付連宇 郭 強(qiáng)

（深圳市金洲精工科技股份有限公司，廣東 深圳 518116）

1 前言

微孔是PCB 的重要組成部分，經(jīng)電鍍以后的微孔在PCB 中起著電氣互連作用。印制板鉆孔（包括激光鉆孔）工序是印制板生產(chǎn)的基本和關(guān)鍵工序之一，機(jī)械鉆孔主要采用微型鉆頭在機(jī)械鉆機(jī)上進(jìn)行。微型鉆頭的主要材料為硬質(zhì)合金，為節(jié)約寶貴的鎢資源及降低成本，在微鉆頭的結(jié)構(gòu)形式上，焊接式微鉆頭已經(jīng)逐步取代了原有的整體硬質(zhì)合金微鉆頭。同時(shí)新型微鉆頭設(shè)計(jì)不斷出現(xiàn)，特別是以單槽鉆和單刃鉆最具有代表性，明顯地提高了微鉆頭的性能。為了解決難加工板材的鉆孔以及進(jìn)一步提高微鉆頭的性能，涂層微鉆頭的研究受到普遍關(guān)注，并已經(jīng)開始成熟和產(chǎn)業(yè)化。隨著主軸轉(zhuǎn)速為35萬轉(zhuǎn)/分鐘的鉆機(jī)的應(yīng)用逐漸增多以及封裝基板、撓性印制板的技術(shù)進(jìn)步，直徑為0.15 mm、0.1 mm及以下的鉆頭應(yīng)用量越來越大，微鉆頭向更微細(xì)的方向發(fā)展的趨勢(shì)明顯。

為了更好的理解鉆孔過程，微孔鉆削的應(yīng)用基礎(chǔ)研究在近幾年也取得長(zhǎng)足進(jìn)展，在微孔鉆削機(jī)理以及微孔鉆削監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的研究逐漸深入。本文即對(duì)微鉆頭及微孔鉆削的進(jìn)展進(jìn)行綜述，對(duì)微鉆頭和微孔鉆削的趨勢(shì)進(jìn)行展望。

2 機(jī)械鉆孔及微型鉆頭

PCB的微孔加工方法主要包括機(jī)械鉆孔和激光鉆孔，受高端智能手機(jī)及平板電腦的驅(qū)動(dòng)，任意層互連技術(shù)得到快速發(fā)展，激光鉆孔在任意層互連印制板制程中應(yīng)用廣泛，此外激光鉆孔在高密度互連印制板的積層微孔加工也有普遍應(yīng)用。激光鉆孔的突出優(yōu)勢(shì)是鉆孔效率高，而機(jī)械鉆孔則在通孔加工上優(yōu)勢(shì)明顯，而且在極細(xì)微孔加工上，機(jī)械鉆孔也表現(xiàn)出極大的潛力。激光鉆孔和機(jī)械鉆孔相互補(bǔ)充，共同推進(jìn)PCB行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步，沒有跡象表明二者為相互替代的關(guān)系[1]。正如知名期刊《Circuit World》的主編Martin Goosey教授指出的那樣“幾年前有人質(zhì)疑傳統(tǒng)的機(jī)械鉆孔方式能否滿足孔徑日益減小的微孔加工，激光鉆孔成為微孔加工的解決方案，但是正如當(dāng)傳統(tǒng)技術(shù)受到新技術(shù)威脅時(shí)，機(jī)械鉆機(jī)和微鉆頭總能不斷發(fā)展，使得原來認(rèn)為不可能的高速鉆削成為可能”[2]。

近幾年亞洲尤其是中國(guó)PCB市場(chǎng)的表現(xiàn)令人矚目，占全球PCB市場(chǎng)的份額持續(xù)擴(kuò)大。根據(jù)PRISMARK發(fā)布的數(shù)據(jù)，2012年中國(guó)占全球PCB的比例為40%，預(yù)計(jì)到2017年該數(shù)字將增長(zhǎng)到45.1%，繼續(xù)領(lǐng)跑全球的PCB市場(chǎng)。與持續(xù)看好的全球PCB市場(chǎng)相適應(yīng)，全球的微鉆頭市場(chǎng)取得了長(zhǎng)足的發(fā)展，目前全球微鉆頭（含銑刀）的年消耗量超過12億支，而且該數(shù)字當(dāng)然會(huì)隨著全球PCB規(guī)模的擴(kuò)大而變大，PCB微鉆頭市場(chǎng)被廣泛看好。隨著全球PCB向亞洲的轉(zhuǎn)移以及與中國(guó)PCB穩(wěn)定的增長(zhǎng)勢(shì)頭相適應(yīng)，中國(guó)PCB用微型鉆頭市場(chǎng)越發(fā)成熟，整個(gè)微鉆頭的市場(chǎng)規(guī)模超過5億支，而且中國(guó)PCB微鉆頭市場(chǎng)穩(wěn)定增長(zhǎng)的趨勢(shì)不減。

微鉆頭的市場(chǎng)變化也帶來了微鉆頭研發(fā)和生產(chǎn)格局的明顯變化。和歐美的微鉆頭生產(chǎn)廠相比，亞洲的微鉆頭生產(chǎn)廠，尤其是中國(guó)的微鉆頭生產(chǎn)廠表現(xiàn)出更強(qiáng)勁的發(fā)展勢(shì)頭。以深圳市金洲精工科技股份有限公司為代表的優(yōu)秀民族品牌企業(yè)迅速崛起，無論從技術(shù)水平還是產(chǎn)品品質(zhì)上都處于行業(yè)內(nèi)的一流水平。目前金洲公司微鉆頭的年產(chǎn)銷量已經(jīng)超過1.8億支，按照金洲公司的發(fā)展規(guī)劃，今后幾年微鉆頭的產(chǎn)能還會(huì)以近15%～20%的年增長(zhǎng)速度遞增，繼續(xù)為推動(dòng)中國(guó)PCB行業(yè)的發(fā)展和技術(shù)進(jìn)步、推動(dòng)中國(guó)由PCB制造大國(guó)向PCB制造強(qiáng)國(guó)邁進(jìn)。

典型的PCB用微型鉆頭如圖1所示。PCB行業(yè)的發(fā)展也推動(dòng)著微鉆頭的技術(shù)進(jìn)步，微鉆頭生產(chǎn)的自動(dòng)化程度持續(xù)提高，典型的微鉆頭（含銑刀）生產(chǎn)線如圖2所示。同時(shí)微鉆頭的品質(zhì)保證能力得到增強(qiáng)，一流的微鉆頭企業(yè)都實(shí)現(xiàn)了微鉆頭缺陷（圖3）的100%全自動(dòng)檢測(cè)，微型鉆頭的性能持續(xù)提升。

圖1 微型鉆頭

圖2 典型的微鉆頭生產(chǎn)線示例

圖3 需要控制的微鉆頭缺陷示例（左起：缺口、外傾、內(nèi)傾、分離、重疊、大小面）

3 新型結(jié)構(gòu)微型鉆頭不斷出現(xiàn)

3.1 焊接型微型鉆頭逐漸普及

目前PCB微鉆頭材料是硬質(zhì)合金，是由一種或多種難熔金屬的碳化物（如碳化鎢WC）作為硬質(zhì)相，用金屬粘結(jié)劑鈷（Co）作為粘結(jié)相，經(jīng)粉末冶金方法燒結(jié)而成的一種硬度高、耐磨性高、抗壓強(qiáng)度高的復(fù)合材料。它的性能特點(diǎn)有：硬度高、耐磨性高；抗壓強(qiáng)度高；穩(wěn)定性好。與工具鋼相比，硬質(zhì)合金可提高工具壽命、提高了切削速度和勞動(dòng)效率、改善工件的精度和光潔度。一般來說，硬質(zhì)合金中WC晶粒越細(xì)，粘結(jié)相Co的平均自由程（即硬質(zhì)相WC晶粒間鈷層的厚度）會(huì)減小，抗彎強(qiáng)度、硬度、耐磨性增強(qiáng)。

鑒于PCB制程對(duì)微鉆頭的耐磨性、抗折性以及加工性能有很高的要求，微鉆頭對(duì)硬質(zhì)合金材料的性能有較高的要求，主要包括[3]：（1）較高的耐磨性與斷裂韌性；（2）較高的熱導(dǎo)率；（3）硬質(zhì)合金中WC晶粒越細(xì)越好；（4）具有較好的抗化學(xué)侵蝕性能；（5）較好的加工性能等。

微型鉆頭最初由整體硬質(zhì)合金來制造，在降低成本的因素驅(qū)動(dòng)下，微鉆頭的結(jié)構(gòu)發(fā)生了明顯的變化，從整體硬質(zhì)合金微鉆頭發(fā)展到不銹鋼柄和硬質(zhì)合金對(duì)焊式微鉆頭，再到最新型的不銹鋼柄和硬質(zhì)合金微鉆頭的非等徑平面連接式焊接。微鉆頭結(jié)構(gòu)形式的可以概括為以下三種（圖4）：

圖4 不同的微型鉆頭結(jié)構(gòu)形式

（1）整體硬質(zhì)合金式微鉆頭：整支微鉆頭的材料都為硬質(zhì)合金；

（2）對(duì)焊式微鉆頭：硬質(zhì)合金和不銹鋼柄的直徑相等，平面對(duì)接；

（3）非等徑平面焊接式微鉆頭：不銹鋼柄部和硬質(zhì)合金直徑不等，采用平面對(duì)接。

焊接形式的進(jìn)步，不斷降低硬質(zhì)合金的使用量，進(jìn)而降低了微鉆頭的制造成本，也節(jié)約了鎢資源的消耗。隨著微鉆頭生產(chǎn)廠研發(fā)和制造能力的增強(qiáng)，焊接形式的微鉆頭憑借其可靠的性能已經(jīng)取代了絕大部分的整體硬質(zhì)合金微鉆頭。

與微鉆頭結(jié)構(gòu)形式的上述變化相類似，作為印制板外形加工的銑刀結(jié)構(gòu)形式在發(fā)生變化，出現(xiàn)了焊接形式的銑刀。即利用不銹鋼柄或硬質(zhì)合金柄和硬質(zhì)合金工作部分焊接，然后加工成銑刀，如圖5所示，目前焊接形式的銑刀在一定的應(yīng)用范圍內(nèi)表現(xiàn)出良好的使用性能。

圖5 不同的銑刀焊接形式

3.2 單槽型微鉆頭逐步推廣

目前常規(guī)的PCB鉆頭包括鉆身和鉆尖，其鉆尖處通常都是有兩個(gè)對(duì)稱的切削刃及兩組對(duì)稱的后刀面，鉆身上則設(shè)有兩條對(duì)稱的螺旋槽。隨著微型鉆頭的直徑越來越小，更易斷鉆，其對(duì)剛性的要求也越來越高。而常規(guī)鉆頭兩螺旋槽的形式削弱了鉆頭剛性，抗斷的能力提高的空間有限。為解決該問題，單槽型微鉆頭得到越來越廣泛的應(yīng)用。單槽型微鉆頭僅有一條完整的長(zhǎng)螺旋槽，另一條螺旋槽很短，并且在鉆頭前部與長(zhǎng)螺旋槽匯聚，單槽型鉆尖頭型結(jié)構(gòu)與普通微鉆頭相同，單槽型微鉆頭的螺旋槽形式有幾種選擇，其中一種如圖6所示。

圖6 常規(guī)型與一種單槽型微鉆頭結(jié)構(gòu)

單槽型微鉆頭和常規(guī)型微鉆頭相比，在同樣的芯徑（圖7）條件下，單槽型微鉆頭的容屑能力更強(qiáng)；故而同樣的排塵能力下單槽型微鉆頭可以將剛度可設(shè)計(jì)得更好，可達(dá)到提高孔位精度的目的。

圖7 普通微鉆頭和單槽微鉆頭的截面結(jié)構(gòu)

鉆孔試驗(yàn)表明（測(cè)試參數(shù)如表1，結(jié)果見圖8）單槽型微鉆頭憑借其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使得該產(chǎn)品的孔位精度表現(xiàn)優(yōu)異，可有效提升鉆孔孔數(shù)、疊板數(shù)和降低偏孔報(bào)廢。

表1 測(cè)試參數(shù)

3.3 單刃型微鉆頭性能突出

和單槽鉆頭相類似，另外一種新型鉆頭為單刃型微鉆頭（如圖9所示）。該鉆頭包括鉆身及鉆尖（鉆尖包括橫刃及至少一個(gè)切削刃）、與切削刃對(duì)應(yīng)的從鉆尖一直呈螺旋狀延伸到鉆身的主排屑槽、切削刃的后刀面對(duì)應(yīng)于橫刃的位置處還開設(shè)有子槽。單刃型微鉆頭子槽設(shè)計(jì)對(duì)纏絲性能、斷刀性能及耐CAF性能有明顯改善，單刃鉆的優(yōu)勢(shì)如下：

（1）形成了特有的折線刃，增長(zhǎng)主切削刃有效長(zhǎng)度，同時(shí)改善斷屑性能；

圖8 孔位精度趨勢(shì)圖

圖9 常規(guī)型與單刃型微鉆頭結(jié)構(gòu)

（2）增大了靠近中心處的切削刃前角，使得在中心處由擠壓變成切削加工，改善切削性能；

（3）下鉆軸向力小，定位更精確，且在鉆頭研磨后仍舊能保持高的孔位精度；

（4）鉆削加工中受切削力小，能有效改善切削力大引起的CAF問題；

（5）滿足一定條件，使用普通鋁片代替鍍膜鋁片得到相同孔位結(jié)果，降低物料成本；

（6）相同條件下，單刃微鉆頭產(chǎn)品較常規(guī)產(chǎn)品壽命明顯提升；

（7）滿足一定條件，使用單刃微鉆頭，落速可適當(dāng)提高，鉆孔效率高；較常規(guī)型微鉆頭，單刃微鉆頭增加疊板數(shù)后仍滿足加工要求（見圖10，鉆頭直徑0.3 mm，主軸轉(zhuǎn)速14萬轉(zhuǎn)/分鐘）。

3.4 微鉆頭直徑細(xì)小化趨勢(shì)明顯

印制板發(fā)展的重要驅(qū)動(dòng)力來自HDI板、IC載板和FPC板，其占印制板的比重亦越來越大，PRISMARK發(fā)布的數(shù)據(jù)見圖11。HDI板、IC載板和FPC板的一個(gè)突出特點(diǎn)是孔小、孔的密度大，從JEITA（日本電子情報(bào)技術(shù)產(chǎn)業(yè)協(xié)會(huì)）發(fā)布的2009版PCB發(fā)展路線圖可以看出，PCB孔徑的微細(xì)化將成為PCB發(fā)展的必然趨勢(shì)。圖12為JEITA的IC載板機(jī)械式鉆孔孔徑（微鉆頭直徑）的預(yù)測(cè)，微孔直徑不斷變小。

圖10 孔位精度趨勢(shì)圖

圖11 PCB市場(chǎng)預(yù)測(cè)（數(shù)據(jù)來源：PRISMARK）

圖12 IC載板微孔孔徑路線圖（數(shù)據(jù)來源：JEITA）

為適應(yīng)PCB發(fā)展的需求（典型的封裝基板加工要求如表2），極細(xì)微鉆頭的研發(fā)和生產(chǎn)受到了微型鉆頭生產(chǎn)企業(yè)的高度重視，紛紛投入大量精力來搶占這個(gè)制高點(diǎn)。由于封裝載板鉆頭以小徑為主，孔密集，板材薄、疊板多，因此鉆孔加工中首要避免出現(xiàn)斷刀問題、其次是保證孔位的要求，一般來說很少出現(xiàn)孔壁質(zhì)量的問題。為了保證排塵能力和切削能力，極細(xì)鉆頭一般采用較大螺旋角設(shè)計(jì)；考慮到鉆頭的定位及耐磨損性能，鉆頭頂角一般采用120°、第一和第二面角采用30°和10°設(shè)計(jì)；為減少鉆頭與孔壁的磨擦，采用Undercut型設(shè)計(jì)。目前一流的微鉆頭企業(yè)已經(jīng)量產(chǎn)直徑0.1 mm微鉆頭，直徑0.075 mm的微鉆頭也能量產(chǎn)，甚至直徑為0.05的微鉆頭也有部分訂單，和圖12中JEITA給出的數(shù)據(jù)吻合。此外，部分微鉆頭生產(chǎn)廠還生產(chǎn)了更微細(xì)的鉆頭作為技術(shù)儲(chǔ)備，圖13就給出了直徑為0.02 mm的微鉆頭。一般來說極細(xì)微鉆頭按柄徑分有3.175 mm和2.0 mm兩種。

表2 典型的封裝基板用微鉆頭和銑刀尺寸范圍及加工要求

圖13 極細(xì)微型鉆頭示例

這里需要指出的是，微鉆頭能向更小的尺寸方向發(fā)展，還要得力于鉆機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，目前主軸轉(zhuǎn)速為35萬轉(zhuǎn)的鉆機(jī)開始普及，鉆機(jī)的性能更加穩(wěn)定，才使得更細(xì)的微孔鉆削成為可能。

3.5 加長(zhǎng)型微鉆頭需求量持續(xù)增加

印制板有一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)就是層數(shù)越來越多，印制板越來越厚，相對(duì)應(yīng)微孔的厚徑比也有越來越大的趨勢(shì)。同時(shí)印制板廠家為了提高鉆孔效率、降低鉆孔成本，鉆孔時(shí)增加疊板數(shù)的呼聲也很高。在這樣的背景下，常規(guī)的微鉆頭由于螺旋槽長(zhǎng)度的限制已經(jīng)不能滿足要求，必須開發(fā)出具有高長(zhǎng)徑比的微型鉆頭，才能滿足高厚徑比微孔鉆削的要求。

開發(fā)高長(zhǎng)徑比鉆頭不能簡(jiǎn)單地把鉆頭螺旋槽加長(zhǎng)，和常規(guī)微孔鉆削相比，高厚徑比微孔鉆削難度很大。首先加長(zhǎng)的微鉆頭螺旋槽顯然會(huì)降低微鉆頭的剛度，發(fā)生彎曲變形的可能性就會(huì)變大，由于微鉆頭彎曲變形導(dǎo)致微鉆頭發(fā)生斷裂的可能性就變大。此外由于鉆孔的排塵路徑會(huì)加長(zhǎng)，切屑堵塞在微鉆頭螺旋槽的可能性就變大，必然會(huì)導(dǎo)致微鉆頭切削扭矩的上升，進(jìn)而導(dǎo)致微鉆頭因無法承受過大的扭矩而斷裂。此外還切屑堵塞還會(huì)導(dǎo)致孔內(nèi)的溫度高，孔粗指標(biāo)不合格，孔內(nèi)有鉆污。同時(shí)微鉆頭的剛度相對(duì)變差，致使微鉆頭入鉆偏差加大，出現(xiàn)孔位精度不良現(xiàn)象。

加長(zhǎng)型鉆頭開發(fā)核心的問題就是保證微鉆頭的變形量盡量小，不會(huì)發(fā)生斷鉆，且孔位精度和孔壁粗糙度要保持在合適的水平。為了達(dá)到這個(gè)目的，高長(zhǎng)徑比微鉆頭的材料必須具有合適的粒度、足夠的彈性模量和橫向斷裂強(qiáng)度。此外還要對(duì)微鉆頭的關(guān)鍵參數(shù)包括螺旋角、芯厚和溝幅比進(jìn)行優(yōu)化，一款直徑0.3 mm，長(zhǎng)徑比為24的加長(zhǎng)微鉆頭示例如圖14所示[4]。該類加長(zhǎng)微鉆頭的設(shè)計(jì)要點(diǎn)如下：

（1）采用較大螺旋角設(shè)計(jì)，保證微鉆頭切削鋒利以及良好的排塵性能，降低鉆削溫度，減小孔內(nèi)鉆污的可能；

（2）加大芯厚，提高微鉆頭的剛度，彌補(bǔ)大螺旋角對(duì)微鉆頭剛度的影響，降低微鉆頭的彎曲變形，防止斷鉆；

（3）加大溝幅比，保證微鉆頭足夠的排塵空間，降低大芯厚對(duì)排塵空間造成的負(fù)面影響。

圖14 加長(zhǎng)微鉆頭示例

4 涂層微鉆頭嶄露頭角

微型鉆頭的材料為硬質(zhì)合金，是一種強(qiáng)度和硬度均較高的材料，但還是不能滿足日益提高的鉆孔要求。于是工業(yè)界和學(xué)術(shù)界都開始關(guān)注微鉆頭的涂層技術(shù)，近幾年發(fā)展起來的涂層技術(shù)使得微鉆頭的性能得到進(jìn)一步提高。涂層技術(shù)既可使微鉆頭保持硬質(zhì)合金的高強(qiáng)度與高韌性，涂敷于微鉆頭表面的各類硬質(zhì)涂層又能發(fā)揮它們“超硬、強(qiáng)韌、耐磨、自潤(rùn)滑”的優(yōu)點(diǎn)，從而可提高微鉆頭的耐用度和適應(yīng)性，微鉆頭涂層的功能如圖15所示。

圖15 微鉆頭涂層的功能

目前，在世界范圍內(nèi)涂層硬質(zhì)合金工具的使用量已經(jīng)占到了各類硬質(zhì)合金工具總用量的70%。通常PVD（物理氣相沉積）技術(shù)制備DLC、TiN、TiCN、TiAlN等傳統(tǒng)涂層產(chǎn)品，應(yīng)用于加工金屬類、復(fù)合材料等的精密刀具上。對(duì)于微鉆頭來講，由于PCB板材成分更加復(fù)雜，存在多種硬質(zhì)與軟質(zhì)的混合，對(duì)微型刀具要求更高。多年的研究表明，傳統(tǒng)涂層技術(shù)不加改變的移植到微鉆頭上進(jìn)行應(yīng)用是行不通的。

PCB板材加工的復(fù)雜環(huán)境和對(duì)刀具本身在切削鋒利度、切削熱量、高扭矩負(fù)荷等方面的嚴(yán)苛要求，決定了應(yīng)用于微鉆頭的涂層必須具備以下特質(zhì)：

（1）高硬度，延緩刃口磨損，延長(zhǎng)刀具壽命；

（2）低摩擦系數(shù)，利于排屑，降低切削熱量；

（3）與硬質(zhì)合金刀具基體匹配的熱膨脹系數(shù)，保障優(yōu)越的結(jié)合力；

（4）保證以上性能的前提下，較薄的膜厚控制，保持刀具鋒利度。

近年來，國(guó)內(nèi)外多家單位持續(xù)進(jìn)行該方面研究，其中深圳市金洲精工科技股份有限公司在微鉆頭涂層方面取得了可喜的突破，目前已經(jīng)擁有多種性能優(yōu)越且專門應(yīng)用于微鉆頭、微銑刀的涂層技術(shù)，推出完善的涂層系列微鉆頭和銑刀產(chǎn)品（如圖16所示）。

適應(yīng)PCB對(duì)微鉆頭成本、加工效率、加工品質(zhì)等方面越來越高的要求，涂層PCB刀具產(chǎn)品的普及成為必然的趨勢(shì)，可預(yù)見涂層微型PCB刀具勢(shì)必會(huì)成為市場(chǎng)的主流應(yīng)用產(chǎn)品。后續(xù)的微鉆頭涂層研究，要朝復(fù)合、多元、超硬化方向發(fā)展，概括來講主要是兩類技術(shù)路線。

圖16 涂層微鉆頭和銑刀示例

PVD技術(shù)復(fù)合多元涂層：突破傳統(tǒng)PVD單一涂層局限，制備多元復(fù)合鍍膜，在硬度、摩擦系數(shù)、結(jié)合力、膨脹系數(shù)、厚度等多方面與微鉆頭進(jìn)行匹配性研究。

CVD（化學(xué)氣相沉積；化學(xué)蒸鍍）技術(shù)超硬金剛石涂層：目前市場(chǎng)陶瓷填充類的高頻板及其它高硬度板材應(yīng)用逐步增多，此類板材對(duì)刀具磨損非常劇烈，刀具壽命大為縮短，加工效率極低，造成加工成本非常高。金剛石涂層的應(yīng)用是解決該問題的最佳途徑，超高的涂層硬度解決了刀具壽命、加工效率、加工成本等問題，同時(shí)加工精度及品質(zhì)非常穩(wěn)定。

5 PCB微孔鉆削研究

5.1 PCB微孔鉆削特性研究

PCB微孔鉆削的研究歷來都受到國(guó)內(nèi)外廣大學(xué)者和工程界的廣泛關(guān)注，近幾年中國(guó)學(xué)者的研究頗具特色。以廣東工業(yè)大學(xué)王成勇教授為帶頭人的團(tuán)隊(duì)，先后承擔(dān)了國(guó)家自然科學(xué)基金-廣東省聯(lián)合基金、廣東省科技攻關(guān)、中國(guó)博士后基金特別資助等項(xiàng)目，對(duì)印制板微孔鉆削進(jìn)行了深入研究，取得重要進(jìn)展[5]-[10]。

在印制板微細(xì)導(dǎo)通孔鉆削方面，研究了基于尺寸效應(yīng)的多層高密度印制板復(fù)合材料在介觀尺度下的超高速超微細(xì)鉆削去除機(jī)理；揭示了復(fù)雜環(huán)境下超微細(xì)鉆頭的磨損和斷裂失效機(jī)制；建立了基于熱－力多物理場(chǎng)耦合理論的印制板多相材料表面創(chuàng)成過程與質(zhì)量控制模型；對(duì)弱剛性超高速超微細(xì)鉆削系統(tǒng)進(jìn)行多體動(dòng)力學(xué)建模仿真分析和切削加工穩(wěn)定性研究；研究了物理約束、幾何約束和材料性能約束之間相容性，建立超高速鉆削多層高密度印制板超微細(xì)孔加工系統(tǒng)工藝技術(shù)體系。研究結(jié)果表明：

（1）鉆削過程中形成錐螺旋狀切屑（圖17），銅屑在在排出過程中重力作用下向下彎曲并折斷，最后在微鉆頭的高速旋轉(zhuǎn)下甩出；環(huán)氧樹脂玻璃纖維布切屑呈白色粉末狀排出，切屑中的樹脂容易在受熱條件下軟化，將玻璃纖維切屑粘附在一起形成混合切屑，這種混合切屑容易粘附在孔壁形成鉆污，也會(huì)粘附在鉆尖影響鉆頭下一步鉆削，更可能會(huì)粘附在螺旋槽表面妨礙排屑。

（2）通過掃描電鏡觀察微鉆頭磨損形貌發(fā)現(xiàn)，微鉆頭的磨損特征主要是磨粒磨損和粘附磨損。磨粒磨損主要是橫刃和主切削刃上的，影響微鉆頭的使用壽命。印刷電路板中的玻璃纖維和填料是微鉆頭磨料磨損的主要原因。微鉆頭的鉆尖和螺旋槽表面會(huì)發(fā)生樹脂混合切屑粘附磨損。影響微鉆頭的切削性能和排屑，進(jìn)而使孔內(nèi)溫度再次升高，更加劇微鉆頭磨損。

（3）通過掃描電鏡觀察微孔切片，發(fā)現(xiàn)微孔表面不僅存在入口毛刺、出口毛刺問題，還存在入口圓度誤差、入口尺寸誤差、釘頭、孔位精度、孔壁粗糙等問題。微鉆頭的毛刺和釘頭主要是由微鉆頭磨損所造成的；微孔孔壁粗糙主要發(fā)生在環(huán)氧玻纖層中多根玻璃纖維的斷裂與脫落；孔位精度（CPK值）主要與主軸振動(dòng)特性、鉆頭直徑和鉆頭磨損有關(guān)。減小進(jìn)給速度和增大轉(zhuǎn)速可以在一定鉆孔數(shù)內(nèi)提高印刷電路板微孔質(zhì)量，通過減小微鉆頭與印刷電路板的接觸面積來提高微鉆頭的耐磨性進(jìn)而提高微孔質(zhì)量是最根本的路徑。

（4）在撓性板鉆削方面：通過紅外熱像儀測(cè)量鉆削溫度，發(fā)現(xiàn)鉆削溫度隨著鉆孔數(shù)量的增大而急劇上升；通過掃描電鏡觀察微鉆頭形貌發(fā)現(xiàn)，鉆削過程中產(chǎn)生的切屑容易受熱形成鉆污，并粘附微鉆頭螺旋槽，妨礙排屑，造成孔內(nèi)溫度，鉆污情況加劇。

（5）在蓋/墊板鉆削方面：通過高速攝影觀察蓋板鉆削過程與排屑情況，發(fā)現(xiàn)鋁蓋板在一定條件下會(huì)有鋁屑纏繞在微鉆頭上，且隨著鉆孔數(shù)的增多，更多的鋁屑纏繞在微鉆頭上，妨礙微鉆頭的正常鉆削。通過使用不同蓋板和不同墊板鉆削印刷電路板，發(fā)現(xiàn)鍍膜鋁片和冷沖板能提高微孔入口質(zhì)量，酚醛墊板最能提高微孔出口質(zhì)量。

（6）在印制板安裝孔（直徑2 mm ～ 3 mm）鉆削方面，分析了大孔鉆屑形成過程與鉆削力特征、大直徑鉆頭磨損和毛刺的關(guān)系，分析了大孔鉆削加工中鉆削力、鉆削溫度的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律以及大直徑鉆頭磨損機(jī)理。建立了大孔鉆削加工條件與印刷電路板鉆屑形態(tài)、鉆屑形成規(guī)律、已加工表面質(zhì)量、鉆頭磨損的關(guān)系，建立了基于熱一力多物理場(chǎng)耦合理論的鉆削加工PCB板中銅箔材料表面創(chuàng)成過程模型，并對(duì)加工過程的多種特征進(jìn)行了仿真。最后，基于對(duì)鉆削過程及其主要特征的應(yīng)用基礎(chǔ)理論研究，分析了大直徑鉆頭結(jié)構(gòu)與鉆屑排屑的暢通關(guān)系，提出了改進(jìn)大直徑鉆頭幾何參數(shù)的基本原則和方法，并經(jīng)過實(shí)際驗(yàn)證獲得良好的加工效果。

（7）對(duì)比印制板大孔鉆削與微孔鉆削發(fā)現(xiàn)其鉆削過程具有極大的差異，存在尺寸效應(yīng)。微鉆頭鉆削的環(huán)氧玻纖布切屑中玻璃纖維切屑是相互獨(dú)立的，而大直徑鉆頭鉆削的環(huán)氧玻纖布切屑中玻璃纖維仍然有規(guī)則的排列在一起；微鉆頭鉆削環(huán)氧玻纖布時(shí)軸向鉆削力波動(dòng)劇烈，且隨鉆削參數(shù)的改變環(huán)氧玻纖布的軸向鉆削力有大于銅箔鉆削力的趨勢(shì)，而大直徑鉆頭鉆削環(huán)氧玻纖布時(shí)平穩(wěn)且小于銅箔軸向鉆削力；微鉆頭鉆削溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于大直徑鉆頭鉆削溫度；微鉆頭鉆削和大鉆鉆削的刀具磨損都主要為磨粒磨損，在微鉆頭鉆削時(shí)還存在樹脂混合切屑粘附在橫刃和螺旋槽內(nèi)，影響微鉆頭切削性能和排屑，而大直徑鉆頭則樹脂混合切屑粘附和妨礙排屑的問題。

圖17 進(jìn)給對(duì)切屑形成的影響[D=0.1mm,f=（0.004, 0.006, 0.008, 0.01, 0.012）mm/r,n=50 krpm, vr=333 mm/s]

5.2 PCB微孔鉆削的在線監(jiān)測(cè)技術(shù)

對(duì)鉆孔過程進(jìn)行監(jiān)測(cè)不但可以對(duì)鉆孔過程的狀態(tài)進(jìn)行判斷，更重要的是拾取的各種鉆孔過程的信息對(duì)理解鉆孔過程、優(yōu)化鉆頭設(shè)計(jì)具有重要意義。在國(guó)內(nèi)，廣東工業(yè)大學(xué)、深圳市金洲精工科技股份有限公司、深圳大族數(shù)控科技公司、深圳大學(xué)對(duì)切削過程的溫度監(jiān)測(cè)、影像監(jiān)測(cè)和力監(jiān)測(cè)進(jìn)行了較為深入的研究，有眾多研究成果在業(yè)內(nèi)發(fā)表。

鉆削溫度是反映微鉆頭使用性能和板材可加工性的一個(gè)重要指標(biāo)，微鉆頭與板材之間磨損的劇烈程度，鉆削是否順暢，加工參數(shù)是否合理都可以在鉆削溫度中得到體現(xiàn)。過高的鉆削溫度會(huì)導(dǎo)致刀具壽命降低、板邊質(zhì)量下降。因此對(duì)鉆削溫度的在線監(jiān)測(cè)是微鉆頭制造商進(jìn)行新產(chǎn)品開發(fā)和PCB生產(chǎn)商優(yōu)化鉆孔工序的重要工具。一般來說，溫度測(cè)量的常用工具包括熱電偶、紅外測(cè)溫儀和紅外熱像儀。熱電偶法屬于接觸式測(cè)溫，測(cè)溫的準(zhǔn)確度高，測(cè)量的溫度誤差較小，但埋入電路板比較困難，安裝、定位比較麻煩，實(shí)現(xiàn)連續(xù)測(cè)溫困難。紅外測(cè)溫儀屬非接觸式測(cè)溫，測(cè)溫的準(zhǔn)確度高，容易捕捉物體表面溫度，但對(duì)體積非常小的物體，需要較為準(zhǔn)確的定位，且大多是人為觸發(fā)，連續(xù)測(cè)溫實(shí)現(xiàn)起來也比較困難。紅外熱像儀屬于非接觸式測(cè)溫，不但測(cè)溫的準(zhǔn)確度高，還可在線連續(xù)拍攝記錄目標(biāo)溫度，通過微距鏡頭可測(cè)量小目標(biāo)物體，以被測(cè)物溫度場(chǎng)圖像的形式記錄。與熱電偶和紅外測(cè)溫儀相比，熱像儀可在一定距離內(nèi)實(shí)時(shí)、定量、在線檢測(cè)發(fā)熱點(diǎn)的溫度，通過掃描，還可以繪出被測(cè)目標(biāo)溫度梯度熱像圖，而且靈敏度高，便于現(xiàn)場(chǎng)使用，因此使用紅外熱像儀對(duì)鉆削溫度進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)是很合適的選擇[11]。深圳市金洲精工科技股份有限利用紅外熱像儀對(duì)鉆削溫度進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，使用的系統(tǒng)和溫度測(cè)量曲線示例如圖18所示，圖中溫度曲線準(zhǔn)確地刻畫了鉆孔過程中溫度的變化趨勢(shì)，通過對(duì)比試驗(yàn)就可以對(duì)微鉆頭的性能以及印制板的可加工性進(jìn)行評(píng)價(jià)。

圖18 鉆削溫度在線監(jiān)控系統(tǒng)及鉆孔溫度曲線示例

通過鉆孔影像可以深入研究高速狀態(tài)下微鉆頭的入鉆行為、考查微鉆頭的排塵情況、分析發(fā)生堵塞排屑槽的臨界條件、定量獲得排屑量與鉆頭結(jié)構(gòu)、參數(shù)及加工參數(shù)之間的關(guān)系、確定排屑情況與鉆孔孔徑、基板材料之間的關(guān)系以及對(duì)抗斷鉆性能進(jìn)行評(píng)估。PCB微孔是一個(gè)復(fù)雜的過程，鉆削主軸轉(zhuǎn)速很高，因此只有高速攝像儀才能捕捉到鉆孔過程的影像信息。在微孔鉆削的影像監(jiān)測(cè)過程中，光源系統(tǒng)對(duì)高速影像的獲取有至關(guān)重要的作用，光源系統(tǒng)設(shè)計(jì)的不合理就無法獲得滿意的鉆孔影像。在PCB微孔高速鉆削的影像監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，廣東工業(yè)大學(xué)的研究比較有特色，對(duì)微孔鉆削的影響進(jìn)行了細(xì)致的分析，圖19給出了0.1 mm微孔鉆削的影像監(jiān)測(cè)結(jié)果。

圖19 FR-4 板內(nèi)銅箔鉆削過程高速攝影

圖20 鉆削力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及鉆削力曲線示例

微孔鉆削的力監(jiān)測(cè)是鉆削過程監(jiān)測(cè)的另外一個(gè)重要內(nèi)容，鉆削力信號(hào)包含了豐富的微小鉆頭切削狀態(tài)的信息，可以通過研究鉆削力來判斷鉆頭的切削狀態(tài)，從而在提高孔的品質(zhì)和孔位精度的基礎(chǔ)上，優(yōu)化鉆頭的設(shè)計(jì)。PCB鉆孔切削力比較微小且變化頻率很高，一般的測(cè)力計(jì)無法滿足要求。圖20給出了基于Kistler高精密微型測(cè)力儀的鉆削力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)以及一組鉆削力曲線，分析該曲線的信息，就可以判斷鉆頭的工作狀態(tài)是否正常，比較不同鉆頭的受力情況就可以判斷鉆頭的設(shè)計(jì)是否有優(yōu)化的空間[12]。

6 結(jié)論及展望

未來幾年全球PCB市場(chǎng)仍然會(huì)保持穩(wěn)定的增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，與之同步的微鉆頭市場(chǎng)也被廣泛看好，特別是中國(guó)的微鉆頭市場(chǎng)更是值得期待。微鉆頭市場(chǎng)規(guī)模不斷擴(kuò)大的同時(shí)，在研發(fā)、制造和使用上都取得了令人矚目的技術(shù)進(jìn)步。焊接型微鉆頭漸成主流，在保證微鉆頭性能的前提下，顯著降低了微鉆頭的成本。單槽鉆和單刃鉆的普及顛覆了傳統(tǒng)的微鉆頭設(shè)計(jì)，使微鉆頭的性能得到了大幅度的提升。順應(yīng)IC載板、撓性板的發(fā)展，微鉆頭直徑微細(xì)化趨勢(shì)明顯。為了滿足高厚徑比PCB鉆孔及增加疊板數(shù)的要求，加長(zhǎng)型微鉆頭（長(zhǎng)徑比為20～30）的需求較以往更加強(qiáng)勁。在持續(xù)提高使用性能及為難加工板材提供鉆孔解決方案的要求驅(qū)動(dòng)下，微鉆頭的涂層技術(shù)取得長(zhǎng)足進(jìn)步，一流的微鉆頭企業(yè)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了涂層微鉆頭的產(chǎn)業(yè)化。微孔鉆削過程的研究受到了高等院校和企業(yè)界的高度關(guān)注，微孔鉆削機(jī)理、微孔鉆削溫度、鉆削力和鉆削影像監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的研究都取得了一系列的成果，為更好地理解鉆孔過程和優(yōu)化微鉆頭的設(shè)計(jì)提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

展望未來幾年，雖然焊接式微鉆頭已經(jīng)很成熟，但是為了進(jìn)一步降低微鉆頭的制造成本，仍然需要研究新的微鉆頭焊接形式，以期使用更少的硬質(zhì)合金。單槽鉆和單刃鉆普及的時(shí)間還不長(zhǎng)，仍然還有很大的優(yōu)化空間。由于極細(xì)微鉆頭的加工難度大，因此需要關(guān)注如何保證極細(xì)微鉆頭的品質(zhì)以及提高極細(xì)微鉆頭的加工效率。加長(zhǎng)鉆頭的研發(fā)不但要關(guān)注鉆頭本身，合適的鉆孔方法也是保證高厚徑比微孔鉆削順利進(jìn)行的必要條件。涂層微鉆頭被認(rèn)為是最具有應(yīng)用潛力的微鉆頭新產(chǎn)品，但是涂層微鉆頭開始批量應(yīng)用的時(shí)間不長(zhǎng)，期待開發(fā)出能適應(yīng)更多類型印制板、性能更加穩(wěn)定的涂層技術(shù)和產(chǎn)品。鉆削過程機(jī)理研究和過程監(jiān)測(cè)的研究應(yīng)該重點(diǎn)關(guān)注現(xiàn)有研究成果的轉(zhuǎn)化，加強(qiáng)產(chǎn)學(xué)研合作，共同推動(dòng)微鉆頭的技術(shù)進(jìn)步。

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