技術分享：銅基板的小孔加工改善研究

隨著大功率電子元件對PCB散熱能力的要求越來越高，市場對金屬基板的需求也是水漲船高，同時對銅基板產(chǎn)品也提出了更高的加工要求。尤其是鉆孔方面，越來越多的銅基板要求鉆0.5mm以下的通孔，若按常規(guī)鉆孔方式加工極易出現(xiàn)斷刀報廢的情況。本文將通過對銅基板鉆孔機理的研究，提出一些改善鉆孔工藝的方案，從而提升銅基板小孔的加工良率。

銅基板鉆孔加工的難點分析

由于客戶對散熱或制板的需求較為多樣，市面上用于銅基板的銅材料也有多種，而不同種類的銅基板其硬度也不一樣。目前主流的銅基板所用材料為銅含量較高的紫銅，紫銅的特點是塑性較好以及強度、硬度稍低，其散熱性能是各類銅基板中最好的。從PCB鉆孔加工的角度來看，銅塊同時兼有“硬”和“軟”兩方面的特點[1]。一方面銅塊比FR-4等有機材料或有機復合材料硬很多，鉆刀加工時切削難度大大增加，容易磨損過度導致斷刀；另一方面銅塊具有一定塑性，鉆孔過程可能會使銅屑粘附刀頭，如下圖1所示，容易出現(xiàn)切屑不良導致斷刀。尤其當鉆孔的刀徑小于0.7mm時，能承受的橫向切削力和軸向力都很有限，褪屑能力又很弱，這對鉆孔的挑戰(zhàn)非常大。

圖1 鉆頭粘銅

鉆頭的選擇

上述展示當前銅基板小孔加工過程中存在的幾個主要問題：磨損大、易斷刀、散熱難。盡管這些問題令人頭疼，但通過選擇適當?shù)你@頭卻能夠有效地緩解這些狀況，從而改善銅基板鉆小孔的方方面面。

?鉆刀易磨損問題的解決方案

首先是磨損大的問題，從硬度的角度來看，銅塊比常規(guī)的板材要硬得多，這就決定了同樣的鉆刀對這些材料加工，必然是硬的銅塊對鉆刀磨損較大。為了提升鉆刀的壽命，這就需要強化鉆刀的耐磨損性能。現(xiàn)有的高速鋼或硬質合金鉆刀，盡管硬度偏低，然而其材質強度已經(jīng)很高，具有良好的機械加工性能。因此在提升耐磨度這方面，業(yè)界的普遍做法并非更換鉆刀材質，而是在現(xiàn)有鉆刀上增加涂層[2]，從而達到提高刀具表面硬度、減小摩擦系數(shù)、降低切削溫度的目的，硬質合金與各種涂層技術的硬度對比如下表1所示。

表1 硬質合金與各種涂層技術的技術對比

可見添加涂層的刀具其表面硬度有所提升，使得產(chǎn)品的耐磨性能也大大提升，而摩擦系數(shù)降低也有利于降低鉆刀的工作溫度，提升鉆孔品質的穩(wěn)定性。

?鉆刀易斷刀問題的解決方案

其次是易斷刀的問題，加工銅基板時由于銅屑不易切斷，且小鉆刀容屑空間小，排屑難，往往容易導致鉆刀被積累的銅屑阻斷。該問題可嘗試對鉆刀結構的優(yōu)化來提升其排屑能力，從而減少鉆刀被銅屑阻斷的情況發(fā)生。鉆刀的結構參數(shù)很多，涉及到鉆尖角、螺旋角、鉆芯厚度、芯厚倒錐度、鉆頭前角和后角、鉆頭橫刃斜角等等。但考慮到同時優(yōu)化所有的參數(shù)需要進行大量刀具制作及大量試驗驗證，這里選取兩個對刀具加工影響最大的參數(shù)進行結構調(diào)整，即鉆尖角和螺旋角，這兩個參數(shù)的調(diào)整與影響如下表2所示。

表2鉆尖角與螺旋角調(diào)整對刀具的影響

要注意的是對鉆刀以上參數(shù)的調(diào)整幅度要合理，應確保鉆刀加工的孔位精度以及剛性，鉆尖角過大會造成鉆頭定心差，螺旋角過大則切削強度及散熱能力也會降低。

?鉆刀難散熱問題的解決方案

常規(guī)PCB鉆孔設備用的是冷空氣散熱，但對銅基板鉆孔而言這種散熱方式的效率并不能滿足。業(yè)界有不少廠商采用噴灑酒精冷卻銅基板的方案來實施鉆孔作業(yè)，然而操作起來還是比較麻煩的。實際上對銅基板可以適當?shù)夭捎梅植姐@孔的方式來加工，如下圖2所示。分步鉆孔提供了較長的時間給鉆頭和板材散熱，同時有助于及時把銅屑帶出，避免鉆頭纏銅斷刀。盡管這樣的加工效率會低些，但提升鉆孔散熱能力可有效避免鉆孔粘銅情況，不僅延長了鉆刀壽命，也使鉆孔質量得到了較好的保證，從而降低鉆孔不良率。

圖2分步鉆孔示意圖

銅基板鉆孔參數(shù)的摸索

選擇適當?shù)牡毒吆?，需要針對銅基的鉆孔加工參數(shù)進行摸索，以檢驗鉆孔效果能否滿足要求。這里以0.5mm鉆刀為例，對紫銅類銅基板加工，定制鉆尖角145°，螺旋角40°的涂層鉆刀，其余參數(shù)按常規(guī)設計，刀具如下圖3所示。

圖3定制0.5mm涂層刀具

?轉速區(qū)間的摸索

為了避免其它參數(shù)影響轉速調(diào)整對鉆孔質量的效果，將鉆機的進給速度調(diào)整至最低0.1m/min，從最低鉆速逐步提升，篩選適合轉速區(qū)間，各轉速設置下的鉆孔測試結果如下表3所示。

表3 進給速度0.1m/min下各轉速的刀具表現(xiàn)

可見在10krpm/min到20krpm/min這個區(qū)間的轉速能夠滿足0.5mm鉆刀鉆銅塊的要求。而更高的轉速則出現(xiàn)了斷刀的情況，斷刀的孔位也出現(xiàn)了孔形崩壞，如下圖4所示。

圖4 高鉆速條件斷刀及孔形崩壞

?鉆孔深度的摸索

根據(jù)上述可接受的轉速區(qū)間，選擇居中的15krpm/min的鉆速，依然保持0.1m/min最低進給速度，對鉆孔深度逐步提升，分別進行不同深度的鉆孔測試，其結果如下表4所示。

表4 各鉆孔深度的刀具表現(xiàn)

可見鉆刀僅鉆到0.7mm的深度就出現(xiàn)了斷刀的現(xiàn)象，原因在于孔內(nèi)銅屑的殘留在鉆孔過程中不斷累積，從而使刀具受到銅屑不均勻的阻力而斷刀，如下圖5所示。顯然該刀具對于加工深度大于0.6mm的銅基板，必須采用多次疊加鉆孔的方式進行加工。

圖5 銅屑阻礙深鉆導致斷刀

?進給速度的摸索

繼續(xù)選取15krpm/min的鉆速，進給速度從最低的0.1m/min逐步提升，分別進行不同進給速度的鉆孔測試，各進給速度與刀具情況如下表5所示。

表5 各進給速度下的刀具表現(xiàn)

上表的測試結果稍顯意外，在較合適的轉速下，進給速度作了絲毫的提升還是斷刀了。究其原因，進給速度提升會使鉆刀的軸向力增大，并且由于對銅塊鉆孔的鉆速較低，切削和排屑量跟不上進給速度也會導致斷刀，低轉速高進給下殘屑導致的斷刀效果如下圖6所示。

圖6 低轉速高進給下殘屑導致的斷刀

銅基板小孔加工效果

基于上述摸索的試驗結果，這里設定鉆速15krpm/min，進刀速度0.1m/min，鉆深1.0mm，分步鉆2次，對銅基板進行0.5mm小孔的鉆孔測試，同時以無涂層和有涂層的鉆刀對比作刀具壽命測試，可得效果如下表所示6。

表6 無涂層和有涂層的鉆刀壽命表現(xiàn)

可見在適合的加工參數(shù)下，鉆刀未出現(xiàn)斷刀狀況，孔形也無破損，如下圖7所示，而有無涂層的對比結果也很好得體現(xiàn)出涂層鉆刀的耐用性。

圖7 銅基板0.5mm鉆針控深鉆孔效果

總結

上述加工方案的提出，優(yōu)化了對銅基板小孔加工的刀具及參數(shù)選擇，從加工情況來看，也改善了銅基板小孔加工易斷刀及鉆孔品質不良的狀況。盡管相比一些專業(yè)的五金加工設備，其加工效率要低很多，但本方案的優(yōu)勢就在于無需添加額外設備，基于現(xiàn)有PCB鉆孔工藝就能實現(xiàn)銅基板的小孔加工，降低了技術門檻和投入成本。

參考文獻：

[1]何文學,張加鋒.紫銅零件小尺寸孔的鉆孔加工分析[J].湖南工業(yè)職業(yè)技術學院學報,2015,10.

[2]張賀勇,陳成,駱金龍,羅春峰,付連宇.硬質與超硬涂層在印制電路板微型刀具上的應用[J].印制電路信息,2014,11

吳軍權

研發(fā)工程師，CPCA行業(yè)工程師

主要從事PCB新技術與新產(chǎn)品研發(fā)項目