1 制程目的
單面或雙面板的制作都是在下料之後直接進行非導通孔或導通孔的鉆孔, 多層板則是在完成壓板之後才去鉆孔。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的壹種).近年電子產品'輕.薄.短.小.快.'的發展趨勢,使得鉆孔技術壹日千裏,機鉆,雷射燒孔,感光成孔等,不同設備技術應用於不同層次板子.本章僅就機鉆部分加以介紹,其它新技術會在20章中有所討論.
2 流程
上PIN→鉆孔→檢查
3上PIN作業
鉆孔作業時除了鉆盲孔,或者非常高層次板孔位精準度要求很嚴,用單片鉆之外,通常都以多片鉆,意即每個stack兩片或以上.至於幾片壹鉆則視1.板子要求精度2.最小孔徑3.總厚度4.總銅層數.來加以考慮. 因為多片壹鉆,所以鉆之前先以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連續動作壹次完成.多層板比較復雜,另須多層板專用上PIN機作業.
4. 鉆孔
4.1鉆孔機
鉆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：和產量有直接關系
B. 有效鉆板尺寸
C. 鉆孔機臺面：選擇振動小，強度平整好的材質。
D. 軸承(Spindle)
E. 鉆盤：自動更換鉆頭及鉆頭數
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，且冷卻鉆頭功能
I. Step Drill的能力
J. 斷針偵測
K. RUN OUT
6.4.1.1鉆孔房環境設計
A. 溫濕度控制
B. 幹凈的環境
C. 地板承受之重量
D. 絕緣接地的考慮
E. 外界振動幹擾
4.2 物料介紹
鉆孔作業中會使用的物料有鉆針(Drill Bit),墊板(Back-up board),蓋板(Entry board)等.以下逐壹介紹:圖6.1為鉆孔作業中幾種物料的示意圖.
4.2.1 鉆針(Drill Bit), 或稱鉆頭,
其質量對鉆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. 鉆針材料 鉆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.耐沖擊及硬度不錯的鈷 (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。 耐磨性和硬度是鉆針評估的重點其合金粒子愈細能提高硬度以及適合鉆小孔.通常其合金粒子小於1 micron.
B. 外型結構
鉆針之外形結構可分成三部份,見圖6.2,即鉆尖 (drill point)、退屑槽 ( 或退刃槽 Flute )、 及握柄 (handle,shank)。 以下用圖標簡介其功能:
a. 鉆尖部份 (Drill Point)- 圖6.3
(1) 鉆尖角 (Point Angle)
(2) 第壹鉆尖面 (Primary Face)及角
(3) 第二鉆尖面 (Secondary face)及角
(4) 橫刃 (Chisel edge)
(5) 刃筋 (Margin)
鉆尖是由兩個窄長的第壹鉆尖面 及兩個呈三角形鉤狀的第二鉆尖面 所構成的, 此四面會合於鉆尖點,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鉆入stack中, 第壹尖面的兩外側各有壹突出之方形帶片稱為刃筋 (Margin), 此刃筋壹 直隨著鉆體部份盤旋而上,為鉆針與孔壁的接觸部份.而刃筋與刃唇交接處之 直角刃角 (Corner) 對孔壁的質量非常重要,鉆尖部份介於第壹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鉆尖角 (Point angle), 鉆紙質之酚醛樹脂基板時因所受阻力較少, 其鉆尖角約為 90 ° ~ 110 °, 鉆 FR4 的玻纖板時則尖角需稍鈍為115 ° ~ 135 °, 最常見者 為 130 °者。 第壹尖面與長刃之水平面所呈之夾面角約為 15°稱為第壹尖面角 (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)
鉆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 鉆針實體部份與孔壁之間保持壹小間隙以減少發熱。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, 但因廢屑退出以及鉆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)。此螺旋角大時鉆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。
鉆針整體外形有4種形狀:
(1) 鉆部與握柄壹樣粗細的 Straight Shank,
(2) 鉆部比主幹粗的稱為 Common Shank。
(3) 鉆部大於握柄的大孔鉆針
(4) 粗細漸近式鉆小孔鉆針。
C. 鉆針的檢查與重磨
a. 檢查方法 20~40倍實體顯微鏡檢查,見圖6.4
b. 鉆針的重磨 (Re-Sharpping) 為孔壁品質鉆針壽命,可依下表做重磨管理。 壹般鉆針以四層板之三個叠高 (High) 而言, 壽命可達 5000-6000 擊(Hit), 總 ***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. 鉆頭的清掃
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. 復合材料- 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.成本考慮做最適當的選擇.其質量標準 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.保護鉆機之臺面 ，
b.防止出口性毛頭(Exit Burr）
c.降低鉆針溫度。
d.清潔鉆針溝槽中之膠渣。
B. 材料種類：
a. 復合材料-其制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壹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壹些，也就是壹般單面板的基材.
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，壹如石棉浪壹樣。 墊板的選擇壹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.
4.3 操作
4.3.1 CNC控制
現有CAD/CAM工作站都可直接轉換鉆孔機接受之語言只要設定壹些參數如各孔號代表之孔徑等即可.大部分工廠鉆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.
4.3.2 作業條件
鉆孔最重要兩大條件就是Feeds and Speeds進刀速度及旋轉速度，以下做壹 敘述
A. 進刀速度(Feeds): 每分鐘鉆入的深度，多以吋/分(IPM)表示。上式已為排屑量(Chip Load)取代，鉆針之所以能刺進材料中心須要退出相同體積的鉆屑才行，其表示的方法是以鉆針每旋轉壹周後所能刺進的吋數(in/R)。
B. 旋轉速度(Speeds) 壹 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鉆針。 當進刀速度約為120in/min左右，轉速為6萬RPM時，其每壹轉所能刺入的深度為其排屑量
排屑量高表示鉆針快進快出而與孔壁接觸時間短，反之排屑量低時表示鉆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作業註意事項
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壹定要保持在0.0005以下
F. 臺面上塵屑要用吸塵器去除，切勿用吹氣的方式。
5 小孔鉆
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)
5.2 小孔加工現有機鉆及非機鉆,現就機鉆加以探討
小直徑鉆孔加工
小直徑鉆頭的規格依使用人、廠商而略有不同， 壹般0.3mm的稱極小徑鉆頭， 由於表面黏著技術(Surface Mount Techology)大量應用，小徑、極小徑的鉆孔 也日益增多，因此PC板鉆頭與鉆孔機的問題就油然而生；而怎樣來防止鉆頭 的折斷是鉆孔加工最主要的癥結，其折斷的主要原因如下：
1. 鉆頭的形狀和材質
2. 鉆頭的外徑與縱橫比(Aspect)
3. PC板的種類(材質、厚度與層數)
4. 鉆孔機的振動和主軸的振動
5. 鉆孔條件(轉數與進刀速度)
6. 蓋板、墊板的選擇
A小孔徑鉆孔機
實施小孔徑鉆孔時必須考慮到機械的精度，而其最主要在於位置的精度；壹 般通稱的位置精度包括以下幾個因素而言：
1. 程序設計的位置與實際工作臺上位置精度的誤差。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. 鉆頭鉆入PC瞬間的偏差，大時可達10μm，其原因很復雜；主軸、鉆頭、 壓板等等都有關連。
4. 鉆頭本身的彎曲；鉆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，只歸因於鉆頭是不合理的，鉆孔機等其它的因素也應 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 在生產在線做小徑鉆孔加工時，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牢牢的固定於工作臺上，使其成為壹個整體，鉆頭在剛開始鉆孔時，若PC板固定不牢則易滑動，造成鉆頭易折斷的可能，為了防止鉆折斷，以下幾點要特別註意：
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. 盡量避免使用變形的PC板。
3. 壓板盡量使用厚度為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，而是需追求厚度的壹致。
6 檢查及質量重點
6.1 質量重點
1. 少鉆
2. 漏鉆
3. 偏位 (上述以底片check)
4. 孔壁粗糙
5. 釘頭 (切片)
6. 巴裏(burr)
6.2鉆孔結束板邊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鉆壹孔來檢查孔壁質量.