李海平

【摘  要】论文围绕精密印制线路板PCB钻孔基本原理进行分析讨论，阐述精密印制线路板PCB钻孔用压力脚装置的基本构成、制作方法以及设计参数，从而切实提高设备的维护效率，增强钻孔精确性，确保压力脚装置能实现高效吸尘，并进行高品质的钻孔。

【Abstract】This paper analyzes and discusses the basic principle of PCB drilling of precision printed circuit boards， describes the basic structure， manufacture method and design parameters of pressure foot device for PCB drilling of precision printed circuit boards， so as to effectively improve the maintenance efficiency of equipment， enhance drilling accuracy， ensure that pressure foot device can achieve efficient dust absorption， and carry out high-quality drilling.

【关键词】PCB钻孔;精密印制线路板;压力脚装置

【Keywords】PCB drilling; precision printed circuit board; pressure foot device

【中图分类号】TN405                                             【文献标志码】A                                                 【文章编号】1673-1069（2022）04-0194-03

1 引言

PCB又称印制电路板，是电子元器件的支撑体，能够作为与电气相连的载体，为确保PCB板在制造时能够满足相关工艺要求，符合智能化、模块化、综合化的发展需求，需要进一步加强压力脚装置的利用，强化钻孔品质，提高产品质量。

2 精密印制线路板PCB钻孔探究

精密印制线路板PCB钻孔加工通常需要利用数控钻孔机（见图1）完成，利用高速旋转的钻头在电路板上快速进给，以此形成层间电路导通孔，打造焊接零件固定孔。在使用时需要根据PCB钻孔的基本性能指标进行钻孔品质的判断，如孔位精度、断针率以及孔壁品质，并采用弹性模量相对较大、吸振效果优良的PCB钻孔设备进行钻孔处理，而在材料选择方面则要以天然花岗石为主，此类材料质地坚硬、吸水率低、耐磨、耐酸，能够满足相关加工需要。

基于加工效率的考虑，需要将设备Z轴部分尽可能实现轻量化转变，以此获取极高的运行速度与加速度，一般情况下PCB电路板的机械加工孔均需要采用麻花钻头，并尽可能减少钻头直径，从而降低切削刃长度。而在钻柄尺寸、PCB板孔径范围等方面的设计则要注意，钻柄尺寸需要固定在？准3.175 mm左右，要求切削刃直径不可超過？准6.5 mm。同时由于PCB材料本身的特性要求，需要将钻头线速度控制在200 m/min以下。当钻头在高速旋转时，会由钻孔机Z轴进行驱动，使整体轴呈现自上而下的往复运动，而X、Y轴则主要负责孔位定位，能够配合三轴组合运动实现定位钻孔。钻孔示意图如图2所示。

根据图2可知，为确保钻孔加工效率的最大化，需要在实施PCB板通孔时依照钻头切削刃长以及单板厚度确定一次加工板数量。同时为了避免出现PCB板被刮花的情况，需要在PCB板上添加盖板，盖板的材料组成大多为铝与树脂，具有良好的韧性，能够在外力作用下产生一定的流动倾向，此类材料环保性强，加工便捷，可以根据实际需要组成各式各样的形状。此外，为实现整叠PCB板的一次性钻透，需要保证钻头钻尖可以超出最底层，并在PCB板下预先放置一张垫板[1]。

3 高精密印制线路板制造过程关键技术

线路板的制造过程主要是指对被切削材料在钻头以及螺旋刀面的挤压作用下发生弹性变形至塑性变形的过程，该过程的持续性以及长短都对钻头的品质提出了更高的要求，一旦出现刀具质量不佳的状况，便会造成断钻、偏位等不良现象，因此，为切实解决此类问题，需要研发一种能够对刀具进行多角度检查的装置，要求刀具检查设备能够操作便捷、使用灵活，保持极高的性价比，可以对刀具进行在线监控与识别。若想该装置的设计效果得到最大发挥，还需要做好以下工作：一是要健全作业指导书，明确作业标准，把控产品品质，制定合理的规章制度，对不同状态下的刀具进行定期抽验，确保潜在的安全问题得到及时发现与处理;二是要做好人员的技术能力提升，开展理论与实践相结合的培训活动，能帮助人员理解刀具检测的重要性。

4 精密印制线路板PCB钻孔用压力脚装置分析

4.1 工件组合

在工件组合中最为常见的一种便是盖板、PCB以及垫板的组合形式，可以在使用过程中保证结构的稳定性。其中盖板是安装在电路板上方的结构零件，其主要作用便是降低PCB的毛刺与刮伤，在保证PCB质量的同时，提升整体结构的散热能力，使整个结构可以处于清洁的环境中，进而提升钻孔工作的精准度。此外，盖板的使用可以提升结构的硬度，防止外界作用对钻孔产生影响。但是在材质上不能选择硬度较大的材料，否则会在后续的工序中影响钻头的使用寿命，造成资源的浪费。因此现阶段在设计工作中，工作人员多数会使用树脂材料的盖板，但是在材料选择的过程中还要关注树脂的成分，尽可能地避免后续钻孔出现熔融的情况。与此同时，盖板的材质需要具备一定的刚性，以此减少钻孔时结构的颤动，能够从根本上提升组件的稳定性与弹性，使钻孔工作的进行不会对工件的外在形态产生不利的影响，进而降低钻孔工作的难度，使钻头可以更加便捷地进入预定的位置，保证钻孔工作的质量和效率。

盖板的选材对于最终工件的质量来讲十分重要，要尽可能选择质地均匀且没有节点情况的材料，否则一旦钻孔过程中出现节点，便很容易对钻头产生影响，甚至会使钻头断裂。这不仅会损坏资源，还会对工件的质量产生不利的影响。此外，应避免硬度高、表面摩擦力小的盖板材料，在进行钻头的选择时，也要尽可能选择小直径的钻头，此种类型的钻头相比于大直径可以提高工具的导热性，以便更好地降低钻孔工作中的热量，防止热量过高出现钻头起火的情况。

现阶段，在国内市场中最为常见的垫板类型主要包括酚醛纸质板、普通规格纸质板以及木屑板。其中木屑板相比于其他材料，在材料均匀度方面较差，但是硬度较高，极易在钻孔的过程中产生毛刺的情况。由此可见，垫板的硬度也是影响钻孔工作质量的重要因素。硬度较小，则垫板的软度较高，在钻孔工作中极易折断钻头。然而这类材料的成本较低，可以在铜箔质地的面板中进行使用，可以保证良好的应用效果。此外，对于工件使用以及研发来讲，应该加大对国外材料的认识与选择。目前，国外市场中已经出现了一种应用效果较好的复合垫板，这种垫板在结构上分为3层，其中上、下两层的制作材料是铝合金箔，而中间层则是使用纤维材料制作。在材料的硬度以及刚性上可以满足工件使用的需求，且应用效果较好。此外这种材料的厚度多数为1.50 mm，可以在保证性能的基础上，降低对周围环境的影响，进而满足环保的需求，可以被较好地应用于工作中，但是这种材料的成本较高，因此在选择时需要注意成本方面的情况。

4.2 基本组成

精密印制线路板PCB钻孔用压力脚装置（见图3）的主要组成包括小压脚、压脚座、检测传感器、连接杆等，该装置的结构特点在于压脚座中心区域为通孔，通孔内径与钻孔设备主轴呈配合状态，在压脚座凸台通孔位置设有纵向套销孔，能够与螺纹孔实现紧密连接，并且压力脚装置配有压脚盖，两侧向上延伸与销孔固定连接形成纵向销柱，在顶部设有圆环槽。当螺钉与压脚座连接完成后，螺钉头便可紧固在圆环槽中。该装置不仅可以保证盖板与PCB之间的紧密连接，提高孔的加工精度，还能与外部设备结合，例如，在接入吸尘管后可以将钻孔过程中出现的粉尘全部吸走，此外还能在压脚座底部设置检测传感器，用于判断是否存在断钻现象。该装置的构成相对简易，能够实现拆卸处理，便于后期维修与养护。

4.3 制作流程

精密印制线路板PCB钻孔用压力脚装置是决定钻孔品质的重要因素，以往在进行大于？准0.5 mm的钻孔处理时，各生产商为了降低成本支出会在满足CPL指标以及孔壁粗糙度要求的基础上，采用吸屑罩与单孔压力脚完成相关配置，但随着钻孔孔径的持续降低，传统的压力脚装置已无法满足不断提升的钻孔精度以及品质需求，因此设计人员需要实现PCB钻孔用压力脚装置的升级与创新，将内径为？准8.3 mm的压力脚用于大孔开钻，而内径为？准2.5 mm的压力脚则用于小孔开钻，从而减少空旷区域，使PCB工件被压实牢固。以德国开发的压力脚大、小位置合一的设备为例，此类结构能够保证压力脚位于同一平面，可以利用汽缸实现滑板驱动。其优势在于结构简易，容易完成机械加工，但缺点也同样明显，即压力脚位于小孔区域，因此钻头周边需要为压力脚大小孔切换预留通道，只能借助位置更远的压力脚完成工件系统的压紧处理。而日本设计的压力脚装置结构则是将大小压力脚固定在弧形压力脚座上，借助驱动汽缸驱动压力脚座实现自由切换。该设计方法的优点在于压力脚位于小孔位置，因此钻头周边可以实现紧实贴合，但缺点在于结构相对复杂，弧形面加工难度较高，且维修工作也难以有序开展。此外，在使用压力脚装置时压脚大小与吸尘负压容易对铝片产生影响，如果压脚偏大，便会在钻孔时使铝片在负压的作用下吸起，进一步加大钻孔误差。若压脚偏小，则又会导致压力集中分布，需要设计人员适当降低吸尘负压效果，才能确保钻孔精度得到进一步提升。

至于吸屑罩的设计重点则在于吸尘效率方面，吸屑罩内的流线是将螺旋扩展过程转变为出口管道流线，因此出口方向需要遵从圆润原则，保证中心实线与螺旋线相切，提高吸出断面面积。同时在出口垂直位置设计上要尽可能贴近吸屑罩底侧，避免对主轴缝隙入流造成影响，并适当减少二者之间的间隔，以此达到提高吸屑罩吸尘效率的目的，防止静电干扰的形成。

4.4 型式与材料

压力脚可以起到压紧工件的作用，借助开槽透气结构，实现空气补充，形成良好的对流系统，可以产生一定的缓冲效果。相关钻孔装置设计厂家需要在设计过程中进行不同侧重点的分析，例如，在材料方面，压力脚的材料可细分为金属材料与非金属材料，其中金属材料大多表现为不锈钢以及黄铜，使用时需要考虑硬度、耐磨损性、使用寿命等因素。而非金属材料则以PA66、PU为主，使用时需要将材料的吸振特性、抗冲击效果等因素考虑在内[2]。

4.5 参数确定

在进行参数确定时需要利用ABA仿真软件完成压脚材料的调整与把控，本文以100 N压脚力与10 kPa真空度作为实验条件，进一步探究不同材料压力脚的性能状况。根据实验显示，刚压脚在压脚力冲击下会产生一定程度的振荡，在振荡时间内振荡效果呈衰减趋势变化，而PU压脚则具有极强的吸振效果，在发生振荡后能够在0.01 s内迅速稳定下来。

通过上述方法设计的压力脚装置需要在相同环境以及钻孔参数下进行测试，实现压脚汽缸压力以及吸尘负压的调整，并准确测试钻板精确度，利用PVcheek检测装置完成相关数值的测定，其最大压力为250 N，分辨率在1 N左右，真空吸附的最大压力则为30 kPa。测试结果为：当压力脚压力设置在100 N且真空负压在10 kPa时，钻孔精确度最高，能够保持最佳的钻孔品质[3]。

5 高精密印制线路板外观检测装置的研发

为确保精密印制线路板PCB钻孔用压力脚装置能够正常使用，进一步保证高精密印制线路板的制作质量，生产加工企业可利用相关检测设备进行印制线路板的质量检测，及时消除外观缺陷，确保装置性能的充分发挥。以某地方研究院生产的高精密印制线路板外观检测装置作为研究对象，该设备不仅可以紧密吸附线路板，并且操作便捷，灵活度较高，能够协助技术人员从多个角度进行线路板的质量检测，能够有效提升质检合格率以及质检速率。该装置的组成部分主要包括：凹陷、承板装置内腔、通风孔、承板装置横轴、侧盖板、下盖板、固定螺钉。其中承板装置是指一个扁平盒状的构件，在构件表面分布大量的通风孔，而在侧面则设有吸附管路风口，在装置两端则安装承板装置横轴，能够通过转动轴承与装置支柱紧密连接，使承板装置围绕横轴进行转动。

在具体安装过程中要注意，吸附管路风口需要开设在承板横轴上，实现装置结构的紧密相连，同时为了进一步提升承板设备对线路板的吸附效果，还要确保选取的通风孔属于不等径通孔，外侧孔径要高于内侧孔径，确保吸附面积的最大化。而在承板装置表面则要设置一定凹陷，用以起到对限位板限位的作用，这样当旋转承板设备时，便可避免线路板出现脱落现象。至于承板装置的上、下、前、后、左、右盖板则要使用酚醛树脂材质，该材料耐高温效果优良、粘结强度高、低烟低毒，能够进一步提高构件的使用寿命，即使在恶劣环境下也能正常使用。在连接盖板时要采用过隼卡合的方式，之后利用螺钉进行固定处理，并在四周涂抹黏胶提高设备的密封性。

6 结论

综上所述，通过对精密印制线路板PCB钻孔主要内容进行分析讨论，阐述精密印制线路板PCB钻孔用压力脚装置的工件组合、基本组成、制作流程、型式与材料以及参数确定，以此保证印制电路板的高品质钻孔，切实提高钻孔精确性。

【参考文献】

【1】陳海斌.PCB数控钻孔综合管理信息系统的开发[J].印制电路信息，2020，28（12）：1-4.

【2】杜山山，罗小阳，刘玉斌.PCB钻孔用抗静电型盖板的制备及其性能研究[J].印制电路信息，2020，28（01）：43-46.

【3】刘顺，张冬冬.PCB钻床Z轴钻孔机构的动力学分析与结构改进[J].河南工程学院学报（自然科学版），2020，31（01）：58-62.