槽孔為PTH屬性的圓角槽孔和直角槽孔加工方式

PCB行業(yè)越來(lái)越多地使用高頻高速板材來(lái)滿足信號(hào)傳輸速度、信號(hào)完整度及阻抗匹配等特殊要求。聚四氟乙烯是一種廣泛應(yīng)用的高頻材料，該材料具有優(yōu)秀的電氣性能。但由于PTFE材料自身的特性，在PCB槽孔機(jī)械加工過程中，很容易出現(xiàn)孔邊銅皮起翹、槽孔變形損傷以及角孔邊緣纖維絲去除不凈等問題。本文著重從銑床加工參數(shù)優(yōu)化和鉆床加工參數(shù)優(yōu)化兩方面入手，選擇最優(yōu)化的加工方式和加工參數(shù)，期望可以提高PTFE系列板材槽孔加工品質(zhì)。

PCB設(shè)計(jì)中，目前使用的高頻材料，都是以PTFE為主體，混合玻璃纖維布或者陶瓷等其他不同填料制成，以使材料的介電常數(shù)、介質(zhì)損耗等性能指標(biāo)滿足高頻設(shè)計(jì)需求。但由于PTFE材質(zhì)的特性差異，對(duì)于PCB機(jī)加工是個(gè)巨大的挑戰(zhàn)，雖然材料供應(yīng)商們竭盡全力的改進(jìn)填料配方，降低其機(jī)加難度，但到目前為止其加工難度和成本依舊高于普通的FR-4材料。各大PCB供應(yīng)商也在致力于PTFE材料機(jī)械加工工藝的革新，期望可以降低機(jī)加工成本，提高加工效率，但大都不太理想，槽孔作為印制電路板機(jī)加工常見的一種工具孔，在高頻材料加工時(shí)也不可避免的遇到了麻煩。

槽孔類型

槽長(zhǎng)度分類：槽孔有短槽、長(zhǎng)槽。長(zhǎng)度在寬度兩倍以下的槽為短槽，以上的槽為長(zhǎng)槽；

槽孔形狀分類：圓角槽孔和直角槽孔。

槽屬性分類：NPTH槽和PTH槽。

本文討論的槽孔為PTH屬性的圓角槽孔和直角槽孔加工方式。

改進(jìn)方向

常規(guī)的生產(chǎn)方式是通過鉆槽孔或銑槽孔完成槽孔機(jī)械加工。無(wú)論鉆槽孔還是銑槽孔，槽孔均容易產(chǎn)生邊緣毛刺，沉銅板電時(shí)鍍銅層附著在PTFE毛刺上，同時(shí)迅速生長(zhǎng)銅刺，嚴(yán)重的甚至完全堵塞槽孔，影響槽孔功能。本論文通過對(duì)鉆槽孔或銑槽孔進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，尋找合適的作業(yè)方式及作業(yè)參數(shù)，來(lái)提升槽孔加工質(zhì)量及效率。

鉆槽孔，是通過鉆機(jī)使用硬度比鉆刀硬度更高的槽刀按照所需槽孔的寬度和長(zhǎng)度有規(guī)律的鉆孔形成槽孔。鉆槽優(yōu)化方向，從鉆槽作業(yè)參數(shù)優(yōu)化和鉆槽工程資料優(yōu)化兩方面著手。通過鉆孔作業(yè)參數(shù)優(yōu)化，減少每次鉆孔時(shí)孔內(nèi)及孔邊上的毛刺；通過工程資料優(yōu)化，期望可以通過改變鉆孔路徑，減少甚至去除孔與孔相接處的毛刺殘留。

銑槽孔，是通過銑床使用銑刀按照一定的路徑進(jìn)行切削形成槽孔。銑槽優(yōu)化方向，主要通過刀類型的選用、銑床作業(yè)參數(shù)和工程資料三方面著手，減少槽孔毛刺，滿足品質(zhì)要求。

鉆槽工藝優(yōu)化

一、現(xiàn)狀

在前期生產(chǎn)過程中，槽孔經(jīng)常會(huì)有毛刺堵孔（如圖1），需要人工手工修理，不僅影響產(chǎn)品交期，而且影響品質(zhì)，容易因修理不良造成孔無(wú)銅，影響客戶元器件插件和焊接；即使客戶讓步使用后，對(duì)于天線類產(chǎn)品信號(hào)的調(diào)試也有一定的影響。

圖1 有毛刺的槽孔

二、鉆槽孔毛刺產(chǎn)生的原因：

現(xiàn)有的PTFE板料，鉆孔時(shí)未被切碎的纖維絲會(huì)纏繞在鉆刀上，使得鉆刀排屑性能下降，從而引起更多的纖維絲纏刀，造成孔壁粗糙，孔邊披鋒嚴(yán)重等不良現(xiàn)象。所以鉆孔參數(shù)的優(yōu)化目的，就是確保可以最大限度的割碎板材內(nèi)的纖維絲，保證在生產(chǎn)過程中，鉆刀不被纖維絲纏繞。

三、鉆孔參數(shù)優(yōu)化

優(yōu)化鉆孔參數(shù),選取PTFE材料常用的0.3mm、0.8mm、1.2mm、2.4mm、3.2mm幾個(gè)孔徑進(jìn)行參數(shù)對(duì)比試驗(yàn)，沉銅板電后切片確認(rèn)孔壁粗糙程度，來(lái)確認(rèn)鉆刀工作時(shí)對(duì)板料的切割是否可以滿足品質(zhì)要求。試驗(yàn)材料：某供應(yīng)商2.0mm 1/1、介電常數(shù)2.65。試驗(yàn)參數(shù)及結(jié)果對(duì)比表如下表1：

表1 原鉆孔參數(shù)與新參數(shù)孔粗對(duì)比

通過以上鉆圓孔對(duì)比實(shí)驗(yàn)，可以發(fā)現(xiàn)鉆孔新參數(shù)比原參數(shù)有更好的加工效果，孔壁質(zhì)量由原參數(shù)的1.16mill提升至0.56mill，可以取得很好的加工效果。

新參數(shù)：槽孔加工時(shí)主軸轉(zhuǎn)速下降10%，最低轉(zhuǎn)速不低于20krpm，進(jìn)刀速度降低40%，退刀速度降低20%，使用全新刀具，且刀具壽命調(diào)為原參數(shù)壽命的80%。

四、鉆孔資料優(yōu)化

短槽使用鉆孔生產(chǎn)，以某產(chǎn)品進(jìn)行工藝試驗(yàn)，槽孔設(shè)計(jì)如圖2。為保證和客戶需求相符，選用和客戶要求相同的某供應(yīng)商1.0mm 1/1、介電常數(shù)2.55的PTFE料進(jìn)行工藝試驗(yàn)。

圖2 槽孔設(shè)計(jì)圖

試驗(yàn)參數(shù)、方法及板電后結(jié)果記錄如下表2:

表2 鉆孔試驗(yàn)參數(shù)及沉銅后效果

試驗(yàn)分析：

（1）1號(hào)試驗(yàn)，使用之前G85格式工程資料，參數(shù)選用優(yōu)化后的新參數(shù)，鉆槽時(shí)孔密度為5孔，槽刀鉆槽的順序?yàn)?、2、3、4、5，為線性生產(chǎn)，鉆孔完畢，沉銅板電后，個(gè)別孔有瘤狀毛刺，超出品質(zhì)接受標(biāo)準(zhǔn)。

（2）2號(hào)試驗(yàn)，針對(duì)槽刀鉆孔順序進(jìn)行工程資料優(yōu)化，打散后重新設(shè)定鉆槽順序?yàn)樘躲@法，順序?yàn)?、3、5、4、2，并重新進(jìn)行試驗(yàn)，用優(yōu)化后的新參數(shù)生產(chǎn)，沉銅板電后，毛刺改善效果不明顯，個(gè)別槽孔內(nèi)毛刺仍舊超出標(biāo)準(zhǔn)。

（3）通過1號(hào)和2號(hào)實(shí)驗(yàn)，我們發(fā)現(xiàn)毛刺產(chǎn)生的位置主要位于每個(gè)孔與孔的間隙處，故設(shè)計(jì)3號(hào)和4號(hào)實(shí)驗(yàn)時(shí)，進(jìn)行槽孔孔數(shù)加密，3號(hào)實(shí)驗(yàn)孔數(shù)由G85格式設(shè)備默認(rèn)n孔增加到2n-1孔，4號(hào)實(shí)驗(yàn)孔數(shù)由G85格式設(shè)備默認(rèn)n孔增加到4n-3孔，3、4號(hào)試驗(yàn)，增加鉆槽孔數(shù)量至9孔（3號(hào)）和17孔（4號(hào)），并且使用線性生產(chǎn)方式。按照新鉆孔參數(shù)，使用新鉆孔工程資料生產(chǎn)后，槽孔毛刺現(xiàn)象進(jìn)一步減少，加密至9孔的3號(hào)實(shí)驗(yàn)，槽孔孔壁毛刺較小，加密至17孔的4號(hào)實(shí)驗(yàn)，生產(chǎn)的槽孔幾乎沒有毛刺。

通過上述試驗(yàn)得出結(jié)論:假定設(shè)備默認(rèn)G85格式工程資料槽孔孔數(shù)為n，加工時(shí)槽孔孔數(shù)設(shè)定為4n-3，并且采用線性鉆法，槽孔可以得到非常好的加工效果。

五、生產(chǎn)效果驗(yàn)證

依據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，更新工程資料和鉆孔參數(shù)后試生產(chǎn)，槽孔基本無(wú)毛刺，品質(zhì)良好。

圖3 沉銅后槽孔 圖4 圖電后槽孔

六、鉆槽孔試驗(yàn)小結(jié)

優(yōu)化鉆孔參數(shù),主軸轉(zhuǎn)速下降10%，最低轉(zhuǎn)速不低于20krpm,進(jìn)刀速度降低40%，退刀速度降低20%，使用全新刀具，且刀具壽命調(diào)為原壽命的20%；同時(shí)孔數(shù)由G85格式工程資料設(shè)備默認(rèn)n孔增加到 4n-3孔，槽孔內(nèi)基本無(wú)毛刺，可以得到比較好的加工效果。

銑槽工藝優(yōu)化

一、現(xiàn)狀

直角槽孔中角孔與銑槽結(jié)合處最容易產(chǎn)生毛刺，人工修刮不僅效率低下，而且易造成孔無(wú)銅影響客戶器件焊接，需要對(duì)直角槽孔生產(chǎn)進(jìn)行工藝試驗(yàn)，避免此類客訴發(fā)生。

圖5 客訴角孔周圍毛刺修理不凈

二、角孔毛刺產(chǎn)生原因

由于鉆刀和銑刀均為圓形，不能生產(chǎn)出絕對(duì)的直角槽孔，為避免非直角槽對(duì)插件的不良影響，通常的做法是先在槽孔四個(gè)角處鉆角孔，然后進(jìn)行CNC銑槽。而PTFE太過柔軟，角孔邊緣的材料在進(jìn)行CNC銑槽時(shí)發(fā)生移動(dòng)，使得銑刀無(wú)法去除角孔與銑刀交接處的毛刺。

三、改善方向

1、優(yōu)化CNC工程資料：去除角孔，將角孔整合在CNC銑槽路徑中，從而去除銑刀加工因材料形變而產(chǎn)生的切削盲點(diǎn)。

2、優(yōu)化CNC參數(shù)：因參數(shù)設(shè)定不當(dāng)，切斷的纖維絲難以排出，銑刀被纖維絲纏繞而喪失切削能力，造成剛開始行刀就發(fā)生斷刀，如圖6。為了避免銑刀被纖維絲纏繞而斷刀，最主要的改善是：

① 優(yōu)化主軸轉(zhuǎn)速，提高刀具切削能力，將纖維絲徹底切碎。增加切削能力的主要方法是提高刀具邊緣的線速度，線速度越大切削能力越高，當(dāng)然線速度也不是越快越好，需要實(shí)時(shí)考慮散熱狀況。

② 使用螺旋銑刀，降低行刀速度，增加銑刀的排屑能力。用排屑能力更強(qiáng)的螺旋銑刀代替普通銑刀，降低銑刀的切削速度，讓銑刀有充裕的時(shí)間排屑。

圖6 試驗(yàn)中因纖維絲纏繞失去切削力而斷掉的銑刀

四、CNC工程資料優(yōu)化試驗(yàn)

以客戶的槽孔為藍(lán)本，將角孔整合進(jìn)CNC路徑中，制作試驗(yàn)工程資料，為保證槽邊角品質(zhì)，設(shè)計(jì)0.8mm和1.0mm兩種刀徑,以便對(duì)比同一種參數(shù)下兩種刀具生產(chǎn)出的毛刺的不同。工程資料如圖7。為保證和客戶需求相符，選用和客戶要求相同的某供應(yīng)商1.0mm 1/1、介電常數(shù)2.55的PTFE料進(jìn)行工藝試驗(yàn)。

圖7 試驗(yàn)用工程資料圖

生產(chǎn)時(shí)為防止槽邊銅皮起翹，我們使用白色密胺墊板和冷壓蓋板夾緊生產(chǎn)，由于設(shè)備限制，轉(zhuǎn)速在0-24000轉(zhuǎn)之間調(diào)節(jié)。銑槽孔試驗(yàn)參數(shù)及結(jié)果如下表3：

表3 銑槽孔加工參數(shù)

試驗(yàn)小結(jié)：

使用1.0mm螺旋銑刀，主軸轉(zhuǎn)速24000轉(zhuǎn)，行刀速度為0.24m/min的3號(hào)試驗(yàn)槽孔毛刺最小，相比前期有很大的改善，但還不是最理想的效果，但對(duì)于客戶插件已經(jīng)不影響了。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)：毛刺產(chǎn)生區(qū)域主要處于刀具路徑改變位置。

圖8 毛刺產(chǎn)生地點(diǎn)處于刀具路徑改變位置

五、銑床工程資料進(jìn)一步優(yōu)化

更改槽孔資料，拉長(zhǎng)槽孔，并改為圓角槽孔，保證槽內(nèi)矩形為客戶需要的插件尺寸；選用1.0mm刀徑的螺旋銑刀進(jìn)行工程資料制作，并試制生產(chǎn)樣板，沉銅板電后孔內(nèi)無(wú)毛刺，品質(zhì)良好，如圖9。

圖9 優(yōu)化后槽孔品質(zhì)良好

六、銑槽試驗(yàn)小結(jié)

1）PTFE材料不適合機(jī)械加工直角金屬化槽孔，在工程階段應(yīng)及時(shí)與客戶溝通，更改圓角槽型，可以使用鉆槽也可以銑槽，減少毛刺。

2）無(wú)法更改時(shí)，工程階段將角孔整合進(jìn)銑槽路徑中，刀具用1.0mm制作工程資料；生產(chǎn)時(shí)選用螺旋銑刀，行刀速度在需要適當(dāng)下調(diào)；加工時(shí)完成一次銑槽加工后再加工一次，二次加工行刀速度可以更改為原參數(shù)，可以達(dá)到一個(gè)較理想的加工效果。

針對(duì)PTFE系列板料進(jìn)行的槽孔生產(chǎn)實(shí)驗(yàn)跟進(jìn)，得出以下結(jié)論：

1) 鉆槽孔，按照優(yōu)化后作業(yè)參數(shù)生產(chǎn)，工程資料進(jìn)行加密孔，孔數(shù)由G85格式工程資料設(shè)備默認(rèn)n孔增加到 4n-3孔，并且采用線性鉆法，可以得到較好的加工效果。

2) 銑槽孔，直角槽孔需要CNC加工時(shí)，工程資料優(yōu)化階段，將角孔整合進(jìn)銑槽路徑中，刀具用1.0mm制作工程資料；生產(chǎn)時(shí)選用螺旋銑刀，行刀速度在原基礎(chǔ)需要適當(dāng)下調(diào)；加工時(shí)完成一次銑槽加工后再加工一次，第二次加工行刀速度可以更改為原參數(shù)，可以達(dá)到一個(gè)相對(duì)理想的加工效果。

3) 針對(duì)PTFE板料直角槽孔，在前階段建議客戶進(jìn)行資料優(yōu)化，更改為圓形槽孔，在不影響插件功能的前提下，可以達(dá)到更好的加工效果。