电路板复合材料微小孔加工技术

zhangxiding · 发表于 2011-6-11 11:39:15

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1 引言
随着电子技术的飞速发展，现代电子产品变得越来越小，功能越来越复杂，对电子元器件起支撑和互连作用的印刷电路板(PCB)从单面发展到双面、多层，向高精度、高密度和高可靠性方向发展，体积不断缩小，密度呈指数增长，要求电路板上加工的孔径越来越小，孔的数目越来越多，孔间距离越来越小。因此，需要高品质的微小孔加工技术。
印刷电路板的规格比较复杂，产品种类多。本文介绍的是印刷电路板中应用最广的环氧树脂基复合材料的微小孔(直径0.6mm以下为小孔，0.3mm以下为微孔)加工技术。复合材料电路板脆性大、硬度高，纤维强度高、韧性大、层间剪切强度低、各向异性，导热性差且纤维和树脂的热膨胀系数相差很大，当切削温度较高时，易于在切削区周围的纤维与基体界面产生热应力；当温度过高时，树脂熔化粘在切削刃上，导致加工和排屑困难。钻削复合材料的切削力很不均匀，易产生分层、毛刺以及劈裂等缺陷，加工质量难以保证。这种材料对加工工具的磨蚀性极强，刀具磨损相当严重，刀具的磨损反过来又会导致更大的切削力和产生热量，如果热量不能及时散去，会导致PCB材料中低熔点组元的熔化及复合材料层与层之间的剥离。因此PCB复合材料属于难加工非金属复合材料，其加工机理与金属材料完全不同。目前微小孔加工方法主要有机械钻削和激光钻削。
2 机械钻削
机械钻削PCB材料时，加工效率较高，孔定位准确，孔的质量也较高。但是，钻削微小孔时，由于钻头直径太小，极易折断，钻削过程中还可能会出现材料分层、孔壁损坏、毛刺及污斑等缺陷。
2.1 切削力
机械钻削过程中出现的各种问题都直接或间接与轴向力、切削扭矩有关，影响轴向力和扭矩的主要因素是进给量、切削速度，纤维束形状及有无预制孔对轴向力和扭矩也有影响。轴向力和扭矩随进给量、切削速度的增大而增大。随着进给量增加，切削层厚度增加，而切削速度的增大，单位时间内切割纤维的数量增大，刀具磨损量迅速增大，所以轴向力和扭矩增大。
轴向力可分为静态分力FS和动态分力FD。轴向力的分力对切削刃有不同的影响，轴向力的静态分力FS影响横刃的切削，而动态分力FD主要影响主切削刃的切削，动态分力FD对表面粗糙度的影响比静态分力FS要大。轴向力随进给量而增大，切削速度对轴向力影响不是很明显。另外，有预制孔的情况下，孔径小于0.4mm时，静态分力FS随孔径的增大而急剧减小，而动态分力FD减小的趋势较平坦。
由于复合材料基体和增强纤维的加工性质不同，机械钻削时基体树脂和纤维对轴向力的影响不同。Khashaba研究了基体和纤维的类型对轴向力和扭矩的影响，发现纤维束的形状对轴向力影响较明显，而基体树脂类型对轴向力影响不太大。
2.2 钻头磨损和折断
PCB复合材料微钻磨损包括化学磨损和摩擦磨损。化学磨损是由于PCB材料中释放出的高温分解产物对微钻材料WC-Co硬质合金中的Co粘结剂的化学侵蚀所造成的。在300℃左右，这种侵蚀反应已比较明显。而在钻进速度低于150mm/min时，化学磨损不再是磨损的主要形式，摩擦磨损成为磨损的主要形式。PCB微钻的磨损还与切削速度、进给量及钻头半径对纤维束宽度的比值有关。Inoue等人的研究表明：钻头半径对纤维束(玻璃纤维)宽度的比值对刀具寿命影响较大，比值越大，刀具切削纤维束宽度也越大，刀具磨损也随之增大。在实际应用中，新钻头钻达2500个孔需研磨，一次研磨钻头达2000个孔需再研磨，二次研磨钻头达1500个孔需再研磨，三次研磨钻头达1000个孔报废。
在PCB微孔加工过程中，轴向力和扭矩随着进给量和钻孔深度的增加而增大，其主要原因与排屑状态有关。随着钻孔深度的增加，切屑排出困难，在这种情况下，切削温度升高，树脂材料熔化并牢固地将玻璃纤维和铜箔碎片粘结，形成坚韧的切削体。这种切削体与PCB母体材料具有亲和性，一旦产生这种切削体，切屑的排出便停止，轴向力和扭矩急剧增大，从而造成微孔钻头的折断。PCB微孔钻头的折断形态有压曲折断、扭转折断和压曲扭转折断，一般多为两者并存。折断机理主要是切屑堵塞，它们是造成钻削扭矩增大的关键因素。减少轴向力和切削扭矩是减少微孔钻头折断的关键。
2.3 钻孔损坏形式
(1)分层
机械钻削GFRP(玻纤增强)层压板过程中可能会出现各种损坏，其中最严重的是层间分层，由此导致孔壁周围材料性能的急剧下降，钻尖施加的轴向力是产生分层的主要原因。分层可分为钻入分层和钻出分层。钻入分层是钻头切削刃与层板接触时，作用在圆周方向的切削力在轴线方向产生的旋切力通过钻头排削槽使层与层间脱离，在层板上表面形成分层区域；钻出分层是当钻头快接近层板底部时，由于未被切削材料的厚度越来越薄，抵抗变形的能力进一部降低，在载荷超过层板间的粘结力的地方，就出现了分层，而这在层板被钻通之前就发生了。轴向力是导致分层的主要原因，切削速度、基材和纤维束的类型对分层也有影响，环氧复合材料的钻人和钻出分层随钻削速度的增加减小，且钻出分层损坏程度要比钻人分层大。减少分层的主要措施有：采用变量进给技术、预置导向孔、使用垫板以及无支撑钻削时使用粘性阻尼器等。
(2)孔壁损坏
在复合材料PCB上钻削微孔，在孔周围出现的各种形式的损坏导致孔金属化后，孔之间的绝缘性能降低及孔壁铜层破裂。切削方向与纤维方向的相对夹角、孔壁玻璃纤维束的厚度、钻点对玻璃布的位置等都会对孔壁损坏造成不同影响。
文献6用直径1.0mm钻头，转速5000rpm，钻削玻纤/环氧树脂复合材料(8层90°交错，每层0.2mm)，试验表明：每层钻孔周围的损坏程度不一样，在第1，3，5，7，8层纤维皱褶突出很大，最大突出达30μm；而2，4，6层纤维皱褶突出较小，最小处不到5μm。在纬纱与经纱重叠交叉区域，纤维夹角45°处纤维束厚度最大，孔壁损坏宽度最大；而在中心区域，最大损坏宽度发生在与纤维夹角接近90°处。
Aoyama等人研究了刀具主偏角对加工孔壁表面粗糙度的影响，发现主偏角为30°时，孔壁表面粗糙度最大，可达50μm。
(3)污斑
机械钻削复合材料时，由于钻头横刃与复合材料的挤压、倒锥与孔壁之间摩擦及镶嵌在钻头棱边与孔壁之间细小的切屑随钻头一起回转摩擦所产生的大量切削热，使树脂熔化，并粘附在复合材料的夹层或孔口处的铜箔及孔壁上，形成污斑。适当的切削用量和修磨微小钻头可以减少污斑的产生，降低污斑指数。
(4)毛刺
钻削复合材料时，由于应力的传递作用，在钻头未到达孔底时，钻头前方的增强材料和基体就会产生许多裂纹，以致增强材料从基体上脱胶，产生拔出现象，导致增强材料不能从根部切断。在孔钻通时，这些未从根部切断的增强材料不能与切屑一起排除，而是向孔边倾倒，基体由于切削热的作用而软化、流动，又重新凝结到这些倾倒在孔边的增强材料上，形成毛刺。出口毛刺大小主要受钻削力和钻削温度的影响。在复合材料钻削加工中使用硬质合金钻头钻削、改变刀具几何尺寸和结构以及采用振动钻削技术可以减少毛刺。
3 振动钻削
振动钻削属于振动切削的一个分支，是建立在切削理论和振动理论基础上的新颖的钻削加工方法。普通钻削是持续的切削过程，而振动钻削是脉冲断续切削过程，在钻孔过程中通过振动装置使钻头与工件之间产生可控的相对运动。在振动钻削过程中，当主切削刃与工件不分离(不分离型振动钻削)时，切削速度和方向等参数产生周期性变化；当主切削刃与工件时切时离(分离型振动钻削)时，切削过程变成了脉冲式的断续切削。
当振动参数(振动频率和振幅)、进给量和主轴转速等选择合理时，能够明显提高入钻定位精度、尺寸精度和圆度、降低孔表面粗糙度、减少出口毛刺以及延长刀具寿命等。振动钻削GFRP复合材料的轴向力变化趋势类似普通钻削变化趋势，但轴向力小于普通钻削，轴向力受进给量、振动频率和振幅的影响。Wang等的研究表明：当振幅为6μm、振动频率为300Hz、进给量为250mm/min时，轴向力可达到最小1.5N。GFRP材料中的玻璃纤维纵横交错，其强度及硬度很大，不易切断，而它周围的基体则较软，易迫使钻头让刀，改变了钻头前进的方向，形成大的入钻偏差。振动钻削具有刚性化效果，在入钻时，钻头受力作用产生弯曲变形小，入钻定位误差比普通钻削也相应小了许多。
对于多层复合材料，阶跃式多元变参数振动钻削是一种更优化的工艺方法，可以很好地解决纤维复合材料钻削质量与效率相互矛盾的难题。它充分考虑多层复合材料的结构、性能和钻削加工的具体过程，在钻削加工中保持最优的加工状态，钻入时采用最上层材料的最优钻入参数，钻出时采用最下层材料的最优钻出参数，将钻削过程分成多个段，其振动参数和切削参数依层合材料性能的不同呈突变式、阶跃式变化，可实现振动切削参数的最优化，加工效果优于相应条件下的普通钻。赵宏伟等人利用电控式微小孔振动钻床对多层复合材料进行微小孔钻削试验。阶跃式三参数振动钻削的入钻定位误差r、孔扩量ΔD、出口毛刺高度H值比普通钻削显著降低。Rumkumar等比较了GFRP复合材料振动钻削和普通钻削的轴向力、扭矩和刀具磨损，发现普通钻削在钻孔数目多于30时会出现轴向力、扭矩急剧增加现象，而振动钻削钻孔数目可多于60，而且振动钻削比普通钻削的轴向力、扭矩和刀具磨损的值都小。
4 激光钻削
电路板复合材料在加工直径小于0.2mm的微孔时，采用机械钻削，刀具磨损加快、易折断、成本增加，而激光束可以将光斑直径缩小到微米级，是加工微孔的理想工具。激光钻削作为无接触钻削技术，是将激光束聚焦成极小的光点，光点的能量熔化或气化材料形成微孔，具有钻削速度快、效率高、无工具损耗、加工表面质量高等特点，特别适合于复合材料微孔钻削。尤其在硬、脆、软等各种材料上进行多数量、高密度的群孔加工。
采用激光钻削复合材料易发生复杂的物理和化学变化，其切除材料的机制主要有两种:①热加工机制，激光加热材料，使材料熔化、气化；②光化学机制，激光能量直接用于克服材料分子间的化学键，使材料分解为细小的气态分子或原子。钻削纤维增强复合材料的关键在于选择合适的激光源，主要依据被加工材料的特性，如对特定波长光的吸收性、熔化和气化温度、热传导性等选择。常用的激光源有CO2激光、KrF准分子激光和Nd:YA G激光。
4.1 CO2激光加工
CO2激光波长范围为9.3～10.6μm，属于红外激光，切除材料为热加工机制。CO2激光钻削树脂基纤维增强复合材料时，激光功率和加工时间对加工质量的影响比较大，设置适当激光功率和加工时间可以明显改善加工质量。Aoyama等人用波长为10.6μm、最大输出功率为25OW的CO2连续型激光在玻纤/环氧树脂复合材料上钻削直径为0.3mm的微孔，发现当激光功率为35W、加工时间为OAS、辅
助气体为空气时，孔壁表面环氧树脂几乎没有出现
热损坏;而当激光功率为75W、加工时间为0.1s、辅助气体为氮气时，孔壁表面出现黑色的物质。这是由于激光能量连续照射树脂，使树脂的温度来不及冷却，累积到一定程度时，树脂就出现热损坏。Hirogaki等人用波长为10.6μm、最大输出功率为100W的CO2脉冲激光钻削玻纤/环氧树脂和芳纶纤维/环氧树脂复合材料，发现如果照射时间小于5ms，环氧树脂几乎不出现热损坏。这是因为减少激光脉冲的照射时间，可以降低材料吸收的能量，而且脉冲间的时间间隔使材料获得一定的冷却，因此树脂的热损坏进一步降低。
4.2 KrF准分子激光加工
KrF准分子激光常用波长为248nm，属于紫外激光，切除材料为光化学机制。高能量的紫外线光子能使材料直接分裂为原子，达到切除材料的目的。KrF准分子激光可明显减少激光加工热损坏。Zheng等人用波长为248nm、脉冲宽度为20ns、能量密度为400nd/cm2的KrF激光钻削玻纤/环氧复合材料，孔壁上不仅没有出现黑色物质，而且可以准确控制孔的深度，每次脉冲钻削深度为0.12μm。
但是，KrF准分子激光钻削孔时可能会出现锥度，这是由于光束在加工形状边缘产生的衍射效应使能量的密度和蚀刻率降低而形成的锥度；另一原因可能是使用未修正的棱镜的球形偏差导致的。随着能量密度的增加，锥度逐渐减小，甚至出现负锥度。这可能是由于光束能量密度大于边界处产生衍射作用的临界能量及散焦作用使光束直径变大造成的。
4.3 Nd:YAG激光加工
Nd:YAG激光常用波长为1.06μm和355nm，分别属于红外激光和紫外激光，两种波长分别对应热加工机制和光化学机制。Nd:YAG激光钻削时，激光功率和脉冲频率对热损坏有重要影响。Yang等人用波长为355nm、平均功率为12W的Nd:YAG激光钻削1.6mm厚的玻纤/环氧复合材料，发现在给定的脉冲频率下，功率越高，加工温度也越高，加速了环氧树脂的焦化和玻璃纤维的熔化，热损坏等效宽度随激光平均功率增大而增大。在给定激光功率下，热损坏的等效宽度在脉冲频率为7KHz时最大，小于7KHz时随频率的增大而增大，超过7KHz时，热损坏的宽度随之减小。这是因为频率越高，激光脉冲之间的时间间隔越短，加工表面的冷却时间就越短，而当频率超过7KHz时，脉冲频率越高导致脉冲持续时间越长，激光脉冲的峰值功率就越小，降低了加工表面的温度，热损坏的等效宽度减小。用波长为355nm、功率0.3W、脉冲频率1KHz的Nd:YAG激光钻削，孔壁表面几乎没有出现热损坏。
由于复合材料增强纤维的类型及每层纤维的方向不同，Nd:YAG激光钻削过程中会出现孔的精度降低、孔在层间的分界面出现不连续及纤维膨胀等问题。Rodden等人用波长为1064nm、脉冲宽度为0.1ms的Nd:YAG激光钻削2mm厚的碳纤维/环氧树脂复合层板，发现孔的形状由圆变成椭圆且在层间的分界面处孔的形状不连续，前者是由于碳纤维的热传导系数远远大于环氧树脂的热传导系数，热量先沿碳着纤维方向传导，导致孔沿着碳纤维方向被拉伸；后者是因为每层的碳纤维方向不同，导致层间的孔形不连续。Cheng等人用波长为1.06μm，最大平均输出能量为135W、脉冲持续时间为0.5～5ms的Nd:YAG脉冲激光钻削约1mm厚的碳纤维/PEEK复合材料时，发现孔周围的碳纤维在末端出现的径向膨胀高达50%。由于纤维剧烈的热膨胀导致局部填充结构发生不可逆变化，而且纤维结构内微孔的快速增压强化了这种效果。
5 结语
结合近年来国内外树脂基复合材料PCB的机械、激光钻削技术研究，分析影响加工质量的各种因素和加工中可能出现的问题，可以得出以下结论：
(1)对于机械钻削，低进给量、高主轴转速以及使用新刀具可以提高钻削表面质量。
(2)振动钻削具有刚性化效果，振动频率、振幅、进给量和主轴转速等选择合理时，能够明显提高入钻定位精度、尺寸精度和圆度，降低孔表面粗糙度、出口毛刺以及延长刀具寿命。
(3)不论是用连续型还是脉冲型激光，激光功率对钻削质量影响较大，选择合适的激光功率可获得较好的加工质量。
(4)对于脉冲型激光，脉冲频率和峰值功率对钻削质量有较大影响，选择脉冲时间短、峰值功率高的激光及适当增加脉冲间的时间间隔，可以明显改善加工质量。
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