高速材料钻孔解决方案研究

陈海斌 邹卫贤

（深圳市金洲精工科技股份有限公司，广东 深圳 518116）

0 前言

高速材料因其超低传输损耗、高耐热、高可靠性的性能，广泛应用于第5代移动通信系统（5G）的通信基础设备、高端服务器、路由器、开关、无线基站等。随着“5G”大规模的应用，高速印制板使用量越来越多。因为高速板材低Dk/Df的属性，高速板的钻孔加工通常会存在内层互连失效（ICD）、钻头寿命低、加工效率低及钻孔成本高等棘手问题，对PCB厂家的钻孔制程提出了较大的挑战和要求。本文在针对高速板钻孔加工的钻头普通白刀的选用、涂层刀具的选用、钻孔参数如何优选的基础上，探讨高速板钻孔的可行性解决方案，最终达到高速板材PCB钻孔的高效、低成本的应用要求。

1 高速板钻孔问题分析

1.1 高速板钻孔的主要问题

1.1.1 ICD失效

ICD（Inner Connection Defects）为内层互连缺陷[1]。对于PCB生产厂家而言，ICD问题在电测工序较难有效拦截，往往是流到下游甚至是客户端。在进行SMT（表面安装技术）贴装过程，PCB板经历IR（红外线）无铅回流焊、波峰焊接、以及一些手工焊或是返修等高温制程的冲击下，会发生内层互联失效开路，而此时的PCB已进行了组装，因此产生极大的品质风险。高速板在加工过程中容易出现钻污，如图1所示。

1.1.2 钻孔效率低成本高

为了减少ICD风险，加工高速板时，一是钻头加工寿命普遍设置较低，通常只有普通PCB板钻孔寿命的1/2或者更低；二是钻孔的落速设定较低（通常比普通板低20%以上），且因换刀非频繁，整体加工效率极低。这样的钻刀寿命和效率设定使得高速板钻孔加工的成本极高，交付周期拉长，造成大量积压的研磨针库存在难以消耗。

1.2 高速板难加工的原因分析

高速材料具有低Dk、低Df的特性[2]，其极性小，材料活性低，去除胶渣困难。同时，高速板材介质层树脂填料多，物理特性比较硬[3]，对钻头的钻嘴磨耗大，孔壁粗糙度大，钻嘴摩擦高温凝胶较多，可能导致除胶药水循环不良，造成除胶效果不佳，从而产生ICD失效。

1.3 高速板加工对策分析

避免ICD问题关键在于高频材料PCB钻孔和除胶参数DOE（正交试验）试验验证，寻找改善方案[4]。在板材和除胶参数DOE确定的情况前提下，控制孔壁粗糙度、改善钉头异常的关键在于钻头的设计与优选、钻孔工艺参数优化与控制。

2 钻头的设计与优选

2.1 钻头不同型号的优选

ICD产生主要与钻孔时产生的钻污有关，控制ICD，对钻头的排屑和发热有严格要求。试验表明：不同型号的钻头对排屑和发热有明显的差异。

选用金洲公司所生产的UCSN（普通钻头）和USF（双刃单槽钻头）两种不同型号的钻头做对比分析，分析钻污厚度的主效应因子。

试验方法为：M6板材T1.8 mm，钻头寿命设定为H500，研磨1次，进给速度设置为70 IPM。试验结果如图2所示。

通过分析试验结果可知：

（1）钻头寿命与钻孔钻污的残留呈现较高之相关性；

（2）USF型钻头的钻孔钻污残留较少。

图1 ICD问题

图2 钻污厚度主效应图

2.2 涂层效果的验证

刀具表面涂层技术是一项优质表面改性技术，它将刀具基体与硬质薄膜表层相结合，使基体保持良好韧性和较高强度。硬质薄膜表层具有高耐磨性和低摩擦系数，从而使刀具的性能大大提高[5]。为进一步验证涂层的作用，进行对比测试。

试验条件如下：

测试板材：M6 3 mm板厚、26层板；酚醛垫板；0.15 mm铝片。

测试钻头：USF 0.20 mm×4.0 mm未涂层钻头及SHC涂层钻头。

测试参数：主轴转速S：130 Kr/min，落速F：30 mm/s，退刀 U:300 mm/s，孔数H:1。

通过对比视频，可以发现SHC涂层钻头在钻孔过程中切屑能够及时排出，而未涂层钻头在回刀过程中出现大量碎屑，说明钻孔过程中普通钻头螺旋槽内留有大量切屑未及时排（见图3）。

结论：SHC涂层钻头排屑性能优于未涂层钻头，有利于降低钻孔温度，提升钻孔质量。

3 钻孔工艺参数的优化

3.1 涂层刀钻孔落速提升试验

为了进一步分析涂层刀与白刀在不同的钻孔落速下对钻孔质量的影响，进行了钻孔试验，加工条件（见表1）。

钻孔验得到钻孔品质和钻尖磨损样图如图3所示。从图3可以看出：按表1参数加工，涂层刀面磨损较轻微，涂层刀生产的板件表面批锋较小，两种刀具均未出现焊盘拉脱、爆孔等现象。利用SHC涂层刀的润滑作用，可以大幅提升钻孔的进给速度。

3.2 涂层刀钻孔寿命提升试验

为了进一步分析涂层刀与白刀在不同的钻孔寿命下对钻孔质量的影响，设计了钻孔试验，如表2所示。在表2参数下对比试验切片，结果如图4所示。通过试验结果分析可知：0.25未涂层钻头钻孔后孔粗表现不良；0.25SHC涂层钻头在提升钻孔寿命的情况下孔粗效果优异。

以上试验结果表明：在加工参数优化的情况下，使用SHC涂层产品，钻孔进刀速度可提升30%，钻头寿命可提升60%以上。

4 结论

通过以上的实验设计和结果对比可以看出：（1）USF型（双刃单槽钻）相比UCSN型（普通钻）在高速板的ICD问题上效果明显；

表1 钻孔落速试验加工参数

图3 钻孔品质样图

表2 不同寿命的钻孔试验

图4 USF与SHC加工高速板材的对比效果

（2）SHC涂层钻头在排屑性能方面明显优于未涂层钻头，有利于降低钻孔温度，减少ICD的发生

（3）选用USF型号单槽钻头结合SHC涂层的钻头，在高速板上的钻孔寿命和钻孔落速方面均可大幅提升。

综上所述，选用USF型单槽钻头结合SHC涂层能有效解决当前PCB厂家对M6型等高速板钻孔存在的ICD问题、加工效率低、钻孔寿命低的三大钻孔难题。