PCB用微钻技术的发展趋势探讨

　　0前言
　　钻孔是PCB制造过程中的一个关键工序，PCB用微钻(以下简称微钻)制造技术发展的好与坏将会对PCB制造行业起到一个促进或制约的作用。站在PCB制造产业链的角度来看，PCB制造和微钻制造两个环节高度关联。因此，从PCB行业的市场发展趋势出发，研究微钻技术的现状和发展趋势，对于这两个行业的技术人员可以起到把握发展方向的作用，对PCB钻孔工序投资决策也可起到参谋作用。
　　1PCB市场发展趋势
　　1．1 PCB市场发展带来的机遇
　　PCB市场发展给微钻制造企业，特别是中国大陆企业，带来了较大的发展机遇。
　　从总体上讲，PCB行业将保持较高的速度发展；从市场区域上来说，中国大陆将是发展的重中之重；从产品品种来说，IC封装板、HDI板及软板是主要增长的板类。
　　从技术档次来看，最高端的HDI、IC封装板的制造技术仍集中在日本。中国台湾、韩国能生产中高端的HDI、I C封装板及其它板，中国大陆生产的PCB技术水平相对较低。　　预期未来随着HDI应用大户——手机、数码相机、PC生产逐渐向中国大陆转移，日本、韩国与中国台湾等地区的厂商也会将产能转移到中国大陆，中国HDI板生产的比重将进一步加大。
　　1．2 PCB产品结构的变化带来了小尺寸微钻的市场需求
　　在PCB制造过程中，微钻制造企业与钻孔工序最相关。就钻孔工序而言，要求最高的是HDI、IC封装板。其钻孔孔径日渐缩小，最小导通孔孔径将由目前的50um一80um降到30um。
　　随着IC封装板、HDI板比重的增加，在未来两到三年内，用于加工的小尺寸钻头的需求也会相应增加。钻孔孔径小于125um时，激光导通孔工艺开始介入与机械钻孔的竞争。
　　激光导通孔工艺是积层法多层板导通孔加工手段的主流，CO，激光和UV激光加工成为适用于实用化工艺的发展主流，其最小导通孔孔径将由目前的50um-80um降到30um，孔径精度和导通孔位置精度提高到±15um。
　　随着机械钻孔技术的提高，与激光钻孔相比，在机械钻孔在孔径大于或等于75um时有较大的优势，预计这种优势将来可以拓展到50um。因此，机械钻孔仍将是主要钻孔方式。
　　1．3  RoHS指令及纳米材料制作布线对微钻耐磨损能力提出了挑战
　　RoHS指令于2006年7月1日在欧盟的实施，环保板材应运而生。环保板的硬度明显高于普通板，在同等情况下，微钻的寿命大约降低30％，铣刀的寿命降低则更多更明显。
　　纳米材料制作布线的新一代PCB已在世界上首次露面，未来纳米材料技术将在降低PCB的介电常数、提升产品的耐热性、对PCB产业环保的应用等方面产生重大影响。同时，它的出现也将会给微钻耐磨损能力带来新的挑战。
　　不仅如此，竞争的压力也迫使微钻厂家全面提升微钻综合性能，寻求生产更高性价比的钻头。
　　2 PCB微钻的技术发展趋势
　　技术服务于市场，市场的发展趋势及需求指明了微钻技术发展的方向。可以预计，小尺寸微钻开发及量产技术和以提高微钻耐磨损能力为重点提高微钻综合性能将是未来三年微钻行业的两大主攻方向。与此同时，钻孔机理的研究也将得到发展。
　　2．1  小尺寸微钻的开发及量产技术的研究
　　目前，20um的微钻已经开发，100um的微钻已经实现量产。75um、50um的微钻的量产技术将是微钻制造企业组织攻关的重点。小尺寸微钻量产的关键在于微钻材料。随着微钻尺寸越来越小，微钻材料对微钻的性能影响越来越大。
　　PCB微钻对制造材料有较高的要求：(1)较高的耐磨性与断裂韧性；(2)较高的热导率；(3)硬质合金中w C晶粒越细越好；(4)具有较好的抗化学侵蚀性能；(5)较好的加工性能等。其中，合金晶粒度与热导率是最关键的因素。这是因为合金韧性、耐磨性与合金晶粒度密切相关。合金热导率直接影响被加工材料与微钻接触表面的温度，即对微钻的工作条件有直接的影响。
　　由于纳米级硬质合金材料的优异的力学性能(如断裂韧性、抗弯强度、硬度等)和良好的切削性能，PCB微钻材料已经开始从准纳米级材料过渡到纳米级材料，纳米级硬质合金材料将成为PCB微钻生产厂家大规模制造超细微钻的主要材料。
　　目前，由于生产工艺不成熟、价格昂贵以及烧结过程中纳米晶粒容易发生疯长等原因，能实现100nm以下粒度硬质合金材料的工业化规模生产的公司并不多。更多的是采用纳米复合强化改善细晶粒硬质合金材料性能。采用含晶粒长大抑制剂的纳米复合粉为原料，工业规模仅能生产晶粒度小于0．4gm的硬质合金。
　　纳米复合强化机理主要是因为弥散在硬质合金基体材料中的纳米颗粒具有弥散增韧作用。当在基质材料中加入高弹性模量的第二相粒子(纳米颗粒)后，这些粒子在基质材料受到拉伸作用时将阻止横向截面收缩，而要达到与基体相同的横向收缩，就会增大纵向拉应力，这样就可使材料消耗更多能量，起到增韧效果。同时，高弹性模量颗粒对裂纹可起到“钉扎”作用，使裂纹发生偏转和绕道，从而耗散裂纹前进的动力，起到增韧作用。此外，弥散在硬质合金基体材料中的纳米颗粒可抑制硬质合金晶粒在烧结过程中的长大，综合提高硬质合金材料的机械性能。
　　目前，市场上已有报导的100nm以下粒度硬质合金材料的工业化规模生产的公司是住友电工公司。他们开发了一种超细晶粒硬质合金“xFl”，粒径仅为90nm，利用这种材料制作直径为0．1mm的钻头钻15000孔时的折断率为0。由于纳米级硬质合金材料表现的优良性良，其制造的技术已经成为许多硬质合金材料制造厂家的研究重点。可以肯定，市场上将会有更多的纳米级硬质合金材料出现。
　　2．2提高微钻综合性能的研究
　　目前以提高微钻耐磨损能力为重点，提高微钻综合性能的主要措施有：改进微钻材料、钻孔方式、微钻槽形，使用微钻表面强化技术。
　　其中，微钻表面强化技术的研发是一项最有前景的技术。下面将重点论述微钻表面强化技术。
　　目前，大尺寸刀具的表面强化技术已经相当成熟，可以提高刀具使用寿命4—10倍。大尺寸刀具的表面强化技术成功应用给研究机构带来了启发，激励了众多的研究机构探索微钻的表面强化技术。其中，环宇真空科技股份有限公司、东莞秦人科技有限公司、昆山古特先进涂层有限公司、珠海恩博金属表面强化有限公司、H．A．M．科技公司、瑞邦微科技有限公司、纳峰真空镀膜(上海)有限公司、台湾空军航空技术学院机构工程系及中国台湾中山大学电子工程系等都有相关研究文献资料报导。
　　微钻表面强化的方向主要有三个：(1)提高表面硬度；(2)降低表面摩擦系数；(3)提高表面耐腐蚀能力。围绕这几个强化方向，国内外对微钻表面强化技术的研究主要集中在离子注入、电弧离子镀、磁控溅射和等离子体化学气相沉积等方面。
　　用等离子感应化学气相沉积(CVD)和物理气相沉积(PvD)的方法所制成的由氯化物、硼化物或碳化物组成的各种超硬纳米复合材料，具有异乎寻常的综合力学性能：其维氏显微硬度高达40GPa～100GPa、弹性回复超过90％，在高应变下仍有高的裂纹形成和生长抗力，这种复合材料还有良好的高温稳定性。对超硬纳米复合材料的力学性能测量是根据Hertzian弹性响应对其压痕曲线分析得到的。根据传统的断裂机理将其按比例缩小到纳米晶和纳米裂纹，并引入材料制备时可能产生的低浓度缺陷，就可以充分理解纳米复合材料展现的高性能。
　　分析表明，超硬涂层材料展现的高模量和高硬度表明它是理想的高强材料。根据弹性形变，超硬纳米复合材料也有塑性形变，塑性性能为加载卸载曲线间的面积，因纳米晶中无位错，所以塑性变形必定来自非晶区的局域切变，但是SEM并未在纳米复合材料中看到形变带，加上材料的高稳定性，充分证明，由压痕测量得到的塑性硬度和估算的残留塑性形变，代表这一材料的真实性能。众所周知，原子之间的键的断裂应变可达到20％。这种纳米裂纹的应力浓度因子非常小，可避免小裂纹突然发展。因此纳米复合材料能够经受比传统硬材料大得多的应变。由于纳米裂纹的应力浓度因子很小，故其扩展应力很高，而且在三维纳米复合材料中纳米裂纹的扩展包含裂纹平面的大量偏离和分叉，这又再次阻止纳米裂纹的连接生长。最后，由于热力学自旋偏离使系统“自生”的缺陷浓度很低。因此，纳米复合材料具有很高的裂纹形成与扩展阻力。
　　图1是中国台湾中山大学对比实验结果，其结果表明：钻。7000孔后，涂层的微钻刃口磨损明显好于没有涂层的。图中采用的涂层为Ti／TiN，Ti CN／DLC。
　　图2是国内某公司做的涂层前后微钻的钉头、孔壁粗糙度、毛刺效果对比，涂层后相关指标明显好于未涂层的。`
　　图2涂层前后钉头、孔壁粗糙度、毛刺效果对比
　　尽管已有某些公司宣称已经找到提高3倍～10倍微钻寿命的表面强化技术。但截止到目前为止，还没有相关产品大批量生产的报导。
　　实施微钻表面强化技术的关键在于：合适表面强化方法，稳定批量生产工艺。两者缺一不可。其中，衡量合适与否的一项重要指示是产品的性价比。
　　该项技术开发已经成为微钻制造的一个竞争制高点。全球排名靠前的微钻企业几乎都在紧锣密鼓的开展研究。从进度情况来看，笔者认为未来三年内该项技术必将会有所突破。
　　2．3钻孔机理的研究
　　钻孔机理来源于钻孔实践，反过来又可以指导实践，它研究具有重要的意义。早期机械钻削PcB材料的研究表明：对于机械钻削，低进给量、高主轴转速以及使用新刀具可以提高钻削表面质量。它已经被广泛应用于指导PCB钻孔工艺。
　　钻头与钻削过程研究越来越需要钻削机理研究的支持，关于PCB切削原理的基础研究必然会从大尺寸钻削研究向更复杂的超微细孔钻削加工研究过渡。
　　随着微钻尺寸越来越小，钻孔速度和进给越来越高，PCB钻削加工的机理变得相当复杂。主要因为以下两点：
　　(1)PCB复合材料属于难加工非金属复合材料，其加工机理与金属材料完全不同。复合材料电路板…脆性大、硬度高，纤维强度高、韧性大、层间剪切强度低、各向异性、导热性差且纤维和树脂的热膨胀系数相差很大，当切削温度较高时，易于在切削区周围的纤维与基体界面产生热应力：当温度过高时，树脂熔化粘在切削刃上，导致加工和排屑困难。钻削复合材料的切削力很不均匀，易产生分层、毛刺以及劈裂等缺陷，加工质量难以保证。这种材料对加工工具的磨蚀性极强，刀具磨损相当严重，刀具的磨损反过来又会导致更大的切削力和产生热量，如果热量不能及时散去，会导致PCB材料中低熔点组元的熔化及复合材料层与层之间的剥离。
　　(2)随着微钻直径越来越小，微钻的折断问题变得很突出，影响钻头折断的因素越来越多，详见图3(图中，代表各冈素对不同尺寸微钻的影响程度，★个数越多，影响越大)。
　　PCB高速数控钻孔机理的研究热点包括：介观尺度下多层高密度PCB复合材料特殊切削机理、弱刚性超微细钻头特殊失效机理；复杂环境下多层PCB超微细钻义失效过程演变模型的建立，复杂环境下超微细针头磨损和断裂失效机制；采用多约束之间相容性分析理论，研究加工质量、刀具磨损和断裂等与物理、几何和材料性能约束之间的求交规律，建立基于上述约束之间相容性分析的工艺优化模型，从而获得多层高密度PCB超高速钻削优化工艺平台。

        
　　图3  影响钻头折断的因素
　　3结论
　　PCB行业将保持较高的速度发展；从市场区域上来说，中国大陆将是发展的重中之重；从产品品种来说，IC封装板、HDI板及软板是主要增长的板类。