六、鑽孔
6.1 製程目的
單面或雙面板的製作都是在下料之後直接進行非導通孔或導通孔的鑽孔, 多層板則是在完成壓 板之後才去鑽孔。傳統孔的種類除以導通與否簡單的區分外,以功能的不同尚可分:零件孔,工具孔, 通孔(Via),盲孔(Blind hole),埋孔(Buried hole)(後二者亦為via hole的一種).近年電子產品'輕.薄.短.小. 快.'的發展趨勢,使得鑽孔技術一日千里,機鑽,雷射燒孔,感光成孔等,不同設備技術應用於不同層次板 子.本章僅就機鑽部分加以介紹,其他新技術會在20章中有所討論.
6.2 流程 上PIN→鑽孔→檢查
6.3上PIN作業 鑽孔作業時除了鑽盲孔,或者非常高層次板孔位精準度要求很嚴,用單片鑽之外,通常都以多片鑽, 意即每個stack兩片或以上.至於幾片一鑽則視1.板子要求精度2.最小孔徑3.總厚度4.總銅層數.來加 以考量. 因為多片一鑽,所以鑽之前先以pin將每片板子固定住,此動作由上pin機(pinning maching) 執行之. 雙面板很簡單,大半用靠邊方式,打孔上pin連續動作一次完成.多層板比較複雜,另須多層板 專用上PIN機作業.
6.4.
鑽孔
6.4.1鑽孔機 鑽孔機的型式及配備功能種類非常多，以下List 評估重點 A. 軸數：和產量有直接關係
B. 有效鑽板尺寸
C. 鑽孔機檯面：選擇振動小，強度平整好的材質。
D.
軸承(Spindle)
E. 鑽盤：自動更換鑽頭及鑽頭數
F.
壓力腳
G. X、Y及Z軸傳動及尺寸：精準度，X、Y獨立移動
H. 集塵系統：搭配壓力腳，排屑良好，且冷卻鑽頭功能
I. Step Drill的能力
J. 斷針偵測
K. RUN OUT
6.4.1.1鑽孔房環境設計
A.
溫濕度控制
B. 乾淨的環境
C. 地板承受之重量 D. 絕緣接地的考量 E. 外界振動干擾
6.4.2
物料介紹
鑽孔作業中會使用的物料有鑽針(Drill Bit),墊板(Back-up board),蓋板(Entry board)等.以下逐一 介紹:為鑽孔作業中幾種物料的示意圖.
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| 鑽針 |
6.4.2.1
鑽針(Drill Bit), 或稱鑽頭,
其品質對鑽孔的良窳有直接立即的影響, 以下將就其材料，外型構、及管理簡述之。
A. 鑽針材料 鑽針組成材料主要有三:
a. 硬度高耐磨性強的碳化鎢 (Tungsten Carbide
,WC)
b.耐衝擊及硬度不錯的鈷 (Cobalt)
c.有機黏著劑.
三種粉末按比例均勻混合之後,於精密控制的焚爐中於高溫中在模子中燒結 (Sinter) 而成.其 成份約有 94% 是碳化鎢, 6% 左右是鈷。 耐磨性和硬度是鑽針評估的重點其合金粒子愈細能提高
硬度以及適合鑽小孔.通常其合金粒子小於1 micron.
B. 外型結構
鑽針之外形結構可分成三部份,見圖6.2,即鑽尖 (drill point)、退屑槽 ( 或退刃槽 Flute )、 及 握柄 (handle,shank)。 以下用圖示簡介其功能:
a. 鑽尖部份 (Drill Point)-
圖6.3
(1) 鑽尖角 (Point Angle)
(2) 第一鑽尖面 (Primary Face)及角 (3) 第二鑽尖面 (Secondary
face)及角 (4)
橫刃 (Chisel edge)
(5)
刃筋 (Margin)
鑽尖是由兩個窄長的第一鑽尖面 及兩個呈三角形鉤狀的第二鑽尖面 所構成的, 此四面會 合於鑽尖點,在中央會合處形成兩條短刃稱為橫刃 (Chisel edge), 是最先碰觸板材之處, 此橫刃在壓 力及旋轉下即先行定位而鑽入stack中, 第一尖面的兩外側各有一突出之方形帶片稱為刃筋
(Margin), 此刃筋一 直隨著鑽體部份盤旋而上,為鑽針與孔壁的接觸部份.而刃筋與刃唇交接處之 直角刃角 (Corner) 對孔壁的品質非常重要,鑽尖部份介於第一尖面與第二尖面之間有長刃, 兩長刃 在與兩橫刃在中間 部份相會而形成突出之點是為尖點, 此兩長刃所形成的夾角稱鑽尖角 (Point angle), 鑽紙質之酚醛樹脂基板時因所受阻力較少,
其鑽尖角約為 90 ° ~ 110 °, 鑽 FR4 的玻纖 板
時則尖角需稍鈍為115 ° ~ 135 °, 最常見者 為 130 °者。 第一尖面與長刃之水平面所呈之夾面 角約為 15°稱為第一尖面角 (Primary Face Angle), 而第二尖面角則約為 30 °, 另有橫刃與刃唇所形成 的夾角稱為橫刃角 (cheisel Edge Angle)。
b.
退屑槽 (Flute)
鑽針的結構是由實體與退屑的空槽二者所組成。實體之最外緣上是刃筋, 使 鑽針實體部份 與孔壁之間保持一小間隙以減少發熱。其盤旋退屑槽 (Flute) 側斷面上與水平所成的旋角稱為螺旋 角(Helix or
Flute Angle),此螺旋角度 小時'_'(_'(_'_, 螺紋較稀少,路程近退屑快, 但因廢屑退出以及鑽 針之進入所受阻力較 大,
容易升溫造成尖部積屑積熱,形成樹脂之軟化而在孔壁上形成膠渣 (smear)。此螺 旋角大時鑽針的進入及退屑所受之磨擦阻力較小而不易發熱, 但退料太慢。
c. 握柄 (Shank)
被 Spindle 夾具夾住的部份, 為節省材料有用不銹鋼的。 鑽針整體外形有4種形狀:
(1) 鑽部與握柄一樣粗細的 Straight Shank, (2) 鑽部比主幹粗的稱為 Common Shank。 (3) 鑽部大於握柄的大孔鑽針
(4) 粗細漸近式鑽小孔鑽針。
C. 鑽針的檢查與重磨
a. 檢查方法 20~40倍實體顯微鏡檢查,見圖6.4
b. 鑽針的重磨 (Re-Sharpping) 為孔壁品質鑽針壽命,可依下表做重磨管理。 一般鑽針以四 層板之三個疊高 (High) 而言, 壽命可達 5000-6000 擊(Hit), 總 共可以重磨三次。(應重磨擊數表)
6.4.2.2. 蓋板 Entry Board(進料板) A. 蓋板的功用有:
a. 定位
b. 散熱
c. 減少毛頭
d. 鑽頭的清掃
e.防止壓力腳直接壓傷銅面
B. 蓋板的材料:以下簡述其種類及優缺點
a. 複合材料- 是用木漿纖維或紙材,配合酚醛樹脂當成黏著劑熱壓而 成的。其材質與單面
板之基材相似。此種材料最便宜.
b. 鋁箔壓合材料─ 是用薄的鋁箔壓合在上下兩層，中間填去脂及去化學品的 純木屑. c. 鋁合金板─ 5~30mil,各種不同合金組成,價格最貴 上述材料依各廠之產品層次,環境及管理.成本考量做最適當的選擇.其品質標準 必須:表面平滑, 板子平整,沒有雜質,油脂,散熱要好.
6.4.2.3 墊板 Back－up board
A. 墊板的功用有： a.保護鑽機之檯面 ， b.防止出口性毛頭(Exit Burr） c.降低鑽針溫度。 d.清潔鑽針溝槽中之膠渣。
B. 材料種類：
ａ. 複合材料-其製造法與紙質基板類似，但以木屑為基礎，再混合含酸或鹽類的黏著劑，高 溫高壓下壓合硬化成為一體而硬度很高的板子.
b. 酚醛樹脂板（phenolic）─ 價格比上述的合板要貴一些，也就是一般單面板的基材. c. 鋁箔壓合板─ 與蓋板同VBU墊板──是指Vented Back Up
墊板，上下兩面鋁箔，中層為折曲同質的純鋁箔，空 氣可以自由流通其間，一如石棉浪一樣。 墊板的選擇一樣依各廠條件來評估.其重點在:不含有機油 脂,屑夠軟不傷孔壁,表面夠硬,板厚均勻,平整等.
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| 鑽孔示意圖 |
6.4.3 操作
6.4.3.1 CNC控制 現有CAD/CAM工作站都可直接轉換鑽孔機接受之語言只要設定一些參數如各孔號代表之孔 徑等即可.大部分工廠鑽孔機數量動輒幾十臺因此多有連網作業由工作站直接指示.若加上自動 Loading/Unloading則人員可減至最少.
6.4.3.2
作業條件
鑽孔最重要兩大條件就是"Feeds and Speeds"進刀速度及旋轉速度，以下做一 敘述
A. 進刀速度(Feeds): 每分鐘鑽入的深度，多以吋／分(IPM)表示。上式已為"排屑量"(Chip
Load) 取代，鑽針之所以能刺進材料中心須要退出相同體積的鑽屑才行，其表示的方法是以鑽針每旋轉一
週後所能刺進的吋數(in/R)。
B. 旋轉速度(Speeds) 一 每分鐘所旋轉圈數(Revolution Per Minute
RPM)
通常轉數約為６萬－８萬RPM，轉速太高時會造成積熱及磨損鑽針。 當進刀速度約為
120in/min左右，轉速為６萬RPM時，其每一轉所能刺入的深度為其排屑量 排屑量高表示鑽針快進快出而與孔壁接觸時間短，反之排屑量低時表示鑽針進出緩慢與孔壁磨
擦時間增長以致孔溫升高。
設定排屑量高或低隨下列條件有所不同:
1. 孔徑大小
2. 基板材料
3. 層數
4. 厚度
6.4.4作業注意事項
A. 轉數、進刀數的設定，應依實際的作業狀況，機器所附手冊上的條件僅為參考，仍須修正。
B. 定期測量轉數、進刀數,Run out 等數值.
C. 真空吸塵極為重要，設計時應over實際需要，以達100%效率，定期更換。
D. Spindle及夾頭需隨時保持清潔
E. Run out 一定要保持在0.0005"以下
F.
檯面上塵屑要用吸塵器去除，切勿用吹氣的方式。
6.5 小孔鑽
6.5.1 小孔定義:
直徑0.6 mm以下稱小孔,0.3 mm以下稱微孔(micro hole)
6.5.2 小孔加工現有機鑽及非機鑽,現就機鑽加以探討 小直徑鑽孔加工
小直徑鑽頭的規格依使用人、廠商而略有不同， 一般0.3mm的稱極小徑鑽頭， 由於表 面黏著技術(Surface Mount Techology)大量應用，小徑、極小徑的鑽孔 也日益增多，因此PC板鑽 頭與鑽孔機的問題就油然而生；而怎樣來防止鑽頭 的折斷是鑽孔加工最主要的癥結，其折斷的主 要原因如下：
1. 鑽頭的形狀和材質
2. 鑽頭的外徑與縱橫比(Aspect)
3. PC板的種類(材質、厚度與層數)
4. 鑽孔機的振動和主軸的振動
5. 鑽孔條件(轉數與進刀速度)
6. 蓋板、墊板的選擇 A小孔徑鑽孔機 實施小孔徑鑽孔時必須考慮到機械的精度，而其最主要在於位置的精度；一 般通稱的位 置精度包括以下幾個因素而言：
1. 程式設計的位置與實際工作台上位置精度的誤差。最近的新機種通常亦有 ±10~15μm
左右的誤差。
2. 因主軸振動所造成的誤差。(尤其必須考慮到運轉時的誤差)
3. 鑽頭鑽入PC瞬間的偏差，大時可達10μm，其原因很複雜；主軸、鑽頭、 壓板等等 都有關連。
4. 鑽頭本身的彎曲；鑽入的點至穿通止之間的彎曲度即孔位彎曲精度。孔位曲的原因經 歸納如表所示。
為了要提高孔位精度，只歸因於鑽頭是不合理的，鑽孔機等其他的因素也應 加以改善: －適 當條件：如進刀速、轉速的調整，分段鉆的作業等。 －STACK的置放 在生產線上做小徑鑽孔加 工時，以操縱大直徑的方法來處理小徑時，常會有忽略的問題產生；其實最重要的是將PCB牢牢 的固定於工作台上，使其成為一個整體，鑽頭在剛開始鑽孔時，若PC板固定不牢則易滑動，造成 鑽頭易折斷的可能，為了防止鑽折斷，以下幾點要特別注意：
1. 將壓板、PC板、墊板用膠布貼牢後，於指定地方用固定針釘牢。
2. 儘量避免使用變形的PC板。
3. 壓板儘量使用厚度為0.15~0.2mm的鋁板或0.3~0.4mm的合成樹脂板為 主。
4. 墊板並非取質硬，而是需追求厚度的一致。
6.6 檢查及品質重點
6.6.1 品質重點
1. 少鑽
2. 漏鑽
3. 偏位 (上述以底片check)
4. 孔壁粗糙
5. 釘頭 (切片)
6.
巴里(burr)
6.6.2鑽孔結束板邊coupon設計
板邊設計coupon的用意如下:
1. 檢查各孔徑是否正確
2. 檢查有否斷針漏孔
3. 可設定每1000,2000,3000 hit 鑽一孔來檢查孔壁品質.
鑽孔製程至此告一段落,下一步驟將進行孔壁金屬化即所謂鍍通孔.
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