对影响钻孔偏孔因素探讨-初版V01

PCB 板钻孔加工精度提升之研究
华新 加工中心 顾建明 李志勇 甲上咨询 周佛鼎
一：背景
1.1 PCB 板与钻孔的介绍
线路板钻孔的原理：利用钻咀在高转速和落速情况下，在线路板钻成所须的孔
钻孔的作用：线路板的钻孔适用于线路板的元件焊接及层与层之间导通之用，另外为后工序定位的孔。

图1：钻孔示意图
对钻孔工序的一般要求:孔位准确、孔壁质量好和生产效率高。

而生产效率又分为三个部分：进刀速、退刀速以及X 、Y 平面移动速度。

本研究主要关注孔位的精度问题。

因为在现场实际生产中，孔位精度不良引起的品质损失为最严重。

1.2 钻孔加工精度的问题点
随着PCB 行业的发展，钻孔工艺的要求越来越高。

高速的，微径，高精度已经成为普遍要求。

特别是孔位的精度问题，因为一个孔的偏位，会导致整张板的报废。

在过去的经验中，我们主要通过钻针研次的管控，钻孔机的保养以及严格的AOI 测试（画像检查Cpk 精度管理 ）等手段来进行控制和预防。

但是管理，改善的成果没有数据化的有效性证明，新员工在对待偏孔问题上，还是会重复发生问题。

本次研究的目的，除了通过数据化的科学的实验方法来找出偏孔的原因和对策之外，还想建立出一套行之有效的管理办法，并进行标准化，让每个员工都掌握。

图2：偏孔示意图
二：关于PCB制作的流程
2．1 PCB 制造工艺
PCB是印制线路板的简称。

工序多，工艺复杂，可参考下面的工艺步骤。

开料→磨边→钻孔→去毛刺→沉铜→图转→电镀→蚀刻→阻焊→字符→成型→检验→OSP→包装
本次研究的主要步骤是其中的钻孔工序。

2．2：钻孔工艺流程介绍
钻孔工艺主要靠设备完成。

在这个过程中，主要由以下的步骤组成。

资料读取→加速→位置对准→下压→钻孔→复位
2．3：钻孔设备介绍
2．3．1钻针
钻针是钻孔的最直接工具。

钻针的主要参数可参考下面的图三。

图3：钻针结构示意图
钻针虽小，但是其本身也是也个非常复杂的系统。

钻孔中，通常采购钻针。

所以本次研究不把钻针作为主要对象。

2．3．2钻针的研磨
虽然钻针本身不作为主要研究对象，但是，钻针在使用过程中，通常会经过4-5次的研磨加工。

对于研磨质量的管控成为生产单位不可或缺的重点管理。

在实验前，对所用钻针都进行检查，100%确保钻头质量。

(1)検査方法
用20-40倍显微镜目视确认刀刃情况，也会用专用设备进行自动测量。

(2)检查项目
图4：钻针研磨后检查项目
2．3．3钻孔加工机介绍
在华新加工中心车间内，使用的大多是日本产日立牌加工机。

2．3．4主轴单元介绍
主轴（马达）是由线圈、转子、夹头、主要部件构成，稍作详细介绍。

主轴与机器的定位，
钻针与主轴的定位，
图片：
钻孔定位
2．3．5平台驱动
机台传动结构：主要由马达、丝杆、光栅尺、导轨主要部件构成图片：
2．3．6冷却系统
马达
丝杆
光栅尺
导轨
X
轴
马
达
X
轴
丝
杆
Y
轴
马
达
Y轴丝杆
2．3．7吸尘系统
油冷机
吸尘管路
2.3.8上板过程（SOP）：
三：基本机能定义
对于钻孔加工这种由设备控制，通过程序控制的台面移动，进行定位的加工方式，通常考虑，输入是图纸信息（指令）、输出是实际的孔位（通过实际测量得知）。

我们希望的理想状态时，实际的孔位与图纸信息完全一致。

所以建立以下的基本技能模型。

四：因子的定义
4.1 信号因子
本次实验用PCB板的型号是411U098，他需要加工28800个孔；其中直径0.3的孔有22000个。

本次实验考虑的实验的成本与时间，在其中选择12个孔位，定义为信号因子。

这12个孔，使用4中钻针完成，分别是新针、研1针、研2针、研3针。

每种钻针加工3000孔（因为现行的寿命管理是3500次）。

取第一孔，第1500孔和第3000孔的数据。

4中钻针就有12个数据，图下表所示：
由于钻孔加工时多层同时加工的，而底层的偏孔程度比表层还厉害。

所以本次实验仅采用底层板的数据进行分析和评价。

关于信号的定义：
M1：孔１与孔２的距离
M2：孔１与孔３的距离
M3：孔１与孔４的距离。

M11：孔１与孔12的距离
M12：孔２与孔３的距离
M13：孔２与孔４的距离。

M66：孔11与孔12的距离
合计共定义信号因子66个。

4.2 誤差因子
由于信号因子已经很多，故这次没有设置误差因子。

4.3 控制因素
水準
控制因素 1 2 3 Ａ压脚气压大小
Ｂ钻速Speed 慢基准快Ｃ进刀量（m/min) 小中大Ｄ退刀量（m/min) 小中大Ｅ吸尘力（Mpa）1400 1600 1800 Ｆ铝片厚度无中大
G 贴片方式 A B C
H 压脚新旧新小磨损大磨损
4.3.1 因子A 压脚气压
介绍:起固定板子保持平行精确定位
如何设定：大的气缸压力为2.6psi,小的气缸压力为2.2psi
4.3.2 因子B 钻速
介绍：0.3mm钻头实验钻速
如何设定：慢的设定13万转/分
基准的设定14万转/分
快的设定15万转/分
五：数据的计算与分析
5.1 数据的整理
数据分析第一步是将数据整理成一定的格式。

所以从自动测量AOI设备中，提出数据后，整理成以下的格式。

表：原始数据一次整理
将上面的数据变化记录形式，整理成下面的格式。

表：数据的二次整理
M’1=D（M1（x，y）；M2（x，y））
表：数据的三次整理
ＭｙβＭ偏差
Ｍ'1116.502 116.479 116.508 -0.028
Ｍ'2105.720 105.712 105.726 -0.014
Ｍ'379.332 79.321 79.336 -0.015
Ｍ'4104.222 104.224 104.228 -0.004
Ｍ'578.048 78.035 78.052 -0.017
Ｍ'6 1.789 1.783 1.789 -0.006
Ｍ'7232.711 232.721 232.723 -0.003
Ｍ'8218.801 218.856 218.812 0.043
Ｍ'9286.634 286.673 286.649 0.024
Ｍ'10284.922 284.965 284.937 0.027
Ｍ'11182.446 182.435 182.456 -0.021
Ｍ'12126.370 126.422 126.377 0.045
Ｍ'13202.521 202.556 202.531 0.025 Ｍ'14200.989 201.024 200.999 0.025 Ｍ'15102.773 102.771 102.779 -0.008 Ｍ'16182.822 182.810 182.831 -0.021 Ｍ'17126.040 126.066 126.047 0.019 Ｍ'18202.331 202.345 202.342 0.004 Ｍ'19200.804 200.818 200.814 0.004 Ｍ'20103.618 103.654 103.623 0.031 Ｍ'21 1.051 1.089 1.051 0.037 Ｍ'22275.277 275.262 275.291 -0.029 Ｍ'23252.186 252.220 252.200 0.020 Ｍ'24323.653 323.671 323.670 0.000 Ｍ'25321.986 322.006 322.003 0.002 Ｍ'2643.655 43.632 43.657 -0.025 Ｍ'27128.675 128.655 128.682 -0.026 Ｍ'28129.291 129.305 129.298 0.008 Ｍ'29338.260 338.233 338.278 -0.045 Ｍ'30355.115 355.131 355.134 -0.003 Ｍ'31414.332 414.328 414.353 -0.025 Ｍ'32412.552 412.554 412.574 -0.020 Ｍ'33143.999 143.972 144.007 -0.034 Ｍ'34246.550 246.519 246.563 -0.044 Ｍ'35247.424 247.432 247.437 -0.005 Ｍ'36133.775 133.770 133.782 -0.012 Ｍ'37470.252 470.243 470.277 -0.033 Ｍ'38396.269 396.314 396.290 0.024 Ｍ'39475.335 475.370 475.360 0.011 Ｍ'40474.139 474.171 474.164 0.007 Ｍ'41273.571 273.557 273.585 -0.028 Ｍ'42287.902 287.904 287.917 -0.013 Ｍ'43287.572 287.576 287.587 -0.011 Ｍ'44236.631 236.630 236.643 -0.013 Ｍ'45325.358 325.358 325.375 -0.017 Ｍ'46328.867 328.882 328.884 -0.002 Ｍ'47212.709 212.750 212.720 0.030 Ｍ'48264.904 264.952 264.918 0.034 Ｍ'49264.776 264.815 264.790 0.024 Ｍ'50312.377 312.422 312.393 0.029 Ｍ'51222.080 222.132 222.092 0.041 Ｍ'52221.030 221.044 221.041 0.003 Ｍ'53318.023 318.056 318.040 0.017 Ｍ'54451.142 451.170 451.166 0.004
Ｍ'55311.389 311.423 311.405 0.018 Ｍ'56303.547 303.548 303.563 -0.015 Ｍ'57195.435 195.440 195.446 -0.006 Ｍ'58211.550 211.577 211.561 0.015 Ｍ'59212.203 212.218 212.214 0.004 Ｍ'60368.868 368.901 368.888 0.013 Ｍ'61266.937 266.974 266.951 0.022 Ｍ'62266.010 266.007 266.024 -0.017 Ｍ'63386.580 386.597 386.600 -0.004 Ｍ'64512.840 512.847 512.867 -0.020 Ｍ'65424.288 424.320 424.311 0.010 Ｍ'66117.187 117.194 117.193 0.000
5.2 SN比的計算
通过二乘和的分解，计算出如下表的结果。

Source ｆＳＶ
β 1 4949102.0516 *******.05156 ｅ65 0.0318 0.00049 Ｔ66 4949102.0834
ＳＮ比＝33.11 (db)
β＝ 1.0001
5.3 L18実験的SN 比
5.4要因効果図
5.5最適条件
現状条件：A2B2C2D2E2F2G2H2
最適条件：A2B3C3D3E2F1G1H1
６、实验结果,
从实验结果看，转速越高进度速越快钻孔的精度越高。

6.1通过再现实验，基本确定了实验的再现性
虽然根据SN比的计算，推定有5.12db的利得，但是在实际的确认实验中，只确认到3db。

根据再现实验当时的条件，因子E的吸尘力只设定到1450Mpa；而L18实验过程中，都是设定的1500Mpa。

6.2通过实验可以确认到的事实
6.2.1找出的因子中，最重要的因子是“吸尘力”。

这个因子在因子效果图中，显示出非常明显的山形，也就是说小也不好，大也不好，中间值最为理想。

这个结论与现场的经验也是一致的。

如过吸力过小，会导致钻针上残留粉尘，影响钻针定位精度。

而吸力过大的话，会导致钻针摆动增大，直接影响钻针定位精度。

虽然我们根据经验值，要求设定在1400-1500的范围内，但是由于钻机过多，吸力分配不均，导致大多数钻机的吸尘力实际只有1200左右。

所以要求现场把吸尘力作为日常点检的一个项目，规范点检的手法，严格管控。

6.2.2第二重要的是因子B钻孔速度与因子C 进刀量，
通常来讲，钻速与进刀量有一个配合。

从本次实验来讲，钻速取最高的150k钻，C因子取最大的2.8M/m；同样得到再现。

6.2.3另外G因子贴片方式也很重要
虽然在现场的贴片，不会有实验过程中这样大的差异，本次本着验证贴片手法不同到底对加工精度有多大影响，故特意放大差异。

结果发现还是很明显的。

这点让我们对现场的管理重点更清晰地把握。

对于作业员贴板的手法，后续还要确认和跟进。

6.2.4另外压脚气压与压脚磨损
压脚气压选择较轻的2.2,而压脚磨损对精度影响也较大。

对于压脚的更换频度也定义为1周更换。

压脚气压由两个汽缸控制，本次实验验证了现行的规范还是比较合理的。

6.2.5关于因子F铝片厚度
与预测的不同，厚的铝板并没有像想象中那样，取得明显的改进机会。

所以从后续的改善来讲，并不需要在铝板中过分执着。

6.2.6关于钻针的研磨次数和加工寿命
本次实验中，将研磨次数与加工寿命作为信号因素设定。

6.3对于实验的反省
6.3.1 关于下垫板的影响度
6.3.2关于板材切削性难易度误差的影响
6.4本次实验的绩效
效益的提高；原来生产265孔/分钟，实验后生产360孔/分钟，提高95孔/分钟，例如;每趟板按2万孔算，原来生产一趟板需要75.5分钟，实验后生产生产一趟板需要55.5分钟，平均每趟板降低20分钟，原来24H只能生产17趟板，实验后24H可以生产24趟板，平均每24H增加7趟板，对生产效益得到明显的提高。

按照实际生产，考虑上下板，停机等损耗，实际24H可增加3趟板。

以本次实验的直径0.3的孔来算，每块板平均可提升20000孔。

每趟板可提升2×6×20000=240000孔；以1000孔0.5元来计算，每趟板可提升效益120元。

每台钻机年化效益为120×3×30×12=129600 。

7实验感想
7.1 从原来的不足在实验中学到很多技术，对我而言是一个极大的提升，把自己在实验中所学，积极在工作中应用，不断提升。

7.2 在以后的工作中，要多方面去考虑问题，必须要做到每一个小细节都要认真去分析一一排除，选择最佳优化的生产条件，提高一次性合格率。

初稿完成顾建明 2013年2月25日。