高厚度微小孔径PCB的钻孔效率改善研究

梁 柳 何园林 张细海 寻瑞平

（江门崇达电路技术有限公司，广东省智能工控印制电路板工程技术研究中心，广东 江门 529000）

0 前言

印制电路板（PCB）是重要的电子部件，是电子元器件的支撑体，是电子元器件电气连接的提供者。通常，PCB在实际应用时，由于走线、结构、过电流等的需要，需要进行钻孔加工。为了保护PCB板材以及提高钻孔的孔位精度和孔壁质量等，需要在PCB上方覆上一层盖板，在下方垫上一层垫板，钻孔示意图如图1所示[1]。

提高生产效率、降低生产成本，是企业生产管理的永恒课题。在实际钻孔生产过程中，为了提高生产效率，往往都会在确保钻孔精度和孔壁质量的情况下适当增加PCB在制板（PNL）叠板数，也就是多块PCB叠在一起钻孔[2]。此种方法一般适用于常规大孔径（孔径一般＞0.3 mm）、低钻孔密度、低板厚的钻孔生产；对于高密度、高板厚、微小孔径（＜0.25 mm）的钻孔情况，由于受技术能力限制，只能单叠（1 PNL/叠）钻孔生产，严重影响生产效率，导致钻孔工序产能不足成为生产瓶颈。

我公司近期遇到的批量生产孔密度高（超60 000孔/PNL）、板厚高（2 mm）、孔径小（最小钻头0.225 mm）的PCB钻孔实例，本文探讨在保证钻孔孔位精度、孔壁质量的基础上，增加叠板数、提高生产效率、降低生产成本的可行性。

图1 PCB钻孔示意图

1 研究内容

本研究主要研究内容包括如下方面：

（1）厚2.0 mm最小孔0.225 mm钻孔叠板数行业调查；

（2）钻头样品基本信息及改进研究；

（3）钻头样品测试过程及结果；

（4）钻头小批量导入跟进结果；

（5）2.0 mm板厚1PNL/叠改2PNL/叠价值核算。

2 结果与讨论

2.1 行业调查

本研究首先调查了行业内销售规模排名前列的5家知名公司“板厚2.0 mm、最小孔径0.225 mm”的钻孔生产情况，调查结果如表1。

可以看到，目前行业内此类高厚度、微小孔钻孔一般都为单叠（1 PNL/叠）生产，且钻头最大磨次为磨一。单叠、磨一生产明显不利于钻孔效率和成本控制。见表1。

2.2 钻头改进实验结果

考虑到PCB厚度增加、钻孔孔径变小，带来的直接问题是钻孔过程中常规钻针刃长不够，同时钻孔过程摩擦增加、排屑难度加大，因此首要改善方案是设计一款加长钻头并联系供应商制造，确保刃长大于一块盖板和至少两块生产板的厚度之和，从而可将叠板数量由1 PNL/叠改为2 PNL/叠，提高钻孔效率，降低生产成本；同时配备涂树脂铝片盖板进行钻孔跟进，涂树脂铝片盖板表面涂覆的高分子树脂能够防止钻头打滑，提高钻孔孔位精度，还能吸收钻头高速旋转及与板材摩擦产生的热量，并通过自身熔融的相态变化润滑钻头、清洁孔壁，进一步保护钻头和改善钻孔孔壁质量[3]。具体钻头改进情况见表2，实验跟进结果见表3。

从表3孔位Cpk值分析结果来看，方案2、3、4的孔位Cpk值均大于1.33，表现合格，方案1孔位Cpk值为小于1.33，表现不合格，说明板厚2.0 mm、最小孔径0.225 mm、2 PNL/叠钻孔必须使用涂树脂铝片盖板。从孔壁方面来看，4个方案的孔壁粗糙度小于25.4 μm，钉头（内层铜厚）＜2.0，孔壁粗糙度和钉头表现合格；4个方案的钻孔孔壁灯芯长度在109.80～160.69 μm，大于100 μm，表现不合格。

表1 板厚2.0 mm、最小孔0.225 mm钻孔叠板数行业调查情况

表2 加长钻头和普通钻头基本信息

表3 加长钻针钻孔实验结果

基于表3实验中灯芯问题，优化钻孔参数（钻头寿命、转速、进刀速）跟进测试，结果如表4。从实验结果来看，孔壁灯芯长度仍然大于100 μm，改善效果不大。这说明，涂树脂铝片有利于改善钻孔孔位精度和孔壁质量，仍存在灯芯长度不合格的问题还需要进一步改善研究。

2.3 钻头第二次改进实验结果

继续研究钻头改进方案，在加长钻头表面加镀一层金属碳化钽膜（TaC），TaC膜是一种类金刚石非晶四面体碳膜，具有高致密性、高耐磨性、低摩擦系数等优点，可将钻头表面摩擦系数由0.45降低到0.05，用来进一步改善钻头与孔壁摩擦及排屑效果。具体钻头改进情况见表5所示。

实验结果见图2所示，板厚2.0 mm、最小孔径0.225 mm采用镀膜钻头及涂树脂铝片盖板2 PNL/叠钻孔，使用新刀、磨一、磨二、磨三的钻头钻孔过程均无出现断针，孔位Cpk值大于1.33，孔位精度合格；孔壁粗糙度均小于25 μm，孔壁钉头（钉头/内层铜厚）小于2.0，孔壁灯芯长度小于100 μm，孔壁质量合格。这说明镀膜钻头配合涂树脂铝片钻孔测试符合要求，但考虑到测试样品数量有限，建议先小批量试用。

表4 灯芯问题优化方案实验结果

表5 镀膜钻针和加长钻针基本信息

图2 镀膜钻头钻孔实验结果

2.4 钻头小批量导入跟进生产结果

为进一步验证改进方案的可行性，采用六轴钻机实施板厚2.0 mm、最小孔径0.225 mm、2 PNL/叠PCB小批量钻孔生产，钻孔参数与测试条件保持一致，跟进结果如表6、表7。

实验结果显示，小批量生产，钻孔过程无断针，六个钻轴钻孔的孔位Cpk值均大于1.3，孔位精度合格；孔壁粗糙度均小于25.4 μm，孔壁钉头（钉头大小/内层铜厚）小于2.0，孔壁灯芯长度小于100 μm，孔壁质量合格。说明改进方案小批量生产合格，具备批量生产的可行性。

2.5 1 PNL/叠改2 PNL/叠的钻孔价值核算

经我公司财务成本组价值核算，板厚2.0 mm最小孔0.225 mm钻孔由1 PNL/叠改2 PNL/叠，材料成本可下降10.98元/m2，生产效率提高37.01%，换算成人工成本可节约22.17元/m2，钻孔总成本节约33.15元/m2，极具有推广应用价值。

3 结论

（1）目前板厚2.0 mm、最小孔0.225 mm钻孔采用1 PNL/叠，严重影响生产效率；（2）采用0.225×5.2 mm加长钻头，并在钻头表面加镀一层3～5 μm TaC涂层，配合使用涂树脂铝片盖板，实现了板厚2.0 mm、最小孔0.225 mm钻孔的2 PNL/叠生产；孔位Cpk值、孔壁粗糙度、孔壁钉头、灯芯测试合格，满足品质要求；（3）经成本核算，采用板厚2.0 mm、最小孔0.225 mm、2 PNL/叠钻孔方法，材料成本可下降10.98元/m2，生产效率提高37.01%，极具推广应用价值。

表6 小批量生产孔位Cpk值情况

表7 小批量生产孔壁质量情况