機(jī)械控深盲孔技術(shù)開發(fā)與研究

袁繼旺 江會(huì)聰（東莞生益電子有限公司，廣東 東莞 523290）

機(jī)械控深盲孔技術(shù)開發(fā)與研究

袁繼旺 江會(huì)聰
（東莞生益電子有限公司，廣東 東莞 523290）

文章對(duì)影響機(jī)械控深盲孔的因素（層壓厚度公差、機(jī)械鉆機(jī)的深度控制能力等）進(jìn)行研究，同時(shí)對(duì)機(jī)械控深盲孔PCB的制作流程進(jìn)行平行試驗(yàn)研究；得出機(jī)械控深盲孔的制作精度，機(jī)械控深盲孔PCB的制作工藝參數(shù)，機(jī)械控深盲孔應(yīng)用的潛在失效模式，并提出一些改善建議。

機(jī)械控深；盲孔；精度；平行試驗(yàn)；潛在失效模式

1 前言

隨著電子產(chǎn)品的多功能化、小型化、輕量化的發(fā)展形勢(shì)，相應(yīng)印制線路板的布線密度和孔密度越來(lái)越高。提高印制板布線密度最有效的方法之一是減少通孔數(shù)增加盲孔數(shù)[1]。隨著客戶設(shè)計(jì)的多元化，有的提出了對(duì)孔進(jìn)行深度控制的特殊要求。機(jī)械控深盲孔PCB的品質(zhì)主要受鉆機(jī)的深度控制精度、PCB板介質(zhì)層厚度公差以及盲孔深鍍能力（電鍍及化學(xué)沉金）的影響，本文就是對(duì)影響機(jī)械控深盲孔PCB品質(zhì)的各個(gè)因素進(jìn)行了試驗(yàn)分析與總結(jié)。

2 盲孔技術(shù)發(fā)展概述

1990年日本IBM的Yasu工廠的PCB部門推出SLC 技術(shù)（Sequence Laminar Circuit順序?qū)訅弘娐罚┮院?，盲孔技術(shù)迅速成為業(yè)界的關(guān)注點(diǎn)。后來(lái)，日本松下開發(fā)了ALIVH工藝（Any Layer Inner Via Hole，任意層內(nèi)互連孔技術(shù)），東芝開發(fā)了B2it工藝（Buried Bump Interconnection Technology埋入凸塊焊點(diǎn)互連技術(shù)）。Ibiden開發(fā)了FVSS（Free Via Stacked Up Structure任意堆疊導(dǎo)通孔結(jié)構(gòu)）工藝，North Print 開發(fā)了NMBI工藝（Neo-Manhattan Bump Interconnection新曼哈頓埋入凸塊）工藝[2]-[4]。

目前大多數(shù)PCB廠家采用傳統(tǒng)的順序?qū)訅悍ǎ⊿LC）制作多階盲孔，此種方法需要多次的鉆孔、圖形轉(zhuǎn)移、電鍍和層壓等流程。流程長(zhǎng)，其間尺寸控制和誤差的累計(jì)轉(zhuǎn)移，為該類型板件生產(chǎn)控制的難點(diǎn)。

3 機(jī)械控深盲孔工藝簡(jiǎn)介

此工藝是利用具備盲孔加工功能的鉆機(jī)，在鉆孔過程中，控制機(jī)械鉆孔的深度，達(dá)到加工連接任意層盲孔的目的，且是一次層壓制作，具有流程短，可以更好控制尺寸和誤差等優(yōu)點(diǎn)。盲孔制作如圖1。

圖1 機(jī)械盲孔制作

3.1 機(jī)械鉆機(jī)控制深度鉆孔原理

3.1.1 機(jī)械接觸式原理

鉆機(jī)每個(gè)Z軸的壓腳上都有一把光尺，當(dāng)壓腳接觸板面向上移動(dòng)時(shí)，光尺能準(zhǔn)確的計(jì)算距離，即參數(shù)中的Z-offset，每個(gè)軸在測(cè)刀的過程中都能單獨(dú)準(zhǔn)確的計(jì)算出距離A，因此軸頭下鉆的距離即為A+Z-offset，如圖2。

圖2 機(jī)械接觸式原理

此類型鉆機(jī)的深度控制精度較低，供應(yīng)商承諾此類型鉆機(jī)的盲孔精度在±50 μm范圍內(nèi)。

3.1.2 高頻電子感應(yīng)原理

主軸和線路板表面通過測(cè)量單元實(shí)現(xiàn)電氣連接。當(dāng)主軸鉆刀和PCB表面的銅皮或其他導(dǎo)電材料接觸，測(cè)量單元檢測(cè)到鉆尖同PCB表面的接觸信號(hào)，將信號(hào)反饋給Z軸伺服系統(tǒng)，并從此計(jì)算鉆孔深度，如圖3。

圖3 高頻電子感應(yīng)原理

高頻電子感應(yīng)原理鉆機(jī)，其加工精度較高，盲孔精度在±15 μm范圍內(nèi)。鑒于高頻電子感應(yīng)原理鉆機(jī)的精度較高，后續(xù)試驗(yàn)均采用此類鉆機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

4 影響機(jī)械控深盲孔PCB品質(zhì)的主要因素

（1）層壓介質(zhì)厚度公差；

（2）機(jī)械鉆機(jī)的深度控制能力；

（3）盲孔的電鍍深鍍能力；

（4）AR值＞1盲孔的沉金效果。

4.1 層壓介質(zhì)厚度公差

影響層壓介質(zhì)厚度公差的主要因素有來(lái)料厚度公差、疊層結(jié)構(gòu)、內(nèi)層板的銅厚及殘銅率、牛皮紙數(shù)量、升溫速率、分離板的平整度等。生產(chǎn)過程中在疊層結(jié)構(gòu)、內(nèi)層板的銅厚及殘銅率既定的條件下，來(lái)料公差、牛皮紙、升溫速率及分離板的平整度應(yīng)注意控制。

4.2 機(jī)械鉆機(jī)的深鍍控制能力

機(jī)械鉆機(jī)的深鍍控制能力的首要影響因素是鉆機(jī)自身的精度，其次是鉆刀的電阻大小、鉆刀刀尖上的粉塵與銅絲等容易導(dǎo)致鉆機(jī)報(bào)警而影響鉆孔深度控制精度。因此生產(chǎn)時(shí)需注意選擇合適的鉆孔參數(shù)與控制鉆刀的質(zhì)量，在機(jī)械盲孔工藝中建議使用鎢鋼一體的鉆刀，因?yàn)榇朔N鉆刀的電阻較不銹鋼柄鉆刀的電阻??；同時(shí)應(yīng)在印制板上添加蓋板，因?yàn)檫@樣有利于清潔鉆刀刀尖上的粉塵和銅絲，有利于提高機(jī)械控深鉆盲孔的精度。

4.3 盲孔的電鍍深鍍能力

電極反應(yīng)過程本質(zhì)上是一個(gè)界面過程，電極/溶液界面的特性（主鹽濃度、電流大小、pH值、添加劑類型及濃度等等）對(duì)界面電子轉(zhuǎn)移有決定性的影響。因此機(jī)械盲孔電鍍工藝生產(chǎn)時(shí)建議選擇小電流密度，控制好主鹽、添加劑的濃度，同時(shí)確保搖擺、電振、氣振及攪拌系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

4.4 AR（厚經(jīng)比）值＞1盲孔的沉金效果

化學(xué)沉鎳金實(shí)質(zhì)上是一個(gè)化學(xué)置換反應(yīng)的過程，反應(yīng)物濃度、pH值、絡(luò)合物濃度、以及設(shè)備的震動(dòng)、攪拌功能等因素是影響其反應(yīng)速率的主要因素，因此在生產(chǎn)過程要注意控制。

5 試驗(yàn)方法

（1）材料：S1000-2（三級(jí)公差）。

（2）試驗(yàn)設(shè)備：各條生產(chǎn)線、金相顯微鏡、三維測(cè)量?jī)x、回流焊測(cè)試機(jī)、溫濕測(cè)試儀等。

（3）試驗(yàn)方法。

①印制板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

②流程設(shè)計(jì)。

采用酸性蝕刻減成法制作，關(guān)鍵的流程的參數(shù)如表2，試驗(yàn)流程如下：

開料→內(nèi)層干膜→內(nèi)層沖孔→ 棕化→層壓→銑板邊→減薄銅→鉆孔→背鉆盲孔→烘板→去鉆污→沉銅→外層干膜→內(nèi)層蝕刻→光板電測(cè)→AOI→外層檢板→阻焊*→沉金→字符→編號(hào)→二鉆→銑板→v槽→電子測(cè)試→可靠性測(cè)試。

圖4 試板結(jié)構(gòu)圖

③試驗(yàn)內(nèi)容

（A）層壓介質(zhì)厚度公差

取L1-2L10-9、L1-3L10-8、L1-4L10-7、L1-5 L10-6八種不同連接層各取24個(gè)樣，切片后在顯微鏡下讀取各連接層之間的介質(zhì)厚度，介質(zhì)厚度＝各層樹脂介質(zhì)厚度＋各層銅皮厚度，評(píng)估當(dāng)Cp=1.0時(shí)的層壓厚度控制精度，然后按照理論厚度±10%計(jì)算Cp，評(píng)估其介厚均勻性；

表1 盲孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

表2 關(guān)鍵流程參數(shù)

（B）機(jī)械鉆機(jī)的深度控制能力

取L1-2、L1-3、L1-4、L1-5四種不同深度的機(jī)械盲孔，每類盲孔取25個(gè)樣，切片后在顯微鏡下讀取實(shí)際鉆孔深度，評(píng)估當(dāng)Cp=1.0時(shí)的鉆孔精度，然后按0.03 mm的公差計(jì)算出L1-2、L1-3、L1-4、L1-5實(shí)際鉆孔深度Cp，評(píng)估其鉆孔穩(wěn)定性；

（C）盲孔的電鍍深鍍能力

深鍍能力讀數(shù)方法采用最小點(diǎn)法，即讀取孔壁單點(diǎn)銅厚最薄值C與電鍍的面銅厚度A、B之平均值進(jìn)行比較，公式如下，具體如圖5示，工藝條件見表3。

圖5 深鍍能力取數(shù)

（D）AR值＞1盲孔的沉金效果

當(dāng)設(shè)備自動(dòng)震動(dòng)完結(jié)后，手動(dòng)震動(dòng)、搖擺飛巴1 min左右，以增強(qiáng)板件在金缸震動(dòng)、搖擺效果，然后對(duì)單元內(nèi)盲孔進(jìn)行全檢，觀察盲孔沉金效果。

（E）可靠性測(cè)試

可靠性測(cè)試方法及接受標(biāo)準(zhǔn)如表4示。

表3 電鍍工藝條件統(tǒng)計(jì)表

表4 可靠性測(cè)試方法及接受標(biāo)準(zhǔn)

6 過程與討論

6.1 層壓介質(zhì)厚度公差試驗(yàn)

層壓介質(zhì)厚度公差試驗(yàn)結(jié)果如表5，各層Cp≥1.33，說明各層介質(zhì)厚度較為均勻。

表5 層壓介質(zhì)厚度均勻性統(tǒng)計(jì)表（按照理論厚度±10%計(jì)算Cp）

從測(cè)試結(jié)果得出

（1）Cp按1.0控制時(shí)，L1-2L10-9、L1-3L10-8、L1-4L10-7、L1-5L10-6八種介質(zhì)層厚度的控制精度分別為±5.59 μm/7.11 μm、±6.10 μm/7.11 μm、± 10.16 μm/11.68 μm、±14.73 μm/18.29 μm。

（2）介質(zhì)厚度普遍較理論厚度偏厚，各層介質(zhì)厚度較為均勻，按照理論厚度±10%計(jì)算各層Cp＞1.33。

6.2 機(jī)械鉆機(jī)的深度控制能力試驗(yàn)

機(jī)械鉆機(jī)的深度控制能力試驗(yàn)結(jié)果如表6，機(jī)械盲孔深度控制Cp≥1.33，說明鉆機(jī)的深度控制精度較高，L1-2、L1-3、L1-4、L1-5四種盲孔深度控制得較為均勻。

從結(jié)果可以看出

（1）鉆機(jī)的深度控制精度較高，四種鉆孔深度均可控制在±0.025 mm內(nèi)，如果CP按1.0計(jì)算，L1-2、L1-3、L1-4、L1-5的控制精度可分別達(dá)到± 18.03 μm、±15.82 μm、±14.12 μm、±20.50 μm。

（2）如果各層鉆孔深度按照0.03 mm的公差計(jì)算，L1-2、L1-3、L1-4、L1-5的Cp＞1.33。

6.3 鉆孔深度設(shè)定

根據(jù)6.1及6.2的測(cè)試結(jié)果，代入公式，鉆孔深度設(shè)定D=介質(zhì)厚度+安全距離+公差余量；公差余量2=鉆機(jī)精度公差2+層壓厚度均勻性公差2；安全距離=tan25*鉆刀半徑*70%，或=tan10*鉆刀半徑*70%（本試驗(yàn)取安全距離為0.038 mm）；若（安全距離+公差余量）×2＞底部介質(zhì)厚度，則容易出現(xiàn)短路風(fēng)險(xiǎn)；若（安全距離+公差余量）×2＜底部介質(zhì)厚度，理論上可避免短路風(fēng)險(xiǎn)，具體如圖6示，鉆孔深度設(shè)定統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表7。

圖6 深度設(shè)定

表6 控深盲孔鉆孔深度精度統(tǒng)計(jì)表

表7 鉆孔深度設(shè)定統(tǒng)計(jì)表

從上表看，四種深度的機(jī)械盲孔，其公差余量與安全距離之和都大于0.05 mm，理論上分析對(duì)于底部介質(zhì)厚度為0.075 mm的盲孔容易出現(xiàn)短路風(fēng)險(xiǎn)，底部介質(zhì)厚度大于（包括）0.127 mm的盲孔可以安全生產(chǎn)。

6.4 盲孔的電鍍深鍍能力試驗(yàn)

深鍍能力對(duì)比結(jié)果如圖7示，盲孔切片如表8示。

從結(jié)果可以看出：

（1）在上述工藝條件下，直流電鍍的深鍍能力表現(xiàn)較為優(yōu)秀；AR=0.55時(shí)，深鍍能力95%以上，AR=1時(shí)，深鍍能力在50%左右，AR=1.7時(shí)，深鍍能力在30%左右。

（2）從電鍍效率上來(lái)說，不建議設(shè)計(jì)時(shí)采用AR值大于的1的盲孔。

圖7 不同電鍍工藝的各類盲孔深鍍能力比較圖

表8 盲孔切片照片

6.5 AR值＞1盲孔的沉金效果試驗(yàn)

增強(qiáng)金缸震動(dòng)、搖擺效果后，AR＞1的盲孔容易出現(xiàn)漏沉金，具體見表9。

表9 控深盲孔AR值＞1盲孔的沉金效果結(jié)果

從試驗(yàn)結(jié)果得出，沉金線生產(chǎn)AR＞1的盲孔容易出現(xiàn)藥水交換不良，導(dǎo)致漏沉金。

6.6 可靠性測(cè)試試驗(yàn)

（1）熱應(yīng)力測(cè)試

內(nèi)層銅與電鍍銅之間無(wú)裂縫；具體見圖8。

圖8 熱應(yīng)力測(cè)試照片

（2）回流焊測(cè)試

表面阻焊無(wú)剝離，無(wú)變色，無(wú)變形，回流后電阻變化率小于10%。回流后電阻變化率結(jié)果見表10。

（3）Hi-Pot測(cè)試

表10 回流焊前后電阻變化率

無(wú)擊穿，無(wú)火花，具體數(shù)據(jù)見表11、表12。

（4）濕熱電阻測(cè)試

濕熱絕緣電阻測(cè)試前后進(jìn)行介質(zhì)耐電壓測(cè)試無(wú)飛弧或擊穿。（測(cè)試條件：500±105V，保持30 s）

（5）熱沖擊測(cè)試

熱沖擊前后進(jìn)行電阻測(cè)試，電阻變化率小于10%，具體結(jié)果見表13。

7 結(jié)論

（1）各層公差余量與安全距離之和大于0.05 mm，因此理論上分析對(duì)于底部介質(zhì)厚度為0.075 mm的盲孔容易出現(xiàn)短路風(fēng)險(xiǎn)，底部介質(zhì)厚度不小于 的盲孔可以生產(chǎn)。

（2）AR＞1的盲孔在濕流程中容易出現(xiàn)藥水交換不良，導(dǎo)致深鍍能力不足或漏沉金，建議機(jī)械盲孔的AR值＜1。

表11 100V電壓

表12 500v電壓

表13 熱沖擊前后進(jìn)行電阻測(cè)試結(jié)果

（3）成功開發(fā)機(jī)械控深盲孔工藝，制作的產(chǎn)品完全滿足可靠性需求。

[1]楊宏強(qiáng),王洪,駱玉祥. 多階盲孔板制作中的關(guān)鍵技術(shù)研究[J]. 印制電路資訊,2007,(6).

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[3]龔永林. 一次壓合積層法印制板制造技術(shù)[J]. 印制電路信息,2003(4).

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Study on the technology of the controlled depth drill micro-via of the Printed Circuit Board

YUAN Ji-wang JIANG Hui-cong

In this paper, it studies on the accuracy factor(ML & Controlled depth drill) of controlled depth drill Micro-via, and studies on the manufacture processing of controlled depth drill Micro-via. It works out the accuracy of the controlled depth drill and the parameter of the manufacture process, and checks FMEA up, meanwhile makes some suggestion for FMEA.

Controlled Depth Drill; Micro-Via; Accuracy; Contrasting Exam; Potential Failure Mode and Effects Analysis

TN41

A

1009-0096（2014）08-0039-08