微细钻头钻削印刷电路板加工机理研究

摘要

随着电子消费品的多功能化、小型化、轻量化、高密度和高可靠性的要求和发展趋势，要求生产高密度、高集成、封装化、微细化、多层化的印刷电路板，机械钻孔面临巨大的挑战：印刷电路板的层数越来越多，PCB微小孔的直径越来越小，相对应微孔的厚径比也越来越大，布线密度越来越密，对PCB孔质量提出了更高和更严的要求。但是由于缺乏印刷电路板微孔钻削机理、刀具磨损机理、钻削力、钻削温度以及微孔表面创成过程等方面的深入研究，实际生产中还存在很多问题，不能充分发挥高密度印刷电路板的优越性。本文根据印刷电路板行业对印刷电路板微孔钻削技术的迫切需要，采用理论分析和大量实验研究的方法，着重从印刷电路板微孔钻削切屑成形、钻削力、钻削温度、微钻磨损以及微孔表面创成等方面对微细钻头(φ0.1mm-φ0.3mm，以下简称微钻)钻削印刷电路板加工机理进行系统深入的理论和实验研究。
　　 微钻钻削印刷电路板的切屑成形机理主要可分为钻尖挤压、横刃推挤以及主切削刃切削。铜箔的切屑成形表现为常规的金属切屑成形，形成锥螺旋状铜屑；树脂的切屑成形介于塑性材料与脆性材料切屑成形之间，虽然形成锥螺旋状切屑，但抗拉强度低，极易断裂；玻璃纤维的切屑成形主要表现为挤压崩碎以及超出弹性变形弯曲许可值而最终断裂。
　　 理论推导了螺旋切屑直径公式以及切屑在螺旋槽内运动速度公式，这两个公式很好地反映了切屑的几何形状以及切屑在螺旋槽内的运动情况进而反映了微钻的排屑情况。微钻直径增大，切屑直径也会跟着增大；微钻参与切屑的单元刀具数量增大，切屑直径也会相应增大；当切屑流出角增大时，切屑直径也会增大；增大微钻单元刀具总数(即增大主切削刃工作长度)可以减小切屑直径，因此适当减小微钻的钻尖角可以使主切削刃相对较长，因而可以减小切屑直径，有利于排屑。当螺旋切屑流出角与螺旋角相等时，切屑排出将会比较顺畅，但当二者不相等时，螺旋切屑在从主切削刃流入螺旋槽时将会发生弯曲，且相差越大，则弯曲程度越大，切屑越难排出。
　　 微钻(φ0.1mm)钻削印刷电路板钻削力在0.54N左右远远小于常规钻头钻削力，不仅微钻的钻尖、横刃和主切削刃受到钻削力作用，微钻的棱面也受到钻削力的作用；微钻钻削玻璃纤维过程中波动剧烈，充分体现了尺寸效应，由于微钻尺寸微细，微钻钻削玻璃纤维时只会同时钻削在几根玻璃纤维，轴向钻削力会随玻璃纤维的断裂而急剧下降；
　　 在微钻钻削印刷电路板钻削温度方面，各类实验表明钻削温度测量值通常80℃以下，但温度为达到树脂的玻璃化温度，由于树脂机械性能差，受压容易变形，粘附在微钻横刃和螺旋槽上，这将影响微钻的切削性能，并且会阻碍切屑的排出。钻削温度随着进给速度和主轴转速的增大而减小，但随着钻孔数和微钻直径的增大而增大。
　　 微钻的磨损主要是横刃和主切削刃上的磨粒磨损，虽然钻削温度未达到树脂的玻璃化温度，树脂还不会分解并腐蚀微钻，但树脂仍是会受压粘附在横刃上，而流入螺旋槽的树脂也会粘附玻璃纤维切屑形成混合切屑并粘附在螺旋槽内，严重影响微钻的排屑；弱刚性微钻弯曲时棱面靠近钻尖处参与切削，在玻璃纤维的摩擦和冲击下容易破损，导致切削无法正常进行，微钻弯曲更加剧烈，最终导致微钻折断；微钻磨损随着进给量的增大而减小，但随着转速、钻孔数和微钻直径的增大而增大。
　　 在微钻钻削印刷电路板微孔表面质量研究方面，首次阐述了钉头，出口入口孔变形的机制。微孔表面不仅存在入口毛刺、出口毛刺问题，还存在入口圆度误差、入口尺寸误差、入口孔边缘变形环、钉头、孔位精度、玻璃布中单根玻璃纤维断裂甚至脱落等问题。全面总结了进给速度、转速和微钻磨损等对微孔质量的影响，结果表明，提高转速和提高微钻耐磨性等可以改善加工效率和加工效果。印刷电路板入口圆度误差、尺寸误差等是由微钻弯曲导致主切削刃高低不一致所造成；微孔入口变形环、钉头和毛刺是微钻弯曲和微钻磨损造成微钻对铜箔进行横向挤压所造成；印刷电路板微孔孔壁并不是在切削刃切削后就结束，孔壁还受到螺旋槽内切屑的微切削，玻璃纤维切屑会在微钻高速旋转下紧贴孔壁运动，孔壁中相对较软的材料如铜箔、树脂会受到玻璃纤维切屑锋利端的微切削，形成沟槽与压痕等；孔壁中相对坚硬的材料如玻璃纤维因为脆性大，也可能在玻璃纤维的高速撞击下形成裂纹，最终因裂纹扩散而脱落，这些都会造成微孔孔壁的粗糙。
　　 微钻钻削印刷电路板与大直径钻头钻削印刷电路板的不同主要表现为：微钻钻削的环氧玻纤布切屑中玻璃纤维切屑是相互独立的，而大直径钻头钻削的环氧玻纤布切屑中玻璃纤维仍然有规则的排列在一起；微钻钻削环氧玻纤布时轴向钻削力波动剧烈，且随钻削参数的改变环氧玻纤布的轴向钻削力有大于铜箔钻削力的趋势，而大直径钻头钻削环氧玻纤布时平稳且小于铜箔轴向钻削力，大直径钻头因为是倒锥形结构，棱面不会与孔壁接触，因此没有受到钻削力的作用，而微钻虽然也是倒锥形结构，但因刚性差发生弯曲，棱面也受到钻削力的作用；微钻钻削印刷电路板的温度低于微钻钻削环氧玻纤布的温度，而大直径钻头钻削则刚好相反；微钻钻削的刀具磨损主要为磨粒磨损，另外还存在树脂粘附在横刃和螺旋槽内，影响切削性能和排屑，微钻棱面靠近钻尖处容易破损进而导致微钻折断，而大直径钻头钻削的刀具磨损则主要有磨粒磨损和粘着磨损。