印制电路板钻孔中鼓孔问题研究

江庭富 李 磊 陈 曦 秦伟鹏

（深圳市金洲精工科技股份有限公司，广东 深圳 518100）

0 前言

随着电子产品的多样化、复杂化，印制电路板线路的设计密度和传输频率也随之攀升，对高质量、高集成的印制电路板（PCB）机械钻孔面临着巨大的挑战[1]。印制电路板作为电子元器件的载体，每道工序品质都需要严格把控，而机械钻孔在PCB生产过程中起到连接各层线路的作用，钻孔品质尤为重要，例如：孔壁粗糙度、钉头、孔口毛刺、孔位精度、钻污与分层等品质项目，一旦出问题会严重影响各层电路的相互连接[2][3]，对线路信号传输产生不利影响。

PCB由铜箔、玻璃纤维、树脂和填充料组成，例如FR-4覆铜板由环氧树脂作为黏合剂，以电子级玻璃纤维布作为增强材料，两边覆上铜箔并压合在一起。覆铜板抗剥强度主要取决于黏合剂的性能[4]。当环氧树脂与铜箔粘合力差时，钻削过程中由于钻头冲击力容易出现孔口处树脂基材与铜箔分离、孔口周围严重凸起的鼓孔问题（也有称爆孔）。在钻孔过程中，钻头要分别钻削金属、玻璃纤维及树脂等非金属，然而每一种材料的物理、化学性能差异很大，因此整个钻削加工过程是十分复杂的[5]。钻头在切削PCB过程中钻削温度高时，树脂软化并粘附到切削刃上，导致切削和排屑困难则刀具磨损加剧[6]，当钻削温度过高、钻头磨损过大、排屑不顺畅就会出现切削挤压、侧刃与孔壁摩擦大等问题。本文采用金洲UC型钻头及金洲设计专利产品USF双刃单槽钻头作改善实验，并从加工工艺、钻孔参数、基板平整度、PCB盖垫板等不同角度探讨鼓孔问题，从而找出产生鼓孔问题的主要因素和解决途径。

1 鼓孔的形成原因分析

鼓孔问题影响因子众多，本文从设备、材料、钻头、钻孔参数、钻板操作等方面列出一些关联因素，并对可能产生鼓孔因素进行理论分析。如表1所示，是可能产生鼓孔的关联因素，综合理论和实际测试验证得出钻头头型、钻头槽型、加工参数、加工方式、板件平整度、垫板硬度是影响鼓孔的关键因素。

表1 鼓孔因素分析表

2 不同钻头类型对鼓孔的影响

2.1 不同钻头类型对鼓孔的影响

在加工厚铜板时出现鼓孔问题，采用ST型和UC型钻头进行对比实验，具体加工条件如表2所示，实验结果如图1所示。

表2 试验条件表

图1是ST型和UC型钻头对比效果图，加工厚铜板时，ST型钻头出现鼓孔现象。在相同条件下，使用UC型钻头对比实验，UC型钻头因侧刃与孔壁接触面积小、摩擦小未出现鼓孔现象。两种钻头特点如图2所示。

图1 ST型、UC型钻头对比

图2 UC＆ST钻头特点对比图

参照两种头型钻头的设计特点，我们在选择钻头类型时，应根据钻孔品质的管控要求评估，在加工难度高及品质管控严的板材，建议优先选用UC型钻头。

2.2 不同钻头槽型对鼓孔的影响

某单一料号板件出现爆孔问题时，使用双刃双槽钻头，我们采用双刃单槽与双刃双槽钻头对比试验，具体加工条件如表3所示，实验结果如图3所示。

表3 试验条件表

从图3可看到：在使用0.5 mm钻头加工单一料号覆铜板时，双刃双槽钻头出现鼓孔现象。然而改用双刃单槽钻头测试，则没有钻孔现象，这是由于双刃单槽钻头得益其更宽的排屑槽，排尘效果好，减小粉屑对孔口挤压、降低钻削温度，鼓孔得到有效改善，两种钻头设计特点如图4所示。

图3 双刃双槽对比双刃单槽对比

图4所示的金洲双刃单槽钻头，其设计特点有：刚性强、排尘性能优异，能够在保证孔壁品质的基础上大幅度提高孔位精度。双刃单槽钻头优秀的排尘性能，可降低粉屑与孔壁的摩擦，减小粉屑对孔口的挤压，从而抑制鼓孔。

图4 双刃双槽和双刃单槽槽型对比图

3 加工参数对鼓孔的影响

在加工单一料号板件时出现鼓孔问题，采用优化加工参数作对比实验，具体加工条件如表4所示，实验结果如图5所示：

表4 试验条件表

图5是不同参数得出的刀面磨损及爆孔对比效果图，从实验结果得出，转速从105 krpm降低至68 krpm，落速从2.6 m/min降低至2.0 m/min，通过优化参数降低线速度减小刀面磨损，降低切削阻力和钻孔温度，鼓孔现象得到改善。

图5 不同转速刀面磨损及鼓孔对比效果图

刀面磨损过大是影响鼓孔因素之一，在探讨加工参数时，我们主要分析加工参数对刀面磨孔品质管控也带来一些难题。在使用Φ4.6 mm钻头加工4.1 mm厚板时出现鼓孔问题，采用反面预损的影响，刀面磨损过大切削时容易出现推挤和拉扯、切削阻力大、钻温升高，从而产生鼓孔现象。其中加工参数中的线速度（Cutting Speed）对刀面磨损影响较大，在切削的过程中，主切削刃上各部位的线速度是不一样的，磨损也不一样。而线速度和主轴转速是成正比，切削速度设定是否恰当，可从钻头的磨损情况来判断，然后适当地调整主轴转速。

（1）如果钻尖横刃附近磨损太快，则表明切削速度太慢，则可提高转速。

（2）如果主切削刃靠近外径处磨损太快，则表明切削速度太快，则须降低转速。

（3）钻尖中心和钻尖切削刃在切削过程中磨损相当时，表明切削速度是理想状态。

4 加工工艺对鼓孔影响

目前厚背板在行业内比较常见，在加工厚背板时，由于切削铜箔较厚，切削阻力较大，对钻钻加正面贯穿钻方式作改善测试，测试结果见图6，具体加工试验条件见表5所示。

表5 试验条件表

图6 不同加工方式对比效果图

图6是不同类型钻头及不同加工方式对比效果图，从此次实验结果得出，不加预钻的方式下有严重的鼓孔现象。然后改用增加反面预钻方式对比测试，先使用Φ3.65 mm钻头反面预钻1.65 mm深度，再使用Φ4.6 mm钻头正面对接贯穿钻孔。通过增加反面预钻可降低钻孔切削阻力，鼓孔现象有明显改善。

5 板件平整度对鼓孔的影响

多层板在压合过程中有可能出现板面局部不平整的现象，例如5.0 mm厚的覆铜板最大厚度误差达到0.5 mm，在加工过程中，底面不平整的位置与垫板接触位置处于悬空状态，从而产生鼓孔。在实际验证中，我们选择一块不同区域厚度差值大的覆铜板测试，对比不同厚度区域的孔口品质，具体试验条件如表6所示，实验结果如图7所示。

表6 试验条件表

图7 不同区域孔口品质效果图

此次选用不同区域厚度差值大的覆铜板测试，从图7结果可以看出：板件较薄区域（厚度5.02 mm）钻孔时与垫板接触面处于悬空状态导致鼓孔现象，板件较厚区域（5.36 mm）加工时能贴住垫板、在垫板支撑下未出现鼓孔。

6 不同硬度垫板对鼓孔的影响

垫板在钻孔过程中起到抑制毛刺及鼓孔等作用，硬度、翘曲度、厚度公差、表面质量是衡量垫板的关键指标。加工难度较高及品质管控高的板时，应选用硬度高、平整度较好的垫板来辅助，以提升孔口品质。生产中高多层高Tg（玻璃钻孔温度）材料时出现鼓孔问题，我们采用两种不同硬度的垫板做对比实验，试验条件见表7所示。

表7 试验条件表

图8是两种不同硬度垫板孔口品质效果对比，在加工高多层高Tg材料时，使用普通木纤板垫板出现严重的麻花孔鼓孔现象，使用超硬密胺垫板测试则无鼓孔。究其因，超硬密胺垫板硬度更高、平整度更好，可以有效抑制鼓孔问题产生。在加工难度较高及品质要求高的板材时，建议选择硬度高、平整度更好的垫板。

图8 不同垫板孔口品质对比效果

7 结语

本文从钻孔方式、钻头类型、钻孔参数、盖垫板四个角度对钻孔过程中出现的鼓孔现象进行试验，对影响鼓孔问题的关键因素进行分析和研究，并提找到一些有效的预防和解决鼓孔问题的方法。

（1）在钻头类型选用上，本文采用金洲UC型钻头及金洲设计专利产品USF双刃单槽钻头作改善实验，UC型钻头侧刃与孔壁接触面积小、双刃单槽钻头排屑性能优秀，在加工一些难加工板材出现鼓孔时有很好的改善效果。

（2）在加工方法上，通过对钻孔参数优化降低线速度、增加预钻加工工艺来减小切削阻力等方法，能较好地解决鼓孔问题。

（3）在加工难度较高及品质要求高的板材时，建议选择硬度高、平整度更好的密胺垫板，可以有效抑制鼓孔问题产生。