電路板復(fù)合材料微小孔加工技術(shù)

1引言

隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，現(xiàn)代電子產(chǎn)品變得越來越小，功能越來越復(fù)雜，對電子元器件起支撐和互連作用的印刷電路板(pCB)從單面發(fā)展到雙面、多層，向高精度、高密度和高可靠性方向發(fā)展，體積不斷縮小，密度呈指數(shù)增長，要求電路板上加工的孔徑越來越小，孔的數(shù)目越來越多，孔間距離越來越小。因此，需要高品質(zhì)的微小孔加工技術(shù)。

印刷電路板的規(guī)格比較復(fù)雜，產(chǎn)品種類多。本文介紹的是印刷電路板中應(yīng)用最廣的環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料的微小孔(直徑0.6mm以下為小孔，0.3mm以下為微孔)加工技術(shù)。復(fù)合材料電路板脆性大、硬度高，纖維強(qiáng)度高、韌性大、層間剪切強(qiáng)度低、各向異性，導(dǎo)熱性差且纖維和樹脂的熱膨脹系數(shù)相差很大，當(dāng)切削溫度較高時，易于在切削區(qū)周圍的纖維與基體界面產(chǎn)生熱應(yīng)力；當(dāng)溫度過高時，樹脂熔化粘在切削刃上，導(dǎo)致加工和排屑困難。鉆削復(fù)合材料的切削力很不均勻，易產(chǎn)生分層、毛刺以及劈裂等缺陷，加工質(zhì)量難以保證。這種材料對加工工具的磨蝕性極強(qiáng)，刀具磨損相當(dāng)嚴(yán)重，刀具的磨損反過來又會導(dǎo)致更大的切削力和產(chǎn)生熱量，如果熱量不能及時散去，會導(dǎo)致pCB材料中低熔點(diǎn)組元的熔化及復(fù)合材料層與層之間的剝離。因此pCB復(fù)合材料屬于難加工非金屬復(fù)合材料，其加工機(jī)理與金屬材料完全不同。目前微小孔加工方法主要有機(jī)械鉆削和激光鉆削。

2機(jī)械鉆削

機(jī)械鉆削pCB材料時，加工效率較高，孔定位準(zhǔn)確，孔的質(zhì)量也較高。但是，鉆削微小孔時，由于鉆頭直徑太小，極易折斷，鉆削過程中還可能會出現(xiàn)材料分層、孔壁損壞、毛刺及污斑等缺陷。

2.1切削力

機(jī)械鉆削過程中出現(xiàn)的各種問題都直接或間接與軸向力、切削扭矩有關(guān)，影響軸向力和扭矩的主要因素是進(jìn)給量、切削速度，纖維束形狀及有無預(yù)制孔對軸向力和扭矩也有影響。軸向力和扭矩隨進(jìn)給量、切削速度的增大而增大。隨著進(jìn)給量增加，切削層厚度增加，而切削速度的增大，單位時間內(nèi)切割纖維的數(shù)量增大，刀具磨損量迅速增大，所以軸向力和扭矩增大。

軸向力可分為靜態(tài)分力FS和動態(tài)分力FD。軸向力的分力對切削刃有不同的影響，軸向力的靜態(tài)分力FS影響橫刃的切削，而動態(tài)分力FD主要影響主切削刃的切削，動態(tài)分力FD對表面粗糙度的影響比靜態(tài)分力FS要大。軸向力隨進(jìn)給量而增大，切削速度對軸向力影響不是很明顯。另外，有預(yù)制孔的情況下，孔徑小于0.4mm時，靜態(tài)分力FS隨孔徑的增大而急劇減小，而動態(tài)分力FD減小的趨勢較平坦。

由于復(fù)合材料基體和增強(qiáng)纖維的加工性質(zhì)不同，機(jī)械鉆削時基體樹脂和纖維對軸向力的影響不同。Khashaba研究了基體和纖維的類型對軸向力和扭矩的影響，發(fā)現(xiàn)纖維束的形狀對軸向力影響較明顯，而基體樹脂類型對軸向力影響不太大。

2.2鉆頭磨損和折斷

pCB復(fù)合材料微鉆磨損包括化學(xué)磨損和摩擦磨損。化學(xué)磨損是由于pCB材料中釋放出的高溫分解產(chǎn)物對微鉆材料WC-Co硬質(zhì)合金中的Co粘結(jié)劑的化學(xué)侵蝕所造成的。在300℃左右，這種侵蝕反應(yīng)已比較明顯。而在鉆進(jìn)速度低于150mm/min時，化學(xué)磨損不再是磨損的主要形式，摩擦磨損成為磨損的主要形式。pCB微鉆的磨損還與切削速度、進(jìn)給量及鉆頭半徑對纖維束寬度的比值有關(guān)。Inoue等人的研究表明：鉆頭半徑對纖維束(玻璃纖維)寬度的比值對刀具壽命影響較大，比值越大，刀具切削纖維束寬度也越大，刀具磨損也隨之增大。在實際應(yīng)用中，新鉆頭鉆達(dá)2500個孔需研磨，一次研磨鉆頭達(dá)2000個孔需再研磨，二次研磨鉆頭達(dá)1500個孔需再研磨，三次研磨鉆頭達(dá)1000個孔報廢。

在pCB微孔加工過程中，軸向力和扭矩隨著進(jìn)給量和鉆孔深度的增加而增大，其主要原因與排屑狀態(tài)有關(guān)。隨著鉆孔深度的增加，切屑排出困難，在這種情況下，切削溫度升高，樹脂材料熔化并牢固地將玻璃纖維和銅箔碎片粘結(jié)，形成堅韌的切削體。這種切削體與pCB母體材料具有親和性，一旦產(chǎn)生這種切削體，切屑的排出便停止，軸向力和扭矩急劇增大，從而造成微孔鉆頭的折斷。pCB微孔鉆頭的折斷形態(tài)有壓曲折斷、扭轉(zhuǎn)折斷和壓曲扭轉(zhuǎn)折斷，一般多為兩者并存。折斷機(jī)理主要是切屑堵塞，它們是造成鉆削扭矩增大的關(guān)鍵因素。減少軸向力和切削扭矩是減少微孔鉆頭折斷的關(guān)鍵。

2.3鉆孔損壞形式

(1)分層

機(jī)械鉆削GFRp(玻纖增強(qiáng))層壓板過程中可能會出現(xiàn)各種損壞，其中最嚴(yán)重的是層間分層，由此導(dǎo)致孔壁周圍材料性能的急劇下降，鉆尖施加的軸向力是產(chǎn)生分層的主要原因。分層可分為鉆入分層和鉆出分層。鉆入分層是鉆頭切削刃與層板接觸時，作用在圓周方向的切削力在軸線方向產(chǎn)生的旋切力通過鉆頭排削槽使層與層間脫離，在層板上表面形成分層區(qū)域；鉆出分層是當(dāng)鉆頭快接近層板底部時，由于未被切削材料的厚度越來越薄，抵抗變形的能力進(jìn)一部降低，在載荷超過層板間的粘結(jié)力的地方，就出現(xiàn)了分層，而這在層板被鉆通之前就發(fā)生了。軸向力是導(dǎo)致分層的主要原因，切削速度、基材和纖維束的類型對分層也有影響，環(huán)氧復(fù)合材料的鉆人和鉆出分層隨鉆削速度的增加減小，且鉆出分層損壞程度要比鉆人分層大。減少分層的主要措施有：采用變量進(jìn)給技術(shù)、預(yù)置導(dǎo)向孔、使用墊板以及無支撐鉆削時使用粘性阻尼器等。

(2)孔壁損壞

在復(fù)合材料pCB上鉆削微孔，在孔周圍出現(xiàn)的各種形式的損壞導(dǎo)致孔金屬化后，孔之間的絕緣性能降低及孔壁銅層破裂。切削方向與纖維方向的相對夾角、孔壁玻璃纖維束的厚度、鉆點(diǎn)對玻璃布的位置等都會對孔壁損壞造成不同影響。

文獻(xiàn)6用直徑1.0mm鉆頭，轉(zhuǎn)速5000rpm，鉆削玻纖/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料(8層90°交錯，每層0.2mm)，試驗表明：每層鉆孔周圍的損壞程度不一樣，在第1，3，5，7，8層纖維皺褶突出很大，最大突出達(dá)30μm；而2，4，6層纖維皺褶突出較小，最小處不到5μm。在緯紗與經(jīng)紗重疊交叉區(qū)域，纖維夾角45°處纖維束厚度最大，孔壁損壞寬度最大；而在中心區(qū)域，最大損壞寬度發(fā)生在與纖維夾角接近90°處。

Aoyama等人研究了刀具主偏角對加工孔壁表面粗糙度的影響，發(fā)現(xiàn)主偏角為30°時，孔壁表面粗糙度最大，可達(dá)50μm。

(3)污斑

機(jī)械鉆削復(fù)合材料時，由于鉆頭橫刃與復(fù)合材料的擠壓、倒錐與孔壁之間摩擦及鑲嵌在鉆頭棱邊與孔壁之間細(xì)小的切屑隨鉆頭一起回轉(zhuǎn)摩擦所產(chǎn)生的大量切削熱，使樹脂熔化，并粘附在復(fù)合材料的夾層或孔口處的銅箔及孔壁上，形成污斑。適當(dāng)?shù)那邢饔昧亢托弈ノ⑿°@頭可以減少污斑的產(chǎn)生，降低污斑指數(shù)。

(4)毛刺

鉆削復(fù)合材料時，由于應(yīng)力的傳遞作用，在鉆頭未到達(dá)孔底時，鉆頭前方的增強(qiáng)材料和基體就會產(chǎn)生許多裂紋，以致增強(qiáng)材料從基體上脫膠，產(chǎn)生拔出現(xiàn)象，導(dǎo)致增強(qiáng)材料不能從根部切斷。在孔鉆通時，這些未從根部切斷的增強(qiáng)材料不能與切屑一起排除，而是向孔邊傾倒，基體由于切削熱的作用而軟化、流動，又重新凝結(jié)到這些傾倒在孔邊的增強(qiáng)材料上，形成毛刺。出口毛刺大小主要受鉆削力和鉆削溫度的影響。在復(fù)合材料鉆削加工中使用硬質(zhì)合金鉆頭鉆削、改變刀具幾何尺寸和結(jié)構(gòu)以及采用振動鉆削技術(shù)可以減少毛刺。

3振動鉆削

振動鉆削屬于振動切削的一個分支，是建立在切削理論和振動理論基礎(chǔ)上的新穎的鉆削加工方法。普通鉆削是持續(xù)的切削過程，而振動鉆削是脈沖斷續(xù)切削過程，在鉆孔過程中通過振動裝置使鉆頭與工件之間產(chǎn)生可控的相對運(yùn)動。在振動鉆削過程中，當(dāng)主切削刃與工件不分離(不分離型振動鉆削)時，切削速度和方向等參數(shù)產(chǎn)生周期性變化；當(dāng)主切削刃與工件時切時離(分離型振動鉆削)時，切削過程變成了脈沖式的斷續(xù)切削。

當(dāng)振動參數(shù)(振動頻率和振幅)、進(jìn)給量和主軸轉(zhuǎn)速等選擇合理時，能夠明顯提高入鉆定位精度、尺寸精度和圓度、降低孔表面粗糙度、減少出口毛刺以及延長刀具壽命等。振動鉆削GFRp復(fù)合材料的軸向力變化趨勢類似普通鉆削變化趨勢，但軸向力小于普通鉆削，軸向力受進(jìn)給量、振動頻率和振幅的影響。Wang等的研究表明：當(dāng)振幅為6μm、振動頻率為300Hz、進(jìn)給量為250mm/min時，軸向力可達(dá)到最小1.5N。GFRp材料中的玻璃纖維縱橫交錯，其強(qiáng)度及硬度很大，不易切斷，而它周圍的基體則較軟，易迫使鉆頭讓刀，改變了鉆頭前進(jìn)的方向，形成大的入鉆偏差。振動鉆削具有剛性化效果，在入鉆時，鉆頭受力作用產(chǎn)生彎曲變形小，入鉆定位誤差比普通鉆削也相應(yīng)小了許多。

對于多層復(fù)合材料，階躍式多元變參數(shù)振動鉆削是一種更優(yōu)化的工藝方法，可以很好地解決纖維復(fù)合材料鉆削質(zhì)量與效率相互矛盾的難題。它充分考慮多層復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)、性能和鉆削加工的具體過程，在鉆削加工中保持最優(yōu)的加工狀態(tài)，鉆入時采用最上層材料的最優(yōu)鉆入?yún)?shù)，鉆出時采用最下層材料的最優(yōu)鉆出參數(shù)，將鉆削過程分成多個段，其振動參數(shù)和切削參數(shù)依層合材料性能的不同呈突變式、階躍式變化，可實現(xiàn)振動切削參數(shù)的最優(yōu)化，加工效果優(yōu)于相應(yīng)條件下的普通鉆。趙宏偉等人利用電控式微小孔振動鉆床對多層復(fù)合材料進(jìn)行微小孔鉆削試驗。階躍式三參數(shù)振動鉆削的入鉆定位誤差r、孔擴(kuò)量ΔD、出口毛刺高度H值比普通鉆削顯著降低。Rumkumar等比較了GFRp復(fù)合材料振動鉆削和普通鉆削的軸向力、扭矩和刀具磨損，發(fā)現(xiàn)普通鉆削在鉆孔數(shù)目多于30時會出現(xiàn)軸向力、扭矩急劇增加現(xiàn)象，而振動鉆削鉆孔數(shù)目可多于60，而且振動鉆削比普通鉆削的軸向力、扭矩和刀具磨損的值都小。

4激光鉆削

電路板復(fù)合材料在加工直徑小于0.2mm的微孔時，采用機(jī)械鉆削，刀具磨損加快、易折斷、成本增加，而激光束可以將光斑直徑縮小到微米級，是加工微孔的理想工具。激光鉆削作為無接觸鉆削技術(shù)，是將激光束聚焦成極小的光點(diǎn)，光點(diǎn)的能量熔化或氣化材料形成微孔，具有鉆削速度快、效率高、無工具損耗、加工表面質(zhì)量高等特點(diǎn)，特別適合于復(fù)合材料微孔鉆削。尤其在硬、脆、軟等各種材料上進(jìn)行多數(shù)量、高密度的群孔加工。

采用激光鉆削復(fù)合材料易發(fā)生復(fù)雜的物理和化學(xué)變化，其切除材料的機(jī)制主要有兩種:①熱加工機(jī)制，激光加熱材料，使材料熔化、氣化；②光化學(xué)機(jī)制，激光能量直接用于克服材料分子間的化學(xué)鍵，使材料分解為細(xì)小的氣態(tài)分子或原子。鉆削纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的關(guān)鍵在于選擇合適的激光源，主要依據(jù)被加工材料的特性，如對特定波長光的吸收性、熔化和氣化溫度、熱傳導(dǎo)性等選擇。常用的激光源有CO2激光、KrF準(zhǔn)分子激光和Nd:YAG激光。

4.1CO2激光加工

CO2激光波長范圍為9.3～10.6μm，屬于紅外激光，切除材料為熱加工機(jī)制。CO2激光鉆削樹脂基纖維增強(qiáng)復(fù)合材料時，激光功率和加工時間對加工質(zhì)量的影響比較大，設(shè)置適當(dāng)激光功率和加工時間可以明顯改善加工質(zhì)量。Aoyama等人用波長為10.6μm、最大輸出功率為25OW的CO2連續(xù)型激光在玻纖/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料上鉆削直徑為0.3mm的微孔，發(fā)現(xiàn)當(dāng)激光功率為35W、加工時間為OAS、輔

助氣體為空氣時，孔壁表面環(huán)氧樹脂幾乎沒有出現(xiàn)

熱損壞;而當(dāng)激光功率為75W、加工時間為0.1s、輔助氣體為氮?dú)鈺r，孔壁表面出現(xiàn)黑色的物質(zhì)。這是由于激光能量連續(xù)照射樹脂，使樹脂的溫度來不及冷卻，累積到一定程度時，樹脂就出現(xiàn)熱損壞。Hirogaki等人用波長為10.6μm、最大輸出功率為100W的CO2脈沖激光鉆削玻纖/環(huán)氧樹脂和芳綸纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料，發(fā)現(xiàn)如果照射時間小于5ms，環(huán)氧樹脂幾乎不出現(xiàn)熱損壞。這是因為減少激光脈沖的照射時間，可以降低材料吸收的能量，而且脈沖間的時間間隔使材料獲得一定的冷卻，因此樹脂的熱損壞進(jìn)一步降低。

4.2KrF準(zhǔn)分子激光加工

KrF準(zhǔn)分子激光常用波長為248nm，屬于紫外激光，切除材料為光化學(xué)機(jī)制。高能量的紫外線光子能使材料直接分裂為原子，達(dá)到切除材料的目的。KrF準(zhǔn)分子激光可明顯減少激光加工熱損壞。Zheng等人用波長為248nm、脈沖寬度為20ns、能量密度為400nd/cm2的KrF激光鉆削玻纖/環(huán)氧復(fù)合材料，孔壁上不僅沒有出現(xiàn)黑色物質(zhì)，而且可以準(zhǔn)確控制孔的深度，每次脈沖鉆削深度為0.12μm。

但是，KrF準(zhǔn)分子激光鉆削孔時可能會出現(xiàn)錐度，這是由于光束在加工形狀邊緣產(chǎn)生的衍射效應(yīng)使能量的密度和蝕刻率降低而形成的錐度；另一原因可能是使用未修正的棱鏡的球形偏差導(dǎo)致的。隨著能量密度的增加，錐度逐漸減小，甚至出現(xiàn)負(fù)錐度。這可能是由于光束能量密度大于邊界處產(chǎn)生衍射作用的臨界能量及散焦作用使光束直徑變大造成的。

4.3Nd:YAG激光加工

Nd:YAG激光常用波長為1.06μm和355nm，分別屬于紅外激光和紫外激光，兩種波長分別對應(yīng)熱加工機(jī)制和光化學(xué)機(jī)制。Nd:YAG激光鉆削時，激光功率和脈沖頻率對熱損壞有重要影響。Yang等人用波長為355nm、平均功率為12W的Nd:YAG激光鉆削1.6mm厚的玻纖/環(huán)氧復(fù)合材料，發(fā)現(xiàn)在給定的脈沖頻率下，功率越高，加工溫度也越高，加速了環(huán)氧樹脂的焦化和玻璃纖維的熔化，熱損壞等效寬度隨激光平均功率增大而增大。在給定激光功率下，熱損壞的等效寬度在脈沖頻率為7KHz時最大，小于7KHz時隨頻率的增大而增大，超過7KHz時，熱損壞的寬度隨之減小。這是因為頻率越高，激光脈沖之間的時間間隔越短，加工表面的冷卻時間就越短，而當(dāng)頻率超過7KHz時，脈沖頻率越高導(dǎo)致脈沖持續(xù)時間越長，激光脈沖的峰值功率就越小，降低了加工表面的溫度，熱損壞的等效寬度減小。用波長為355nm、功率0.3W、脈沖頻率1KHz的Nd:YAG激光鉆削，孔壁表面幾乎沒有出現(xiàn)熱損壞。

由于復(fù)合材料增強(qiáng)纖維的類型及每層纖維的方向不同，Nd:YAG激光鉆削過程中會出現(xiàn)孔的精度降低、孔在層間的分界面出現(xiàn)不連續(xù)及纖維膨脹等問題。Rodden等人用波長為1064nm、脈沖寬度為0.1ms的Nd:YAG激光鉆削2mm厚的碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合層板，發(fā)現(xiàn)孔的形狀由圓變成橢圓且在層間的分界面處孔的形狀不連續(xù)，前者是由于碳纖維的熱傳導(dǎo)系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于環(huán)氧樹脂的熱傳導(dǎo)系數(shù)，熱量先沿碳著纖維方向傳導(dǎo)，導(dǎo)致孔沿著碳纖維方向被拉伸；后者是因為每層的碳纖維方向不同，導(dǎo)致層間的孔形不連續(xù)。Cheng等人用波長為1.06μm，最大平均輸出能量為135W、脈沖持續(xù)時間為0.5～5ms的Nd:YAG脈沖激光鉆削約1mm厚的碳纖維/pEEK復(fù)合材料時，發(fā)現(xiàn)孔周圍的碳纖維在末端出現(xiàn)的徑向膨脹高達(dá)50%。由于纖維劇烈的熱膨脹導(dǎo)致局部填充結(jié)構(gòu)發(fā)生不可逆變化，而且纖維結(jié)構(gòu)內(nèi)微孔的快速增壓強(qiáng)化了這種效果。

5結(jié)語

結(jié)合近年來國內(nèi)外樹脂基復(fù)合材料pCB的機(jī)械、激光鉆削技術(shù)研究，分析影響加工質(zhì)量的各種因素和加工中可能出現(xiàn)的問題，可以得出以下結(jié)論：

(1)對于機(jī)械鉆削，低進(jìn)給量、高主軸轉(zhuǎn)速以及使用新刀具可以提高鉆削表面質(zhì)量。

(2)振動鉆削具有剛性化效果，振動頻率、振幅、進(jìn)給量和主軸轉(zhuǎn)速等選擇合理時，能夠明顯提高入鉆定位精度、尺寸精度和圓度，降低孔表面粗糙度、出口毛刺以及延長刀具壽命。

(3)不論是用連續(xù)型還是脈沖型激光，激光功率對鉆削質(zhì)量影響較大，選擇合適的激光功率可獲得較好的加工質(zhì)量。

(4)對于脈沖型激光，脈沖頻率和峰值功率對鉆削質(zhì)量有較大影響，選擇脈沖時間短、峰值功率高的激光及適當(dāng)增加脈沖間的時間間隔，可以明顯改善加工質(zhì)量。