0.008, 0.01, 0.012）mm/r,n=50 krpm, vr=333 mm/s]

5.2 PCB微孔钻削的在线监测技术

对钻孔过程进行监测不但可以对钻孔过程的状态进行判断，更重要的是拾取的各种钻孔过程的信息对理解钻孔过程、优化钻头设计具有重要意义。在国内，广东工业大学、深圳市金洲精工科技股份有限公司、深圳大族数控科技公司、深圳大学对切削过程的温度监测、影像监测和力监测进行了较为深入的研究，有众多研究成果在业内发表。

钻削温度是反映微钻头使用性能和板材可加工性的一个重要指标，微钻头与板材之间磨损的剧烈程度，钻削是否顺畅，加工参数是否合理都可以在钻削温度中得到体现。过高的钻削温度会导致刀具寿命降低、板边质量下降。因此对钻削温度的在线监测是微钻头制造商进行新产品开发和PCB生产商优化钻孔工序的重要工具。一般来说，温度测量的常用工具包括热电偶、红外测温仪和红外热像仪。热电偶法属于接触式测温，测温的准确度高，测量的温度误差较小，但埋入电路板比较困难，安装、定位比较麻烦，实现连续测温困难。红外测温仪属非接触式测温，测温的准确度高，容易捕捉物体表面温度，但对体积非常小的物体，需要较为准确的定位，且大多是人为触发，连续测温实现起来也比较困难。红外热像仪属于非接触式测温，不但测温的准确度高，还可在线连续拍摄记录目标温度，通过微距镜头可测量小目标物体，以被测物温度场图像的形式记录。与热电偶和红外测温仪相比，热像仪可在一定距离内实时、定量、在线检测发热点的温度，通过扫描，还可以绘出被测目标温度梯度热像图，而且灵敏度高，便于现场使用，因此使用红外热像仪对钻削温度进行在线监测是很合适的选择[11]。深圳市金洲精工科技股份有限利用红外热像仪对钻削温度进行了监测，使用的系统和温度测量曲线示例如图18所示，图中温度曲线准确地刻画了钻孔过程中温度的变化趋势，通过对比试验就可以对微钻头的性能以及印制板的可加工性进行评价。

图18 钻削温度在线监控系统及钻孔温度曲线示例

通过钻孔影像可以深入研究高速状态下微钻头的入钻行为、考查微钻头的排尘情况、分析发生堵塞排屑槽的临界条件、定量获得排屑量与钻头结构、参数及加工参数之间的关系、确定排屑情况与钻孔孔径、基板材料之间的关系以及对抗断钻性能进行评估。PCB微孔是一个复杂的过程，钻削主轴转速很高，因此只有高速摄像仪才能捕捉到钻孔过程的影像信息。在微孔钻削的影像监测过程中，光源系统对高速影像的获取有至关重要的作用，光源系统设计的不合理就无法获得满意的钻孔影像。在PCB微孔高速钻削的影像监测领域，广东工业大学的研究比较有特色，对微孔钻削的影响进行了细致的分析，图19给出了0.1 mm微孔钻削的影像监测结果。

图19 FR-4 板内铜箔钻削过程高速摄影

图20 钻削力监测系统及钻削力曲线示例

微孔钻削的力监测是钻削过程监测的另外一个重要内容，钻削力信号包含了丰富的微小钻头切削状态的信息，可以通过研究钻削力来判断钻头的切削状态，从而在提高孔的品质和孔位精度的基础上，优化钻头的设计。PCB钻孔切削力比较微小且变化频率很高，一般的测力计无法满足要求。图20给出了基于Kistler高精密微型测力仪的钻削力监测系统以及一组钻削力曲线，分析该曲线的信息，就可以判断钻头的工作状态是否正常，比较不同钻头的受力情况就可以判断钻头的设计是否有优化的空间[12]。

6 结论及展望

未来几年全球PCB市场仍然会保持稳定的增长态势，与之同步的微钻头市场也被广泛看好，特别是中国的微钻头市场更是值得期待。微钻头市场规模不断扩大的同时，在研发、制造和使用上都取得了令人瞩目的技术进步。焊接型微钻头渐成主流，在保证微钻头性能的前提下，显著降低了微钻头的成本。单槽钻和单刃钻的普及颠覆了传统的微钻头设计，使微钻头的性能得到了大幅度的提升。顺应IC载板、挠性板的发展，微钻头直径微细化趋势明显。为了满足高厚径比PCB钻孔及增加叠板数的要求，加长型微钻头（长径比为20～30）的需求较以往更加强劲。在持续提高使用性能及为难加工板材提供钻孔解决方案的要求驱动下，微钻头的涂层技术取得长足进步，一流的微钻头企业已经实现了涂层微钻头的产业化。微孔钻削过程的研究受到了高等院校和企业界的高度关注，微孔钻削机理、微孔钻削温度、钻削力和钻削影像监测领域的研究都取得了一系列的成果，为更好地理解钻孔过程和优化微钻头的设计提供了基础数据。

展望未来几年，虽然焊接式微钻头已经很成熟，但是为了进一步降低微钻头的制造成本，仍然需要研究新的微钻头焊接形式，以期使用更少的硬质合金。单槽钻和单刃钻普及的时间还不长，仍然还有很大的优化空间。由于极细微钻头的加工难度大，因此需要关注如何保证极细微钻头的品质以及提高极细微钻头的加工效率。加长钻头的研发不但要关注钻头本身，合适的钻孔方法也是保证高厚径比微孔钻削顺利进行的必要条件。涂层微钻头被认为是最具有应用潜力的微钻头新产品，但是涂层微钻头开始批量应用的时间不长，期待开发出能适应更多类型印制板、性能更加稳定的涂层技术和产品。钻削过程机理研究和过程监测的研究应该重点关注现有研究成果的转化，加强产学研合作，共同推动微钻头的技术进步。

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