PCB塞孔問題探討

陳擁軍 楊司進 梁 瀅

（微軟亞洲硬件中心，廣東 深圳 518057）

PCB塞孔問題探討

陳擁軍 楊司進 梁 瀅

（微軟亞洲硬件中心，廣東 深圳 518057）

PCB板面小孔塞孔是當今流行的PCB設(shè)計方法，其目的是確保制作完成的PCB能順利完成在OEM制造工廠的制造與功能測試流程，本文通過對PCB塞孔后出現(xiàn)的比較重大的品質(zhì)問題以及解決方案來闡述如何在PCB制作工廠進行有效的小孔塞孔品質(zhì)控制。

PCB塞孔；導(dǎo)通孔油墨裂縫；三機作業(yè)；ICT測試

1 引言

隨著電子產(chǎn)品向輕、薄、小的方向發(fā)展，印刷板也推向了高密度、高難度發(fā)展,因此相關(guān)的線路板生產(chǎn)制造控制要求也越來越高，越來越嚴格。線路板塞孔設(shè)計是印制板制作工藝和表面貼裝技術(shù)提出的更高要求中而產(chǎn)生的一個過程。單純從塞孔本身來講,電路板塞孔并不承擔(dān)零部件的相關(guān)功能或電氣連接要求，但其在后續(xù)裝配過程發(fā)揮著重要作用，常見的塞孔設(shè)計其作用如下：

（1）導(dǎo)通孔（Via）為測試孔（上錫面為阻焊劑開窗設(shè)計，零件面為無阻焊劑開窗設(shè)計），在裝配完畢后進行ICT測試時，由于探孔必須打入孔內(nèi)，并且焊盤的邊緣與針尖上部需形成良好接觸，因此此類設(shè)計的via塞孔深度必須在一定范圍內(nèi)（比如40%～90%），塞孔太淺而太深都無法完成相關(guān)測試要求。

（2）導(dǎo)通孔為非測試孔，但是由于其位于BGA區(qū)域，塞孔的目的是防止PCB過波峰焊爐時，錫珠從導(dǎo)通孔貫穿元件面造成BGA短路。

（3）避免助焊劑或者表面處理化學(xué)劑殘留在導(dǎo)通孔內(nèi)，此類設(shè)計要求塞孔深度大于80%。

（4）防止SMD Pad面錫膏流入孔內(nèi)造成焊接不良。

針對導(dǎo)通孔塞孔的問題，筆者所在的PCB小組在負責(zé)PCB供應(yīng)鏈質(zhì)量管理的2010年到2011年期間，曾多次遭遇不同供應(yīng)鏈領(lǐng)域的導(dǎo)通孔塞孔不良的問題，受影響的PCB的出貨量以數(shù)十萬片計算，嚴重影響了最終成品的出貨，因此在供應(yīng)鏈領(lǐng)域?qū)θ讍栴}進行徹底的改善已經(jīng)是刻不容緩的事情。

2 原因分析

2.1 問題的表征現(xiàn)象

上面的第一個ICT測試點不良問題，我們從切片可以看出，底面開窗的焊盤上面的錫已大部分已陷入測試孔內(nèi)，導(dǎo)致焊盤表面錫面不足，無法形成柔軟良好的測試接觸點，綠油塞孔深度低于15%（要求塞孔深度控制為40%～90%），第三個ICT測試點不良的情況與第一個是同一問題，X射線機掃描顯示測試點的錫膏已填充Via孔的絕大部分，所以序號1的問題與與序號3的問題同為導(dǎo)通孔孔塞孔深度不足的問題。

表1 供應(yīng)鏈領(lǐng)域塞孔不良問題統(tǒng)計（數(shù)據(jù)來源：PCBA裝配工廠）

上面第二個錫橋短路的問題，從IC位置的圖片來看，表面已經(jīng)聚集一堆凸起的半透明的物質(zhì)，并且有過多的錫量導(dǎo)致錫橋短路。EDX元素分析顯示半透明物質(zhì)為焊接用松香劑，進一步切片顯示裝配完后導(dǎo)通孔孔孔內(nèi)有裂紋的情況出現(xiàn)，最終確定產(chǎn)生此不良的情況是由與零件面相對的一面裝配時導(dǎo)通孔孔塞孔不良產(chǎn)生裂縫，PCB印錫膏過爐后松香沿縫隙流入零件面，冷卻后形成結(jié)晶狀物質(zhì)，在零件面錫膏印刷時頂起鋼網(wǎng)，導(dǎo)致IC位置下錫量過多而最終導(dǎo)致錫橋短路。因此序號2體現(xiàn)的問題是導(dǎo)通孔塞孔孔內(nèi)裂縫導(dǎo)致的不良。

下面我們將針對以上兩類不問的問題產(chǎn)生原因分別進行分析。

2.2 Via孔塞孔深度不足原因分析

針對塞孔的流程設(shè)計，當前所有的供應(yīng)鏈使用三機作業(yè)規(guī)范，也就是先用專用鋁片或絲網(wǎng)進行一次從零件面的塞孔作業(yè)，然后從零件面及測試點面分別進行綠油絲網(wǎng)印刷（測試點不開印刷擋點），通過三機作業(yè)的方式來確保Via孔的塞孔深度到達 40%～90%。

從對不良品的觀察發(fā)現(xiàn)，每一塊不良板并沒有出現(xiàn)我們所認為的100%的孔出現(xiàn)不良的情況，從統(tǒng)計數(shù)據(jù)來看，90%以上的不良板只10～20個測試點存在這樣的問題，并且不良點出現(xiàn)的位置并沒有特別的規(guī)律，根據(jù)對不同的供應(yīng)鏈進行實地調(diào)查與分析取證，主要有以下幾個原因：

（1）塞孔時印刷臺面下的導(dǎo)氣底板部分孔堵塞。在塞孔過程中，Via孔內(nèi)的氣泡不能部分或完全被趕出，油墨無法從網(wǎng)板上面下落到Via孔內(nèi)，而形成了塞孔深度不足的問題。此類導(dǎo)氣底板的堵塞主要是在作業(yè)過程中異物掉或油墨掉落底板后固化而導(dǎo)致底板導(dǎo)氣孔堵塞。

（2）塞孔鋁片有折痕或損壞。在實際對供應(yīng)鏈綠油塞孔工序的稽查過程中我們發(fā)現(xiàn)部分塞孔鋁片有折痕或破壞但仍在使用的情況，鋁片發(fā)生物理損壞后部分孔被堵塞，極易造成塞孔時無法下油的情況。

（3）未返洗完全的塞孔返工板。此類塞孔返洗不完全的板，由于油墨固化在孔內(nèi)，再次塞孔時將導(dǎo)致此區(qū)域油墨堵塞無法下油而達不到理想的塞孔深度。針對這個產(chǎn)生原因，可能有部分工廠忽略了對這方面因素的系統(tǒng)品質(zhì)管控，但是在實際的生產(chǎn)過程中，這種不良板大有存在，需密切注意。

（4）塞孔時印刷參數(shù)的管控。針對不同產(chǎn)品的印刷參數(shù)，如孔徑，板厚及不同的油墨，未使用實驗設(shè)計方法進行流程參數(shù)（刮刀角度，壓力，速度）優(yōu)化與比較，使部分產(chǎn)品的塞孔的深度無法達到最終產(chǎn)品的要求。

2.2 塞孔深度不足 改善行動

（1）針對導(dǎo)氣底板部分孔堵塞, 增加每班對塞孔導(dǎo)氣底板的清潔，并增加相應(yīng)的底板檢驗記錄，由IPQC針對檢驗后的底板進行抽檢，確保檢查及清潔的質(zhì)量。同時，為了操作的方便，可以對每個型號的塞孔的導(dǎo)氣板，可以準備兩套導(dǎo)氣板，分I/II班（日/夜班）標記在導(dǎo)氣板上，由不同班次的管理員負責(zé)對該導(dǎo)氣板進行清潔，裉洗及分發(fā)管理。

（2）針對塞孔鋁片上的折痕等破損，需定義可接收的鋁片折痕標準，因為在實際生產(chǎn)中， 因為綠油工序手工操作比較多，會有一些鋁片擦花的情況。當前定義鋁片的折痕接收標準是：針對BGA區(qū)折痕不能超過一處，并且長度不能超過1 cm，非BGA區(qū)不能超過兩次并且長度不超過1.2 cm。這些標準需要在生產(chǎn)前鋁片檢驗前進行管控，并記錄相關(guān)的鋁片檢驗記錄。

（3）針對未返洗完全的塞孔返工板，需安排專人在塞孔后返工工站進行檢驗，如有任何不透光的孔位，必須重新返洗孔內(nèi)綠油，確保下重新塞孔時油墨能順利填充孔內(nèi)。此站也同樣需要返工記錄以供后續(xù)的重工追溯。

（4）塞孔印刷參數(shù)的管控。針對印刷參數(shù)，按照目前研發(fā)部門在圖紙中所要求的1.6 mm板厚40%～90%的塞孔深度要求，目前大部分供應(yīng)鏈領(lǐng)域使用的參數(shù)如下：塞孔速度1-2格；刮刀壓力0.5 MPa ～0.6 MPa ，刮刀角度15゜～17゜，在實際生產(chǎn)時根據(jù)首板情況進行了微調(diào)后，塞孔深度品質(zhì)有明顯的改善。

（5）所有塞孔不足的問題都能通過增加Via孔透光檢查光臺進行圍堵，根據(jù)經(jīng)驗，如果塞孔深度在30%以下，在光源的透視下將透出綠光；如果Via孔完全未進行塞孔，將會在光源下透出白光，此種方法將極方便快捷的將不良品從整個影響批次中篩選出來。

2.3 VIA塞孔孔內(nèi)裂紋原因分析

該問題已經(jīng)在表1序號2中描述，即塞孔裂縫使FLUX（助焊劑）沿裂縫流入結(jié)晶到另一面，錫膏印刷時FLUX結(jié)晶物頂起鋼網(wǎng)，導(dǎo)致錫橋短路的問題。Via孔內(nèi)裂縫導(dǎo)致錫橋短路問題，這是我們第一次在裝配工廠遇到，因為涉及的可能原因比較復(fù)雜，故選擇關(guān)鍵實驗因子用實驗設(shè)計（D.O.E）的的方法來研究產(chǎn)生此類不良的真正原因，并采取相對應(yīng)的糾正預(yù)防行動措施。

2.3.1 實驗流程

實驗流程兩大部分：第一部實驗內(nèi)容在PCB工廠內(nèi)進行；第二部分實驗在PCBA裝配工廠進行，具體實驗流程如圖1。

圖1

2.3.2 塞孔油墨型號，塞孔速率及塞孔后靜置時間

2.3.3 正交實驗設(shè)計

本實驗采用兩水平全因子實驗，實驗共分8次進行，每批實驗數(shù)量為480 PCS，實驗運行組合如表2。

表2 正交實驗表

2.3.4 實驗結(jié)果分析

每組實驗板在完成PCB后工序的制作流程后，安排成品板在裝配工廠上線，收集不同批次的PCB板在SMT過爐后SPI（焊膏檢驗）工站的良率數(shù)據(jù)（只統(tǒng)計與Via裂縫相關(guān)的良率數(shù)據(jù)，其它非PCB Via裂縫相關(guān)問題數(shù)據(jù)忽略），具體結(jié)果如表3。

從極差分析數(shù)據(jù)可以看出，實驗因子對塞孔裂縫的影響順序為：油墨型號＞塞孔后靜置時間＞塞孔速率。

2.3.4.1 Via孔塞孔裂縫主效應(yīng)圖

從塞孔裂縫主效應(yīng)圖可以看出，當使用油墨型號B，塞孔速率為1.5格，塞孔后靜置時間為30分鐘時，在裝配工廠取得了最高96.74%的SPI直通率。

2.3.4.2 Via孔塞孔裂縫顯著性分析

表4 裂縫顯著性分析結(jié)果表

由MINITAB的分析結(jié)果可以看出，P值＝0.005＜0.05，為顯著實驗因子，對于導(dǎo)致塞孔裂縫問題因素中，油墨型號是最顯著的因素。

2.3.4.3 實驗結(jié)論

通過實驗設(shè)計的方法，我們得出影響塞孔裂縫最主要的因素是油墨型號，其次是塞孔后靜置時間，最后是塞孔時的塞孔速率控制。

針對此次實驗的油墨型號A，經(jīng)查證，此型號并非專用的塞孔油墨，基于成本的考慮，供應(yīng)鏈領(lǐng)域當時使用基于非專用塞孔油墨進行塞孔，導(dǎo)致此油墨在過爐后產(chǎn)生了比較高的裂縫或氣泡貫穿不良。通過改用專用塞孔油墨B后，塞孔良率在裝配端SPI提高了10%，由于在三機作業(yè)塞孔的過程中，仍不可避免的產(chǎn)生孔內(nèi)氣泡，雖然改用油墨B后仍無法達到100%的良率，但是SPI工站96%的良率已經(jīng)達到了裝配工廠設(shè)定目標92%，最大限度的減少了此類不良對產(chǎn)品交期的影響和最大限度的提高了裝配工廠單位時間的機器輸出效率。

針對第二大影響因素：塞孔后靜置時間的控制。理論上靜置時間越長，將越減少塞孔氣泡和過爐后裂縫的可能。本次實驗的兩個水平因子30 min比15 min的靜置時間增加了1%～3%的SPI良率，基于30 min的靜置時間對綠油工序現(xiàn)場的管控增加難度以及對產(chǎn)量的影響，因此在后續(xù)量產(chǎn)的參數(shù)優(yōu)化中，我們?nèi)栽O(shè)定為15 min靜置時間，使用B油墨型號和1.5格的塞孔速率，其裝配端SPI的良率穩(wěn)定在94%以上，達到了我們預(yù)期的目標。

3 總結(jié)

阻焊油墨工序是所有PCB制程中最關(guān)鍵的一個工序，而塞孔品質(zhì)管控又是此工序的重中之重，因此針對塞孔不足的問題，加強以下項目的流程管控將有助于改善塞孔不良：

（1）定期對塞孔導(dǎo)氣板（底板）進行檢查及清潔確保沒有任何異物堵孔的情況；（2）確立良好的塞孔鋁片或網(wǎng)板的生產(chǎn)前來料品質(zhì)檢驗規(guī)范；（3）使用經(jīng)優(yōu)化的塞孔流程控制參數(shù)；（4）增加光臺檢驗工站確保有異常的批次能被圍堵而避免流到裝配工廠。

針對塞孔裂縫的問題，估化以下的流程參數(shù)將減小此類問題到最低：

（1）使用專用塞孔油墨進行塞孔，避免在裝配工廠經(jīng)熱沖擊后出現(xiàn)孔內(nèi)油墨裂紋的情況；（2）根據(jù)產(chǎn)量或現(xiàn)場管理，延長塞孔后靜置時間，如果產(chǎn)能及現(xiàn)場允許，可以將靜置時間控制到30分鐘，使孔內(nèi)氣泡徹底排出，避免在終固化及裝配時出現(xiàn)綠油裂縫的情況；（3）使用優(yōu)化的塞孔速度和壓力，確保最佳的塞孔深度，滿足產(chǎn)品圖紙對塞孔的要求。

[1]上海質(zhì)量管理控制科學(xué)研究院. 六西格瑪核心教程[M]. 北京:中國標準出版社, 2002:265～277.

The study on PCB via hole plugging

CHEN Yong-Jun YANG Si-Jing LIANG Ying

The PCB via hole plugging is the popular design in PCB design industry, and the purpose is to make sure the board can complete subsequent assembly & test process in OEM factory. Here we analyzed the quality issue on via hole plugging and provided solution for the issue, which is to give a guideline on how to achieve the effective via hole plugging control for PCB factory.

PCB VIA hole plugging; via hole solder mask cracking; stuff 3 times; ICT test

TN41 < class="emphasis_bold">文獻標識碼：A文章編號：

1009-0096（2012）08-0026-04

陳擁軍，PCB供應(yīng)商質(zhì)量管理工程師，主要負責(zé)PCB供應(yīng)商的品質(zhì)持續(xù)改善。