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【硬见小百科】PTFE板料槽孔加工工艺探讨

导读: PCB行业越来越多地使用高频高速板材来满足信号传输速度、信号完整度及阻抗匹配等特殊要求。聚四氟乙烯是一种广泛应用的高频材料,该材料具有优秀的电气性能。但由于PTFE材料自身的特性,在PCB槽孔机械加工过程中,很容易出现孔边铜皮起翘、槽孔变形损伤以及角孔边缘纤维丝去除不净等问题。

PCB行业越来越多地使用高频高速板材来满足信号传输速度、信号完整度及阻抗匹配等特殊要求。聚四氟乙烯是一种广泛应用的高频材料,该材料具有优秀的电气性能。但由于PTFE材料自身的特性,在PCB槽孔机械加工过程中,很容易出现孔边铜皮起翘、槽孔变形损伤以及角孔边缘纤维丝去除不净等问题。本文着重从铣床加工参数优化和钻床加工参数优化两方面入手,选择最优化的加工方式和加工参数,期望可以提高PTFE系列板材槽孔加工品质。

PCB设计中,目前使用的高频材料,都是以PTFE为主体,混合玻璃纤维布或者陶瓷等其他不同填料制成,以使材料的介电常数、介质损耗等性能指标满足高频设计需求。但由于PTFE材质的特性差异,对于PCB机加工是个巨大的挑战,虽然材料供应商们竭尽全力的改进填料配方,降低其机加难度,但到目前为止其加工难度和成本依旧高于普通的FR-4材料。各大PCB供应商也在致力于PTFE材料机械加工工艺的革新,期望可以降低机加工成本,提高加工效率,但大都不太理想,槽孔作为印制电路板机加工常见的一种工具孔,在高频材料加工时也不可避免的遇到了麻烦。

槽孔类型

槽长度分类:槽孔有短槽、长槽。长度在宽度两倍以下的槽为短槽,以上的槽为长槽;

槽孔形状分类:圆角槽孔和直角槽孔。

槽属性分类:NPTH槽和PTH槽。

本文讨论的槽孔为PTH属性的圆角槽孔和直角槽孔加工方式。

改进方向

常规的生产方式是通过钻槽孔或铣槽孔完成槽孔机械加工。无论钻槽孔还是铣槽孔,槽孔均容易产生边缘毛刺,沉铜板电时镀铜层附着在PTFE毛刺上,同时迅速生长铜刺,严重的甚至完全堵塞槽孔,影响槽孔功能。本论文通过对钻槽孔或铣槽孔进行对比实验,寻找合适的作业方式及作业参数,来提升槽孔加工质量及效率。

钻槽孔,是通过钻机使用硬度比钻刀硬度更高的槽刀按照所需槽孔的宽度和长度有规律的钻孔形成槽孔。钻槽优化方向,从钻槽作业参数优化和钻槽工程资料优化两方面着手。通过钻孔作业参数优化,减少每次钻孔时孔内及孔边上的毛刺;通过工程资料优化,期望可以通过改变钻孔路径,减少甚至去除孔与孔相接处的毛刺残留。

铣槽孔,是通过铣床使用铣刀按照一定的路径进行切削形成槽孔。铣槽优化方向,主要通过刀类型的选用、铣床作业参数和工程资料三方面着手,减少槽孔毛刺,满足品质要求。

钻槽工艺优化

一、现状

在前期生产过程中,槽孔经常会有毛刺堵孔(如图1),需要人工手工修理,不仅影响产品交期,而且影响品质,容易因修理不良造成孔无铜,影响客户元器件插件和焊接;即使客户让步使用后,对于天线类产品信号的调试也有一定的影响。

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图1 有毛刺的槽孔

二、钻槽孔毛刺产生的原因:

现有的PTFE板料,钻孔时未被切碎的纤维丝会缠绕在钻刀上,使得钻刀排屑性能下降,从而引起更多的纤维丝缠刀,造成孔壁粗糙,孔边披锋严重等不良现象。所以钻孔参数的优化目的,就是确保可以最大限度的割碎板材内的纤维丝,保证在生产过程中,钻刀不被纤维丝缠绕。

三、钻孔参数优化

优化钻孔参数,选取PTFE材料常用的0.3mm、0.8mm、1.2mm、2.4mm、3.2mm几个孔径进行参数对比试验,沉铜板电后切片确认孔壁粗糙程度,来确认钻刀工作时对板料的切割是否可以满足品质要求。试验材料:某供应商2.0mm 1/1、介电常数2.65。试验参数及结果对比表如下表1:

表1 原钻孔参数与新参数孔粗对比

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通过以上钻圆孔对比实验,可以发现钻孔新参数比原参数有更好的加工效果,孔壁质量由原参数的1.16mill提升至0.56mill,可以取得很好的加工效果。

新参数:槽孔加工时主轴转速下降10%,最低转速不低于20krpm,进刀速度降低40%,退刀速度降低20%,使用全新刀具,且刀具寿命调为原参数寿命的80%。

四、钻孔资料优化

短槽使用钻孔生产,以某产品进行工艺试验,槽孔设计如图2。为保证和客户需求相符,选用和客户要求相同的某供应商1.0mm 1/1、介电常数2.55的PTFE料进行工艺试验。

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图2 槽孔设计图

试验参数、方法及板电后结果记录如下表2:

表2 钻孔试验参数及沉铜后效果

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试验分析:

(1)1号试验,使用之前G85格式工程资料,参数选用优化后的新参数,钻槽时孔密度为5孔,槽刀钻槽的顺序为1、2、3、4、5,为线性生产,钻孔完毕,沉铜板电后,个别孔有瘤状毛刺,超出品质接受标准。

(2)2号试验,针对槽刀钻孔顺序进行工程资料优化,打散后重新设定钻槽顺序为跳刀钻法,顺序为1、3、5、4、2,并重新进行试验,用优化后的新参数生产,沉铜板电后,毛刺改善效果不明显,个别槽孔内毛刺仍旧超出标准。

(3)通过1号和2号实验,我们发现毛刺产生的位置主要位于每个孔与孔的间隙处,故设计3号和4号实验时,进行槽孔孔数加密,3号实验孔数由G85格式设备默认n孔增加到2n-1孔,4号实验孔数由G85格式设备默认n孔增加到4n-3孔,3、4号试验,增加钻槽孔数量至9孔(3号)和17孔(4号),并且使用线性生产方式。按照新钻孔参数,使用新钻孔工程资料生产后,槽孔毛刺现象进一步减少,加密至9孔的3号实验,槽孔孔壁毛刺较小,加密至17孔的4号实验,生产的槽孔几乎没有毛刺。

通过上述试验得出结论:假定设备默认G85格式工程资料槽孔孔数为n,加工时槽孔孔数设定为4n-3,并且采用线性钻法,槽孔可以得到非常好的加工效果。

五、生产效果验证

依据试验结果,更新工程资料和钻孔参数后试生产,槽孔基本无毛刺,品质良好。

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图3 沉铜后槽孔                 图4 图电后槽孔

六、钻槽孔试验小结

优化钻孔参数,主轴转速下降10%,最低转速不低于20krpm,进刀速度降低40%,退刀速度降低20%,使用全新刀具,且刀具寿命调为原寿命的20%;同时孔数由G85格式工程资料设备默认n孔增加到 4n-3孔,槽孔内基本无毛刺,可以得到比较好的加工效果。

铣槽工艺优化

一、现状

直角槽孔中角孔与铣槽结合处最容易产生毛刺,人工修刮不仅效率低下,而且易造成孔无铜影响客户器件焊接,需要对直角槽孔生产进行工艺试验,避免此类客诉发生。

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图5 客诉角孔周围毛刺修理不净

二、角孔毛刺产生原因

由于钻刀和铣刀均为圆形,不能生产出绝对的直角槽孔,为避免非直角槽对插件的不良影响,通常的做法是先在槽孔四个角处钻角孔,然后进行CNC铣槽。而PTFE太过柔软,角孔边缘的材料在进行CNC铣槽时发生移动,使得铣刀无法去除角孔与铣刀交接处的毛刺。

三、改善方向

1、优化CNC工程资料:去除角孔,将角孔整合在CNC铣槽路径中,从而去除铣刀加工因材料形变而产生的切削盲点。

2、优化CNC参数:因参数设定不当,切断的纤维丝难以排出,铣刀被纤维丝缠绕而丧失切削能力,造成刚开始行刀就发生断刀,如图6。为了避免铣刀被纤维丝缠绕而断刀,最主要的改善是:

① 优化主轴转速,提高刀具切削能力,将纤维丝彻底切碎。增加切削能力的主要方法是提高刀具边缘的线速度,线速度越大切削能力越高,当然线速度也不是越快越好,需要实时考虑散热状况。

② 使用螺旋铣刀,降低行刀速度,增加铣刀的排屑能力。用排屑能力更强的螺旋铣刀代替普通铣刀,降低铣刀的切削速度,让铣刀有充裕的时间排屑。

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图6 试验中因纤维丝缠绕失去切削力而断掉的铣刀

四、CNC工程资料优化试验

以客户的槽孔为蓝本,将角孔整合进CNC路径中,制作试验工程资料,为保证槽边角品质,设计0.8mm和1.0mm两种刀径,以便对比同一种参数下两种刀具生产出的毛刺的不同。工程资料如图7。为保证和客户需求相符,选用和客户要求相同的某供应商1.0mm 1/1、介电常数2.55的PTFE料进行工艺试验。

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图7 试验用工程资料图

生产时为防止槽边铜皮起翘,我们使用白色密胺垫板和冷压盖板夹紧生产,由于设备限制,转速在0-24000转之间调节。铣槽孔试验参数及结果如下表3:

表3 铣槽孔加工参数

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试验小结:

使用1.0mm螺旋铣刀,主轴转速24000转,行刀速度为0.24m/min的3号试验槽孔毛刺最小,相比前期有很大的改善,但还不是最理想的效果,但对于客户插件已经不影响了。根据试验结果可以发现:毛刺产生区域主要处于刀具路径改变位置。

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图8 毛刺产生地点处于刀具路径改变位置

五、铣床工程资料进一步优化

更改槽孔资料,拉长槽孔,并改为圆角槽孔,保证槽内矩形为客户需要的插件尺寸;选用1.0mm刀径的螺旋铣刀进行工程资料制作,并试制生产样板,沉铜板电后孔内无毛刺,品质良好,如图9。

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图9 优化后槽孔品质良好

六、铣槽试验小结

1)PTFE材料不适合机械加工直角金属化槽孔,在工程阶段应及时与客户沟通,更改圆角槽型,可以使用钻槽也可以铣槽,减少毛刺。

2)无法更改时,工程阶段将角孔整合进铣槽路径中,刀具用1.0mm制作工程资料;生产时选用螺旋铣刀,行刀速度在需要适当下调;加工时完成一次铣槽加工后再加工一次,二次加工行刀速度可以更改为原参数,可以达到一个较理想的加工效果。

针对PTFE系列板料进行的槽孔生产实验跟进,得出以下结论:

1)   钻槽孔,按照优化后作业参数生产,工程资料进行加密孔,孔数由G85格式工程资料设备默认n孔增加到 4n-3孔,并且采用线性钻法,可以得到较好的加工效果。

2)   铣槽孔,直角槽孔需要CNC加工时,工程资料优化阶段,将角孔整合进铣槽路径中,刀具用1.0mm制作工程资料;生产时选用螺旋铣刀,行刀速度在原基础需要适当下调;加工时完成一次铣槽加工后再加工一次,第二次加工行刀速度可以更改为原参数,可以达到一个相对理想的加工效果。

3)   针对PTFE板料直角槽孔,在前阶段建议客户进行资料优化,更改为圆形槽孔,在不影响插件功能的前提下,可以达到更好的加工效果。

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