电子电路领域数控钻床特殊成孔技术的研究

沈宏岩，刘黎，纪龙江

（1.大连艺美刻科技有限公司，辽宁 大连 116600；2.大连瑞腾鑫源科技有限公司，辽宁 大连 116600）

0 引言

用于印制线路板加工的数控钻床是一种专用钻孔机床，性能与普通数控钻床相比有显著不同的特点与优势。由于印制线路板上孔的直径小（最小可达Φ0.10mm）、数量多（一般每平方米可达100000孔以上），故一般都选择带有2～6个最高转速可达500krpm，进给速率最高可达12.97m/min的主轴。可以说数控钻床的精度状态、操作性、稳定性、可靠性是大多数线路板企业得以快速发展、提高竞争力的根本保障。随着科学技术与人们生活水平的日益提高，无论是航空航天、军工、通讯等高端科技前沿领域，还是家用电器、手机、电脑等生活领域，高速率、高稳定、高功能、小体积已经成为核心技术的持续发展趋势。对于线路板而言，高集成化、高信号传输、高可靠性、高稳定性的技术需求引导行业向超微小孔、超细小线、起低线距、特殊结构孔、高厚铜方向发展。如孔的类型不再只有以前的一种通孔，埋孔、盲孔、阶梯孔、特殊结构孔、半孔、异形孔等应运而生，复杂度和精度越来越高。本文阐述的特殊成孔技术，指的就是利用普通数控钻床实现定深孔高精度加工的一种技术和方案。这种技术可以有效解决目前企业存在的技术难题，对增大市场份额、满足客户需求，推进行业进步具有重要意义。

1 印制线路板常规钻孔技术与孔类别与简介

PCB数控钻床的主轴大多是空气轴承，设计理念追求的是高精度、高转速、高速率、低损耗等特点[1]。现代企业的管理理念就是精细化管理、科学化管理、机械化/智能化管理，越简单越好，对于有问题易发生隐患的工位，有潜在失效模式的因素、行为存在时，要尽量采取相应的手段去避免问题的发生，而不是在问题发生后再想尽办法去弥补[2]，图1所示为印制线路板数控钻孔加工效果示意图，图中包含了数控钻床主轴、刀具、工件的位置关系等，在这个过程中，由于数控钻孔的速度特别快、刀具用量特别大，加工过程是连续无间断的，所以在按下数控钻床“START”键的同时，对于钻孔速率可达300-500孔的机械数钻孔来讲，产品质量、加工效率水平结果就基本上已经注定了。

图1 钻孔加工效果示意图

图2为业界常用的数控钻床24孔孔位精度测评方法。测评条件：刀具采用一般要求使用钢性较好的槽钻，直径范围φ1.40mm，这类钻头因刚性较好，能最真实反映设备精度状态；钻孔叠1层（厚厚1.60mm左右）慢速钻削，一般钻孔参数设定为转速30-40krpm，进给30-60ipm，钻孔后使用孔位分析仪，根据事先编制好的钻孔程序进行检测，检测标准为最大孔位偏差不超过20um，Cpk≥1.33[3]。

图2 数控钻床精度测评方法

图3为线路板上最常见的几种孔，通孔、定深孔、埋孔、阶梯孔、槽孔等。因使用环境、功能和要求不同采用不同的孔设计，通常情况下，定深孔的加工难度、精度要求、设备要求、技术标准、过程控制都是比较高的。数控钻孔工序是一个以自动化加工为主的工序，对产前准备及基础化管理的要求相对较高[4]。使用PCB数控钻床加工定深孔的过程中存在的最主要问题就是孔深浅不一、断刀、断路、孔形异常等关键共性的技术难题。下面详细阐述具体解决方案、方法与效果。

图3 线路板常见孔类别

2 PCB机械数控钻床BHT工作原理

定深孔一般采用BHT数控床加工（Blind Hole Function），这种设备能实现多轴（6轴）同时高精度、高准确度、高效率定深孔加工。定深钻孔的工作原理为：钻头、生产板在传导装置的作用下形成闭环系统。当进行定深钻孔时，在钻头尖部与生产板刚好接触的一瞬间就会产生一个高度脉冲信号，这种信号再经过CNC装置的差补运算、分析、放大处理后再反馈给伺服控制系统，伺服控制系统再将指令传给驱动执行机构按照提前设计好的工艺参数进行钻孔加工，完成定深钻孔功能。由于该系统属于闭环反馈系统，可实时运算，故可实现高精度定深钻孔功能。

为了提高数控钻床的定位精度，并保证台面与定位系统的完好性，本技术方案设计采用底板定位的方式进行定深钻孔。底板定位的原理就是在数控钻床的台面上增加一个浮动台面（一般由酚醛树脂材料制成，厚度约10mm,质地坚硬）叫做底板，再在底板上安装专用的定位装置，即可实现底板的无限次重复使用，不仅有效减少每次更换产品型号时在底板上安装定位销钉的时间，更能有效保证产品质量。该方法具有操作方便灵活、制造及维护成本低、易维护、效率高、底板可永久性重复使用等特点[5]。问题在于底板安装后，生产板上表面至台面的距离就超出了BHT传导装置的高度加工范围（约10mm），图5所示。为了减少定位底板经常拆装造成的时间浪费、扩大加工能力范围、提升加工精度，发明了图6所示的专用装置，该装置能在底板免拆除状态下直接加工带有定深钻类别孔的生产板。主要结构和功能为：信号加长导杆，功用：延长气动连杆的上升高度，纯铜材质，规格：长度约10mm，内径φ4.0mm，外径φ7.0mm；加长信号导电板，功用：信号传导，选材：≥2.50mm厚PCB双面板，铜层厚1oz，规格：长度约50mm，宽度10mm，厚度2.5-3.0mm；连接螺栓，连接作用，使用M5标件。

图4 定深钻孔原理示意图

图5 数控钻床底板定位结构示意图

图6 定深钻孔装置

2.1 实验方案

按表1要求进行。

表1 实验计划表

表2 检测数据一览表

2.2 实验效果

钻孔结束后，按上面实验方案要求进行检测，结果图7和表1所示。

图7 检测结果分析图

2.3 实验结论

本技术以关键共性技术问题为研究方向，通过对设备的技术改造实现了“定深孔”的高精度加工，深度公差可以控制在0.025mm以内，完全可以满足客户要求，批量生产完全可以控制在±0.050mm以内，技术水平国内领先，完全可以满足各类用户的要求。

3 结语

高精密印制线路板是现代科学技术得以快速、稳定发展的重要保障，特别是在汽车、军事、航空、航天、医疗、通讯等重要应用领域，对线路板的要求与依赖性更高。我们通过创新研发，完全掌握了定深孔的高精度、高速率、高品质加工技术，为后续技术推广、科研创新、企业发展、行业进步起到重要的支撑作用与效果。