KR20140101095A - 드릴 가공 장치 및 이에 적합한 드릴 비트 - Google Patents

Abstract

인쇄회로기판 상의 소정 위치에 구멍을 가공하기 위한 드릴 가공 장치 및 이에 적합한 드릴 비트가 개시된다.
드릴 비트는 이중날이 형성된 바디를 가지며,
상기 이중날 중의 하나는 45~55도의 나선각을 가지며, 다른 하나는 45도의 나선각을 가지며,
상기 바디의 선단에 형성된 선단면의 웹두께는 0.105mm이고, 웹테이퍼는 시작 포인트부터 1.5mm, 다음 포인트부터 4.0mm인 것을 특징으로 한다

Description

드릴 가공 장치 및 이에 적합한 드릴 비트 {Drilling device and drill bit thereof}

본 발명은 인쇄회로기판(Printed Circuit Board) 제조 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 인쇄회로기판 상의 소정 위치에 구멍을 가공하기 위한 드릴 가공 장치 및 이에 적합한 드릴 비트에 관한 것이다.

일반적으로, 인쇄회로기판(Printed Circuit Board, 이하 PCB로 명칭)이란, 전자 시스템 회로를 구성하기 위하여, 소자 실장을 목적으로 제작된 다층기판으로서, 재료는 수지, 유리섬유, 동박층으로 제작된 복합재료로 구성되어 있다. 이와 같은 PCB에 IC, LSI 등과 같은 반도체 디바이스를 실장하기 위해서, 통상 PCB용 소구경 드릴에 의한 구멍가공이 실시되고 있다.

이와 같이 인쇄회로기판에 구멍을 뚫는 공정을 드릴링(drilling) 공정이라고 하는데, 이를 위해서 기판 고정 장치를 이용하여 다수의 인쇄회로기판을 적층 및 고정시킨 후 드릴 비트가 장착된 드릴 머신을 이용하여 인쇄회로기판의 소정부위에 구멍을 천공하는 드릴 가공 장치가 사용된다.

도 1은 종래의 드릴 가공 장치의 구성을 도시한다. 도 1을 참조하면, 종래의 드릴 가공 장치는 프레셔 풋(pressure foot) 및 드릴 비트를 가지는 드릴링 머신(1)과 엔트리보드(entry board) 및 백업보드(back-up board)를 가지는 기판 고정 장치(2)를 포함한다.

다수의 인쇄회로기판들이 기판 고정 장치(2)의 엔트리보드와 백업보드 사이에 적층(stack-up)되고, 드릴 비트에 의해 인쇄회로기판의 소정 부위에 천공이 수행된다. 프레셔 풋은 드릴 비트가 인쇄회로기판을 뚫고 들어갈 때 기판의 휨을 방지한다. 엔트리 보드는 드릴링 머신의 프레셔 풋으로부터 인쇄회로기판의 동박이 파손되는 것을 방지하고 또한 상층 버(burr)를 방지하는 것이다. 백업 보드는 하층 버(burr) 방지 및 설비의 망가짐을 방지하기 위한 것으로서 베이크라이트 (bakelite) 재질이 사용된다.

현재, 인쇄회로기판에 있어서 요구되는 구멍은 매년 소구경화되어 가고 있으며, 최근에는 직경 0.4mm이하의 구멍가공이 대부분을 점유하고 있다. 또한, 구멍의 가공 깊이가 드릴 직경의 열 배를 넘는 것과 같은 심혈가공(深穴加工)도 증가하고 있는 추세이다.

인쇄회로기판의 드릴링 가공에 있어서, 주요 인자(因子)로서는 드릴 강성과 칩(chip) 배출성 등을 들 수 있으며, 이것들에 의해, 구멍위치의 정확도, 구멍 내벽의 거칠기와 같은 가공구멍의 품질이 결정된다고 하더라도 과언이 아니다.

도 2는 도 1에 도시된 장치에서 사용되는 드릴 비트를 도시한다. 도 2를 참조하면, 종래의 드릴 비트(10)는 생크(shank, 12), 바디(body, 14)를 포함하여 이루어진다.

생크(12)는 드릴비트(10)의 몸통을 이루는 부분이며, 생크(12)의 일측에는 바디(14)가 형성 또는 결합된다. 바디(14)의 표면에는 피절삭재를 가공할 수 있도록 나선형의 절삭날이 형성된다. 나선형 절삭날은 바디(14) 전체에 걸쳐서 일정한 비틀림 각도를 가지며, 이 절삭날의 비틀림 각도를 나선각(helix angle)이라 한다.

PCB 가공용 드릴에 있어서, 나선각이 45˚일 경우, 바디(14)의 최외측 단면(선단부)에 형성되는 주면각(primary face angle, γ1)은 10˚~ 12˚로 설정되는 것이 일반적이다. 이 주면각은 PCB의 재질과 가공특성(연질금속 포함)에 따라서 달라지지만 기본적으로는 나선각에 의해 결정된다.

또한, 기판　재질의 특성에 따라 선단각(θ1, Point angle, )은 약 120˚~ 130˚정도로, 4면 가공을 실시한 선단부를 형성하며, 비틀림 각(θ2, Helix angle)은 약 40˚~ 45˚정도로 고정하여 제작을 하고 있는 실정이다.

드릴 비트를 드릴링 머신에 장착할 때 여러 종류의 드릴 비트들을 일정한 길이로 맞추어주기 위하여 컬러 링(color ring)이 사용될 수 있다. 컬러 링은 드릴 비트가 드릴링 머신의 스핀들 척(spindle chuck)에 알맞은 길이로 물리도록 지지하여 준다.

도 3은 도 2에 도시된 드릴 비트의 선단부를 도시한다. 도 3을 참조하면, 선단부(16)는 치즐 엣지(22), 주면(main flank or primary face, 24), 보조면(secondary flank or secondary face, 26)를 가진다. 주면(24)은 절삭날(cutting edge)의 선단면이 되고, 보조면(26)는 홈(flute)의 선단면이 된다. 한편, 주면(24)의 경사각을 주면각(primary angle)이라 하고, 보조면(26)의 경사각을 보조면각(secondary angle)이라 하며, 치즐 엣지(22)의 두께를 웹두께(web thickness)라 한다.

한편, 선단면은 치즐 엣지(22)로부터 바디의 외주면까지 소정의 각도를 가지고 기울어지는 데 이와 같이 선단면의 기울어지는 정도를 웹테이퍼(web taper)라고 한다.

한편, 이러한 드릴 비트는 비트의 생김새, 직경, 가공 구멍의 모양 등에 따라 ST(Straight) type, UC(Under cut) type, ID(Inverse Diameter) type 등으로 구분된다.

도 4는 ST type, UC type, ID type 드릴 비트들의 형상을 도시한다.

도 4를 참조하면, 드릴 비트의 직경(drill bit diameter)이 결정되는 부분은 플루트(flute)의 마진(margin) 부위가 되며, ST type은 드릴 비트의 직경이 플루트의 직경과 같고, UC type은 드릴 비트의 직경이 플루트의 직경보다 작으며, ID type은 드릴 비트의 직경이 자루(shank)의 직경보다 크다.

한편, ST type은 연마가능 횟수가 UC type보다 많고 Hole 위치 정확도가 우수하지만 Hole 내벽과 닿는 면적이 커서 Hole 내벽 품질이 취약하다. 이에 비해, UC type은 홀 내벽과 닿는 면적이 작아서 홀 내벽 품질이 우수하지만 마진 길이의 제한으로 연마횟수 및 홀 위치 정확도가 취약하다.

한편, 전기 전자 제품의 유해물질 사용이 제한됨에 따라 할로겐족 원소가 들어간 원자재의 생산이 제한되고 있다. 할로겐이 없는(halogen free) 원자재의 사용시 드릴 비트의 마모 및 파손율이 증대하여 가공성이 저하된다. 이에 따라, 할로겐이 없는 원자재의 사용시 드릴 비트의 마모 및 파손을 효과적으로 경감시킬 수 있는 방안이 요구된다.

드릴링 공정의 생산성을 높이기 위해서는 구멍 가공 품질을 유지하는 것과 스택수를 늘리는 것이 요구된다.

종래의 드릴 비트의 사양에 의하면, Hole 품질을 고려했을 때 최대 4Stack 까지만 가능하였다. 즉, Stack수 증가를 통한 생산성 향상을 실현하기 위해서는 드릴 비트의 세부사양 변경 및 개발이 필요하다. 여기서, 스택수란 한 번의 드릴링 가공시 동시에 가공되는 인쇄회로기판의 매수 즉, 기판 고정 장치에 적층되는 인쇄회로기판의 매수를 말한다.

한편, 기판 고정 장치에 있어서, 엔트리 보드로서 알루미늄 포일 및 수용성 자재가 사용되며, 백업 보드로서 베이크라이트 재질의 보드가 사용된다.

그렇지만, 베이크라이트 재질의 백업 보드는 홀 가공 품질이 나빠서 드릴링 시의 센터링(drill centering)이 어렵다는 단점이 있다.

본 발명은 상기의 요구에 부응하기 위하여 안출된 것으로서, PCB 드릴 가공시 Stack수 향상 시에도 동일한 품질을 제공할 수 있는 드릴 가공 장치를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

본 발명의 다른 목적은 PCB 드릴링 가공시 스택수를 증대시킬 수 있는 개선된 구조의 드릴 비트를 제공하는 것에 있다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 드릴 가공 장치는

인쇄회로기판의 소정 위치에 구멍을 가공하기 위한 드릴 가공 장치에 있어서,

0.25Φ의 구멍 가공을 위한 드릴 비트가 장착되는 드릴 머신; 및

상기 드릴 비트에 의해 구멍가공되는 복수의 인쇄회로기판들을 적층하여 고정시키는 것으로서 엔트리 보드 및 백업 보드를 가지는 기판 고정 장치를 포함하며,

여기서, 상기 드릴 비트는

이중날이 형성된 바디를 가지며,

상기 이중날 중의 하나는 45°~55°의 나선각을 가지며, 다른 하나는 45°의 나선각을 가지며,

상기 바디의 선단에 형성된 선단부의 웹두께(web thickness)는 0.105mm이고, 웹테이퍼(web taper)는 시작 포인트부터 1.5mm, 다음 포인트부터 4.0mm인 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 기판 고정 장치의 상기 백업 보드는 멜라민 재질의 것임이 바람직하다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 드릴 비트는

기판 고정 장치에 적층된 복수의 인쇄회로기판들의 소정위치에 0.25Φ의 구멍 가공을 위해 제공되는 드릴 비트에 있어서,

이중날이 형성된 바디를 가지며,

상기 이중날 중의 하나는 45~55도의 나선각을 가지며, 다른 하나는 45도의 나선각을 가지며,

상기 바디의 선단에 형성된 선단면의 웹두께는 0.105mm이고, 웹테이퍼는 시작 포인트부터 1.5mm, 다음 포인트부터 4.0mm인 것을 특징으로 한다.

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본 발명에 따른 드릴 비트는 2중날 구성을 가지며, 이로 인하여 절삭력이 증가 하고 비트 파손율이 감소한다.

또한 본 발명에 따른 드릴 비트는 Web Thickness 사양을 0.105mm로 늘려 드릴 비트의 마모 개선에 기여한다.

또한 본 발명에 따른 드릴 비트는 Web Taper를 시작 Point부터 1.5mm , 다음 Point부터 4.0mm까지 늘려져 있어서, 드릴비트의 강성화에 도움이 되며 드릴비트의 파손을 경감할 수 있는 요인이 된다.

본 발명에 따른 드릴 비트는 할로겐이 없는 원자재로 만들어진 인쇄회로기판에 대해서도 마모 및 파손을 경감시킬 수 있는 효과를 갖는다.

도 1은 종래의 드릴 가공 장치의 구성을 도시한다.
도 2는 도 1에 도시된 장치에서 사용되는 드릴 비트를 도시한다.
도 3은 도 2에 도시된 드릴 비트의 선단부를 도시한다.
도 4는 종래의 ST type, UC type, ID type 드릴 비트들의 형상을 도시한다.
도 5는 종래의 드릴 비트와 본 발명에 따른 드릴 비트의 세부 사양을 비교하여 도시한다.
도 6은 본 발명에 따른 이중날을 가지는 드릴 비트를 도시한다.
도 7은 본 발명에 따른 드릴 가공 장치의 구조를 도시한다.
도 8은 엔트리보드, 백업보드를 이용하여 인쇄회로기판을 스택업하는 과정을 도시한다.
도 9는 Test에 필요한 설비들을 도시한다.
도 10은 본 발명에 따른 드릴 비트를 사용함에 있어서의 가공 조건을 도시한다.
도 11은 본 발명에 따른 드릴 비트를 사용하여 테스트한 결과를 도시한다.
도 12는 도 11에 도시된 Test결과를 바탕으로 실제 양산제품에 적용한 결과를 도시한다.
도 13은 도 12의 테스트 결과를 토대로 기존의 드릴 비트와 본 발명에 따른 드릴 비트의 Stack수를 비교한 결과를 도시한다.
도 14는 본 발명에 따른 멜라민 재질의 백업 보드를 사용한 경우의 가공 정확도 테스트 결과를 도시한다.
도 15는 본 발명에 따른 멜라민 재질의 백업 보드를 사용한 경우의 홀 가공 정확도의 비교 측정 결과를 도시한다.
도 16은 본 발명의 드릴 비트 및 백업 보드를 적용한 경우의 홀 내벽 상태 및 가공 후 표면 상태를 도시한다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 구성 및 동작을 상세히 설명하기로 한다. 본 발명은 PCB 드릴링 가공시의 Stack 수 향상을 위한 드릴 비트의 사양개발 및 가공 최적 조건을 찾는 것에 초점을 둔다.

도 5는 종래의 드릴 비트와 본 발명에 따른 드릴 비트의 세부 사양을 비교하여 도시한다.

도 5를 참조하면, 본 발명에 따른 드릴 비트(USF type)는 2중날 구성이 가장 큰 특징이며, 이로 인하여 절삭력이 증가하고 비트 파손율이 감소한다. 여기서, 이중날 중의 하나는 45°~55°의 나선각을 가지며, 다른 하나는 45°의 나선각을 가진다.

또한 웹 두께(Web Thickness) 사양을 0.105mm로 늘려 드릴비트의 마모 개선에 기여한다. 또한 웹 테이퍼(Web Taper)가 시작 Point부터 1.5mm , 다음 Point부터 4.0mm까지 늘려져 있어서 드릴비트의 강성화에 도움이 되며 또한 드릴비트의 파손을 효과적으로 감소시킬 수 있는 요인이 된다.

도 6은 본 발명에 따른 이중날을 가지는 드릴 비트를 도시한다.

도 6을 참조하면, 본 발명에 따른 드릴 비트(600)는 한 개의 롱칩홈(long chip flute, 45)과 한 개의 숏칩홈(short chip flute, 44)을 가지며, 두 홈의 나선각이 서로 다르고, 분리 상태에서 합류 상태로 변화되는 것이다.

여기서, 롱칩홈(45)의 나선각은 45°~55°이고, 숏칩홈(44)의 나선각은 45°인 것이 바람직하다.

도 7은 본 발명에 따른 드릴 가공 장치의 구조를 도시한다. 본 발명에 따른 드릴 가공 장치(700)는 프레셔 풋(pressure foot) 및 드릴 비트를 가지는 드릴링 머신(72)과 엔트리보드(entry board) 및 백업보드(back-up board)를 가지는 기판 고정 장치(74)를 포함한다.

도 7을 참조하면, 프레셔 풋(pressure foot)은 드릴링 머신(72)에 부착된 것으로서, 드릴 비트가 기판을 뚫고 들어갈 때 기판의 휘어짐을 방지하는 역할을 한다. 드릴링 준비시 드릴 팁(drill tip)이 엔트리보드 상에 위치하도록 프레셔 풋의 높이를 조절한다.

엔트리보드는 드릴링 머신의 프레셔 풋으로부터 기판을 보호하고, 상층의 버(burr)를 방지하기 위한 것이다. 백업보드는 하층의 버(burr)를 방지하고, 설비의 이상을 방지하기 위해 사용된다.

도 8은 엔트리보드, 백업보드를 이용하여 인쇄회로기판을 스택업하는 과정을 도시한다. 도 8을 참조하면, 인쇄회로기판에 스택 가이드 홀(stack guide hole)을 가공하고, 인쇄회로기판을 적층한 후 가이드 핀(guide pin)을 스택 가이드 홀에 끼워서 적층된 인쇄회로기판들을 고정시킨다. 스택 가이드 홀은 적층시 인쇄회로기판들을 고정시키는 역할과 더불어 드릴링 가공시의 기준 좌표를 제공한다.

실시예

본 발명에 따른 드릴 비트와 기존의 드릴 비트를 대상으로 테스트한 결과는 다음과 같다.

도 9는 Test에 필요한 설비들을 도시한다.

도 9를 참조하면, TEST 가공 설비, Roughness (내벽 거칠기)　측정 설비, 가공 정확도 측정 설비들이 도시된다. 이러한 설비들을 이용하여 드릴 가공 및 가공된 Hole의 품질 확인을 진행한다.

도 10은 본 발명에 따른 드릴 비트를 사용함에 있어서의 가공 조건을 도시한다.

도 10에 있어서, No.hitting은 드릴링 가공에 의해 뚫는 구멍의 개수를 말하고, stack수는 기판 고정 장치에 적층된 인쇄회로기판의 매수를 의미한다. 또한, CPK(공정능력지수)는 관리 상태에 있는 공정이 만들어 내는 품질향상 능력 즉, 표준화된 공정에서 생산되는 제품이 나타내는 산포 범위를 나타내는 것이다.

도 11은 본 발명에 따른 드릴 비트를 사용하여 테스트한 결과를 도시한다.

도 11을 참조하면, 본 발명에 따른 드릴 비트((USF Type)가 Hole Roughness는 16.37um으로 규정인 25um 이내이고, 가공정확도는 기존 드릴 비트들인 NH,SN,WQ Type에 비해 우수한 것을 알 수 있다.

도 12는 도 11에 도시된 Test결과를 바탕으로 실제 양산제품에 적용한 결과를 도시한다. 도 12에 있어서, New bit는 처음으로 드릴링 가공에 사용되는 드릴 비트를 나타내며, 연마 비트는 재사용을 위해 선단부가 연마된 상태의 드릴 비트를 나타낸다. 드릴 비트는 한 번만 사용되지 않고, 마모된 선단부를 연마에 의해 가공하여 재사용하게 되며, 연마의 횟수는 이러한 가공의 횟수를 나타낸다.

Test 결과, 본 발명에 따른 드릴 비트 사용 시 Hole Roughness 및 가공정확도가 양호하여 종래의 4Stack 가공에 비해 5Stack 가공이 가능하며, 또한 4,5차연마 4Stack 진행시에도 Hole 품질에는 이상이 없음을 나타내준다.

도 13은 도 12의 테스트 결과를 토대로 기존의 드릴 비트와 본 발명에 따른 드릴 비트의 Stack수를 비교한 결과를 도시한다.

도 13을 참조하면 기존 대비 New Bit 및 4,5차 연마의 경우 모두 1Satck만큼 향상된 결과를 얻는 것을 알 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 드릴 비트는 기존의 드릴 비트에 비해 약 14%의 Drill 공정 생산성 향상을 이루었음을 알 수 있다

도 14는 본 발명에 따른 멜라민 재질의 백업 보드를 사용한 경우의 가공 정확도 테스트 결과를 도시한다. 도 14를 참조하면, 종래의 베이크라이트 재질의 백업 보드를 사용하던 것에 비해 약 10%정도 홀 가공 정확도가 향상되는 것을 알 수 있다.

도 15는 본 발명에 따른 멜라민 재질의 백업 보드를 사용한 경우의 홀 가공 정확도의 비교 측정 결과를 도시한다.

도 16은 본 발명의 드릴 비트 및 백업 보드를 적용한 경우의 홀 내벽 상태 및 가공후 표면 상태를 도시한다. 도 16을 참조하면, 홀 내벽 상태 및 백업보드의 가공 상태가 양호함을 알 수 있다.

12...생크 14...바디
44...롱칩홈 45...숏칩홈
72...드릴링 머신 74...기판고정장치

Claims (3)

1. 인쇄회로기판의 소정 위치에 구멍을 가공하기 위한 드릴 가공 장치에 있어서,
   0.25Φ의 구멍 가공을 위한 드릴 비트가 장착되는 드릴 머신; 및
   상기 드릴 비트에 의해 구멍가공되는 복수의 인쇄회로기판들을 적층하여 고정시키는 것으로서 엔트리 보드 및 백업 보드를 가지는 기판 고정 장치를 포함하며,
   여기서, 상기 드릴 비트는
   이중날이 형성된 바디를 가지며,
   상기 이중날 중의 하나는 45~55도의 나선각을 가지며, 다른 하나는 45도의 나선각을 가지며,
   상기 바디의 선단에 형성된 선단부의 웹두께(web thickness)는 0.105mm이고, 웹테이퍼(web taper)는 시작 포인트부터 1.5mm, 다음 포인트부터 4.0mm인 것을 특징으로 하는 드릴 가공 장치.
   
   
2. 제1항에 있어서, 상기 기판 고정 장치의 상기 백업 보드는 멜라민 재질의 것임을 특징으로 하는 드릴 가공 장치.
   
   
3. 기판 고정 장치에 적층된 복수의 인쇄회로기판들의 소정위치에 0.25Φ의 구멍 가공을 위해 제공되는 드릴 비트에 있어서,
   이중날이 형성된 바디를 가지며,
   상기 이중날 중의 하나는 45~55도의 나선각을 가지며, 다른 하나는 45도의 나선각을 가지며,
   상기 바디의 선단에 형성된 선단면의 웹두께는 0.105mm이고, 웹테이퍼는 시작 포인트부터 1.5mm, 다음 포인트부터 4.0mm인 것을 특징으로 하는 드릴 비트.
   
   

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