在PCB制造中降低机械钻孔成本的策略.pdf

机械加工 Mechanical Processing印制电路信息 2024 No.4在PCB制造中降低机械钻孔成本的策略曾宪悉 郭志伟（惠州中京电子科技股份有限公司，广东 惠州 516029）摘要主要探讨印制电路板（PCB）钻孔流程的设计成本和生产效率优化策略，重点从钻孔机参数设定、叠板设计及工程资料设计的细节方面进行深入分析。对钻孔机的主轴行程进行合理化设置，对叠板结构中的板厚区间进行细化区分，简化钻孔工程资料的板边标识孔设计，从而达到节省钻孔成本的目的。关键词印制板钻孔；优化参数；简化设计；成本中图分类号：TN41文献标志码：A文章编号：10090096（2024）04001204Mechanical drilling cost reduction strategies in PCB manufacturingZENG Xianxi GUO Zhiwei(Huizhou China Eagle Electronic Technology Co.,Ltd.,Huizhou 516029,Guangdong,China)Abstract This article mainly discusses the cost design and production efficiency optimization strategy of printed circuit board(PCB)drilling process,focusing on the details of drilling machine parameter setting,stacking board design,and engineering data design.We will rationalize the spindle stroke of the drilling machine to run in the optimal efficiency state;we will refine the range of board thickness in the stacking board structure to more effectively utilize the bit length and increase the number of stacking boards;we will also simplify the plate edge identification hole design of drilling engineering data to reduce the number of drillings,thereby achieving the goal of saving drilling costs.By describing these details,we can fully demonstrate that even small savings can bring huge benefits.Key wordsprinted circuit board(PCB)drilling;optimization parameters;simplification design;cost0引言随着科技的发展，电子设备的小型化和高性能化已经成为趋势。印制电路板（printed circuit board，PCB）作为电子设备的核心组件，其制作工艺也越来越精细。其中，机械钻孔是PCB制程中的重要环节，直接影响到整个PCB制程的效率和成本。因此，机械钻孔优化对于提高PCB制程效率和降低成本具有重要的意义。机械钻孔的成本主要包括设备购置成本、人工成本、材料成本及能源成本等。其中，设备购置成本和人工成本是最主要的部分。设备购置成本可以通过选择性能优越、价格合理的设备，对设备进行定期维护和保养，在保证设备正常运行作者简介：曾宪悉（1979），男，高级工程师，主要研究方向为印制电路板产品制作。-12印制电路信息 2024 No.4机械加工 Mechanical Processing的情况下来降低；还可以通过技术改造、提高设备的自动化程度来进一步降低。人工成本可以通过对员工进行培训、提高其专业技能、改进工作流程、减少不必要的步骤、合理安排工作、避免员工过度劳累、提高生产效率来降低。此外，材料成本和能源成本也是需要关注的重要部分。材料成本可以通过采购优质的原材料、减少浪费、提高利用率来降低。能源成本可以通过节能措施（如使用节能设备）、生产工艺改进等来降低。目前PCB行业已进入微利时代，企业要生存发展，提效降本显得尤为重要，想要降低成本必须从细节上进行思考，每一个微小的细节优化都可能给企业带来一笔可观的收益。本文主要从钻孔机参数设置、钻孔叠板设计优化和钻孔工程资料设计优化这3个方面对PCB机械钻孔成本进行优化。提出的措施可以有效降低钻孔成本，提高生产效率。1钻孔机参数设置钻孔机的参数设置是否合理，直接影响到钻孔作业的速度和效率。其中，主轴行程的设定是关键，它受到机械本身的特性（如高度、板厚等）的影响，需要人工干预才能达到最优状态。在钻孔过程中，通过适当地缩短各轴运行的距离，可以提升钻孔作业的速度至最佳状态。钻孔机的X轴（左右方向）、Y轴（前后方向）的平面路程由钻孔程序固定，无需设置。而主轴竖向的行程主要由机器的参数（高度、板厚）决定，需要人为设定才能达到最优状态。钻孔机的主轴垂直行程是从钻头尖开始计算到钻头尖下钻深度的终点值（如图1所示）。主轴的行程距离取决于钻头的起点位置H和终点位置Z，H值和Z值以钻孔机工台面为零点算起。起点位置=台板高度+纸垫板厚度+（基板厚度叠数）+铝片厚度+安全高度（约1.5 mm）。需要注意的是，安全高度是指铝片到钻头尖起点位置的距离（含压力脚衬垫），通常以Q表示。如果钻孔机未设置安全区域（板边主轴移动时H值增加），Q值建议设置为 1.52.0 mm。若设置偏小，可能会增加撞销钉和刮伤铝片的风险；若设置偏大，则会影响工作效率，每增加1.0 mm的无效钻孔行程，生产效率会有约20%的损失。这是一个在生产工作中常被忽视的问题，也是需要重视的问题。如果钻孔机具有快钻功能，直接将Q值设定在快钻参数内即可。2钻孔叠板设计优化钻孔叠板设计的优化对提升生产效率和降低生产成本具有显著影响。当叠板数得到提升时，可以预期钻孔的综合成本将大幅节省。例如，假设需要钻 120 片板子，如果使用 3 片叠板，需要 40个轴；而如果提升到4片叠板，只需要30个轴，那么在120片板的钻孔过程中，就可以节省10个轴的钻孔成本。进一步计算，这部分成本节省了25%。那么如何提升钻孔的叠板数呢？首先需要了解的是钻孔叠板的参考依据。根据以下规则来确定叠板数（只取整数部分）：叠板数=钻头刃长治工具长度（钻入垫板深度+铝片厚度+排屑空间+研磨损耗+深度和板厚公差）板厚。通常情况下，在设计叠板时会以图表方式为标准。然而，图表的板厚区间通常为0.20.5 mm，这就导致了一部分板厚的型号存在叠板浪费的现象。如果把区间设计为0.1 mm或更小，那么一些板厚的叠板数就会明显提高。见表1和表2，叠板计算方式是以板厚区间最大值来计算的，叠板数=（钻头刃长1.8 mm）板厚，1.8 mm为治工具长度。通过对比表1和表2，发现在板厚区间细化设图1主轴垂直行程参数示意表1优化前钻孔叠板数序号1234板厚/mm0.210.400.410.600.610.800.811.00不同钻头规格直径0.20 mm刃长4.00 mm5322直径0.25 mm刃长5.00 mm8543直径0.30 mm刃长5.50 mm9643-13机械加工 Mechanical Processing印制电路信息 2024 No.4计后，部分较薄的叠板数有了显著的增加。这在生产过程中极大地提升了成本效益，节省的部分主要来自于垫板、铝片、钻头、人工以及钻孔机时效。3钻孔工程资料设计优化钻孔工程资料设计优化主要从板边标识孔的角度进行阐述，如板边的型号孔、系数孔和尾孔。板边型号孔的设置是为了区分不同的生产板，通过在板边钻出不同字符标识，以便后工序生产时能准确识别并防止生产混料。板边系数孔同样用于区分板件的不同涨缩系数，其位置和字符供后工序参考。而板边尾孔则是在一个钻孔型号中每个不同直径的钻头钻孔结束时，在板上钻一个孔，用以检验钻头使用过程中的钻径大小是否正确，以及钻头是否损坏。板边的标识孔是以字符形状钻出的，通常设计的字符孔数较多，这不仅增加了钻孔成本，也降低了钻孔效率。因此，对板边字符设计进行优化显得尤为重要，可以通过简化型号孔和系数孔的设计来减少钻字符孔的数量，从而提高钻孔效率和节省成本。从设计方案和节省效益2个方面进行深入讨论。3.1板边标识孔及尾孔的设计方案板边标识孔主要是对型号孔和系数孔进行缩写简化，从而达到减少钻字符孔的目的。原尾孔的作用主要是用来识别孔径的，由于科技的进步，现在检测孔径的大小全部由验孔机完成，代替了传统的塞规检验，所以板边的尾孔可以直接取消。具体设计方案如下。（1）板边型号孔的简化设计：每个厂家设计的型号不同，其由不同的字母、数字和符号组成，每个字符代表着不同的含义，如客户代码、层别、编号、版本号等。如图2（a）所示，一个型号有18个字符，而板边的字符型号孔只是为了区分防止混料，没必要多钻字符，只要能够区分即可。优化后的型号孔字符如图2（b）所示，共12个字符，比原来减少了6个字符，型号孔的成本节省了33%。（2）系数孔的简化设计：系数孔一般由16个字符组成，如图3（a）所示，其中，X的涨缩比例为0.5，Y为0.2。只留取后3位数字即可满足识别系数区分的需要，优化后如图3（b）所示，共8个字符，比原来减少了8个字符，系数孔的成本节省了50%。（3）尾孔的优化：如今检测孔径大小全部由验孔机代替，传统的塞规检验无法再发挥作用，因此全部取消。某司每片板的尾孔平均约20个孔（如图4所示），节省尾孔成本100%。3.2板边标识孔及尾孔的节省效益分析（1）原板边标识孔设计是以字符的形状钻出，每个字符平均约 14 个孔，则型号孔原设计需要1814=252个孔，优化后需要1214=168孔，每片表2优化后钻孔叠板数序号12345678板厚/mm0.210.300.310.400.410.500.510.600.610.700.710.800.810.900.911.00不同钻头规格直径0.20 mm刃长4.00 mm75433222直径0.25 mm刃长5.00 mm108654433直径0.30 mm刃长5.50 mm129765443图2型号孔优化示意图3系数孔优化示意-14印制电路信息 2024 No.4机械加工 Mechanical Processing板节省了 252168=84 个孔。系数孔原设计需要1614=224个孔，优化后需要814=112个孔，每片板节省了 224112=112个孔；尾孔每片板节省了约20个孔。每片板合计可节省效益计算如下。84+112+20=216孔/片，以平均每1 000孔成本0.3元计算，每片板可节省 2161 0000.3=0.064 8 元。每天节省成本计算。每天产出约10 000片板，那么每天可节省21610 000=2 160 000孔。每天节省2 160 0001 0000.3=648元。月度年度节省成本计算。每月以30天计算，每月节省64830=19 440元。一年可省19 44012=233 280元。（2）其他效益包括化学镀铜面积减少、设备损耗减少以及其他辅助材料等。4结语本文主要探讨了钻孔机参数设置的合理性，如果这些参数设置不当，可能会导致生产中的浪费；同时，分析了钻孔叠板设计的厚度区间细化区分的重要性，通过细致地区分板厚区间，充分利用钻头刃长，从而增加钻孔叠板的数量，带来显著的成本节约和效率提升；最后，讨论了钻孔资料的优化方法，通过简化板边标识孔并取消无用的尾孔，可以达到节省成本的目标。参考文献 1 郭志伟,徐杰,杨俊.钻孔车间效率提升分析J.印制电路信息,2021,29(10):58-61.2 杨宏强.PCB微孔成孔技术的现状J.印制电路信息,2020,28(4):31-38.【行业动态】超1200万美元！陶瓷封装巨头启用新工厂近日，美国电子行业领先的陶瓷封装、组件、基板和元件供应商 Remtec Incorporated 宣布，经过一年的建设项目，位于马萨诸塞州坎顿的 55,000 平方英尺的新工厂已竣工。Remtec 对该项目的投资超过1200 万美元，表示此举将带来产能的增加、新的制造和工艺能力以及垂直整合的增强。Remtec 总裁 Brian Buyea表示：“自 1992 年成立以来，这个更加现代化的新工厂比诺伍德工厂的占地面积增加了一倍，更大的物理空间使我们能够扩展能力，为客户增加价值和电子内容；使我们能够垂直且更具成本效益地整合我们之前外包的一些流程；并增加来料和成品的产能，以便我们可以按需发货。它甚至为我们提供了更多的工程、协作和后台职能空间，这使我们更具竞争力，同时也极大地提高了员工士气。”新工厂的建设有利于 Remtec 现有专有解决方案的容量和处理速度得到提高，例如厚膜陶瓷板/基板（BeO、AIN、AI203）、电镀（AU、AG、ENIG）、直接覆铜陶瓷基板和镀铜厚膜(PCTF)。配备先进的切割和激光修整系统满足 Remtec 电阻元件客户日益严格的公差要求；光学成像、激光蚀刻、激光烧蚀等系统获得更精确的线条、通孔、对准标记、槽、平面和倒角切割以及要求苛刻的最终应用所需的其他复杂形状和特征。一系列其他新的制造基础设施和工艺能力，使 Remtec 能够开发和生产更加复杂的产品、结构和电子产品（不仅仅是电路板和基板），例如整个电子封装、复杂组件、嵌入式和印刷组件以及多层电路解决方案。Remtec 成立于 1990 年，于 1991 年底开发并全面测试厚/薄膜陶瓷金属化镀铜技术，1992 年建立完整的生产和制造能力。自此一直从事金属化陶瓷基板、芯片载体的设计和制造、表面贴装密封/非密封陶瓷封装和各种电子应用的特殊组件。图4尾孔优化示意-15