印制板用高长刃钻头开发及应用

俞建星 刘吉庆 孙 游 陈 光

(华伟纳精密工具（昆山）有限公司，江苏 昆山 215345)

0 前言

随着PCB设计不断趋向更高密度，更小的线宽线距、更小的导通孔直径、更高的电路板层数与厚度等发展趋势，随之而来的高厚径比板（厚径比≥20以上）的钻孔品质也是必须面对和需要克服的难题。

本文通过分析高厚径比料号生产难点，研究高长刃钻头相关设计因子，提出不同钻头设计，同时进行相关验证测试，最终成功开发出高长刃系列钻头，并通过客户相关测试。

1 高厚径比料号钻孔生产工艺

1.1 高厚径比料号生产方式

钻头通过钻机在高转速和一定落速带动下，配合适当的垫盖板，达到钻穿线路板的目的，从而为最终完成孔壁电镀做准备。目前高厚径比料号常见生产方式有：多刃长钻头组合、正反面对钻、单支高长刃钻头分步钻等（见图1）。

图1 机械钻孔叠板与加工方式

多刃长组合钻受多次钻孔对位影响，易发生对位不佳产生阶梯及断刀等影响，同时加工效率很低；正反面对钻则容易受两次定位差异产生台阶，另外加工效率也相对较低；单支高长刃钻头分步钻穿的方式，主要受断刀和孔偏等因素的影响，对加长刃钻头的品质要求极高。

1.2 高厚径比料号生产难点

普通料号通常厚径比10以下，以0.20 mm的钻孔制造径为例，

板厚一般控制在2 mm以下，随着目前的PCB设计发展，在制造径

不变的情况下，板厚设计越来越厚，目前0.20 mm孔径已设计到4.5 mm以上，但断钻、孔偏破、孔壁异常等问题也随之增加，对现场生产及工艺提出了巨大的挑战（见图2）。

图2 断钻、孔偏破、孔壁不良

因为板厚、铜层的增加，切削深度及阻力也随之增加，钻头崩断、偏位、刀面磨损严重、排屑不佳等问题也是必须面对和需要克服的难题。同样情形下，刃长越长偏移越大（见图3）。

图3 高长刃钻头偏移量

2 高长刃钻头设计

2.1 钻头设计说明

总结高厚径比料号钻孔难点，主要在钻头定位、刚性、排屑、散热几个方面，因此在钻头设计的诸多因子中选取相应设计因子进行开发验证（见图4）。

2.1.1 钻尖角

图4 钻头各项参数

钻头两个主切削刃的夹角。钻尖角大小影响定位、排屑角度、切屑力、毛刺的产生、孔内壁粗糙度的重要因素。钻尖角越大，在相同进给量下切削越厚，就越有利于断屑。大钻尖角产生的切屑厚而且窄，小钻尖角则宽而且薄。另一方面，钻尖角越小，定位能力越强（见图5）。

图5 钻尖角对钻头性能的影响

2.1.2 螺旋角

螺旋角是螺旋线展开后与钻头轴线的夹角。螺旋角大小直接影响着钻头的排屑能力，在不考虑其他因素的交互影响下，螺旋角越大钻头的排屑能力越强、钻切加工中产生的热量越小、孔壁凹凸度越小，但由于钻孔过程中切削阻力与螺旋角呈正相关，因此随着螺旋角的增大钻头的位置精度也会随之下降（见图6）。

图6 螺旋角对钻头性能和排屑距离的影响

2.1.3 横刃斜角

横刃上有个几何角度叫“横刃斜角”，如图7所示。这个横刃斜角实际上反映的是钻头近钻芯处后角的大小。当钻头近钻芯处轴向后角较大时，横刃斜角ψ就较大，横刃较短，这样横刃的挤压现象不那么明显，但横刃的强度较差，易于损坏；而当钻头近钻芯处轴向后角较小时，横刃斜角ψ就较小，横刃较长，横刃的挤压就更严重，但横刃强度高。常规钻头横刃斜角ψ一般在50°～55°，这时横刃处前角约为-（54°～60°），而后角约为26°～30°。这样的横刃斜角在切削力和强度方面相对比较平衡。

图7 横刃斜角

2.1.4 芯厚及锥度

芯厚是指两个排屑槽槽底之间的距离。锥度是钻头由钻尖向钻柄，任意截面的直径在一定长度上逐步减少，这一减少量形成钻头的副偏角，钻头的直径倒锥常用一定长度上的直径减少量作为参数。在不考虑其它因素的交互影响下，芯厚越大钻头的刚性越强，定位精度会提升、断钻几率也会下降，但排屑能力越差，相应的孔壁状况也越差（见图8）。

图8 芯厚对钻头性能的影响

2.1.5 沟背比

钻头的沟背比直观反映了钻头刚性与容屑排屑的关系，平衡两者的关系是确定钻头槽型的一个重要环节。但是，钻头的沟背比影响的不仅仅是这两者，它还影响着断屑、切削阻力等多个方面（见图9）。

图9 钻头沟背比对钻头性能的影响

2.1.6 钻头结构

对比传统双刃双槽、单刃单槽、双刃单槽三种结构优缺点（见图10）。

2.1.7 棒料材质

目前PCB加工所用钻头的材质为硬质合金，其组成成分主要为碳化钨和Co，为达到理想的PCB加工效果，需对WC晶粒大小、Co的分布方式以及WC和Co的配比比例进行工艺优化和调整以实现钻头的高耐磨性、高韧性和高热导率，最终提升钻孔品质。

2.2 钻头设计因子分析及模拟

经过对上述设计因子的分析及钻头设计模拟（见图10），初步设定钻尖角在120°～140°范围，螺旋角在35°～45°范围，横刃斜角在45°～55°范围，芯厚在0.10～0.15 mm（钻尖处）范围，沟背比在0.6:1.0～1.0:1.0范围，棒料在A/B/C三种材质，传统双槽、单刃单槽、双刃单槽三种不同结构之间进行模拟验证，最终确定了高长刃钻头最优设计（见图11）。

图10 不同钻头结构优缺点对比

图11 钻头相关设计因子和高长刃钻头模拟图

3 钻头模拟及测评

3.1 钻孔试验

我们基于目前市场上一款较为热门的4.5 mm板厚LowDK材质料号，搭配直径0.20 mm、刃长6.0 mm钻头进行上述设计因子的分析及模拟测试，最终确定了最优设计并试产相关钻头样品（见表1）。

3.2 试验结果

3.2.1 断钻率

0.20×6.0 mm，测试寿命500孔，小量测试1000支，无断钻。

3.2.2 钻头磨损

钻头整体磨耗良好，未发现钻头异常磨损，满足生产需求。钻头涂层工艺为目前业界广泛应用的润滑涂层，后续会对涂层工艺研究做具体分享（见图12）。

图12 钻头磨损状况

3.2.3 孔位精度

0.20×6.0 mm，出口端水准：±3 mil、Cpk1.33以上，孔位精度可满足生产需求，但仍有改善空间。

3.2.4 孔壁品质

孔壁粗糙度平均值19 μm，最大值25 μm。钉头平均值1.24，最大值1.58。整体孔型及孔壁品质良好，满足生产需求（见图13）。

图13 孔壁品质状况

综上，0.20×6.0 mm高长刃钻头经多次开发测试，钻孔品质良好，目前客户端已测试通过，反映较好。

3.3 同步开发的其它高长刃钻头

同步开发了其它高长刃钻头规格，相继通过了厂内测试及客户端验证，反映较好（见图14）。

4 结束语

表1 测试料号信息

针对高厚径比料号厚度大、铜层多、钻切行程长等特点，对钻头的关键因子进行设计开发得到高长刃钻头，在采取单支高长刃分步钻的情况下可获得满意的钻孔品质及效率。在新材质、新设计和新工艺日新月异的今天，产品的持续优化依然是我们不断努力的方向。

图14 长刃钻头明细图