PCB微孔成孔工艺技术简介

PCB微孔成孔工艺技术简介

1.引言

孔在PCB中的主要作用是实现层间互连或安装元件，几乎所有的PCB需要孔。随着电子产品越来越复杂，PCB上的孔越来越密，技术难度越来越高，设备投入越来越大，因此成孔技术越来越重要，值得深入研究。业界常以导通与否把孔分为电镀孔（PTH）、非电镀孔（NPTH）两类；以孔两侧可见与否把孔分为通孔（Through hole）、盲孔（Blind via）、埋孔（Buried via，埋孔通常是由通孔经层压而来），见图1。

就成孔方式来看，PCB业界采用过的成孔方式有：机械钻孔、机械冲孔、激光成孔、光致成孔、化学蚀刻、等离子蚀孔、导电柱穿孔等，目前应用相对较为广泛和成熟的成孔技术为：机械钻孔和激光成孔（注：业界常用“激光钻孔”，而非“激光成孔”，实际上“激光成孔”一词更要准确些（因为这是“光”加工的过程，不是“钻”加工的过程，故本文采用“激光成孔”这一说法）。

就目前PCB的技术发展状况而言，一般将孔径在0.3mm及以下的孔称为微孔（Micro-via），本文将对此类微孔进行探讨。对于微孔成孔，目前最常用的工艺有机械钻孔、CO2激光成孔、UV激光成孔三种。简单来说，微孔中的盲孔多采用激光成孔（CO2激光成较大孔，UV激光成较小孔）；通孔（含埋孔）则多采用机械钻孔。

2.机械钻微孔技术

PCB机械钻微孔属超高速机械加工，目前主轴最高转速可达35万转/分。一般30万转/分的机械钻孔机每分钟可钻500个左右的 0.1mm的孔（注：此数据仅供参考，不同的加工条件钻孔速度差异较大）。一般机械钻孔可用于各种类型的PCB 微孔加工（如HDI、芯片级封装载板、FPC等）。下文将从钻头（物料）、工艺和质量三方面展开阐述。

2.1钻头

机械钻微孔中用到的主要物料为钻头（又名钻刀、钻针、钻嘴，“钻针”相对比较准确，本文沿用习惯用“钻头”这一称呼），它是机械钻微孔过程中用到的切削刀具。

PCB用钻头，一般刃部采用钨钴类合金（属硬质合金材料，目前钻头的制造有整体式、插入式和焊接式三种，插入式和焊接式的钻头柄部为不锈钢；刃部多采用外周倒锥和钻心倒锥的设计结构）。该合金以碳化钨（WC）粉末（88-94%，注：碳化钨已从原来的90%降到88%）[1]为基体，以钴（Co）（6-12%）为粘结剂，经高温、高压烧结而成，具有高硬度（主要来自碳化钨，硬度在92.5HRA以上，抗弯强度在4000N/mm2以上）和高耐磨性。调整碳化钨和钴的配比和碳化钨颗粒度大小，可以改变钻头的性能，微孔钻头一般钴含量要较其他钻头多一些。钴含量变化引起钻头性能变化的状况见表1。

资料来源：《现代印制电路基础》目前，PCB常用微孔钻头（有时简称微钻）刃部直径规格有0.075、0.1、0.15、0.2、0.25和0.3mm等，也有0.05mm及其他特殊直径规格，但相对较少。图2为日本佑能公司的钻头能力状况，其在2008年宣布可以试制Φ0.007mm的钻头（实际可供应的最小钻头直径为Φ0.02mm；中国大陆的金洲公司在2020年初宣布其突破Φ0.01mm的钻头，注：成年人头发直径约Φ0.07mm，Φ0.007mm的钻头直径是头发直径的十分之一）。

图2为日本佑能公司的钻头能力状况

资料来源：佑能官网微孔钻头柄径有两种：Φ2.0和Φ3.175mm，一般主轴转速30万转/分及以上的钻孔机多使用Φ2.0mm的钻头柄径；钻头刃部多为UC型（对钻头刃部进行修磨，以

减少棱刃与孔壁的摩擦）；为了分散微孔钻头的应力集中现象，一般在钻头柄部与刃部之间加入了缓冲段，做成阶梯状。

微孔钻头的发展趋向是碳化钨晶粒度由目前的0.2μm向纳米级减小，结构上由双排屑改为单排屑（或者改为单刃型设计），增大螺旋角度，减小钻尖角等，以提高抗扭矩力和韧性，并保证硬度。另外，为了提高钻头硬度，减小摩檫，降低切削温度，目前正在开发微孔钻头表面强化（或者涂层）技术（此技术在大钻应用比较成熟），具体有电弧离子镀、离子注入、化学气相沉积（将特硬的碳化钛或氮化钛等化学沉积到碳化钨基体表面）和磁控溅射等技术[2]。

2.2工艺

机械钻微孔中需要关注的工艺参数主要有以下6个：

①转速/切削速度

转速：每分钟主轴旋转的圈数

切削速度：每分钟切削距离

②进刀速度/进刀量

进刀速度（也称作落速）：每分钟主轴下降的距离

进刀量：主轴每旋转一圈所钻入的距离

③退回速度

退回速度（也称作提速）：每分钟主轴提升的距离

④叠板数

影响叠板数的因素有：板层数、板厚、最小钻孔孔径、孔位公差要求、内层铜厚、孔环等，主要需要关注板层数、板厚、最小钻孔孔径。

⑤钻头状态

钻头状态包括钻头的研磨次数和钻孔数。随着微孔钻头的研磨次数增加，钻孔质量将逐渐变差，故钻孔数需要减少。由于更小的微孔钻头（如Φ0.1mm和Φ0.075mm的钻头）比较难研磨，故PCB厂家多数情况下使用一次就报废处理（最多可研磨一次，但相应的孔数要减少）。

⑥有效行程

有效钻孔行程是钻头下限值（Down值）和上限值（Up值）之间的差值；这一点有时易被忽略，但应注意：增加0.5mm的无效钻孔行程，对微孔钻孔可能会造成15%以上的产能损失。

机械钻孔工艺参数（钻削条件）对微孔加工、加工质量的影响见表2和3。

曾经有些公司推出了可进行盲孔加工的机械钻孔机（最精准的孔深精度控制在±12μm，见图3），但是随着激光成孔机的技术成熟和效率大幅提升，机械钻盲孔的应用愈来愈少（注：控制深度机械钻孔技术目前应用愈来愈多（高层板的背钻），但孔深精度要求不如钻盲孔高）。

图3 机械钻盲孔资料来源：The HDI Handbook（第一版）[4]

2.3质量缺陷机械钻微孔常见的质量缺陷有：孔大、孔小、多钻、漏钻、未钻透、偏孔、钉头（内层铜面两侧延伸的厚度大于铜厚的100%）、孔壁粗糙度超标、孔内毛刺、内层拉盘、内层破盘等。质量缺陷常用的检验工具有：①塞规：检查孔径大小；②标准胶片/底片：检查钻孔位置及有无多钻、少钻；③放大镜：检查孔口、孔壁状况；④检孔机：检查孔数量、孔径、孔位置精度；一般用在高层次PCB（例如载板）上的机械钻微孔的孔形（如孔壁粗糙度控制在≤25μm）、孔径（如孔径公差控制在+10μm/-20μm以内）、孔位（如孔位精度控制在≤±40μm（甚至≤±30μm））等质量要求普遍比较高。

3激光成孔技术

激光成孔兴起的主要原因是PCB布线越来越密，但传统的机械钻孔无法快速、稳定量产微盲孔的加工（减少通孔，增加盲孔是提高PCB密度的最有效的方法之一）等。下文将从激光原理、工艺和质量缺陷三方面展开阐述。

3.1激光原理

激光（Laser）是英语Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation （通过受激辐射实现光放大）的缩写。世界上第一台激光器诞生于1960年。60多年