PCB钻孔用不同类型垫板的钻孔性能研究

1 前言
       印制电路板(简称PCB)钻孔用垫板是在印制电路板机械钻孔时置于加工板下面,用于保护加工板和钻机、贯穿加工板、改善钻孔品质,是印制电路板机械钻孔不可缺少的钻孔辅助材料。
  
       由于体积电路IC(Integrated Circuit)的出现,电子设备的构造明显往轻薄短小的方向发展,线路接点的增加促进配线密度随之提高,为提升连接密度电路板再度向多层板推进,并形成以镀通孔方式制作多层印制电路板,这些通孔主要提供两种功能即导通层间线路和安装通孔式元件,为促使电路板的密度提高、层数降低、组装方便,表面贴附式的电子元件被大量使用,除了特定的端子及工具孔会采用大孔径设计外,纯为导通用的孔几乎都尽量采用最小孔设计以降低占用面积[1]。目前印制电路板的导通孔常采用机械钻孔和激光钻孔,一般孔径在0.1mm及以上的通孔多采用机械钻孔,而孔径在0.1mm及以下的盲孔多采用激光钻孔[2]。
 
       早期印制电路板的机械钻孔,垫板主要作用是贯穿加工板和保护加工板与钻机,随着PCB钻孔技术的发展和需求的提高,PCB钻孔工程们逐步发现不同材料和品质的垫板对钻孔性能有着不同的辅助效果,如减少下披锋、提高孔精度、降低钻屑残留、降低钻针磨损和温度、清洁钻针等。因此,在PCB发展的不同时期逐步出现了多种类型的垫板材料,从早期的一些酚醛树脂垫板和环氧树脂垫板,到后来的中低密度木纤板,发展到现在的高密度木纤板、改性酚醛纸垫板、蜜胺木垫板(或蜜胺木纤板)、酚醛木垫板(或酚醛木纤板)、UV素板(或涂UV树脂木纤板),并出现了一些特殊型、功能型垫板如美国LCOA的瓦锣垫板和润滑垫板、柳鑫的铝箔复合木垫板(或铝箔复合酚醛型木纤板)。迫于钻孔技术的要求和成本控制的压力,经过近几十年的发展,目前PCB机械钻孔常用垫板以高密度木纤板、蜜胺木垫板、酚醛纸垫板、酚醛木垫板、UV素板为主,以及少量的特殊型垫板如润滑垫板和铝箔复合木垫板。
   
       接下来本文将对目前市场上常用的钻孔垫板:高密度木纤板、UV素板、酚醛木垫板、蜜胺木垫板 (包括冷贴型、快压型、热压型)、酚醛纸垫板进行PCB钻孔性能研究,对比各不同类型垫板对不同孔径钻孔性能的影响程度。
2 实验过程
2.1 实验材料
高密度木纤板、UV 素板、酚醛木垫板、冷贴型蜜胺木垫板、快压型蜜胺木垫板、热压型蜜胺木垫板、酚醛纸垫板 各 5pnl;0.15mm(金洲 A129UCWQ-3.0)、0.20mm(金洲A129UCSN-3.5)、0.35mm(金洲 A129UCSN-5.5)钻针 各 10bits;0.15mm 普通铝片盖板5pnls;Hitachi E679FG 1/1 0.8mm(双面板) 10pnls、HF H/H 1.6mm(10Layer) 10pnls;压克力胶。
2.2 实验仪器及设备
Hitachi ND-6N210E 钻机、金相显微镜、孔位扫描仪、钻头磨损拍摄仪、磨边机、真空压力锅。
2.3 实验设计
本实验是使用 PCB 用钻孔设备进行 PCB 模拟钻孔实验,虽然会与 PCB 实际生产存在一定的差异,但重在同一水平线上平行对比测试,以观察不同垫板对不同孔径钻孔的影响程度,不同垫板特性如表 1,实验设计如表 2。

3 实验结果与分析
对于机械钻孔来说,PCB 一般钻孔要求孔壁粗糙度≤30μm,孔位偏移量≤75μm,孔
位精确度 CPK≥1.33,钉头小于内层铜厚的 2 倍。在此钻孔实验中,重点对比评估钻孔
的孔位精确度、偏移量、孔壁粗糙度、钻针磨损、断钻、披锋等钻孔性能。
3.1 PCB 0.15mm 孔径的不同垫板钻孔结果与分析

从表 3 实验结果来看:
从孔位偏移量和精确度方面分析对比,最佳为酚醛纸垫板,其次为热压型蜜胺木垫
板和快压型蜜胺木垫板。
从孔壁粗糙度方面分析对比,最佳为热压型蜜胺木垫板,其次为酚醛木垫板和冷贴
型蜜胺木垫板。
从钻针磨损方面分析对比,酚醛纸垫板相对大一些,其它垫板相当。
从出现披锋程度方面对比,最佳为热压型蜜胺木垫板,其次为酚醛纸垫板和快压型
蜜胺木垫板,高密度木纤板最差。
综合以上实验结果和不同垫板特性分析来看,对于 PCB 的 0.15mm 孔径钻孔来说,
钻孔性能酚醛纸垫板>热压型蜜胺木垫板>快压型蜜胺木垫板>冷贴型蜜胺木垫板>酚醛
木垫板≈UV 素板>高密度木纤板,且不同特性垫板的钻孔性能落差较大,随着垫板材料
的硬度和密度增大,其钻孔性能越好,匹配性较好的垫板可选择酚醛纸垫板、热压型蜜
胺木垫板、快压型蜜胺木垫板。

3.2 PCB 0.20mm 孔径的不同垫板钻孔结果与分析

从表 4 实验结果来看:
从孔位偏移量和精确度方面分析对比,最佳为酚醛纸垫板,其次为热压型蜜胺木垫
板和快压型蜜胺木垫板。
从孔壁粗糙度方面分析对比,最佳为快压型蜜胺木垫板,其次为酚醛纸垫板和热压
型蜜胺木垫板。
从钻针磨损方面分析对比,酚醛纸垫板相对大一些,其它垫板相当。
从出现披锋程度方面对比,最佳为热压型蜜胺木垫板,其次为酚醛纸垫板和快压型
蜜胺木垫板,高密度木纤板最差。
综合以上实验结果和不同垫板特性分析来看,对于 0.20mm 孔径钻孔来说,钻孔性
能酚醛纸垫板>热压型蜜胺木垫板>快压型蜜胺木垫板>冷贴型蜜胺木垫板>UV 素板≈酚
醛木垫板>高密度木纤板,且不同特性垫板的钻孔性能落差减少,随着垫板材料的硬度
和密度增大,其钻孔性能越好,匹配性较好的垫板可选择酚醛纸垫板、热压型蜜胺木垫
板、快压型蜜胺木垫板。

3.3 PCB 0.35mm 孔径的不同垫板钻孔结果与分析

从表 5 实验结果来看,孔位偏移量方面,最佳为酚醛纸垫板,其次为 UV 素板和酚
醛木垫板;孔位精确度方面,最佳为酚醛纸垫板,其次为热压型蜜胺木垫板和冷贴型蜜
胺木垫板;孔壁粗糙度方面,最佳为热压型蜜胺木垫板,其次为 UV 素板和酚醛纸垫板;
钻针磨损方面,各钻针磨损都过大,无太大差异;出现披锋程度方面,最佳为热压型蜜胺木垫板,其次为酚醛纸垫板和快压型蜜胺木垫板,高密度木纤板最差。综合实验结果
和不同垫板特性分析来看,对于 0.35mm 孔径钻孔来说,不同特性垫板的钻孔性能差异
较小,垫板材料的硬度和密度对钻孔性能的贡献度不明显,加上成本考量,匹配性较好
的垫板可从热压型蜜胺木垫板、快压型蜜胺木垫板、冷贴型蜜胺木垫板、酚醛木垫板、
UV 素板、高密度木纤板中选择,该选择根据各 PCB 厂自身的 PCB 类型、制程条件、
技术要求、设备、成本及适应性等多方面考量来选择。
4 结论
PCB 机械钻孔用垫板作为钻孔辅助材料,一直被各 PCB 厂所接受但不认同,接受
必须使用垫板辅助钻孔,却不认同垫板对钻孔的功能性辅助和钻孔性能改善。此次取目
前市场上常用的几种垫板对三种常规小孔径(0.15mm、0.20mm、0.35mm)进行 PCB 模拟
钻孔实验,我们发现,对于 0.15mm 和 0.20mm 的细小孔径,垫板材料的特性对钻孔性
能影响极大,随着垫板材料的硬度和密度增大,钻孔性能得到较大改善;对于 0.35mm
的较大孔径,垫板材料的特性对钻孔性能影响变弱,垫板材料的硬度和密度对钻孔性能
几乎无明显影响。
随着孔径变小、钻针变细,其钻孔钻速加快,钻针摆动频率会加大;同时钻针越细,
垫板对钻针的定位效果会变差;再加上钻针越细,PCB 厂设置的垫板入钻深度变浅,定
位效果随之受影响,因此通过增大垫板的硬度和密度更有利于提高对钻针的定位效果,
从而改善钻孔的孔位偏移量和精确度,同时垫板表面硬度和密度的增大能有效地抑制披
锋的产生。伴随着 PCB 多层化、积层化、功能化、集成化和轻薄短小化的发展趋势,
PCB 钻孔孔径越来越小,密集程度越来越高,钻孔精度和要求越来越高,垫板对机械钻
孔的功能性辅助将越来越得到重视,逐步扩大被各 PCB 厂研究、认同和接受。同时随
着孔径变小,除了硬度和密度对钻孔性能有影响外,垫板的其它性能如翘曲度、表观质
量、表面粗糙度、厚度均匀性等亦会对钻孔性能产生影响,因此未来对垫板的品质和要
求也会越来越高。
参考文献
[1] TPCA 钻孔[M]台湾 台湾电路板协会 2011/7 第 3 页

[2] 杨宏强 PCB 微孔加工技术的现状与发展趋势,印制电路资讯[J],2009/5 第三期.

20140611104918561856  PCB钻孔用不同类型垫板的钻孔性能研究

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