成品孔徑公差控制研究

樊光輝 任小浪 陳 蓓

（廣州興森快捷電路科技有限公司，廣東 廣州 510663）

（深圳市興森快捷電路科技股份有限公司，廣東 深圳 518057）

1 前言

在實(shí)現(xiàn)高速信號(hào)傳輸?shù)恼麄€(gè)系統(tǒng)中，連接器連接品質(zhì)是保證信號(hào)完整性的關(guān)鍵部位之一。在信號(hào)傳輸路徑上，如果連接器和PCB連接組件阻抗匹配不好，數(shù)字比特流將以兩倍于傳輸線長(zhǎng)度的傳輸損耗被反射到源端，直至被材料損耗盡，嚴(yán)重影響信號(hào)完整性，另外，高速連接器引腳之間的互感、寄生電容以及接觸部分的插入損耗，都加重了對(duì)信號(hào)傳輸質(zhì)量的影響。

PCB制造上，過(guò)孔品質(zhì)主要體現(xiàn)在過(guò)孔孔徑設(shè)計(jì)及孔徑公差控制上。因此研究成品孔徑公差的控制，首先針對(duì)性測(cè)試了PCB制程中各工序?qū)讖降挠绊懸?guī)律，然后再結(jié)合統(tǒng)計(jì)理論分析，界定了成品孔徑公差能力，并給出了工藝控制方法。

2 成品孔徑公差影響因素分析

從PCB制作流程來(lái)看，影響成品孔徑公差的工序主要有以下三個(gè)：鉆孔、電鍍（沉銅+板鍍+圖形電鍍）和表面處理，各工序影響因子如圖1所示。文章通過(guò)實(shí)驗(yàn)分別從以上三個(gè)方面來(lái)討論其對(duì)成品孔徑的影響。

圖1 成品孔徑影響因素魚骨圖

2.1 鉆孔

鉆孔工序影響孔徑的因素主要有理論刀徑與實(shí)測(cè)刀徑的偏差值，以及鉆孔后孔徑和刀徑的偏差值。分別選取不同刀徑（以0.35 mm、1.725 mm為例）鉆刀各50支，測(cè)量各刀徑實(shí)際值，并選取各刀徑實(shí)測(cè)值平均值上下各5支分別鉆孔，孔數(shù)1000，用顯微鏡測(cè)量孔徑值，統(tǒng)計(jì)其結(jié)果如圖2、圖3所示。

圖2 不同刀徑實(shí)測(cè)值正態(tài)分布圖

圖3 不同刀徑鉆孔后孔徑分布圖

圖2為大小刀徑實(shí)測(cè)值的正態(tài)分布圖。從圖中可以看出：大小刀徑理論值和實(shí)際值存在一定偏差，小刀徑實(shí)測(cè)值比理論值約大10 μm，標(biāo)準(zhǔn)差約2 μm，大刀徑實(shí)測(cè)值比理論值約大5 μm，標(biāo)準(zhǔn)差約2 μm，即實(shí)測(cè)刀徑比理論刀徑整體約大5 μm～10 μm。圖3為大小刀徑鉆孔后孔徑正態(tài)分布圖，圖中可以看出，孔徑比較接近刀徑值（取刀為0.36 mm時(shí)孔徑為0.362 mm，取刀為1.728 mm時(shí)孔徑為1.729 mm），整體偏差范圍約在-5 mm～5 μm，標(biāo)準(zhǔn)偏差約5 μm。

2.2 電鍍

2.2.1 均勻性和鍍通率對(duì)成品孔徑公差的影響

電鍍銅厚是影響孔徑公差的最大因素,電鍍均勻性和深鍍能力是PCB電鍍工序的兩個(gè)重要工藝指標(biāo)。當(dāng)電鍍均勻性差，且高厚徑比情形時(shí)將導(dǎo)致銅厚分布不均，直接影響著孔徑公差能力。本實(shí)驗(yàn)分別測(cè)試了經(jīng)過(guò)一次板鍍+圖形電鍍后CS和SS面鍍層銅厚，以及在不同厚徑比下深鍍能力，結(jié)果如圖4、圖5所示：從圖可以看出： CS面和SS面鍍層銅厚值均為30 μm左右，極差約為6 μm，標(biāo)準(zhǔn)差約為1.5 μm，因此整板電鍍均勻性較好，且COV約為5%，小于8%的接收標(biāo)準(zhǔn)。隨著厚徑比增大，鍍通率會(huì)逐漸減小，當(dāng)厚徑比大于12：1時(shí)，鍍通率＜70%，因此后續(xù)實(shí)驗(yàn)均只考慮厚徑比小于12：1的情形。

圖4 cs/ss面電鍍均勻性圖

圖5 不同厚徑比對(duì)鍍通率影響

2.2.2 孤立孔和密集孔對(duì)孔銅厚度影響研究

表1主要討論不同圖形區(qū)域內(nèi)孔銅厚度分布情況，可以看出：經(jīng)過(guò)整板電鍍和圖形電鍍后，密集區(qū)域鍍層銅厚為30 μm左右，極差在10 μm左右；而對(duì)于孤立區(qū)域，無(wú)論是大孔還是小孔，鍍層銅厚均達(dá)到45 μm左右，且極差達(dá)20 μm。當(dāng)圖形電鍍差異較大，主要原因?yàn)閳D形電鍍只進(jìn)行線路鍍銅，導(dǎo)致電鍍時(shí)由于電力線在分布受圖形變化影響較大，以至于電鍍時(shí)孤立位置的實(shí)際電流密度偏大，均勻性變差，導(dǎo)致孔銅厚度偏厚，極差變大。因此當(dāng)板面內(nèi)無(wú)孤立區(qū)域存在且圖形較為單一時(shí)，整板孔銅厚度均勻較好，有利于孔徑公差的控制。

2.3 表面處理

表2為通過(guò)實(shí)驗(yàn)或統(tǒng)計(jì)而得到的各種表面處理鍍層厚度，可以看出：OSP、電硬金等表面處理類型鍍層較薄，均勻性較好，無(wú)需考慮其對(duì)孔徑公差的影響；而熱風(fēng)整平錫板鍍層厚度達(dá)到30 μm，且鍍層均勻性受風(fēng)刀角度、氣壓等參數(shù)的影響較大，對(duì)孔徑公差影響不能忽略。因此文章后續(xù)將表面處理歸納為熱風(fēng)整平錫和非熱風(fēng)整平錫兩種類型來(lái)分析其對(duì)成品孔徑公差的影響。

表1 不同孤立情況孔銅厚度測(cè)試結(jié)果

表2 各表面處理鍍層控制范圍

表3 各工序?qū)讖接绊憛R總

3 統(tǒng)計(jì)分析成品孔徑公差能力

3.1 各工序能力水平匯總

通過(guò)上述實(shí)驗(yàn)分析，可以得到各工序?qū)讖接绊懸?guī)律，以及不同因素下孔徑的變化范圍，現(xiàn)將結(jié)果匯總?cè)绫?。

3.2 孔徑公差能力界定及鉆刀補(bǔ)償

從表中可以看出：以鉆刀補(bǔ)償范圍中值取刀，對(duì)于非熱風(fēng)整平錫板，當(dāng)存在孤立區(qū)域時(shí)，孔徑公差只能控制到80 μm，無(wú)孤立區(qū)域存在時(shí)，孔徑公差可以控制到50 μm內(nèi)；對(duì)于熱風(fēng)整平錫板，孔徑公差相應(yīng)的只能控制到75 μm、100 μm內(nèi)。因此不難得出孔徑公差能力控制的最優(yōu)條件，即：非熱風(fēng)整平錫板類型，電鍍要求均勻性滿足接收標(biāo)準(zhǔn)（COV＜8%），厚徑比小于12：1，且單元內(nèi)圖形均均單一，整板無(wú)孤立孔區(qū)域，鉆刀取值以補(bǔ)償范圍中值取刀。

表4 各工序?qū)讖接绊懰?/p>

表5 孔徑公差及鉆刀補(bǔ)償關(guān)系

進(jìn)一步分析，為了更加嚴(yán)格的孔徑公差要求，可以從以下幾個(gè)方面考慮加以改善：

（1）精確鉆刀補(bǔ)償值：有針對(duì)性的測(cè)試每個(gè)工序?qū)讖降挠绊?，再確定鉆刀補(bǔ)償值，減小鉆刀補(bǔ)償偏差帶來(lái)的誤差。

（2）各工序控制：鉆孔中選擇刀徑偏差較小的鉆刀，或在鉆孔前精確測(cè)量刀徑值，消除刀徑偏差帶來(lái)的誤差影響；電鍍中選擇均勻性更好的負(fù)片電鍍來(lái)代替圖形電鍍，且在文件設(shè)計(jì)前盡量避免孤立區(qū)域存在；表面處理優(yōu)選非熱風(fēng)整平錫類型，且針對(duì)不同表面處理類型選擇合適的鉆刀補(bǔ)償值。

（3）減小取刀間隔：取刀間隔是孔徑公差的重要來(lái)源之一，取刀一般作法是在一個(gè)間隔內(nèi)就近取刀，例如當(dāng)取刀間隔為50 μm，而理論補(bǔ)償后孔徑為1.33 mm，位于1.3 mm～1.35 mm范圍內(nèi)，因此通常選取1.35 mm的鉆刀來(lái)鉆孔，這里不可避免的引入了20 μm的誤差。為了減小這種取刀間隔所帶來(lái)的誤差影響，可以將取刀間隔縮小至25 μm、10 μm甚至是按補(bǔ)償后值取刀。

（4）分區(qū)或動(dòng)態(tài)補(bǔ)償：在PCB線路設(shè)計(jì)時(shí)，通常不可能只有一種刀徑或一種圖形，但隨著刀徑的增多和圖形的復(fù)雜化，必然給補(bǔ)償準(zhǔn)確性增加難度。為了減小這些因素造成的影響，可以對(duì)整板各個(gè)圖形做分區(qū)補(bǔ)償，或者對(duì)大小不同刀徑做動(dòng)態(tài)補(bǔ)償。

4 結(jié)論

文章通過(guò)討論各工序?qū)讖接绊懙囊?guī)律，利用誤差傳遞的思想界定成品孔徑公差能力，最后給出孔徑公差能力控制的最優(yōu)條件及提升孔徑公差能力的一些具體措施，為提高過(guò)孔性能提供一定的參考。

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