低热膨胀系数填料对钻孔加工的影响

张 勇 邓梓健 唐海波 张志远 袁继旺

（生益电子股份有限公司，广东 东莞 523127）

0 引言

在5G 通信技术的高速发展和材料多元化应用过程中，对板材耐高温性要求也越来越高。为满足高温下的高精度图形要求，通常会采取在板料中增加低热膨胀系数（coefficient of thermal expansion，CTE）填料。随着低CTE 填料使用比例的上升，给板材钻孔加工带来了钻头磨损加剧、钻孔质量降低等问题。为了解决上述问题，通常采用更低的孔限来提高钻孔质量，降低钻头磨损，但加工的成本也随之增加。本文针对在不同低CTE 填料比例下，如何选择最佳的孔限以提高钻孔质量和降低钻头磨损的问题，开展实验研究。

1 填料方案

通过元素分析和资料收集整理，低CTE填料成分主要为硅类材料。硅类材料在行业内主要采用为SiO2，SiO2的CTE 仅为0.5 ×10-6/℃，符合低CTE填料的特性需求。因为SiO2的莫氏硬度为6 ～7 ，环氧树脂的邵氏硬度仅为85 ～90 ，因此随着其含量的增加，钻孔加工过程钻头磨损随之增大。

通过研究不同低CTE 填料含量的钻头磨损、钻孔精度和孔壁质量，得到不同填料含量对钻头磨损的影响规律。方案选择低CTE 填料比例为55%～75%的低CTE 材料A、B、C 及常规较低填充比例40%～45%的对照材料D，这4 类材料基本性能指标见表1，微观如图1所示。

表1 材料基本性能指标

图1 材料微观

2 实验过程及结果

2.1 钻头磨损

对4 种实验材料进行孔限条件钻孔实验，孔限数依次为500、1 000、1 500和2 000。钻孔后对钻头端面拍照，观察在此条件下的钻头磨损情况，评估各类板材的加工质量，钻头磨损情况见表2。由表2可得以下结论。

表2 不同材料钻头磨损情况

（1）低CTE 填料 C 钻头磨损最为严重，其500 孔限钻头磨损接近于低CTE 填料 B 的1 000孔限。

（2）低CTE 填料 B 的500 孔限钻刀磨损接近于低CTE填料 A的1 000孔限。

（3）低CTE 填料 C 在1 000 孔限时刀刃已完全磨损。

综上所述，随着填料的增加和孔限增大均造成钻头磨损加剧，符合填料增加钻头磨损随之加剧的一般规律，高比例填料材料选择低孔限，以确保加工质量。

2.2 钻孔精度

根据钻头的磨损分析结果，进一步分析钻头磨损程度对钻孔精度的影响。选择磨损相对严重的低CTE填料B和C，分析在这2种磨损情况下不同孔限下的钻孔精度（process capability index，Cpk）情况，实验结果见表3。

表3 不同钻头钻孔精度情况

由表3磨损情况可知，随着钻头磨损的加剧，钻孔精度明显下降，当孔限达到1 000时，低CTE填料C 的钻孔精度Cpk 将低于1.0；当孔限达到1 500 时，低CTE 填料 B 的钻孔精度Cpk 将低于1.0。由此可得，同填料比例条件下，孔限越大，钻孔精度Cpk 越低；同孔限条件下，填料比例越大，钻孔精度Cpk越低。

2.3 钻孔参数

由上述研究分析结果可得，填料比例与钻头磨损情况、钻孔孔限和钻孔精度的影响有关系。为确定钻头加工参数对结果是否存在影响，实验选取低CTE 材料 A 进行钻头加工参数的因素分析，结果见表4。由表4可知，钻孔参数对钻头磨损的影响并不显著。

表4 低CTE填料 A 不同钻孔参数下钻刀磨损结果

2.4 孔壁质量

选择钻头磨损接近的不同材料和孔限条件，切片观察对应的钻孔质量区别，结果见表5，钻孔切片如图2所示。由表5可知，3 种低CTE 填料在一定孔限下，钻头磨损接近的孔壁质量表现差别不大，均能满足要求。

图2 3种低CTE填料钻孔孔壁

表5 不同材料钻孔孔壁质量结果

3 结论

通过对不同填料比例低CTE材料的钻头磨损、钻孔精度和孔壁质量的实验研究，得出以下结论。

（1）可根据低CTE 填料的填料比例，选择对应的孔限加工，以保证钻孔质量和降低钻刀磨损，降低加工成本：当填料比例达到70%～75%，建议将孔限设置为500 以下；当填料比例达到60%～65%，建议将孔限设置为1 000 以下；当填料比例达到55%～60%，建议设置孔限1 500以下。

（2）在加工低CTE 填料时，钻孔参数对钻孔磨损影响不显著，可以选择同电性能级别的其他材料参数进行加工。