槽孔為PTH屬性的圓角槽孔和直角槽孔加工方式

PCB行業越來越多地使用高頻高速板材來滿足信號傳輸速度、信號完整度及阻抗匹配等特殊要求。聚四氟乙烯是一種廣泛應用的高頻材料，該材料具有優秀的電氣性能。但由於PTFE材料自身的特性，在PCB槽孔機械加工過程中，很容易出現孔邊銅皮起翹、槽孔變形損傷以及角孔邊緣纖維絲去除不淨等問題。本文著重從銑床加工參數優化和鑽床加工參數優化兩方面入手，選擇最優化的加工方式和加工參數，期望可以提高PTFE系列板材槽孔加工品質。

PCB設計中，目前使用的高頻材料，都是以PTFE為主體，混合玻璃纖維布或者陶瓷等其他不同填料製成，以使材料的介電常數、介質損耗等性能指標滿足高頻設計需求。但由於PTFE材質的特性差異，對於PCB機加工是個巨大的挑戰，雖然材料供應商們竭盡全力的改進填料配方，降低其機加難度，但到目前為止其加工難度和成本依舊高於普通的FR-4材料。各大PCB供應商也在致力於PTFE材料機械加工工藝的革新，期望可以降低機加工成本，提高加工效率，但大都不太理想，槽孔作為印製電路板機加工常見的一種工具孔，在高頻材料加工時也不可避免的遇到了麻煩。

槽孔類型

槽長度分類：槽孔有短槽、長槽。長度在寬度兩倍以下的槽為短槽，以上的槽為長槽；

槽孔形狀分類：圓角槽孔和直角槽孔。

槽屬性分類：NPTH槽和PTH槽。

本文討論的槽孔為PTH屬性的圓角槽孔和直角槽孔加工方式。

改進方向

常規的生產方式是通過鑽槽孔或銑槽孔完成槽孔機械加工。無論鑽槽孔還是銑槽孔，槽孔均容易產生邊緣毛刺，沉銅板電時鍍銅層附著在PTFE毛刺上，同時迅速生長銅刺，嚴重的甚至完全堵塞槽孔，影響槽孔功能。本論文通過對鑽槽孔或銑槽孔進行對比實驗，尋找合適的作業方式及作業參數，來提升槽孔加工質量及效率。

鑽槽孔，是通過鑽機使用硬度比鑽刀硬度更高的槽刀按照所需槽孔的寬度和長度有規律的鑽孔形成槽孔。鑽槽優化方向，從鑽槽作業參數優化和鑽槽工程資料優化兩方面著手。通過鑽孔作業參數優化，減少每次鑽孔時孔內及孔邊上的毛刺；通過工程資料優化，期望可以通過改變鑽孔路徑，減少甚至去除孔與孔相接處的毛刺殘留。

銑槽孔，是通過銑床使用銑刀按照一定的路徑進行切削形成槽孔。銑槽優化方向，主要通過刀類型的選用、銑床作業參數和工程資料三方面著手，減少槽孔毛刺，滿足品質要求。

鑽槽工藝優化

一、現狀

在前期生產過程中，槽孔經常會有毛刺堵孔（如圖1），需要人工手工修理，不僅影響產品交期，而且影響品質，容易因修理不良造成孔無銅，影響客戶元器件插件和焊接；即使客戶讓步使用後，對於天線類產品信號的調試也有一定的影響。

圖1 有毛刺的槽孔

二、鑽槽孔毛刺產生的原因：

現有的PTFE板料，鑽孔時未被切碎的纖維絲會纏繞在鑽刀上，使得鑽刀排屑性能下降，從而引起更多的纖維絲纏刀，造成孔壁粗糙，孔邊披鋒嚴重等不良現象。所以鑽孔參數的優化目的，就是確保可以最大限度的割碎板材內的纖維絲，保證在生產過程中，鑽刀不被纖維絲纏繞。

三、鑽孔參數優化

優化鑽孔參數,選取PTFE材料常用的0.3mm、0.8mm、1.2mm、2.4mm、3.2mm幾個孔徑進行參數對比試驗，沉銅板電後切片確認孔壁粗糙程度，來確認鑽刀工作時對板料的切割是否可以滿足品質要求。試驗材料：某供應商2.0mm 1/1、介電常數2.65。試驗參數及結果對比表如下表1：

表1 原鑽孔參數與新參數孔粗對比

通過以上鑽圓孔對比實驗，可以發現鑽孔新參數比原參數有更好的加工效果，孔壁質量由原參數的1.16mill提升至0.56mill，可以取得很好的加工效果。

新參數：槽孔加工時主軸轉速下降10%，最低轉速不低於20krpm，進刀速度降低40%，退刀速度降低20%，使用全新刀具，且刀具壽命調為原參數壽命的80%。

四、鑽孔資料優化

短槽使用鑽孔生產，以某產品進行工藝試驗，槽孔設計如圖2。為保證和客戶需求相符，選用和客戶要求相同的某供應商1.0mm 1/1、介電常數2.55的PTFE料進行工藝試驗。

圖2 槽孔設計圖

試驗參數、方法及板電後結果記錄如下表2:

表2 鑽孔試驗參數及沉銅後效果

試驗分析：

（1）1號試驗，使用之前G85格式工程資料，參數選用優化後的新參數，鑽槽時孔密度為5孔，槽刀鑽槽的順序為1、2、3、4、5，為線性生產，鑽孔完畢，沉銅板電後，個別孔有瘤狀毛刺，超出品質接受標準。

（2）2號試驗，針對槽刀鑽孔順序進行工程資料優化，打散後重新設定鑽槽順序為跳刀鑽法，順序為1、3、5、4、2，並重新進行試驗，用優化後的新參數生產，沉銅板電後，毛刺改善效果不明顯，個別槽孔內毛刺仍舊超出標準。

（3）通過1號和2號實驗，我們發現毛刺產生的位置主要位於每個孔與孔的間隙處，故設計3號和4號實驗時，進行槽孔孔數加密，3號實驗孔數由G85格式設備默認n孔增加到2n-1孔，4號實驗孔數由G85格式設備默認n孔增加到4n-3孔，3、4號試驗，增加鑽槽孔數量至9孔（3號）和17孔（4號），並且使用線性生產方式。按照新鑽孔參數，使用新鑽孔工程資料生產後，槽孔毛刺現象進一步減少，加密至9孔的3號實驗，槽孔孔壁毛刺較小，加密至17孔的4號實驗，生產的槽孔幾乎沒有毛刺。

通過上述試驗得出結論:假定設備默認G85格式工程資料槽孔孔數為n，加工時槽孔孔數設定為4n-3，並且採用線性鑽法，槽孔可以得到非常好的加工效果。

五、生產效果驗證

依據試驗結果，更新工程資料和鑽孔參數後試生產，槽孔基本無毛刺，品質良好。

圖3 沉銅後槽孔                 圖4 圖電後槽孔

六、鑽槽孔試驗小結

優化鑽孔參數,主軸轉速下降10%，最低轉速不低於20krpm,進刀速度降低40%，退刀速度降低20%，使用全新刀具，且刀具壽命調為原壽命的20%；同時孔數由G85格式工程資料設備默認n孔增加到 4n-3孔，槽孔內基本無毛刺，可以得到比較好的加工效果。

銑槽工藝優化

一、現狀

直角槽孔中角孔與銑槽結合處最容易產生毛刺，人工修刮不僅效率低下，而且易造成孔無銅影響客戶器件焊接，需要對直角槽孔生產進行工藝試驗，避免此類客訴發生。

圖5 客訴角孔周圍毛刺修理不淨

二、角孔毛刺產生原因

由於鑽刀和銑刀均為圓形，不能生產出絕對的直角槽孔，為避免非直角槽對插件的不良影響，通常的做法是先在槽孔四個角處鑽角孔，然後進行CNC銑槽。而PTFE太過柔軟，角孔邊緣的材料在進行CNC銑槽時發生移動，使得銑刀無法去除角孔與銑刀交接處的毛刺。

三、改善方向

1、優化CNC工程資料：去除角孔，將角孔整合在CNC銑槽路徑中，從而去除銑刀加工因材料形變而產生的切削盲點。

2、優化CNC參數：因參數設定不當，切斷的纖維絲難以排出，銑刀被纖維絲纏繞而喪失切削能力，造成剛開始行刀就發生斷刀，如圖6。為了避免銑刀被纖維絲纏繞而斷刀，最主要的改善是：

① 優化主軸轉速，提高刀具切削能力，將纖維絲徹底切碎。增加切削能力的主要方法是提高刀具邊緣的線速度，線速度越大切削能力越高，當然線速度也不是越快越好，需要實時考慮散熱狀況。

② 使用螺旋銑刀，降低行刀速度，增加銑刀的排屑能力。用排屑能力更強的螺旋銑刀代替普通銑刀，降低銑刀的切削速度，讓銑刀有充裕的時間排屑。

圖6 試驗中因纖維絲纏繞失去切削力而斷掉的銑刀

四、CNC工程資料優化試驗

以客戶的槽孔為藍本，將角孔整合進CNC路徑中，製作試驗工程資料，為保證槽邊角品質，設計0.8mm和1.0mm兩種刀徑,以便對比同一種參數下兩種刀具生產出的毛刺的不同。工程資料如圖7。為保證和客戶需求相符，選用和客戶要求相同的某供應商1.0mm 1/1、介電常數2.55的PTFE料進行工藝試驗。

圖7 試驗用工程資料圖

生產時為防止槽邊銅皮起翹，我們使用白色密胺墊板和冷壓蓋板夾緊生產，由於設備限制，轉速在0-24000轉之間調節。銑槽孔試驗參數及結果如下表3：

表3 銑槽孔加工參數

試驗小結：

使用1.0mm螺旋銑刀，主軸轉速24000轉，行刀速度為0.24m/min的3號試驗槽孔毛刺最小，相比前期有很大的改善，但還不是最理想的效果，但對於客戶插件已經不影響了。根據試驗結果可以發現：毛刺產生區域主要處於刀具路徑改變位置。

圖8 毛刺產生地點處於刀具路徑改變位置

五、銑床工程資料進一步優化

更改槽孔資料，拉長槽孔，並改為圓角槽孔，保證槽內矩形為客戶需要的插件尺寸；選用1.0mm刀徑的螺旋銑刀進行工程資料製作，並試製生產樣板，沉銅板電後孔內無毛刺，品質良好，如圖9。

圖9 優化後槽孔品質良好

六、銑槽試驗小結

1）PTFE材料不適合機械加工直角金屬化槽孔，在工程階段應及時與客戶溝通，更改圓角槽型，可以使用鑽槽也可以銑槽，減少毛刺。

2）無法更改時，工程階段將角孔整合進銑槽路徑中，刀具用1.0mm製作工程資料；生產時選用螺旋銑刀，行刀速度在需要適當下調；加工時完成一次銑槽加工後再加工一次，二次加工行刀速度可以更改為原參數，可以達到一個較理想的加工效果。

針對PTFE系列板料進行的槽孔生產實驗跟進，得出以下結論：

1)   鑽槽孔，按照優化後作業參數生產，工程資料進行加密孔，孔數由G85格式工程資料設備默認n孔增加到 4n-3孔，並且採用線性鑽法，可以得到較好的加工效果。

2)   銑槽孔，直角槽孔需要CNC加工時，工程資料優化階段，將角孔整合進銑槽路徑中，刀具用1.0mm製作工程資料；生產時選用螺旋銑刀，行刀速度在原基礎需要適當下調；加工時完成一次銑槽加工後再加工一次，第二次加工行刀速度可以更改為原參數，可以達到一個相對理想的加工效果。

3)   針對PTFE板料直角槽孔，在前階段建議客戶進行資料優化，更改為圓形槽孔，在不影響插件功能的前提下，可以達到更好的加工效果。

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