王煥清 楊海寧 戴廣乾 曾 策 龔小林 謝國(guó)平

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十九研究所，四川 成都 610036）

0 引言

微波印制電路板（printed circuit board，PCB）主要適用于微波、毫米波頻段器件組裝，相關(guān)產(chǎn)品可應(yīng)用于軍民領(lǐng)域，如雷達(dá)、電子對(duì)抗及通信設(shè)備等［1］。與普通PCB 相比，微波PCB 的介質(zhì)層主要采用增強(qiáng)型聚四氟乙烯（poly tetra fluoroethylene，PTFE）基材料制作。該材料在隨溫度及頻率變化的條件下，具有較穩(wěn)定的介電常數(shù)（Dk）和較低的介質(zhì)損耗（Df）。但是，由于其本身尺寸穩(wěn)定性、機(jī)械性能、電氣性能等限制，須加入陶瓷粉、玻璃纖維或玻璃編織布作為增強(qiáng)材料。這類微波基材的典型代表有ROGERS公司的RT/Duriod 6002和RT/Duriod 5880兩種產(chǎn)品［2］。

由于微波電路布局的特殊需求，微波PCB 多為異形結(jié)構(gòu)，常含有異形槽等復(fù)雜結(jié)構(gòu)，需通過(guò)高精度的數(shù)控鉆銑床設(shè)備進(jìn)行加工［3-4］。由于普通的微波PCB 設(shè)計(jì)尺寸通常較?。◣缀撩字翈资撩祝枨蠓N類多（數(shù)萬(wàn)種），每個(gè)批次產(chǎn)品任務(wù)需求量少（幾件至幾十件），加之微波電路基板成本又非常高（比普通環(huán)氧板高10 倍以上），因此，為了同時(shí)兼顧產(chǎn)品任務(wù)和貴重基板的有效利用，微波印制電路的生產(chǎn)具有典型的“多品種小批量”特點(diǎn)，即根據(jù)生產(chǎn)任務(wù)的訂單數(shù)量，將每種產(chǎn)品進(jìn)行陣列拼版（拼版尺寸通常在152 mm×152 mm 以下），后續(xù)以“版”作為最小單元進(jìn)行加工，貫穿生產(chǎn)的全部流程，直至最后經(jīng)過(guò)外形銑切工序，將整體拼版的產(chǎn)品分開銑切，實(shí)現(xiàn)單件產(chǎn)品的分離。

微波PCB 外形銑切加工面臨兩大難題，即加工效率低和刀具消耗大。由于微波PCB 拼版尺寸小，如單個(gè)產(chǎn)品（單版）進(jìn)行數(shù)控銑切加工，操作人員頻繁執(zhí)行上下料操作，生產(chǎn)效率低下。為提高小版面的數(shù)控加工生產(chǎn)效率，通常前期通過(guò)“多產(chǎn)品混合拼版編程和數(shù)控加工的作業(yè)模式”，將多張相同或不同的微波PCB 臨時(shí)組合，盡量鋪滿整個(gè)鉆銑床的工作臺(tái)，一次性上料裝夾，并用一個(gè)組合的數(shù)控程序連續(xù)完成加工，這樣可大幅提高數(shù)控加工效率，具有良好的實(shí)際應(yīng)用效果［3］。

由于微波PCB 每種產(chǎn)品單次需求量較少（通常為一版），每種產(chǎn)品外形各不相同，因此，在不同產(chǎn)品混合拼版編程進(jìn)行銑切過(guò)程中，普遍采用“單版、非疊版”方式進(jìn)行，這與業(yè)界批量生產(chǎn)普遍所采用的“疊版”方式有很大不同。采用單版的方式進(jìn)行銑切時(shí)，由于PCB 的厚度通常較?。ā?.508 mm），銑刀的有效切削區(qū)域也較小，當(dāng)這些局部切削刃的壽命到期時(shí)，刀具即整體報(bào)廢，但這些報(bào)廢的刀具在其余的切削刃區(qū)域，還存在較大的利用空間。

本文在對(duì)常用微波PCB 材料、酚醛樹脂蓋板材料銑切壽命的對(duì)比研究基礎(chǔ)上，提出“深度遞進(jìn)銑切”的外形成型加工工藝，即通過(guò)對(duì)刀具剩余切削刃的再利用，提升刀具的整體使用壽命，降低銑切工序的制造成本。

1 銑切壽命對(duì)比試驗(yàn)

1.1 微波基板和蓋板材料的銑切壽命對(duì)比

選擇微波PCB 常使用的Rogers 5880 和Rogers 6002 系列雙面覆銅板材料以及數(shù)控銑切常用的酚醛蓋板材料，采用外形直徑為1.0 mm 的單刃銑刀進(jìn)行銑切，獲得不同材料刀具磨損及刀具壽命的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，為后續(xù)刀具壽命的優(yōu)化提供必要前提和依據(jù)。Rogers 5880和Rogers 6002系列雙面覆銅板材料基本性能參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 5880和6002基板基本性能參數(shù)

酚醛蓋板、墊板材料的基本物理性能參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 酚醛蓋板、墊板材料基本物理性能參數(shù)

采用某公司生產(chǎn)的SF 系列單刃型銑刀，刀具直徑D為1.00 mm，切削刃長(zhǎng)L為4.50 mm。利用上述銑刀，對(duì)介質(zhì)厚度為0.508 mm 的Rogers 5880和Rogers 6002 雙面覆銅板以及厚度為1.50 mm 的酚醛板進(jìn)行銑切，獲得這3 種材料的實(shí)際壽命。銑切疊版如圖1 所示。銑切基本參數(shù)為：轉(zhuǎn)速60 kr/min，Z切削速度0.5 m/min，XY切削速度0.6 m/min。

圖1 測(cè)試板銑切疊版示意

根據(jù)Rogers 公司的加工建議資料，5880 材料壽命范圍為9～15 m，6002材料壽命范圍為6～9 m。取建議的最大壽命值。測(cè)試過(guò)程中，刀具的初始?jí)勖O(shè)置：5880 材料為15 m；6002 材料為9 m；酚醛板為20 m。數(shù)控銑切測(cè)試文件設(shè)計(jì)如圖2 所示。其中，直線圖形為盡快消耗刀具壽命，方塊圖形可方便獲得銑切外形的尺寸精度。

圖2 數(shù)控銑切測(cè)試文件設(shè)計(jì)

刀具實(shí)際壽命采用銑切塊邊緣質(zhì)量（卷邊、毛刺情況）、尺寸精度，以及刀具的切削刃磨損情況等方面綜合來(lái)判斷。

1.2 深度遞進(jìn)銑切工藝

深度遞進(jìn)銑切工藝方法如下：采用常規(guī)銑切方法，對(duì)PCB外形成型；當(dāng)?shù)毒叩竭_(dá)指定壽命后，將銑切加工深度降低Δt，繼續(xù)進(jìn)行銑切（如圖3所示），直至刀具再次到達(dá)指定壽命；根據(jù)PCB實(shí)際厚度情況，確定是否再次進(jìn)行深度遞進(jìn)。

圖3 深度遞進(jìn)銑切工藝示意

選擇常用介質(zhì)厚度為0.254 mm 的6002 和5880 基板典型產(chǎn)品，采用深度遞進(jìn)方式銑切。遞進(jìn)深度Δt分別設(shè)置為0.4 mm，對(duì)加工質(zhì)量檢查，并評(píng)測(cè)新方法的適用性。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 微波基板和蓋板材料的銑切壽命對(duì)比

不同基板材料和酚醛板的外形質(zhì)量效果見(jiàn)表3。

表3 不同基板材料和酚醛板在不同銑切長(zhǎng)度條件下的外觀

對(duì)6002 覆銅板，在銑切長(zhǎng)度達(dá)到1.9 m 時(shí)，測(cè)試塊邊緣出現(xiàn)了輕微銅卷邊的現(xiàn)象；隨著銑切長(zhǎng)度增加（如3.0 m），卷邊現(xiàn)象逐漸嚴(yán)重，同時(shí)在銑切的外輪廓邊緣上也出現(xiàn)了樹脂毛刺；當(dāng)銑切長(zhǎng)度達(dá)到6.0 m，測(cè)試塊卷邊和外輪廓毛刺嚴(yán)重惡化，樹脂毛刺已經(jīng)充滿銑切路徑。

對(duì)5880覆銅板，在到達(dá)指定壽命15 m 時(shí)，測(cè)試塊邊緣及銑切外輪廓邊緣均無(wú)明顯惡化現(xiàn)象。

對(duì)酚醛板，在0～20 m 指定壽命范圍內(nèi)，也未見(jiàn)測(cè)試塊邊緣、銑切路徑等出現(xiàn)明顯外觀質(zhì)量變化。

不同材料銑切測(cè)試塊的尺寸精度測(cè)試結(jié)果如圖4所示。因6002材料在3.0 m 長(zhǎng)度以后，測(cè)試塊邊緣已嚴(yán)重惡化，加之毛刺嚴(yán)重，無(wú)法對(duì)尺寸進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量，測(cè)試數(shù)據(jù)僅對(duì)0～3.0 m范圍的尺寸進(jìn)行采樣測(cè)試。

圖4 不同材料測(cè)試塊尺寸精度測(cè)試結(jié)果

由圖4 可知，6002 和5880 這兩種基材隨著銑切長(zhǎng)度的增加，測(cè)試塊的尺寸也呈逐漸增加的趨勢(shì)，外形尺寸偏差隨著銑切長(zhǎng)度的增加而降低。這是由刀具的切削刃不斷消耗、直徑不斷變小所致。對(duì)5880，在銑切長(zhǎng)度3.0 m以后，尺寸偏差變化趨勢(shì)變緩，進(jìn)入穩(wěn)定銑切階段；當(dāng)銑切長(zhǎng)度達(dá)到10 m 后，尺寸偏差變化出現(xiàn)了起伏波動(dòng)，可能是受到玻纖樹脂毛刺的纏刀現(xiàn)象嚴(yán)重所致，如圖5所示。

圖5 5880基板銑切毛刺纏刀實(shí)景

為滿足微波PCB 的后續(xù)組裝需求，其尺寸通常為（-0.1～0 mm）負(fù)公差帶，需對(duì)銑切刀具庫(kù)進(jìn)行人為尺寸設(shè)置補(bǔ)償參數(shù)。因此，在銑切初期PCB的尺寸公差最大約-0.08 mm。

對(duì)于酚醛板，隨著銑切長(zhǎng)度的增加，測(cè)試塊的尺寸呈現(xiàn)了先增加再降低的趨勢(shì)。在銑切初期（0～3 m），尺寸公差從-0.09 mm 增加至-0.06 mm；在3～20 m，尺寸公差則呈現(xiàn)由-0.06 mm 至-0.13 mm 逐漸下降的趨勢(shì)。銑切中后期，酚醛測(cè)試塊尺寸的增大，可能是刀具切削刃上的樹脂鉆污和膠渣的逐漸累積所致。

在具體數(shù)值方面，6002 材料在3 m 銑切長(zhǎng)度條件下對(duì)刀具直徑的總損耗已約達(dá)0.08 mm；5880 材料在15 m 銑切長(zhǎng)度條件下對(duì)刀具直徑的總損耗約0.08 mm；酚醛板18 m 銑切長(zhǎng)度條件下對(duì)刀具直徑損耗約0.025 mm。因6002 基板含有陶瓷相填料，刀具損耗最快；5880 基板因雙面均包覆了銅箔材料，基板整體對(duì)刀具的消耗也大于酚醛板。

由上述結(jié)果可知，具備深度遞進(jìn)兩次銑切工藝優(yōu)化的基礎(chǔ)條件；6002 刀具銑切壽命≈1.9 m，5880刀具銑切壽命≈10 m。

2.2 深度遞進(jìn)銑切工藝產(chǎn)品測(cè)評(píng)結(jié)果

采用正式微波PCB 產(chǎn)品進(jìn)行測(cè)試。因?qū)嶋H產(chǎn)品的圖形分布和表面金屬層厚度狀態(tài)等，和前面理想的覆銅板測(cè)試塊都還存在較大差異，為避免產(chǎn)品報(bào)廢和刀具實(shí)際壽命評(píng)測(cè)的誤差，過(guò)程中多次對(duì)PCB 的外觀進(jìn)行跟蹤觀察，當(dāng)出現(xiàn)毛刺、卷邊等現(xiàn)象時(shí)，刀具壽命清零，開始進(jìn)行第2 次的深度遞進(jìn)銑切，進(jìn)行多次觀察以確定兩次壽命的終點(diǎn)。

6002 和5880 基板材料PCB，兩次銑切、不同刀具壽命條件下的外形質(zhì)量結(jié)果見(jiàn)表4。由表4 可知，6002基板在正常銑切達(dá)1.9 m時(shí)，PCB背面出現(xiàn)了輕微的金屬層翻邊現(xiàn)象；進(jìn)入第2 次的深度遞進(jìn)銑切，在壽命達(dá)到1.6 m 時(shí)，正面線路圖形邊緣則開始出現(xiàn)翻邊現(xiàn)象，終止銑切。5880 基板正常銑切至7.2 m 時(shí)，PCB 正面圖形端口及兩側(cè)區(qū)域，開始出現(xiàn)樹脂層翻邊現(xiàn)象；進(jìn)入第2 次的深度遞進(jìn)銑切，在壽命達(dá)到3.1 m 時(shí)，正面圖形端口及兩側(cè)區(qū)域，也開始出現(xiàn)樹脂層翻邊現(xiàn)象，同時(shí)銑切邊緣也變得不齊整，發(fā)生了扭曲變形。

表4 不同基板PCB在不同銑切長(zhǎng)度條件下的外觀

PCB樣件產(chǎn)品的外形尺寸精度測(cè)試結(jié)果如圖6所示。由圖6 可知，在進(jìn)行第2 次深度遞進(jìn)銑切時(shí)，外形尺寸精度出現(xiàn)了顯著突變，證明通過(guò)二次銑切的工藝刀具壽命可有效再利用。6002 基板產(chǎn)品深度遞進(jìn)銑切工藝的刀具壽命提升約1.5/1.8=83.3%，刀具消耗降低約45.5%；5880 基板產(chǎn)品刀具壽命提升約3.0/7.1=42.3%，刀具消耗降低約29.7 %。

圖6 不同材料產(chǎn)品尺寸精度隨刀具壽命變化結(jié)果

3 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)“小批量多品種”微波PCB 銑切刀具壽命利用不足的問(wèn)題，通過(guò)常用材料銑切壽命的對(duì)比研究，提出了“深度遞進(jìn)銑切”的外形成型加工工藝。通過(guò)對(duì)刀具剩余切削刃的再利用，可有效提升刀具的整體使用壽命。；例如，典型介質(zhì)厚度為0.254 mm 的6002基板產(chǎn)品，刀具使用壽命可提升83.3%；介質(zhì)厚度為0.254 mm 的5880 基板產(chǎn)品，刀具壽命提升約42.3%。該方法操作簡(jiǎn)便，與現(xiàn)有生產(chǎn)模式兼容良好，可降低銑刀成本30%～45%，推廣應(yīng)用經(jīng)濟(jì)效益顯著。

后續(xù)將開展“深度遞進(jìn)工藝”對(duì)微波PCB 基板鉆孔的適用性、多次深度遞進(jìn)銑切工藝對(duì)更薄的基板（0.127 mm 及以下）的適用性等研究工作，繼續(xù)拓寬該工藝的應(yīng)用范圍。