云顶集团钻孔钉头问题改善分析

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　　ＭｅｃｈａｎｉｃａｌＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇ２０１３秋季国Ｉ啄ＰＣＢ技术／信息论坛钻孔钉头问题改善分析ＰａｐｅｒＣｏｄｅ：Ａ－１０８杨建军（深圳市兴森快捷电路科技股份有限公司，广东深圳５１８０５４）摘要文章通过正交试验对钻孔制程中可能发生钉头的生产条件进行了综合验证分析，结果发现，钻孔过程中的热效应是导致钉头产生的主要原因。在此基础上，提出控制钉头的相关措施，结合通过生产跟进进一步确保改善措施的可行性与有效性云顶集团公司。关键词钉头；正交试验；热效应；改善中图分类号：ＴＮ４１文献标识码：Ａ文章编号：１００９—００９６（２０１３）增刊一００８４－０７Ｓｔｕｄｙｎａｉｌ－ｈｅａｄｉｎｇｄｒｉｌｌｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓＹＡＮＧＪｉａｎ－ｊｕｎＷＡＮＧＸｕｅ—ｔａｏＡｂｓｔｒａｃｔＴｈｅｄｅｔａｉｌｅｄａｎａｌｙｓｉｓｄｒｉｌｌｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓｏｒｔｈｏｇｏｎａｌｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｐａｐｅｒ．Ｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈｅｒｍｏｅｆｆｅｃｔｋｅｙｆａｃｔｏｒｎａｉｌ—ｈｅａｄｉｎｇ．Ｔｈｅｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔｍｅａｓｕｒｅｓｐｒａｃｔｉｃａｌｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ．ＫｅｙｗｏｒｄｓＮａｉｌＨｅａｄｉｎｇ；ＯＲｈｏｇｏｎａｌＥｘｐｅｒｉｍｅｎｔ；ＴｈｅｒｍｏＥｆｆｅｃｔ；Ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ１前言常规ＰＣＢ加工的钻孔制程中经常会出现业界称之为“钉头”的现象（如图１所示）。尽管行业内各类标准对其接收标准的规定不尽相同，但都普遍认同的是，钉头现象作为制程变异的警示应该引起工艺技术人员的关注并解决。我公司钻孔工序设备、规范操作等均属于业界常规工艺，本文首先通过分析钉头产生的机理，结合实际生产控制现状设计正交试验予以分析、验证，并提出相应的改善控制措施。．．８４．．２０１３秋季国际ＰＣＢ技术／信息论坛钻孔与机械加工ＤｒｉｌｌｉｎｇＭｅｃｈａｎｉｃａｌＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇ２机理分析研究表明…，ＰＣＢ板材在铣削加工过程中产生的热量可使刀具温度上升至１８０～２１０之间，甚至更高可达２６０以上。周国云等【２１通过有限元分析印制电路板钻孔过程中的热效应发现，对孔壁加载恒温２００时，１８０的温度线）Ｉ．ｔｍ处，加载温度越高，１８０的温度线是实际模拟铣削后得到的内层铜箔钉头效果，由图２可以看出，钉头宽度达到铜箔厚度的２．１７倍，铜箔膨胀部分距孔壁长度（３０－４０）ｕｍ，模拟结果基本符合研究资料的结论，表明钻孔过程中的热效应是钉头发生的主要原因。确认热效应影响后云顶集团公司，首先对公司常规高ＴＧ板材进行动态热机械分析（ＤＭＡ）（见图３）。结果显示，其储存模量在１８４（玻璃化转变温度）左右的时候开始急剧降低，对应弹性流体塑性增大；在２００左右的时候储存模量基本趋于稳定并达到最低，板材塑性达到最大。理论上，铜箔的杨氏模量在（１０３～１２４）ＧＰａ（单位：十亿帕斯卡）左右，刚性较大，抗形变能力较强，但在热处理过程中会产生５％或者更大的波动。进一步对纯铜箔进行静态热机械分析（ＴＭＡ）（见图４），结果显示，在２５ｏＣ至ｌＪ３００温变过程中，铜箔的膨胀量在６Ｌｌｍ左右。．．８５．．钻孔与机械加工ＤｒｉｌｌｉｎｇＭｅｃｈａｎｉｃａｌＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇ２０１３秋季国际ＰＣＢ技术／信息论坛通过上述实际模拟及材料的热分析结果，基本可以表明钉头的形成机理：钻刀在切削摩擦过程中产生相应的高温环境，使距孔壁３０ｕｍ左右范围内基材处于可塑性较强的软化状态，内层铜箔则在钻刀旋转切削挤压和热效应的共同作用下发生相应变形，强迫软化的基材做出空间让步。钻孔结束后温度降低，基材回复到原来的刚性状态，而铜箔由于塑性低，挤压变形后则不能恢复到原来的状态，最终形成所谓的钉头。３试验设计３．１设计原理从前面的机理分析可以看出，钉头改善的整体方向是如何降低加工过程中钻刀热量的产生和累积，减小基材的软化程度及范围，从而减小铜箔的形变范围。因此，本次试验主要围绕减少钻刀发热和增加散热两个方面对钻孔过程涉及的参数及辅助物料进行试验。试验因子定为钻刀的返磨次数、盖板铝片数量、钻刀在板内的累积加工时间（主要为进刀速）。根据实验结果确定影响钉头超标的主要因素，进而制定符合生产实际的改善措施。设计思路（１）正交试验确定要因。表１三因子三水平正交试验设计（２）钉头表征：以宽度最大处与实测内层铜箔厚度比值作为钉头表征值，数值越大，表明钉头越严重。（３）按比较严苛的生产条件对要因进行试验得出生产控制措施。试验材料：试板板厚孔径比１２：ｌ；内层铜箔厚度３４．３ｕｍ；钻刀磨次尽量选最高磨次。（４）在得出控制措施后，设计内层铜箔厚度分别为１７．１ｕｍ及３４．３ｋｔｍ试板，按控制措施进行试验，考察不同厚度内层铜箔发生钉头的几率。（５）生产跟进评估控制措施对其他品质问题存在的风险，确保改善措施的可行性与有效性。４试验结果及分析４．１正交试验结果分析表２正交实验结果分析．．８６．．２０１３秋季国际ＰＣＢ技术／信息论坛钻孔与机械加工ＤｒｉｌｌｉｎｇＭｅｃｈａｎｉｃａｌＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇ从正交实验结果来看，影响试验结果的因素主次是：切削时间——铝片张数——钻刀磨次，切削时间（０．０４８ｓ）的影响最显著，铝片张数及钻刀磨次的影响较小且相近。在切削时间为０．０４８ｓ时，可以做到钉头值为１．２左右，钻刀磨次和铝片数量对钉头的影响较小。因此，在目前的生产条件下，加大进刀速对钉头的改善有明显的效果。４．２要因（进刀速）验证及分析（１）试验条件（表３）。表３进刀速验证试验条件（２）试验结果（图５）。．．８７．．钻孔与机械加工ＤｒｉｌｌｉｎｇＭｅｃｈａｎｉｃａｌＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇ２０１３秋季国际ＰＣＢ技术／信息论坛从图５可以明显看出：随着切削时间的减少，出现钉头的数量呈减少的趋势，但是并不是时间越短越好，如０．２ｍｍ钻刀，切削时间低于０．０６ｓ时很容易发生断刀的现象，０．７ｍｍ以上钻刀虽未出现断刀，但切片发现有如图６所示的异常。从切片可以看出，随着进刀速的加大，钻刀对内层铜箔的挤压作用变大，导致内层铜箔发生弯曲变形。适当磨次的钻刀对钉头的发生也有一定的影响，如０．３ｍｍ钻刀，返磨两次的钻刀产生钉头的几率明显小于０．７ｌ＇ｎｌＴｌ以下钻刀，磨次不能超过三次，即只能使用磨二（含）以下钻刀；０．７ｍｌＴｌ钻刀，使用磨四（含）以下钻刀；ｏ．７ｍｒｆｌ（不含）至１．２ｍｌＴｌ钻刀，使用磨三（含）以下钻刀。（２）对于进刀速（考虑断刀及拉扯，在实验获得的最优数据基础上采取就低不就高的原则）：（０．２￣０．２５）ｍｍ钻刀，进刀速３１ｍｍ］ｓ：（０．３～０．６５）ｍｍ钻刀，进刀速７１ｍｍ／ｓ；（０．７～１．２）ｍｍ钻刀，进刀速８０ｍｍ／ｓ。４．３内层铜箔厚度１７．１ｐ．ｍ／３４．３ｐ．ｍ对比试验采用同样的生产条件（铝片张数、钻刀磨次、进刀速及板厚）分别跟进生产内层厚１７．１ｐｍ及厚３４．３ ｕｍ铜 箔，对比钉头结果。 （１）厚３４．３ｍ内层铜箔对比结果：按照４．２的试验结论对试板进行控制，钉头头部最大铜厚可控制在３８ｍ， 计算结果显示无钉头超标的现象发生。 （２）厚１７．１ ｕｍ内层铜箔对比结果：按照４．２的试验结论对试板进行控制，钉头头部最大铜厚可控制在２２．３ ｐ．ｍ 以下，计算结果显示钉头超标的现象较多，主要原因为内层铜厚不足严重影响钉头表征值的大小，如图７。 由图７的切片可以看出，内层铜厚最小至１０．２９“ｍ，按此推算，钉头头部铜厚必须在１５．４３５“ｍ以内才能满足要求，这是完全做不到的。 理论上，如果按１．５的钉头控制，钉头头部铜厚ｌ ７．１ １ａｍ铜箔最大不能超过２２．５ Ｉ．ｔｍ，厚３４．３ ｕｍ铜箔最大 不能超过４８ ｔａｍ。图８是每减小１ １ａｍ内层铜厚对钉头的影响程度对比表，从理论数据对比来看，内层铜厚每减 ｐｍ，厚１７．１“ｍ铜箔的钉头增加率远大于厚３４．３“ｍ铜箔的钉头增加率。．．８８．． ２０１３秋季国际ＰＣＢ技术，信息论坛 钻孔与机械加工Ｄｒｉｌｌｉｎｇ ＭｅｃｈａｎｉｃａｌＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇ 铜厚减少量对不同基铜的钉头影响对比图 ２３４５６铜厚减少量／ｌｌｍ 实际上，按前期试验得出的措施进行控制，对于厚１７．１“ｍ的铜箔，钉头头部最大铜厚可控制在２２．３ｍ以下；对于厚３４．３肛ｍ的铜箔，钉头头部最大铜厚可控制在３８”ｍ以下（表４）。 １７．１ｉ－Ｌｍ／３４．３ｐｍ铜箔钉头控制情况对比 从实际数据对比来看，目前的控制措施虽然也可以满足１７．１ ｕｍ铜箔的钉头控制要求，但是其控制范围较窄 （主要受限于内层铜厚）。因此，对于内层铜厚１７．１ ｕｍ且需严格控制钉头订单生产时，需控制各种有减铜作用 前处理（比如微蚀、棕化等）的生产效果，包括传送速度、微蚀速率、返工等。 ４．４生产跟进验证评估 （１）验证方案（表５）。 表５生产跟进验证试验方案 （２）验证结果。 孔位精度（图９）。 孔粗：跟进试验板及生产板的数百个切片显示孔粗均在３０ ｕｍ以下，满．足＿ＧＪＢ３６２Ｂ一２００９．及．ＱＪ８３ＩＡ－９８对孔 ．．８９．． 加们加加靼芒制永窜 钻孔与机械加工Ｄｒｉｌｌｉｎｇ ＭｅｃｈａｎｉｃａｌＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ２０１ ３秋季国际ＰＣＢ技术／信息论坛 原参数 优化后参数 箭靶图 ＣＰＫ 箭靶图 ＣＰＫ 憋钞２４６憋缪２．１７ ｍ。口１９‰ 蠖谬３２３《缈２．８７ 憋谬３５２蜒缈３．８ｌ ￥。。ｆｇ‰ 憋钞２７９憋缈３．５８ 蠖钞３９９蠖纱２．７３ 粗的相关要求。验证结论：从钻孔精度及孔粗的跟进情况来看，优化后参数加工的产品均能满足要求。５试验结论 （１）机械钻孔过程中，使用适当磨次钻刀在保证孔壁效果良好的前提下，适当加大钻刀的进刀速率能有效 降低钻刀切削中产生的热量，从而减少钉头问题的发生； （２）实验改善能有效解决３４．３“ｍ内层铜厚订单的钉头 问题： （３）对于内层铜厚１７．１ Ｉ．ｔｍ订单，还需进一步通过生产控制确保内层铜箔厚度在要求范围内。 参考文献 【ｌ】付连宇，杨凡．印制板铣削过程温度在线春季国际ＰＣＢ技术信息论坛． ［２】周国云云顶集团公司，何为等．有限元分析印制电路板钻孔热效应［Ｃ］．２０１ｌ秋季国际ＰＣＢ技术信息论坛． 作者简介 杨建军，工学学士，军品部制程工艺工程师。 王雪涛，应用化学专业硕士，军品部生产经理。 ．．９０．．