高频高速印制板钻孔技术提升研究

张伦强 刘 飞 欧亚周（深圳市柳鑫实业有限公司，广东 深圳 518106）王成勇 廖冰淼 李 珊（广东工业大学，广东 广州 510006 ）

高频高速印制板钻孔技术提升研究

Paper Code: S-139

张伦强 刘 飞 欧亚周
（深圳市柳鑫实业有限公司，广东 深圳 518106）
王成勇 廖冰淼 李 珊
（广东工业大学，广东 广州 510006 ）

文章主要讨论了不同基材的高频高速印制电路板的钻孔特性差异。在此基础上探索与高频高速印制电路板材料性能钻孔特性的盖垫板匹配性，以及盖垫板搭配使用对高频高速印制电路板钻孔加工技术和孔内残胶（即引起ICD）的优化改善方案。

盖垫板；钻孔；高频高速PCB；基板材料；九壁与孔环互连缺陷

1 前言

随着互联网络的不断进步，电子信息、信号朝着容量大、多样化、快速化发展。每波长的信号量由原来的10 Gbps发展到40 Gbps，甚至由于发展到多重化，可达到数Tbps信号容量。移动电话的传送速度已由3G向5G过渡；今后MPU时钟频率会更加高，从而使得目前的通信基地设施、大型计算器、网络设施、移动通讯等用PCB，在信号高速化要求上表现更为强烈。随着信息技术向数字化、网络化的迅速发展，超大容量的信息传输，超快速度和超高密度的信息处理已成为信息技术追求的目标。近几年随着智能化和云计算、云终端等发展，通讯电子产品、可携带电子装置、通讯设备等推动，应用这些领域的高频高速印制电路板需求在不断增长，并将成为印制电路板主流之一。

高频高速印制电路板的主要基材是高频高速覆铜板，高频高速覆铜板是开发的一类具有低介电常数（Dk）和低介电损耗（Df）的功能性覆铜板材料，其介电常数（Dk）越低，信号在介质中传送速度越快、能力越强；其介电损耗（Df）越低，则信号在介质中传送的完整性越好。高频高速覆铜板制造的通信、网络设备用基板，多为高多层板（层数多在14～40层），基板多为大面积（400 mm×400 mm ～ 800 mm×800 mm居多），大厚径比的孔结构设计。这类基板不仅要求基板材料具有低Df、低Dk的特性，还要求基板材料有更高的耐热性、良好的加工性，以确保它的通孔高可靠性。这类通信、网络设备用基板对无铅焊接条件非常苛刻，通常以采用改性聚苯醚树脂（PPE），或环氧树脂改性氰酸酯树脂为主流。

高频高速覆铜板通常会选择一些低介电常数（Dk）和介电损耗（Df）的树脂如PPO、PTFE、氰酸酯等，这些树脂具有结构规整和对称、极性低、游离的极性电子少等优点，但其活性低，树脂反应和除胶难度很大。受高频覆铜板具这些特性影响，使其具有硬度高、磨损大、钻屑去除难、粘结强度低、固化条件高等弱点，给高频电路板制造工序带来很大困扰，尤其是在钻孔、除胶、电镀工序中。高频高速印制电路板机械钻孔加工常见问题有：钻针磨损大、孔位精确度低、钻孔孔数少和钻孔进刀速小、钻孔效率低和寿命短、钻屑去除难等。

高频高速印制电路板的基板特性及加工性能与常规的FR4印制电路板存在较大差异，研究高频高速印制电路板的钻孔加工机理和性能及其影响因素，解决高频高速印制电路板一些常见钻孔加工问题，优化和提升其钻孔加工性能，是十分必要的，本文重点着手这一方面的研究。

2 实验准备

本研究实验选择了两款知名的、应用范围较广的高频高速覆铜板材料与一款常规FR4高Tg覆铜板材料，制作26层厚度为3.0 mm的高多层板进行研究，其材料特性见表1 高频高速覆铜板材料特性，图1为高多层结构。

表1 高频高速覆铜板材料特性

试验所需物料及设备见表2所示。

3 钻孔加工实验条件及主要评估装置

3.1 钻孔加工的工艺参数设定

钻孔参数：Φ0.25 mm∶S155 krpm，F2.8 m/min，R15 m/min；

Φ0.45 mm∶S100 krpm，F2.5 m/min，R15 m/min；

钻深设定：钻孔加工深度：0.6 mm；孔壁间距1.0 mm。

钻孔加工孔的数量：1500 hits。

重复针数：5支。

表2 研究的盖垫板及检测设备

图1 PCB板结构

3.2 主要评估装置

本实验评估装置主要包括高速摄影系统、钻削测力系统、红外测温系统等。

4 实验结果与分析

本文以Φ0.25 mm孔径作为重点报道。

4.1 不同基材的高频高速印制电路板钻孔特性研究

在无盖板、垫板一致的情况下，我们对比研究高频高速印制电路板与FR4高Tg印制电路板在钻孔特性上的差异。所得了它们的以下五方面的差异。

4.1.1 入钻、切削、排屑过程中的差异

通过高速摄影系统拍摄钻孔加工的入钻、切削、排屑过程，观察发现高频高速印制电路板的钻孔加工过程中入钻呈大团聚体、间歇性的挤出排屑；FR4高Tg印制电路板的入钻呈松散小颗粒、连续性的排屑。Φ0.25 mm孔径退刀含带大量钻屑间歇性排出，Φ0.45 mm孔径退刀含带钻屑量少。表3为Φ0.25 mm孔径高速摄影动态图像中截剪部分代表图片，表4为Φ0.45 mm孔径高速摄影动态图像中截剪部分代表图片。

表3 Φ0.25mm孔径入钻、切削、排屑过程的高速摄影

表4 Φ0.45mm孔径入钻、切削、排屑过程的高速摄影

4.1.2 切屑形态的差异

从表5中的切屑形态SEM图片可以看到，两款高频高速印制电路板的切屑呈黏附性的大团聚体状，Test1的黏附性比Test2严重，且Test2中含有球形状的填充材料，而FR4高Tg印制电路板的切屑呈松散的小颗粒状。根据三款印制电路板的切屑粘附程度，可以大致推断Test1的刚性和软化点最小，较大的为Test2，最大的为Test3。

表5 切屑形态SEM图

4.1.3 钻削轴向力的差异

三款不同材料的印制电路板的钻削轴向力存在差异，初期入钻上表面铜箔的钻削轴向力相差不大，随之不同介质层切削或介质层包覆铜切削的钻削轴向力存在差异，同时随着入钻深度加深，排屑形成反作用力，使得钻削轴向力呈一定的逐步减小趋势，见表6所示。通过钻削轴向力对比，进一步验证了高频高速印制电路板的基材刚性低于FR4高Tg印制电路板的基材。

表6 钻削轴向力对比图

4.1.4 钻削温度的差异

对三款印制电路板钻孔加工1500孔的过程进行红外测温，发现三款印制电路板的钻削温度相差不大，其中Test2的钻削温度略低3 ℃左右，其它两款接近，分析可能是Test2基材中添加了球形填充材料所致，据了解，球形填充材料一定程度上具有降低磨损和润滑功效，从而可间接减少因磨损而产生的热量，使得其钻削温度有所下降，见表5SEM切屑形态图和表7钻削温度对比图所示。

表7 钻削温度对比图

4.1.5 孔内残屑的差异

钻孔加工后进行无灌胶切片制作，然后采用SEM对孔内壁进行观察，发现三款印制电路板钻孔加工后的孔内壁残屑存在一定的差异，Test1孔内壁含有大量的残屑，且残屑黏附孔壁严重；Test2孔内壁少量残屑黏附孔壁；Test3孔内壁也有较多的残屑，但残屑较为松散的附着于孔内壁上。两款高频高速印制电路板由于切屑具有一定的黏附性，使得入钻、排屑时，易形成大团聚体，造成钻孔排屑不畅，切屑易被挤压黏附在孔内壁上，这些黏附型的残屑不利于后工序超声波处理，会增加Desmear除胶难度，使得PTH电镀后易出现孔内残胶异常；FR4高Tg印制电路板的切屑呈松散、小颗粒状，易于排屑，但切屑量大，排屑时切屑易散落在孔内壁上，这些松散型的残屑易被后工序超声波处理，PTH电镀后不易产生孔内残胶异常，见表8孔内残屑SEM图和表9 电镀后孔内残胶所示。

表8 孔内残屑SEM图

表9 电镀后孔内残胶

4.2 不同基材的高频高速印制电路板钻孔特性差异对钻孔质量的影响研究

从表10 钻孔性能对比图中可以看到，以上所述的不同材料的印制电路板的几方面钻孔特性差异的存在，所造成了它们在钻孔质量评价上的不同。其中以Test2的钻孔质量的均衡性较佳，每项都优于其它两款基材；Test1 和Test3的钻孔质量相当。

表10 钻孔性能对比图

由以上实验所得的结果可知：

通过我们大量的对高频高速印制电路板用基材的钻孔试验工作，以及开展对国内外这类覆铜板技术发展现况调查和了解，我们认识到：高频高速印制电路板的基材普遍偏软且软化点低，钻孔高温易使切屑黏附成大团聚体，造成入钻排屑不畅而形成间歇性的挤出排屑，切屑易被挤压黏附在孔内壁上，不利于后工序的超声波和Desmear除胶处理，使得PTH电镀后易产生孔内残胶异常。同时由于高频高速印制电路的基材具有低Dk、低Df的特性，其极性小，材料活性低，难以被Desmear除胶掉， 从而加大了钻孔加工后孔内残屑对PTH电镀后孔内残胶的影响。高频高速印制电路板的基材中适当添加一些球形填充材料，有利于减少钻针磨损，降低钻削温度，一定程度上可能还有利于减弱切屑的黏附程度，利于钻孔排屑，提高整体钻孔性能。

FR4高Tg印制电路板的基材刚性较大、软化点高、活性强，切屑呈松散、小颗粒状，入钻、排屑过程呈大量松散、连续性排屑，切屑大量散落于孔内壁上，后工序的超声波和Desmear易除胶处理，PTH电镀后不易产生孔内残胶异常。

4.3 盖/垫板对高频高速印制电路板钻孔加工的影响

通过不同的盖/垫板搭配，研究盖/垫板对高频高速印制电路板的钻孔机理和钻孔性能的影响。此节以其中一款高频高速印制电路板基材（Test1）对不同的盖/垫板适应性，作以重点的阐述。

4.3.1 入钻、切削、排屑过程

由于高速摄影时不能使用压力脚，盖板与印制电路板贴合易产生间隙，高速摄影效果欠佳。

4.3.2 钻削轴向力

从表11钻削轴向力对比图中可以看到，不同盖板的入钻钻削轴向力存在差异，增加盖板可以一定程度上延缓钻削轴向力，尤其是覆膜型盖板，有利于降低断针率。

表11 钻削轴向力对比图

4.3.3 钻削温度

从表12钻削温度对比图中可以看到，增加金属盖板对降低钻削温度有较大的帮助，普通铝片可降温20 ℃ ～30 ℃，MVC-14100可降温40 ℃ ～ 50 ℃。MVC盖板属于一种表层涂有润滑、散热功效的树脂的覆膜型盖板，故钻孔加工具有减少磨损和散热的功效。

表12 钻削温度对比图

4.3.4 钻孔精度

增加不同盖板对提升钻孔精度有较好的效果，覆膜型的MVC盖板表层涂有一层较软的树脂层，利于钻针入钻的定位，消除了普通铝片在入钻的瞬时出现的打滑问题，从而大大提升了钻孔加工的精度。

4.3.5 钻孔残屑

钻孔加工后无灌胶切片SEM观察孔内残屑情况，发现增加不同盖板还对改善孔内残屑有一定的帮助。使用普通铝片钻孔加工后，孔内壁残留的大团聚体、黏附性的切屑极少；使用MVC-14100钻孔加工的孔内壁光滑、残屑少。这些与盖板的散热功效有着密切的关系，盖板散热效果好，钻削温度下降，切屑黏附性减弱、黏附颗粒变小，排屑更顺畅，使得孔内壁残屑减少。

4.3.6 钻孔性能

采用不同盖/垫板搭配进行两款高频高速印制电路板钻孔加工性能对比测试，发现不同盖板中，MVC-1400综合钻孔性能最佳，其次为MVC-1460，最后为普通铝片；不同垫板中，TY-90-2综合钻孔性能最佳，其次RH-80，最后为密胺垫板。MVC盖板对钻孔加工的残胶改善有一定的效果，TY-90-2和RH-80垫板对改善残胶也有一定的效果，两者搭配可以达到更佳的残胶改善效果，甚至解决残胶问题。

表13 Test1钻孔性能对比图

表14 Test2钻孔性能对比图

由以上实验所得的结果可知：不同盖/垫板搭配对高频高速印制电路板钻孔加工机理和性能有着较大的影响。盖板的定位、散热、延缓钻削轴向力等功效，尤其是润滑、散热型盖板，能有效的提升钻孔精度、降低钻削温度、改善孔内残屑、提高综合钻孔性能。垫板中，TY-90-2垫板结构致密且密度大，有着较好的定位功效，同时钻孔切削时沿钻针排屑槽形成锥螺旋带状切屑排出，有利于对印制电路板孔内壁进行清扫，减少孔内壁残屑；RH-80垫板属散热、润滑型垫板，具有降低钻削温度的功效，减弱切屑的黏附程度，有利于排屑。TY-90-2 和RH-80对高频高速印制电路板钻孔加工的钻孔精度提升和残胶改善等亦有较好的效果。

5 结语

本项目研究，在针对不同基材的高频高速印制电路板的钻孔特性的模索、认识的基础上，探索、改善对这类PCB基材的钻孔加工的盖垫板适应性，以及得到了盖垫板搭配使用对高频高速印制电路板钻孔加工技术和孔内残胶（即引起ICD现象）的优化改善的研究新成果。

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张伦强，研发中心主任，多年从事覆铜板、绝缘材料、PCB用盖垫板的技术研究工作。

The drilling technology improvement research for high-frequency and high-speed PCB

ZHANG Lun-qiang LIU Fei OU Ya-zhou WANG Cheng-yong LIAO Bing-miao LI Shan

This paper mainly discusses the differences of drilling performance of different high-frequency and high-speed laminates and PCB, and to explore the matching for the entry and backup boards and the drilling performance of high-frequency and high-speed PCB, and to study the improvement scheme for drilling technology and hole residue of high-frequency and high-speed PCB using different entry and backup boards.

Entry and Backup Boards; Drilling; High-Frequency and High-Speed PCB; Laminates; ICD(Internal Connection Defects)

TN41

A

1009-0096（2015）03-0098-08