采用MINITAB軟件優(yōu)化印刷線路板電鍍盲孔的參數(shù)

張虹，石彩燕 ，肖心萍

（1.秦皇島職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河北 秦皇島 066100；2.中國(guó)石油大連石化公司，遼寧 大連 116025）

采用MINITAB軟件優(yōu)化印刷線路板電鍍盲孔的參數(shù)

張虹1,*，石彩燕2，肖心萍1

（1.秦皇島職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河北 秦皇島 066100；2.中國(guó)石油大連石化公司，遼寧 大連 116025）

利用Minitab軟件的田口設(shè)計(jì)方法對(duì)印刷線路板盲孔鍍銅的工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，鍍液成分為：Cu2+30 ～ 45 g/L，H2SO4180 ～260 g/L，Cl?60 ～ 80 mg/L，光亮劑8 ～ 15 mL/L。得出盲孔孔徑及4個(gè)鍍銅缸噴壓的最佳值。在最佳條件下，銅厚和凹陷值均符合要求，從而省卻了填孔后的減銅工序，降低了成本，縮短了生產(chǎn)周期。

印刷線路板；盲孔；電鍍；優(yōu)化；凹陷

1 前言

目前 PCB(印刷線路板)填孔鍍大多要經(jīng)過(guò)鍍前處理、化學(xué)鍍銅和電鍍銅來(lái)完成[1]。一般PCB廠商電鍍盲孔的生產(chǎn)流程是：激光鉆孔─水平電鍍─垂直電鍍填孔─減薄銅。電鍍填孔使用專屬填孔藥水，通過(guò)低電流、長(zhǎng)時(shí)間的鍍銅再搭配噴壓調(diào)整將盲孔填充平整。其優(yōu)點(diǎn)是：盲孔內(nèi)用電鍍銅填滿，避免了表面凹陷，有利于更精細(xì)線路的設(shè)計(jì)和制作；避免了樹(shù)脂、導(dǎo)電膠填孔造成的缺陷，以及因?yàn)椴牧喜煌斐傻臏囟扰蛎浵禂?shù)不一的現(xiàn)象，導(dǎo)電性更好，同時(shí)提高了板件散熱性能[2]。

在填孔電鍍中，Dimple(凹陷)值是衡量填孔電鍍品質(zhì)的首要指標(biāo)。盲孔鍍銅時(shí)，Dimple值越小越好(一般以小于15 μm為標(biāo)準(zhǔn))。在其他參數(shù)不變的情況下，Dimple值隨孔徑增大而增大?？讖竭^(guò)小，填孔有缺陷；孔徑過(guò)大，Dimple值會(huì)大于15 μm。在微小盲孔的電鍍和填孔鍍銅中，除了添加劑起了主要作用外，攪拌的模式和程度對(duì)填孔鍍銅的效果起著重要的影響。一般PCB廠商的電鍍藥水均由供應(yīng)商直接提供，所以在實(shí)際生產(chǎn)中，除了控制電鍍添加劑的類(lèi)型與含量外，最重要的是控制鍍銅液的流動(dòng)速度，同時(shí)還要根據(jù)盲孔的厚徑比和孔徑作調(diào)整，以得到最佳效果。

電鍍銅添加劑中各組分的功能和作用原理在很多文獻(xiàn)中都有詳盡的描述，電鍍的效果取決于它們的協(xié)同效果。電鍍盲孔的影響因素很多，而且各生產(chǎn)廠家的設(shè)備、工藝又不盡相同，實(shí)際生產(chǎn)中不同基材 PCB的工藝參數(shù)一般都需要經(jīng)過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)來(lái)加以確定。為達(dá)到將盲孔填滿的效果，一般通過(guò)增加鍍銅層厚度來(lái)滿足需求，填孔后又通過(guò)減薄銅來(lái)降低面銅的厚度，以達(dá)到面銅規(guī)格[3]。整個(gè)填孔過(guò)程中大約有 20%左右的生產(chǎn)成本(包括電鍍藥水、銅、水電等)損耗在減薄銅的過(guò)程中。本文嘗試通過(guò)優(yōu)化填孔參數(shù)，以期在保證填孔質(zhì)量的前提下降低鍍銅厚度，取消填孔后的減銅工序。

2 實(shí)驗(yàn)

電鍍板材質(zhì)為1067PP。電鍍液組成為：Cu2+30 ～45 g/L，H2SO4180 ～ 260 g/L，Cl?60 ～ 80 mg/L，酸性鍍銅光亮劑8 ～ 15 mL/L。

在控制電鍍藥水、添加劑、電流密度等參數(shù)不變的情況下，通過(guò)正交試驗(yàn)及Minitab軟件對(duì)PCB電鍍盲孔的 2個(gè)工藝參數(shù)──盲孔孔徑和銅缸噴壓，進(jìn)行量化分析。樣品切片后，利用金相顯微鏡觀察孔內(nèi)切片情形，并測(cè)量填孔后的Dimple值，如圖1所示。

圖1 電鍍填孔評(píng)價(jià)方法Figure 1 Method for evaluating the filling of blind hole

3 結(jié)果與討論

3. 1 工藝參數(shù)的選取

生產(chǎn)實(shí)踐中，盲孔孔徑通常在2.5 ～ 5.5 mil(1 mil ≈25.4 μm)之間。實(shí)驗(yàn)證明，孔徑在3.5 ～ 5.0 mil之間是合格的。由于孔徑越小越有利于PCB的布線，因此激光鉆孔時(shí)選擇3.5 mil和4.0 mil兩個(gè)孔徑進(jìn)行試驗(yàn)。填孔過(guò)程中工件依次浸入 4個(gè)銅缸中電鍍，填孔藥水的極限噴壓為0.2 bar和1.2 bar(1 bar = 0.1 MPa)。其余條件為：線速0.5 m/min，電流密度22 ASF(1 A/dm2= 9.29 ASF)。

3. 2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及分析

2種盲孔孔徑和 4個(gè)銅缸的不同噴射壓力組成一個(gè)二水平五因素的試驗(yàn)，采用25+3正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)[4]尋找最佳參數(shù)組合。整理數(shù)據(jù)后做成統(tǒng)計(jì)表，再利用Minitab軟件，采用田口方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)分析，最后求出最佳過(guò)程參數(shù)解。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。由于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)是單一的且沒(méi)有重復(fù)，因此可初步利用效應(yīng)柏拉圖(見(jiàn)圖2)進(jìn)行顯著因子篩選，挑選重要效應(yīng)，然后進(jìn)行模型縮減[5]。標(biāo)準(zhǔn)化效應(yīng)柏拉圖如圖3所示。

Dimple值(μm)的效應(yīng)和系數(shù)的估計(jì)(已編碼單位)如下：

表1 田口實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果Table 1 Taguchi design and experimental results

圖2 效應(yīng)柏拉圖Figure 2 Pareto chart of the effects

圖3 標(biāo)準(zhǔn)化效應(yīng)柏拉圖Figure 3 Pareto chart of the standardized effects

(1) 線框部分P值 = 0.067 ＞0.05，是有意義的，因此納入模型分析。

(2) 修正的擬合優(yōu)度R-Sq(adj) = 95.85 %，說(shuō)明此模型能充分解釋Dimple的變異。

從殘差圖(圖4)分析可知，殘差符合正態(tài)性并且沒(méi)有明顯規(guī)律性，故該模型是合適的。

圖4 凹陷殘差圖Figure 4 Residual plots of dimple

最佳過(guò)程參數(shù)的解如圖5所示，最終得出孔徑最佳為3.5 mil，4個(gè)銅缸噴壓分別為0.8 bar、0.6 bar、0.4 bar和0.3 bar。

圖5 最佳工藝參數(shù)的求解Figure 5 Solution of optimal process parameters

3. 3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果測(cè)試

3. 3. 1 切片測(cè)試

按照上述工藝參數(shù)在該廠小批量生產(chǎn)樣品中進(jìn)行抽樣檢驗(yàn)，并統(tǒng)計(jì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3。整個(gè)實(shí)驗(yàn)利用固定的設(shè)備，通過(guò)固定的人員進(jìn)行切片和測(cè)量，確認(rèn)盲孔銅厚和Dimple值均符合規(guī)格，且銅厚均在面銅規(guī)格內(nèi)。

表3 小批量生產(chǎn)的抽樣檢驗(yàn)結(jié)果Table 3 Sample tests results of small-scale production

3. 3. 2 熱應(yīng)力試驗(yàn)

試樣置于150 °C烤箱中，4 h后取出，待其冷卻至室溫。然后置于(288 ± 5) °C的錫爐中，完全浸入錫液(10 ± 1) s，取出冷卻后再次浸錫。經(jīng)6次浸錫后取出試樣，待其冷卻，清洗干凈后做孔切片，利用金相顯微鏡觀察孔內(nèi)切片情形。圖 6是熱應(yīng)力試驗(yàn)樣品孔切片照片。從中可以看出，無(wú)爆板、孔破、孔銅斷裂、分層與分離等現(xiàn)象，說(shuō)明熱應(yīng)力測(cè)試合格。

圖6 熱應(yīng)力試驗(yàn)試樣切片F(xiàn)igure 6 Cross section of thermal stress test coupon

實(shí)踐表明，按以上方法進(jìn)行電鍍填孔參數(shù)優(yōu)化是可行的。與傳統(tǒng)填孔鍍銅工藝相比，新的鍍銅工藝可減少減薄銅工序，即新的工藝流程為：激光鉆孔─水平電鍍─垂直電鍍填孔。此外，對(duì)于不同設(shè)備、不同材質(zhì)的PCB電鍍填盲孔，均可參照上述方法優(yōu)化工藝參數(shù)。生產(chǎn)實(shí)踐中采用新工藝可降低電鍍填孔成本(包括電解溶液、銅、水電等)約15%，并縮短了產(chǎn)品生產(chǎn)周期，量產(chǎn)后5個(gè)月內(nèi)的合格率僅下降了0.7%。

4 結(jié)論

通過(guò)正交試驗(yàn)及Minitab軟件優(yōu)化了PCB盲孔電鍍工藝參數(shù)。結(jié)果顯示，最佳孔徑為3.5 mil，1 ～ 4號(hào)銅缸的噴壓分別為0.8、0.6、0.4和0.3 bar。優(yōu)化后的工藝流程為“激光鉆孔─水平電鍍─垂直電鍍填孔”，比傳統(tǒng)工藝減少了減薄銅工序。新工藝降低了電鍍填孔成本，并縮短了產(chǎn)品生產(chǎn)周期。

[1] 劉小兵, 駱玉祥. 脈沖電鍍?cè)谖⒚た滋羁咨系膽?yīng)用[J]. 印制電路信息, 2004 (7): 42-45, 59.

[2] 王洪, 楊宏強(qiáng). 微孔電鍍填孔技術(shù)在IC載板中的應(yīng)用[J]. 印制電路信息, 2005 (2): 32-36.

[3] 林金堵, 吳梅珠. PCB電鍍銅技術(shù)與發(fā)展[J]. 印制電路信息, 2009 (12): 27-32.

[4] 茆詩(shī)松, 周紀(jì)薌, 陳穎. 試驗(yàn)設(shè)計(jì) DOE [M]. 北京: 中國(guó)統(tǒng)計(jì)出版社, 2004: 33.

[5] 洪楠, 侯軍, 李志輝. MINITAB統(tǒng)計(jì)分析教程[M]. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2007: 51-53.

Parameter optimization for plating blind holes on printed circuit board by Minitab software //

ZHANG Hong*, SHI Cai-yan, XIAO Xin-ping

The process parameters for plating blind holes on printed circuit boards were optimized with Minitab software by Taguchi design method. The copper plating bath is composed of Cu2+30-45 g/L, H2SO4180-260 g/L, Cl?60-80 mg/L, and brightening agent 8-15 mL/L. The optima of blind hole diameter and the spray pressure of four copper plating tanks were determined. The copper thickness and dimple value are qualified under the optimal conditions. Consequently, the copper thinning procedure after blind hole filling is omitted, resulting in lowered cost and shortened production cycle.

printed circuit board; blind hole; electroplating; optimization; dimple

Qinhuangdao Institute of Technology, Qinhuangdao 066100, China

TQ153.14

A

1004 – 227X (2012) 03 – 0004 – 04

2011–07–29

2011–11–08

張虹（1971–），女，遼寧鞍山人，碩士，高級(jí)工程師，主要從事材料工程研究。

作者聯(lián)系方式：(E-mail) zhanghong-71@163.com。

[ 編輯：溫靖邦 ]