電路板復(fù)合材料微小孔的鉆削

　　印刷電路板的規(guī)格比較復(fù)雜，產(chǎn)品種類多。印刷電路板中應(yīng)用最廣的環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料的微小孔(直徑0.6mm以下為小孔，0.3mm以下為微孔)加工技術(shù)。

　　復(fù)合材料電路板脆性大、硬度高，纖維強(qiáng)度高、韌性大、層間剪切強(qiáng)度低、各向異性，導(dǎo)熱性差且纖維和樹脂的熱膨脹系數(shù)相差很大，當(dāng)切削溫度較高時(shí)，易于在切削區(qū)周圍的纖維與基體界面產(chǎn)生熱應(yīng)力;當(dāng)溫度過高時(shí)，樹脂熔化粘在切削刃上，導(dǎo)致加工和排屑困難。

　　鉆削復(fù)合材料的切削力很不均勻，易產(chǎn)生分層、毛刺以及劈裂等缺陷，加工質(zhì)量難以保證。這種材料對(duì)加工工具的磨蝕性極強(qiáng)，刀具磨損相當(dāng)嚴(yán)重，刀具的磨損反過來又會(huì)導(dǎo)致更大的切削力和產(chǎn)生熱量，如果熱量不能及時(shí)散去，會(huì)導(dǎo)致PCB材料中低熔點(diǎn)組元的熔化及復(fù)合材料層與層之間的剝離。因此PCB復(fù)合材料屬于難加工非金屬?gòu)?fù)合材料，其加工機(jī)理與金屬材料完全不同。

　　機(jī)械鉆削PCB材料時(shí)，加工效率較高，孔定位準(zhǔn)確，孔的質(zhì)量也較高。但是，鉆削微小孔時(shí)，由于鉆頭直徑太小，極易折斷，鉆削過程中還可能會(huì)出現(xiàn)材料分層、孔壁損壞、毛刺及污斑等缺陷。

　　一、切削力

　　機(jī)械鉆削過程中出現(xiàn)的各種問題都直接或間接與軸向力、切削扭矩有關(guān)，影響軸向力和扭矩的主要因素是進(jìn)給量、切削速度，纖維束形狀及有無預(yù)制孔對(duì)軸向力和扭矩也有影響。軸向力和扭矩隨進(jìn)給量、切削速度的增大而增大。隨著進(jìn)給量增加，切削層厚度增加，而切削速度的增大，單位時(shí)間內(nèi)切割纖維的數(shù)量增大，刀具磨損量迅速增大，所以軸向力和扭矩增大。

　　軸向力可分為靜態(tài)分力FS和動(dòng)態(tài)分力FD。軸向力的分力對(duì)切削刃有不同的影響，軸向力的靜態(tài)分力FS影響橫刃的切削，而動(dòng)態(tài)分力FD主要影響主切削刃的切削，動(dòng)態(tài)分力FD對(duì)表面粗糙度的影響比靜態(tài)分力FS要大。軸向力隨進(jìn)給量而增大，切削速度對(duì)軸向力影響不是很明顯。另外，有預(yù)制孔的情況下，孔徑小于0.4mm時(shí)，靜態(tài)分力FS隨孔徑的增大而急劇減小，而動(dòng)態(tài)分力FD減小的趨勢(shì)較平坦。

　　由于復(fù)合材料基體和增強(qiáng)纖維的加工性質(zhì)不同，機(jī)械鉆削時(shí)基體樹脂和纖維對(duì)軸向力的影響不同。Khashaba研究了基體和纖維的類型對(duì)軸向力和扭矩的影響，發(fā)現(xiàn)纖維束的形狀對(duì)軸向力影響較明顯，而基體樹脂類型對(duì)軸向力影響不太大。

　　二、鉆頭磨損和折斷

　　PCB復(fù)合材料微鉆磨損包括化學(xué)磨損和摩擦磨損�；瘜W(xué)磨損是由于PCB材料中釋放出的高溫分解產(chǎn)物對(duì)微鉆材料WC-Co硬質(zhì)合金中的Co粘結(jié)劑的化學(xué)侵蝕所造成的。在300℃左右，這種侵蝕反應(yīng)已比較明顯。而在鉆進(jìn)速度低于150mm/min時(shí)，化學(xué)磨損不再是磨損的主要形式，摩擦磨損成為磨損的主要形式。PCB微鉆的磨損還與切削速度、進(jìn)給量及鉆頭半徑對(duì)纖維束寬度的比值有關(guān)。Inoue等人的研究表明：鉆頭半徑對(duì)纖維束(玻璃纖維)寬度的比值對(duì)刀具壽命影響較大，比值越大，刀具切削纖維束寬度也越大，刀具磨損也隨之增大。在實(shí)際應(yīng)用中，新鉆頭鉆達(dá)2500個(gè)孔需研磨，一次研磨鉆頭達(dá)2000個(gè)孔需再研磨，二次研磨鉆頭達(dá)1500個(gè)孔需再研磨，三次研磨鉆頭達(dá)1000個(gè)孔報(bào)廢。

　　在PCB微孔加工過程中，軸向力和扭矩隨著進(jìn)給量和鉆孔深度的增加而增大，其主要原因與排屑狀態(tài)有關(guān)。隨著鉆孔深度的增加，切屑排出困難，在這種情況下，切削溫度升高，樹脂材料熔化并牢固地將玻璃纖維和銅箔碎片粘結(jié)，形成堅(jiān)韌的切削體。這種切削體與PCB母體材料具有親和性，一旦產(chǎn)生這種切削體，切屑的排出便停止，軸向力和扭矩急劇增大，從而造成微孔鉆頭的折斷。PCB微孔鉆頭的折斷形態(tài)有壓曲折斷、扭轉(zhuǎn)折斷和壓曲扭轉(zhuǎn)折斷，一般多為兩者并存。折斷機(jī)理主要是切屑堵塞，它們是造成鉆削扭矩增大的關(guān)鍵因素。減少軸向力和切削扭矩是減少微孔鉆頭折斷的關(guān)鍵。

　　三、鉆孔損壞形式

1、分層

　　機(jī)械鉆削GFRP(玻纖增強(qiáng))層壓板過程中可能會(huì)出現(xiàn)各種損壞，其中最嚴(yán)重的是層間分層，由此導(dǎo)致孔壁周圍材料性能的急劇下降，鉆尖施加的軸向力是產(chǎn)生分層的主要原因。分層可分為鉆入分層和鉆出分層。鉆入分層是鉆頭切削刃與層板接觸時(shí)，作用在圓周方向的切削力在軸線方向產(chǎn)生的旋切力通過鉆頭排削槽使層與層間脫離，在層板上表面形成分層區(qū)域;鉆出分層是當(dāng)鉆頭快接近層板底部時(shí)，由于未被切削材料的厚度越來越薄，抵抗變形的能力進(jìn)一部降低，在載荷超過層板間的粘結(jié)力的地方，就出現(xiàn)了分層，而這在層板被鉆通之前就發(fā)生了。軸向力是導(dǎo)致分層的主要原因，切削速度、基材和纖維束的類型對(duì)分層也有影響，環(huán)氧復(fù)合材料的鉆人和鉆出分層隨鉆削速度的增加減小，且鉆出分層損壞程度要比鉆人分層大。減少分層的主要措施有：采用變量進(jìn)給技術(shù)、預(yù)置導(dǎo)向孔、使用墊板以及無支撐鉆削時(shí)使用粘性阻尼器等。

　　2、孔壁損壞

　　在復(fù)合材料PCB上鉆削微孔，在孔周圍出現(xiàn)的各種形式的損壞導(dǎo)致孔金屬化后，孔之間的絕緣性能降低及孔壁銅層破裂。切削方向與纖維方向的相對(duì)夾角、孔壁玻璃纖維束的厚度、鉆點(diǎn)對(duì)玻璃布的位置等都會(huì)對(duì)孔壁損壞造成不同影響。

　　用直徑1.0mm鉆頭，轉(zhuǎn)速5000rpm，鉆削玻纖/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料(8層90°交錯(cuò)，每層0.2mm)，試驗(yàn)表明：每層鉆孔周圍的損壞程度不一樣，在第1，3，5，7，8層纖維皺褶突出很大，最大突出達(dá)30μm;而2，4，6層纖維皺褶突出較小，最小處不到5μm。在緯紗與經(jīng)紗重疊交叉區(qū)域，纖維夾角45°處纖維束厚度最大，孔壁損壞寬度最大;而在中心區(qū)域，最大損壞寬度發(fā)生在與纖維夾角接近90°處。

　　刀具主偏角對(duì)加工孔壁表面粗糙度的影響，發(fā)現(xiàn)主偏角為30°時(shí)，孔壁表面粗糙度最大，可達(dá)50μm。

　　3、污斑

　　機(jī)械鉆削復(fù)合材料時(shí)，由于鉆頭橫刃與復(fù)合材料的擠壓、倒錐與孔壁之間摩擦及鑲嵌在鉆頭棱邊與孔壁之間細(xì)小的切屑隨鉆頭一起回轉(zhuǎn)摩擦所產(chǎn)生的大量切削熱，使樹脂熔化，并粘附在復(fù)合材料的夾層或孔口處的銅箔及孔壁上，形成污斑。適當(dāng)?shù)那邢饔昧亢托弈ノ⑿°@頭可以減少污斑的產(chǎn)生，降低污斑指數(shù)。

　　4、毛刺

　　鉆削復(fù)合材料時(shí)，由于應(yīng)力的傳遞作用，在鉆頭未到達(dá)孔底時(shí)，鉆頭前方的增強(qiáng)材料和基體就會(huì)產(chǎn)生許多裂紋，以致增強(qiáng)材料從基體上脫膠，產(chǎn)生拔出現(xiàn)象，導(dǎo)致增強(qiáng)材料不能從根部切斷。在孔鉆通時(shí)，這些未從根部切斷的增強(qiáng)材料不能與切屑一起排除，而是向孔邊傾倒，基體由于切削熱的作用而軟化、流動(dòng)，又重新凝結(jié)到這些傾倒在孔邊的增強(qiáng)材料上，形成毛刺。出口毛刺大小主要受鉆削力和鉆削溫度的影響。在復(fù)合材料鉆削加工中使用硬質(zhì)合金鉆頭鉆削、改變刀具幾何尺寸和結(jié)構(gòu)以及采用振動(dòng)鉆削技術(shù)可以減少毛刺。