真空離子鍍膜技術(shù)在PCB用鉆頭銑刀上的應(yīng)用

韋 昊 敖四超 陳家逢 鄧 峻

（深圳市崇達(dá)電路技術(shù)股份有限公司，廣東 深圳 518103）

電子工業(yè)的飛速發(fā)展對(duì)線路板制造業(yè)的要求越來(lái)越高，線路板層數(shù)越來(lái)越高，孔密度越來(lái)越大并向微孔化不斷發(fā)展，機(jī)械鉆孔加工面臨新的挑戰(zhàn)。同時(shí)，在線路板行業(yè)利潤(rùn)不斷下滑的情況下，降低生產(chǎn)成本，已經(jīng)成為業(yè)內(nèi)人士的共識(shí)。線路板生產(chǎn)中使用傳統(tǒng)的鉆頭及銑刀采用硬質(zhì)合金材料制造,雖然硬度較高，但在使用過(guò)程中，由于高速的運(yùn)轉(zhuǎn)切削會(huì)導(dǎo)致磨損，鉆頭在加工約1000孔后易出現(xiàn)圓角，鉆頭壽命不高；銑刀在使用時(shí)亦由于側(cè)刃的磨損而容易產(chǎn)生毛刺甚至斷刀，壽命極短[1]。

提高鉆頭及銑刀使用壽命的關(guān)鍵是提高所用合金材料的綜合機(jī)械性能。真空離子鍍膜技術(shù)作為一種新興的薄膜沉積工藝，已成為線路板用鉆頭及銑刀制備的新熱點(diǎn)。真空離子鍍膜技術(shù)即通過(guò)在高溫及真空環(huán)境中，利用激光轟擊鍍層金屬形成離子狀態(tài)后，輸入特定的高純氣體，并使離子在強(qiáng)磁場(chǎng)的驅(qū)動(dòng)下附于物件上形成鍍層。鍍層是原子態(tài)堆積生長(zhǎng)的納米級(jí)結(jié)構(gòu)，具有膜質(zhì)細(xì)膩致密、結(jié)合力強(qiáng)、光潔度高、硬度高等特點(diǎn)[2]。然而，采用真空離子鍍膜技術(shù)制備的鉆頭及銑刀在實(shí)際生產(chǎn)中，對(duì)鉆頭及銑刀的使用壽命及產(chǎn)品質(zhì)量的提高、生產(chǎn)成本的降低，還有待進(jìn)一步的確認(rèn)。

為了研究真空離子鍍膜技術(shù)對(duì)鉆頭及銑刀的使用效果，評(píng)估由此帶來(lái)的生產(chǎn)效率的提高和生產(chǎn)成本的下降，本試驗(yàn)通過(guò)真空離子鍍膜技術(shù)制備了一批新型鉆頭及銑刀，通過(guò)對(duì)鉆頭使用過(guò)程中產(chǎn)生的毛刺、塞孔、斷針、釘頭、孔壁粗糙度及鉆孔生產(chǎn)加工成本分析，總結(jié)了新舊鉆頭使用效果；同時(shí)分析了銑刀在銑板過(guò)程中粉塵的排出效果、毛刺、斷刀情況、銑程提升量及生產(chǎn)加工成本。

1 試驗(yàn)方法與過(guò)程

本試驗(yàn)采用真空離子鍍膜技術(shù)，利用激光轟擊靶材形成離子，并使離子在強(qiáng)磁場(chǎng)的驅(qū)動(dòng)下吸附于鉆頭或銑刀表面形成鍍層，對(duì)鍍件起到良好的保護(hù)作用，提高鍍件表面的耐磨性，從而制備出鍍膜鉆頭與鍍膜銑刀，鍍膜厚度控制在3μm左右。

1.1 鍍膜鉆頭的試驗(yàn)

表1是鍍膜鉆頭試驗(yàn)所用板料類型。結(jié)合本廠實(shí)際生產(chǎn)情況，試驗(yàn)采用六軸鉆機(jī)，在正常加工參數(shù)下，對(duì)比直徑0.3 mm鍍膜鉆頭與非鍍膜鉆頭鉆孔后板的毛刺、斷針、孔壁粗糙度及鉆孔生產(chǎn)加工成本等因素，評(píng)估鍍膜鉆頭的實(shí)際使用效果。

表1 板料類型

1.2 鍍膜銑刀的試驗(yàn)

表2是鍍膜銑刀試驗(yàn)所用板料類型。結(jié)合本廠實(shí)際生產(chǎn)情況，試驗(yàn)采用四軸銑機(jī)，在正常加工參數(shù)下，對(duì)比刀徑為2.4 mm的鍍膜銑刀與非鍍膜銑刀在壓合后銑邊，刀徑為1.6 mm的鍍膜銑刀與非鍍膜銑刀成型生產(chǎn)加工過(guò)程，確認(rèn)粉塵的排出效果、毛刺的產(chǎn)生以及斷刀等情況。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 鍍膜鉆頭試驗(yàn)結(jié)果

圖1是各磨次的鍍膜鉆頭與非鍍膜鉆頭在鉆孔后的刀面狀況圖，表3是鍍膜鉆頭與非鍍膜鉆頭鉆孔后試板檢查表。由圖可知，非鍍膜鉆頭的刀面在鉆孔時(shí)磨損較大，翻磨四次后繼續(xù)使用容易出現(xiàn)斷鉆、毛刺、塞孔等情況；鍍膜鉆頭的刀面在鉆孔時(shí)磨損較小，翻磨五次后才無(wú)法使用，各磨次的鍍膜鉆頭在使用時(shí)均未出現(xiàn)斷鉆現(xiàn)象。

圖2是直徑0.3 mm鍍膜鉆頭與非鍍膜鉆頭鉆孔后的孔壁粗糙度最大值與各磨次的關(guān)系曲線圖，圖3是鉆孔后鉆頭的釘頭最大值與各磨次的關(guān)系曲線圖，其中檢查標(biāo)準(zhǔn)按：孔壁粗糙度≤25μm，釘頭≤2倍底銅厚度。由圖可知，鍍膜鉆頭鉆孔后的最大釘頭為60μm，最大孔壁粗糙度為20μm，孔壁粗糙度及釘頭大小均在檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，鉆孔質(zhì)量達(dá)到要求；非鍍膜鉆頭鉆孔后的最大釘頭為67μm，最大孔壁粗糙度為25μm；非鍍膜鉆頭總孔限按12500孔設(shè)定，鍍膜鉆頭總孔限按27200孔設(shè)定，孔限增加比例達(dá)到117.6%，從整體來(lái)看，在以上的壽命設(shè)定范圍內(nèi)，鍍膜鉆頭的鉆孔效果優(yōu)于非鍍膜鉆頭，而且由于鉆頭壽命的提高，減少了換鉆頭次數(shù)，生產(chǎn)效率得到了一定的提高。

表2 板料類型

圖1 各磨次的刀面狀況圖

表3 鉆頭鉆孔后試板檢查表

圖2 孔壁粗糙度最大值與磨次的關(guān)系曲線圖

圖3 釘頭最大值與磨次的關(guān)系曲線圖

為了確認(rèn)鍍膜鉆頭的使用壽命，本試驗(yàn)進(jìn)行了鍍膜鉆頭的孔限提升測(cè)試，提升后的孔限數(shù)據(jù)如表4所示，圖4是孔壁粗糙度和釘頭最大值與各磨次的關(guān)系圖。由圖可知，按此孔限設(shè)定時(shí)，鉆孔后的釘頭可以達(dá)到要求，但孔壁粗糙度最大達(dá)到了25μm，達(dá)到了控制上限值，說(shuō)明總孔限設(shè)定為33000孔達(dá)到了此類鍍膜鉆頭所能達(dá)到的最大鉆孔壽命。因此，在保證穩(wěn)定的鉆孔效果前提下，27200孔的總孔限應(yīng)是此類鉆頭相對(duì)較為合適的壽命設(shè)定值。

表4 極限測(cè)試孔限列表

圖4 孔壁粗糙度和釘頭最大值與各磨次的關(guān)系走勢(shì)圖

2.2 鍍膜銑刀試驗(yàn)結(jié)果

表5是以刀徑為2.4 mm的鍍膜銑刀與非鍍膜銑刀分別在銑邊機(jī)上以同一疊板數(shù)、同一銑邊參數(shù)對(duì)普通Tg壓合板進(jìn)行銑外圍框時(shí)的狀況表。由表可知，對(duì)普通Tg板料的壓合板進(jìn)行銑邊時(shí)，鍍膜銑刀比非鍍膜銑刀銑程平均增加13.2 m，銑程提升幅度達(dá)到91.7%；兩種銑刀在銑外圍框時(shí)排屑均良好，非鍍膜銑刀在2.5 m銑程后開(kāi)始出現(xiàn)毛刺，鍍膜銑刀在加工到6 m后才出現(xiàn)毛刺；因而可以判斷，對(duì)普通Tg壓合板銑外圍框時(shí)，鍍膜銑刀比非鍍膜銑刀的銑邊效果好，銑程長(zhǎng)，減少了生產(chǎn)過(guò)程中換銑刀次數(shù)，提高了生產(chǎn)效率。

表6是以刀徑為2.4 mm的鍍膜銑刀與非鍍膜銑刀分別在銑邊機(jī)上以同一疊板數(shù)、同一銑邊參數(shù)對(duì)高Tg壓合板進(jìn)行銑外圍框時(shí)的狀況表。由表可知，對(duì)高Tg板料壓合板進(jìn)行銑邊時(shí)，鍍膜銑刀比非鍍膜銑刀銑程平均增加8 m，銑程提升幅度達(dá)到80%；兩種銑刀在銑外圍框時(shí)排屑均良好，非鍍膜銑刀在1.8 m銑程后開(kāi)始出現(xiàn)毛刺，鍍膜銑刀在加工到4 m后才出現(xiàn)毛刺；因而可以判斷，對(duì)高Tg壓合板銑外圍框時(shí)，鍍膜銑刀比非鍍膜銑刀的銑邊效果好，銑程長(zhǎng)，減少了生產(chǎn)過(guò)程中換銑刀次數(shù)，提高了生產(chǎn)效率。

表5 普通Tg板料銑邊狀況表

表6 高Tg板料銑板狀況表

表7是以刀徑為1.6 mm的鍍膜銑刀與非鍍膜銑刀分別在成型銑板機(jī)上以同一疊板數(shù)、同一銑板參數(shù)對(duì)普通Tg板進(jìn)行成型加工時(shí)的狀況表。由表可知，對(duì)普通Tg板料進(jìn)行成型加工時(shí)，1.6 mm的鍍膜銑刀比非鍍膜銑刀銑程平均增加25.5 m，銑程提升幅度為97.3%；兩種銑刀在成型加工時(shí)均未出現(xiàn)板邊毛刺，非鍍膜銑刀在19 m銑程后開(kāi)始出現(xiàn)少許粉塵，而鍍膜銑刀在生產(chǎn)過(guò)程中未產(chǎn)生此問(wèn)題；因而可以判斷，對(duì)普通Tg板料進(jìn)行成型加工時(shí)，鍍膜銑刀比非鍍膜銑刀的成型效果好，銑程長(zhǎng)，降低了生產(chǎn)過(guò)程中換刀次數(shù)，在一定程度上提升了生產(chǎn)效率。

表8是以刀徑為1.6 mm的鍍膜銑刀與非鍍膜銑刀分別在成型銑板機(jī)上以同一疊數(shù)、同一參數(shù)對(duì)高Tg板料進(jìn)行成型加工時(shí)的狀況表。由表可知，對(duì)高Tg板料進(jìn)行成型加工時(shí)，鍍膜銑刀比非鍍膜銑刀銑程平均增加9.7 m，銑程提升幅度為85.8%；兩種銑刀在成型加工時(shí)均未出現(xiàn)板邊毛刺，非鍍膜銑刀在19 m銑程后開(kāi)始出現(xiàn)少許粉塵，而鍍膜銑刀在生產(chǎn)過(guò)程中未產(chǎn)生此問(wèn)題；因而可以判斷， 對(duì)高Tg板料進(jìn)行成型加工時(shí)，鍍膜銑刀比非鍍膜銑刀的成型效果好，銑程長(zhǎng)，降低了生產(chǎn)過(guò)程中換刀次數(shù)，在一定程度上提升了生產(chǎn)效率。

3 試驗(yàn)結(jié)果及生產(chǎn)成本分析

3.1 鍍膜鉆頭生產(chǎn)成本分析

鍍膜鉆頭在鉆孔測(cè)試過(guò)程無(wú)斷針現(xiàn)象發(fā)生，測(cè)試板無(wú)塞孔不良，毛刺檢查達(dá)到要求；鉆孔后鉆頭翻磨亦較為容易，不易折斷，刀面磨損較未鍍膜鉆頭小，孔壁粗糙度和釘頭均達(dá)到要求，從整體來(lái)看，在鉆孔壽命設(shè)定范圍內(nèi)，鍍膜鉆頭的鉆孔效果優(yōu)于非鍍膜鉆頭；

表9是鍍膜鉆頭（總孔限為27200孔）與非鍍膜鉆頭鉆孔時(shí)的成本比較表。由表分析可知，鍍膜鉆頭與非鍍膜鉆頭的成本差為0.042元/千孔，成本下降幅度達(dá)到19.4%；因此，相對(duì)于非鍍膜鉆頭，采用鍍膜鉆頭能明顯節(jié)約生產(chǎn)成本。

表7 普通Tg板料成型加工狀況列表

表8 高Tg板料銑板狀況列表

表9 鉆頭千孔成本降幅

3.2 鍍膜銑刀生產(chǎn)成本分析

表10與表11分別是鍍膜銑刀與非鍍膜銑刀用于壓合板銑外圍框時(shí)的成本比較表。由表可知，對(duì)于普通Tg板料，使用鍍膜銑刀的成本下降幅度為20.9%；對(duì)于高Tg板料，成本下降幅度為15.7%。因此，相對(duì)于非鍍膜銑刀，采用鍍膜銑刀進(jìn)行壓合后銑邊加工，能明顯節(jié)約公司成本。

表12與表13分別是鍍膜銑刀與非鍍膜銑刀成型加工時(shí)的成本比較表。由表可知，對(duì)于普通Tg板料，使用鍍膜銑刀的成本下降幅度為20.5%；對(duì)于高Tg板料，成本下降幅度為16.1%。因此，相對(duì)于非鍍膜銑刀，采用鍍膜銑刀進(jìn)行成型加工時(shí)，能明顯節(jié)約生產(chǎn)成本。

4 結(jié)論

（1）相對(duì)于非鍍膜鉆頭，采用真空離子鍍膜工藝處理后的鍍膜鉆頭鉆孔，能明顯增加鉆孔孔限，減少毛刺，同時(shí)節(jié)約成本；

（2）相對(duì)于非鍍膜銑刀，采用真空離子鍍膜工藝處理后的鍍膜銑刀進(jìn)行銑邊及成型加工，有利于減少產(chǎn)品的毛刺及銑刀斷刀情況，提高生產(chǎn)效率，同時(shí)節(jié)約成本。

5 致謝

表10 銑外圍框成本對(duì)比表（普通Tg板料）

表11 銑外圍框成本對(duì)比表（高Tg板料）

表12 普通Tg板料成型成本對(duì)比表

表13 高Tg板料成型成本對(duì)比表

本試驗(yàn)采用的鍍膜鉆頭/銑刀為深圳市富吉真空技術(shù)有限公司所提供，試驗(yàn)開(kāi)展過(guò)程中，亦得到了該公司的大力支持與幫助，在此表示感謝。

[1]楊振國(guó). 印制電子的研究現(xiàn)狀, 技術(shù)特征及產(chǎn)業(yè)化前景[J]. 印制電路信息, 2010,1,8-13.

[2]張懷武. 現(xiàn)代印制電路原理與工藝[M]. 第2版.北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2010.