JP2879238B2

JP2879238B2 - ドリル

Info

Publication number: JP2879238B2
Application number: JP2039317A
Authority: JP
Inventors: 邦夫荒井; 保彦金谷
Original assignee: Hitachi Seiko Ltd
Current assignee: Via Mechanics Ltd
Priority date: 1990-02-20
Filing date: 1990-02-20
Publication date: 1999-04-05
Anticipated expiration: 2014-04-05
Also published as: JPH03245908A

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］本発明は、アスペクト比の大きい小径穴を基板に加工
するのに用いるドリルに関する。

［従来の技術］従来の基板の穴明装置の穴明部は第17図に示すように
高速で回転するスピンドル10でドリル３を把持し、前記
ドリル３の周辺をパッド21で押えて穴明していた。そし
て前記パッド21の先端面には放射状に溝23を形成し、か
つパッド21を集塵用バキューム装置（図示せず）で低圧
化して外部との圧力差により前述の溝から外気を流入さ
せて外気の流入による気流によって、穴明によって生じ
た切粉を集塵していた。しかし、バキューム方式では前
述の外部との圧力差は最大でも１気圧であり、必ずしも
集塵に必要な流速が得られず、特にドリル３の溝に硬く
詰った切粉は除去されない。このため加工された穴の内
壁面の粗さが大きくなりスミアが発生し穴内面の品質が
低下した。

第15図に示すエアジェット方法は前述したドリル３の
溝の切粉残りの解消を目的に考案されたものでパッド21
に高圧のエアを導いてパッド21内部に吹き出させること
によりドリル３に当るエアの流速を高め強制的にドリル
３を冷却しながら溝に硬く詰った切粉を確実に除去す
る。同時に穴明部から排出される切粉をもスムーズに除
去するようにしたものである。

一般に穴明加工において、切粉はアスペクト比が８以
上になるとドリル溝から排出されにくくなる。そして、
切粉の流れが悪くなると、切粉がドリルの溝内にたま
り、さらにドリル先端で発生する切粉が押し込まれるこ
とにより、溝内で硬く詰る。すると、加工された穴の内
面と切粉が接触し、第18図に示すように、負荷の増加位
置で穴内壁粗さが大きくなりスミアの発生も多くなっ
た。

また切粉詰りによってドリルのスラスト負荷が増加し
ドリルが穴の途中で曲げられ、基板の裏側の穴位置精度
が悪くなったり、座屈してドリル折れを起すことがあっ
た。

第14図に示すステップ加工方法はこれら切粉詰りの解
消を目的としたもので、１つの穴を切粉詰りを起さない
切込量で連続的に何回かに分けて穴明し、毎回ドリル溝
に詰った切粉をスムーズに除去しながら穴明できるよう
に工夫している。

第19図〜第21図は従来の穴明機に使用されていた高ア
スペクト用ドリルで次のような形状をしていた。

例えば、直径0.4mmのドリルでは芯厚をドリル径の約1
5％，溝巾比を約2.0,芯厚テーパを1.5〜2.0/100,ねじれ
角を30゜,35゜，材質K30のような仕様で形成されていた
が、その長さは一定に形成されているため、ボディ長，
フルート長は基板の板厚に対して長すぎたりまた短すぎ
たりした。また、切粉詰まりを起さないように第21図の
ように外周に逃げを0.05mm（通常の２倍）とったものが
あった。このため、ドリルの強度が低下してドリル折れ
が多くなったり、穴位置精度，穴品質を低下させること
があった。

このようなドリルをステップ加工に使用した場合、ド
リル断面２次モーメントの分布が第19図のモデル図のよ
うに先端側と根本側とで差が少ないため、穴明機のテー
ブル位置決め後の残留振動，スピンドルの振れ、ドリル
ポイント他の製作誤差，当板及び基板表面の凹凸，基板
のガラス繊維束の切削抵抗，またドリル溝が切粉詰り状
態で回転した場合の遠心力等によるラジアル方向荷重が
矢印方向にかかった場合、Ｂ部で図のようにまげられ
る。そして、ドリル先端のたわみy₁はＢ部の最小断面２
次モーメントの大きさ及びＢ部の数に反比例する。つま
り、同一長さのドリルではＢ部の最小断面２次モーメン
トが小さいほど、またＢ部の数が多いほどたわみy₁は大
きくなる。そして、y₁が弾性限界を超えた場合、永久歪
が起り、ドリルが根本で曲った。このため、このような
ドリルで板厚0.7mmの基板を３枚重ねて加工した場合、
基板表面の穴位置精度が悪くなるだけでなく３枚目の穴
位置ずれが大きくなるため、穴が導体ランドからはみ出
して導通不良の原因になった。

また、最初の仕込工程であけた穴の入口が２度目以降
の仕込工程できずつけられるなどの問題があり実用化で
きなかった。

第７図D,Eは前述のドリルのドリル先端の曲げ負荷と
たわみとの関係を示す。

第８図D,Eは同上ドリルで基板を３枚重ねで穴明した
場合の３枚目の穴位置精度を示す。

さらに、ドリルの強度マージンが小さいため、厚い内
層Cu箔を加工する際に仕込量及び切込速度を増やすとド
リルが折れ易く、また、前述のようにドリルが曲げられ
た状態で回転した場合、ドリルの外周と穴壁面との間で
摩擦力が生じ、ドリルが途中で撚り破壊し易いだけでな
く、穴の内壁粗さが大きくなり、加工部の温度が上るた
め内層Cu箔上にスミアが発生するなど穴品質向上の問題
があった。

［発明が解決しようとする課題］従来のアスペクト比の大きい小径穴加工用のドリルは
前述のようなドリル形状とドリル折れ、穴位置精度，穴
品質及び加工速度などとの要因について殆ど配慮されて
いなかったため、穴明の信頼性が低く、加工品の歩留り
が悪く、かつ生産性が悪いなどの問題があった。

本発明の目的はドリルの形状を最適化し前記問題点を
解決することにある。

［課題を解決するための手段］前記目的を解決するために、本発明に係るドリルは、
芯厚を先端側で小さくしかつ根本側で大きくしてあるド
リルにおいて、ドリルの先端の芯厚をドリル径の10〜25
％、溝巾比を1.2〜2.2、先端角を118゜〜135゜、切刃２
番角を15゜〜20゜、３番角を25゜〜30゜、およびねじれ
角を20゜〜35゜のそれぞれ設定し、溝終端部から所定の
長さにわたって溝のない部分を設け、さらに、ドリルの
先端から前記溝のない部分の端部までのボディ長さを、
穴明加工される基板の厚みに1.5mm〜2.3mmを加え１た値
に設定したことを特徴とする。

［作用］ドリル先端のたわみが小さくなるので、例えば、３枚
重ねの基板をステップ加工で加工する場合に、３枚目の
穴位置精度が向上し、穴の導体ランドからのはみ出しが
なくなる。また、ドリル折れがなくなり、さらに、穴入
口の傷の発生、穴内壁粗さ及び内層Cu箔上のスミアの発
生などが解決され、３枚重ね加工が実現される。

［実施例］以下本発明の１実施例について説明する。

第13図は、本発明のドリルを適用する装置の１例を示
すもので、同図において101は穴明装置のベッド、102は
テーブルでベッド101に矢印Ｘ方向に移動可能に支持さ
れている。

103はコラムで、ベッド101にテーブル102をまたぐよ
うに固定されている。104はスピンドルキャリジでコラ
ム103に矢印Ｙ方向に移動可能に支持されている。105は
加工ヘッドでスピンドルキャリジ104に矢印Ｚ方向に移
動可能に支持されており、ドリル108を把持してテーブ
ル102上のプリント基板109を加工するスピンドル106が
固定されている。107は加工ヘッド105にＺ方向に移動可
能に支持されたプレッシャフットである。

穴明工程では先ずテーブル102,スピンドルキャリジ10
4が移動してスピンドル106のドリル108がプリント基板1
09に対して位置決めされると、加工ヘッド105が下降し
てプレッシャフット107がプリント基板109を押える。以
後第14図に示すステップ加工工程図に従って最初の仕込
位置M₁まで穴明される。次に工程でドリルが穴の外に
ｇだけ引き出され切粉がふり払われた後改めて２番目の
切込位置M₂まで穴明され、以後切込位置Ｂを経てで一
工程が終了する。

第15図はエアジェット方式のプレシャフット16による
切粉の排出状況を示す。高圧のエアをドリル３の回転方
向と反対方向から吹きつけドリル溝に沿った高速の空気
の流れによって第16図に示すように穴明中の切粉の排出
効果を高め、かつ第16図に示すようにドリル３が穴から
引き出された場合ドリル溝に詰った切粉を確実に除去す
る効果がある。

第１図〜第４図は、本発明のアスペクト比の大きい小
径穴加工用のドリルの一例の詳細を示す。

すなわち、このドリルでは、ドリル径が0.4mm,先端の
芯厚がドリル径の15％，溝巾比が2.0,先端角が130゜，
切刃２番角が20゜,3番角が30゜，ねじれ角が32゜，ボデ
ィ長6.5mm,外周逃げ0.025mm,材質がK20又はK10材，ボデ
ィエンドから溝終端部までの間に長さ0.25mmの溝のない
部分を設け、テーパエンドに相当する部分の溝断面積が
ボディ断面積の約20％となる芯厚テーパとした。

前記ドリルでステップ加工方法で板厚1.6mmの基板を
３枚重ねて加工する場合、最初の切込量をドリル径0.4m
mの約５倍の2mm,2番目の切込量の約2.5倍の1mm,3番目以
降の切込量を約２倍の0.8mmにすればドリル折れがなく
穴位置精度及び穴品質の良好な穴明結果が得られる。

即ち、上記ドリルは第５図のモデル図に示すように芯
厚を先端側で小さく、根本側に向って急激に増したこと
によって最小断面２次モーメント部Ｂと最大断面２次モ
ーメント部Ａの強度，剛性が増すので矢印方向の力が加
わってもたわみｙは小さい。また、各切込量を制約した
ことによって途中から溝の断面積が小さくなっても各ス
トロークでの穴明中及びドリルが穴から引き出された場
合の切粉の排出は第６図に示すように確実に行われる。

第７図Ａは前述の本発明のドリルのドリル先端の曲げ
負荷とたわみの関係を示す。

第８図Ａは同上ドリルで基板を３枚重ねて穴明した場
合の３枚目の穴位置精度と加工穴数の関係を示す。

前述の例では、溝形状をストレートの芯厚テーパとし
て決めたが、第９図のように複数のテーパを複合したも
の、また、製作時にドリルの回転送り角度及び軸方向送
りに対して円板式のドリルの研削砥石位置をドリルの軸
心に対してｙ＝axⁿ＋b,Y＝ax^1/n＋ｂのようにコントロールして第10図のように先端からテー
パエンドに相当する位置まで連続的に変化させたもので
ある。

また、溝のねじれ角については、第11図に示すように
先端のねじれ角を24゜にした場合、同じ長さのドリルで
も最小断面２次モーメント部Ｂの数が５箇所から４箇所
に減るためドリルの剛性が増加するので、たわみｙが小
さくなり穴位置精度は向上する。しかし円周方向の切削
負荷が増加するためドリルの摩耗がやや早いため両面板
に適している。

第７図Ｂは上記ドリルのドリル先端の曲げ負荷とたわ
みの関係を示す。

第８図Ｂは同上ドリルで基板３枚重ねで穴明した場合
の３枚目の穴位置精度と加工穴数の関係を示す。

さらに、第12図は前述の欠点を補うために溝のねじれ
角をドリルの先端側で32゜，根本側で20゜にしたもので
製作時に研削砥石の角度とドリルの回転送り角度に対し
てドリルの軸方向送りをｙ＝axⁿ＋ｂのようにコントロ
ールして連続的に変化させたものである。

第７図Ｃは上記ドリルのドリル先端の曲げ負荷とたわ
みの関係を示す。

第８図Ｃは同上ドリルで基板３枚重ねで穴明した場合
の３枚目の穴位置精度と加工穴数の関係を示す。

穴明中のドリルのスラスト負荷は、先端角とねじれ角
（切刃１番角）による切削分力とチゼル長を直径とする
円面積分のチゼル部押圧力からなる。

先端角，切刃２番角,3番角を大きくとりすぎチゼル長
がドリル直径の40％近くに達すると、穴明時に、ドリル
に加わるスラスト負荷が大きくなる。このため切込速度
を上げると多層板加工の際にドリルが座屈して折れた
り、摩擦熱により内層Cu箔と樹脂が剥離する。また、切
刃長が短くなるため、加工された穴の内壁が粗くなった
り、スミアの発生が多くなる。

しかし、ラジアル方向の分力が小さくなるため穴位置
精度は改善される傾向にある。

一方、これと逆に先端角，切刃２番角,3番角を小さく
し過ぎると前述の問題はなくなるが、穴位置精度は悪く
なる傾向にある。

従って、ドリル径0.3mm〜0.5mmのドリルでの最適な芯
厚はドリル直径の10〜28％，溝巾比は1.2〜2.5,先端角
は118゜〜140゜，切刃２番角が15゜〜20゜,3番角が25゜
〜30゜，ねじれ角が20゜〜35゜が最適である。

［発明の効果］本発明によれば、ステップ加工とエアジェット式の切
粉除去機能を備えた穴明機に最適な高アスペクト比加工
用ドリルが実用化できるので、アスペクト比の大きい小
径穴を加工する際の信頼性が向上し、穴位置精度の良
い、高品質の穴を高性能に得ることができる。

また、小径化によってプリント基板の配線密度（chan
el/grid）を従来の１〜２本から３〜５本に向上でき、
かつ、内層数，板厚を大幅（60層,80mm）に向上できる
ので高密度基板の製造が可能になる。

このため、大型コンピュータを始めとする電子機器の
処理速度，耐ノイズマージンが大幅に向上し高性能化が
可能となり、かつ、装置の小型化が可能となるなど工業
上極めて有利となるなどの効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のドリルの正面図、第２図は第１図の底
面図、第３図は本発明のドリルの先端の拡大図、第４図
は第３図の角度を変えた拡大図、第５図は本発明のドリ
ルに負荷がかかったときのたわみを示す特性図、第６図
はドリルによるステップ加工の工程図、第７図はドリル
先端の曲げ負荷とたわみの関係を示す特性図、第８図は
穴加工数と穴位置精度の関係を示す特性図、第９図，第
10図はドリルの芯厚の形状を示す説明図、第11図は第５
図のねじれ角を小さくした場合のドリルに負荷がかかっ
たときのたわみを示す特性図、第12図は第５図のねじれ
角を先端と根本部とを変えた場合のドリルに負荷がかか
ったときのたわみを示す特性図、第13図はプリント基板
穴明機の斜視図、第14図Ａは従来のステップ加工方法を
示す特性図、第14図Ｂは従来のステップ加工方法を示す
工程図、第15図Ａはエアジェット方式のプレッシャフト
の正面断面図、第15図Ｂは第15図Ａの使用状態を示す正
面断面図、第15図Ｃは第15図Ａのパッド部分を示す正面
断面図、第15図Ｄは第15図Ａの底面図、第16図Ａは第15
図Ｂにおけるエアの流れを示す拡大図、第16図Ｂは第15
図Ｃのエアの流れを示す拡大図、第17図A,第17図Ｂは通
常のプレッシャフトの使用状態を示す正面断面図、第17
図Ｃは第17図Ａの状態のときのエアの流れを示す拡大
図、第17図Ｄは第17図Ｂの状態のときのエアの流れを示
す拡大図、第18図Ａはドリルにかかるスラスト方向の荷
重と穴の深さとの関係を示す特性図、第18図Ｂ、第18図
Ｃは第18図Ａで加工された基板の穴表面を示す断面説明
図、第19図は従来のドリルに負荷がかかったときのたわ
みを示す特性図、第20図は従来のドリルの先端の形状を
示す拡大図、第21図は従来の他のドリルの先端の形状を
示す拡大図である。 101……ベッド、102……テーブル 103……コラム、104……スピンドルキャリジ 105……加工ヘッド、106……スピンドル 107……プレッシャフト、108……ドリル 109……プリント基板

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) B23B 51/00

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】芯厚を先端側で小さくしかつ根本側で大き
くしてあるドリルにおいて、ドリルの先端の芯厚をドリ
ル径の10〜25％、溝巾比を1.2〜2.2、先端角を118゜〜1
35゜、切刃２番角を15゜〜20゜、３番角を25゜〜30゜、
およびねじれ角を20゜〜35゜にそれぞれ設定し、溝終端部から所定の長さにわたって溝のない部分を設
け、さらに、ドリルの先端から前記溝のない部分の端部までのボディ
長さを、穴明加工される基板の厚みに1.5mm〜2.3mmを加
えた値に設定したことを特徴とするドリル。
【請求項２】ドリル径が0.3mm〜0.5mmであり、前記ボデ
ィ長さを6.4mm〜7.1mmに設定したことを特徴とする請求
項（１）記載のドリル。
【請求項３】芯厚が先端側から根本側へ向かって連続的
に変化するようにし、そして、先端のねじれ角をほぼ24
゜に設定したことを特徴とする請求項（１）又は（２）
記載のドリル。
【請求項４】ドリルの先端側のねじれ角を24゜〜35゜、
その根本側のねじれ角を20゜〜24゜にそれぞれ設定し、
そして、ねじれ角を先端側から根本側へ向かって連続的
に変化させたことを特徴とする請求項（１）又は（２）
記載のドリル。
【請求項５】芯厚が、先端側から根本側へ向かって連続
的に或いは非連続的に大きくなるようにしたことを特徴
とする請求項（１）〜（４）のいずれか１つに記載のド
リル。