電 子 回 路 基 板 のドリル ルータ 加 工 入 門 ( 第 6 回 ) ユニオンツール 株 式 会 社 津 坂 英 夫 7. 各 種 基 板 材 料 の 穴 加 工 と 加 工 事 例 7.1 極 小 径 穴 加 工 A 微 細 径 (0.1mm 未 満 径 )の 穴 加 工 基 板 の0.1mm 以 上 の 穴 加 工 は 現 在 では 量 産 化 され 一 般 的 な 加 工 となっているが 0.1mm 未 満 となると 量 産 化 は 一 部 で 行 われているが 課 題 も 多 く 容 易 ではないが これから 本 格 的 に 立 ち 上 がってくると 期 待 されている 特 に 需 要 面 ではこの 数 年 間 で 急 速 に 増 加 しつつある 用 途 としては メモリーや 小 型 高 密 度 化 が 求 められる SIP POP 系 の CSP モジュール 用 または CSP サブストレート 基 板 がその 主 なものである 微 細 径 の 穴 あけで 最 も 重 要 でかつ 難 しい 課 題 は 特 にドリルの 折 損 問 題 に 対 する 信 頼 性 であり 同 時 にレーザと の 比 較 における 生 産 性 である 微 細 穴 加 工 が 普 及 した 背 景 には 高 速 回 転 高 精 度 穴 明 け 機 樹 脂 付 き 当 て 板 や 新 形 状 のドリル 開 発 など 著 しい 技 術 革 新 が 行 われた 結 果 である これにより 一 時 期 レーザ 加 工 で 行 われていた 0.1mm 径 の 穴 あけが 信 頼 性 や 品 質 面 でドリルによって 行 われるようになってきた 最 近 の 研 究 おいて 極 小 径 のアスペクトが10を 越 えるような 加 工 で アルミ 板 上 に 適 度 の 柔 らかさを 持 った 樹 脂 層 などが 付 いている 当 て 板 を 使 う 場 合 においては ドリルが 当 て 板 に 食 いつく 瞬 間 に 自 己 求 心 作 用 が 働 き たとえ スピンドルへの 取 り 付 け 後 のドリルの 振 れ 幅 が100ミクロン 位 (ドリル 径 と 一 緒 )あっても 瞬 間 的 にスピンドル の 回 転 中 心 上 に 収 束 し 折 損 せずに 穴 加 工 が 行 われていくことが 分 かった 電 子 回 路 基 板 の 微 細 穴 加 工 は 現 状 50ミクロン 位 までは 可 能 であり 一 部 に 使 われている ここではいくつか の 微 細 穴 加 工 の 加 工 事 例 について 紹 介 する 図 7-1は ドリル 径 50ミクロンの 加 工 事 例 で サブストレート 用 の0.1mm 厚 さの 基 板 を2 枚 重 ねで 想 定 した ものであるが 50ミクロンのドリルでは 溝 長 も1mm 以 下 になっており 重 ね 枚 数 には 自 ずと 加 工 限 界 がある 非 常 に 折 損 しやすいため 薄 くて 加 工 負 荷 のかからない 当 て 板 が 必 要 である ドリルの 剛 性 を 確 保 するために 心 厚 比 ( 径 に 対 する 心 厚 の 比 )が50%を 越 える 場 合 もあり 必 然 的 にアスペクト 比 が 大 きく 穴 が 深 い 加 工 は 切 りくずの 排 出 性 が 困 難 となり 折 損 トラブルとなる 穴 位 置 精 度 も 機 械 の 位 置 決 め 精 度 に 近 い20ミクロン 以 下 で 内 壁 粗 さ も 良 好 である 図 7-2は ドリル 径 75ミクロンの 加 工 事 例 で サブストレート 用 の0.1mm 厚 さの 基 板 を3 4 枚 重 ねで 想 定 したものであるが 75ミクロンのドリルでも 溝 長 は1mm 程 度 しかなく 重 ね 深 さは 自 ずと 加 工 限 界 がある これも 50ミクロンドリルと 同 様 に 心 厚 比 が 大 きく 切 りくず 排 出 溝 比 が 大 きくとれず 切 りくず 排 出 の 限 界 から アスペク ト 比 が5~6が 限 界 となっている 薄 めの 微 細 径 用 樹 脂 付 きアルミの 当 て 板 を 使 い この 事 例 では4 枚 重 ねても 穴 位 置 精 度 は25ミクロン 以 下 であり 粗 さも 非 常 に 良 好 である 0.05と0.075ではわずか25ミクロンの 径 の 差 であるが 加 工 可 能 な 重 ね 枚 数 も 倍 になるなど この 微 細 径 の 領 域 ではわずか5ミクロン10ミクロンの 径 の 差 がドリルの 加 工 限 界 や 信 頼 性 に 大 きな 影 響 を 与 える 16 June 2010
図 7-1 微 細 径 0.05mm の 加 工 事 例 図 7-2 微 細 径 0.075mm の 加 工 事 例 June 2010 17
ドリル 径 基 板 厚 mm 量 産 レベル 重 ね 枚 数 将 来 的 課 題 重 ね 枚 数 0.05 0.075 0.1 0.12 0.15 0.2 0.1 1 2 0.2 1 0.1 3 4 0.4 1 2 0.1 6 7 8 0.4 2 3 0.1 7 8 0.4 2 3 0.2 5 6 7 0.4 3 4 0.4 5 6 0.8 2 3 * 基 板 のガラス フィラー 材 種 銅 箔 の 厚 みなどによっても 異 なるが 一 般 的 サ ブストレート 基 板 を 前 提 に 作 成 図 7-3 極 小 径 ドリル 径 別 限 界 加 工 厚 み B 穴 径 穴 深 さ 基 板 による 加 工 限 界 マトリックス 極 小 径 ドリルでの 加 工 限 界 を 図 7-3に 示 す 加 工 能 率 や 品 質 ( 穴 位 置 精 度 粗 さなど)あるいは 経 済 性 (コス ト 寿 命 )をある 程 度 維 持 できる 範 囲 であるが 進 んだメーカは 量 産 レベルにある 加 工 と 品 質 面 や 能 率 などの 面 でいくつかの 困 難 を 抱 えており これから 開 発 されていくレベル とに 分 けてある 実 際 には 5 章 で 述 べている が 基 板 材 料 の 例 えば 銅 箔 ガラス フィラーによっても 被 削 性 が 異 なり 要 求 品 質 基 準 によっても 限 界 も 違 っ てくるのであくまでも 目 安 ということになる 7.2 各 種 基 板 材 料 への 穴 加 工 A フレキシブル 配 線 板 フレキシブル 配 線 板 はフィルム 状 の 薄 い 基 板 を 何 枚 も 重 ねて 穴 加 工 する 薄 いために 切 削 抵 抗 によるたわみに よってバリも 出 やすく また 一 枚 一 枚 が 薄 いのでズレや 穴 変 形 が 起 こりやすい 従 って 変 形 しにくいようにスタッ キングの 工 夫 も 必 要 で 例 えば 当 て 板 を 厚 めにして 基 板 の 剛 性 を 高 め スタックを 一 体 化 し プレッシャーフット が 当 たって 基 板 がズレたり 基 板 が 伸 びたりすることを 防 ぐ 多 層 板 両 面 板 になると 熱 に 弱 い 可 塑 性 の 接 着 剤 を 使 っている 場 合 があり 切 りくずの 排 出 性 やドリルへの 切 りくずの 絡 みつきなども 起 こる 従 って 総 合 的 にドリ ルは 切 削 抵 抗 の 少 ない 切 れ 味 が 良 いもの 切 りくず 排 出 性 の 良 好 なフレキシブル 配 線 板 専 用 のドリルを 使 うのがよ い 加 工 条 件 の 送 りはバリや 変 形 のこともあり リジット 基 板 より 低 めのチップロードとするのがよい 基 板 が 薄 く 穴 が 浅 いため 片 面 のフレキシブル 配 線 板 はレーザやパンチングなどドリル 加 工 以 外 の 方 法 で 加 工 さ れることも 多 いが 両 面 板 や 多 層 フレキシブル 配 線 板 リジットフレキ 配 線 板 は 穴 品 質 の 面 からドリル 加 工 が 多 用 される B 高 多 層 配 線 板 高 多 層 配 線 板 も 高 密 度 化 のために 加 工 穴 径 も 小 径 化 が 進 みつつある 図 7-4は 穴 径 0.2 0.25の 例 であるが アスペクト 比 16.5の 高 多 層 配 線 板 の 加 工 が 行 われている やはり アスペクト 比 の 大 きい0.2mm のドリルは 出 口 側 での 穴 位 置 のバラツキはドリルの 曲 がりにより 最 大 75ミクロンになっている これに 比 べ 0.25mm のアスペク ト 比 13では 50ミクロン 以 内 に 収 まっている しかし 両 方 の 穴 の 出 口 側 に 切 り 屑 詰 まりによる 内 壁 あれやネイ ルヘッドが 見 られる この 問 題 の 改 善 には ダブルドリリングまたはトリプルドリリングという 手 法 が 使 われている ドリルの 食 いつ き 時 は 短 く 曲 がりにくい 剛 性 のあるドリルを 用 いてガイド 穴 (パイロット 穴 ともいう)を 加 工 し 穴 位 置 精 度 と 18 June 2010
図 7-4 高 多 層 基 板 の 穴 加 工 事 例 ドリルの 曲 がりを 抑 え 次 により 長 いドリルで 加 工 を 行 っていく 溝 長 の 違 う2 本 のドリルを 使 って 行 うのをダブ ルドリリング 3 本 で 行 うのをトリプルドリリングという 高 多 層 基 板 は 途 中 での 銅 層 が 多 く 切 りくず 詰 まりが 発 生 しやすいため ダブル トリプルドリリングのような 加 工 法 だけではなく 切 りくずの 排 出 性 を 見 ながらステッ プ 加 工 などもさらに 加 えて 行 うこともある また ドリルの 溝 長 さの 限 界 を 超 える 厚 さの 基 板 の 場 合 には 後 述 す る 裏 と 表 の 両 方 から 加 工 するフリップ 法 なども 使 われる 食 いつき 性 の 良 い 当 て 板 を 使 うことや 穴 明 け 機 械 なども 重 要 な 要 因 なので 十 分 検 討 が 必 要 である また 加 工 条 件 としては 深 くなるのに 伴 い 切 り 屑 が 出 にくくなるため 深 い 部 分 を 加 工 するドリルは 低 い 送 りを 選 択 するようにする 必 要 がある 7.3 特 殊 加 工 A 長 穴 加 工 長 穴 加 工 は 部 品 穴 などの 特 殊 用 途 のために 小 判 型 の 穴 明 けを 行 うものだが 実 際 には 切 削 力 のアンバランスや ドリルの 剛 性 不 足 のため 図 7-5ように 曲 がってしまう 例 えば 図 7-6のようにドリル 径 DのLの 長 さを 持 図 7-6 長 穴 加 工 の 加 工 方 法 図 7-5 長 穴 加 工 用 ドリル(SX シリーズ ユニオンツール) June 2010 19
図 7-7 レーザによるスルーホ-ル 加 工 例 (CO2レーザ φ0.1,fr-4 厚 み0.15mm) つ 長 穴 を 加 工 したい 場 合 ドリルをそのまま 長 手 方 向 へ 移 動 させながら(L-D)まで 加 工 したとしても 実 際 に は スタート 穴 以 降 の 穴 あけは 移 動 した 部 分 を 切 れ 刃 の 片 側 しか 使 わないで 加 工 するために 回 転 力 先 端 角 ね じれ 角 などからの 合 成 力 を 受 けて 図 7-5のような 曲 がった 形 状 になり 穴 明 け 機 のプログラムで 指 示 した 通 り にはならない この 曲 げられた 量 のαとβは ドリル 合 成 や 先 端 角 切 削 抵 抗 などで 変 わり 重 ねた 板 の 上 板 より 下 板 の 方 が 変 形 量 は 大 きくなる あらかじめ 変 形 量 が 分 かる 場 合 は 機 械 のプログラムで 見 込 んだ 補 正 値 を 入 れることで 改 善 は 出 来 るが 摩 耗 量 や 穴 の 深 さによって 影 響 も 受 けるため やはりドリルを 長 穴 加 工 専 用 の 剛 性 が 強 く 先 端 角 の 大 きく ねじれ 角 の 小 さなドリル( 図 7-7)を 用 いることが 良 い Lの 寸 法 が 穴 径 Dの1.5 倍 以 内 であれば ドリルを 少 しずらして 加 工 していくインクリメンタルな 加 工 方 法 にな るが Lの 寸 法 が 穴 径 Dの2 倍 程 度 以 上 になれば 図 7-6B のように 始 点 と 終 点 の 穴 を 先 に 加 工 し その 後 穴 の 間 をつなぐように 加 工 する 方 法 をとれば 変 形 量 は 少 なくて 済 む ドリルに 剛 性 が 必 要 なため 曲 がり 難 い 極 力 短 いドリルを 使 うのがよく 必 然 的 に 重 ねを 多 くした 深 い 穴 は 加 工 が 難 しい B 裏 表 合 わせ 加 工 (フリップ 加 工 ) 裏 表 合 わせ 加 工 は 数 十 層 になる 厚 みがある 基 板 でドリルの 溝 長 が 片 側 から 加 工 できない 深 さを 加 工 する 場 合 一 度 表 側 から 途 中 まで 加 工 して 裏 返 して 貫 通 させるような 加 工 方 法 を 言 う もしくは 入 り 口 と 出 口 の 穴 径 が 異 なり 穴 の 途 中 にステップ 部 分 を 設 けなければならない 穴 形 状 が 必 要 な 場 合 で やはり 反 対 側 から 穴 あけが 伴 うよ うな 場 合 などである いずれにしても 両 側 からあけるときには 中 心 がずれていないことが 必 要 で 同 軸 度 が 求 めら れるため 穴 位 置 精 度 が 良 くて 且 つ 穴 の 直 進 度 が 求 められる まず 溝 長 の 短 い 剛 性 の 高 いパイロットドリルを 用 いてガイド 穴 をあけ 直 進 度 と 穴 位 置 を 正 確 なものにしてお き その 後 にその 穴 をガイドにして 所 定 の 長 さの 溝 長 を 持 ったドリルで 貫 通 させる この 場 合 ドリルのみならず 当 て 板 やスタックピンの 精 度 も 穴 位 置 精 度 に 対 して 配 慮 が 必 要 である 8.ドリル 加 工 とレーザによる 穴 明 け 加 工 レーザは 熱 による 加 工 であるため 加 工 深 さと 複 合 材 料 である 基 板 と 形 状 に 制 限 があるが 極 小 径 で 浅 穴 加 工 で は 速 度 が 早 く ビルトアップ 配 線 板 では 多 く 使 われている 金 属 である 銅 箔 と 樹 脂 ガラスクロスからなる 基 材 と では 熱 に 対 する 特 性 が 異 なるため たとえば 金 属 である 銅 箔 がレーザ 光 を 反 射 するのを 防 ぐため 光 が 吸 収 しや すい 表 面 処 理 をしなければならないなどコスト 面 の 優 位 性 はあるが 手 間 と 不 安 定 さが 汎 用 性 において 一 歩 ドリル 加 工 に 劣 る 穴 径 によるドリル 加 工 とレーザ 加 工 の 使 い 分 け 径 は ちょうど75~100ミクロンの 間 にあり これを 越 える 径 20 June 2010
これを 下 回 る 径 の 範 囲 ではドリル 加 工 の 方 が 効 率 面 でも 優 位 になる 面 もある レーザ 加 工 も 現 在 一 般 的 に 使 われて いる 炭 酸 ガスレーザだけでなく UV/YAG やエキシマレーザを 使 えば 更 に 微 細 径 でもきれいに 加 工 可 能 だが エ ネルギーが 小 さく 加 工 時 間 を 要 し 効 率 面 で 採 用 されていない また コア 材 や 深 穴 もレーザ 加 工 できるように 研 究 開 発 も 行 われている( 図 7-7) しかし 現 状 では ビルトアップ 向 けのビア 穴 浅 穴 についてはレーザ スルー ホールについてはドリル 加 工 という 棲 み 分 けになっている 参 考 文 献 1) 渡 辺 津 坂 ら プリント 配 線 板 における 微 細 穴 明 け 加 工 精 密 工 学 会 誌 74,11 2008 June 2010 21