半孔孔口銅斷裂分析及改善

張仁軍 楊海軍 牟玉貴 胡志強(qiáng)

（四川英創(chuàng)力電子科技股份有限公司，四川 遂寧 629000）

1 背景

模塊形式的印制電路板（PCB）的需求越來越大，模塊板的運(yùn)用在減低采購成本、控制返修成本、縮短返修周期非常有優(yōu)勢。模塊面積小，功能需求多，此類PCB基本上都設(shè)計(jì)有半孔，主要是方便焊接。通常PCB加工過程中在銑外形時(shí)將孔銑掉一半，只留下半邊孔在PCB上，俗稱為半孔。

我公司在PCB出貨檢驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)型號20021808板半孔孔口拐角有輕微斷裂現(xiàn)象，做切片觀察面銅與孔銅交界處已分離，生產(chǎn)周期為2020年第4周，不良比例0.5%。根據(jù)半孔的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)及應(yīng)用，此不良對客戶的使用性能存在較大風(fēng)險(xiǎn)，為查明產(chǎn)生原因并制定相應(yīng)改善措施，公司成立專案小組，從流程設(shè)計(jì)到生產(chǎn)過程進(jìn)行分析，找出產(chǎn)生問題的真因（見圖1）。

圖1 半孔孔口拐角有斷裂

2 產(chǎn)品基本信息

2.1 產(chǎn)品特征

含半孔PCB特征見表1所示。

表1 含半孔PCB特征

2.2 生產(chǎn)流程

開料→烤板→鉆孔→水平沉銅→板電（VCP）→線路圖形→圖形電鍍→銑半孔→堿性蝕刻→AOI→阻焊→文字→成型→測試→FQC→OSP→OSP檢查→包裝入庫

3 問題排查

3.1 不良板原因分析

對半孔孔口拐角有輕微斷裂的不良板進(jìn)行切片分析，發(fā)現(xiàn)不良板孔口拐角位置銅厚偏薄，嚴(yán)重則面銅與孔銅已分離，孔壁及表面其它位置銅厚正常，所有位置銅晶格正常，同時(shí)追查該板在電鍍生產(chǎn)時(shí)間段內(nèi)的鍍銅延展性均≥21%（見圖2）。

圖2 孔口拐角銅厚

對不良板進(jìn)行全面篩查，發(fā)現(xiàn)同一個(gè)半孔槽內(nèi)只有一邊有孔口銅斷裂情況，另一邊無斷裂（見圖3a）。做切片對兩邊孔口銅厚進(jìn)行分析,對應(yīng)左邊無異常位置孔口鍍銅厚度與表面鍍銅厚度相差2 μm，右邊有輕微斷裂，孔口鍍銅厚度與表面鍍銅厚度相差10 μm，孔拐角及銅表面無藥水咬蝕或抗鍍等引起的銅面粗糙（見圖3b）。

圖3 半孔口兩邊銅厚不同

對同一異常半孔板位置旁邊的圓孔進(jìn)行不同方向切片分析，發(fā)現(xiàn)孔口銅層也呈現(xiàn)特定方向偏薄問題，與半孔的現(xiàn)象相同，但圓孔的孔拐角銅厚符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

無論是不良板的半孔孔口拐角處，還是圓孔的孔口拐角處，孔拐角的一側(cè)相對于另一側(cè)銅厚均有不同程度的損耗。銅厚相對于孔內(nèi)及相鄰表面的位置均有明顯偏薄，拐角銅表面無藥水咬蝕或抗鍍等引起的銅面粗糙，基本確定為孔口機(jī)械磨刷導(dǎo)致的損傷。

3.2 在線板排查

為避免在線其他型號半孔板也有類似問題，對在線生產(chǎn)的半孔板展開排查，結(jié)果如下：

（1）取該型號的庫存板進(jìn)行表觀檢驗(yàn)及做切片觀察孔拐角，未發(fā)現(xiàn)孔口異常及斷裂現(xiàn)象。

（2）取該型號生產(chǎn)已完成文字的在線板進(jìn)行表觀檢驗(yàn)及做切片觀察孔拐角，未發(fā)現(xiàn)孔口異常及斷裂現(xiàn)象。

（3）隨機(jī)抽取在線已完成測試及庫存其它型號的半孔板共20款，進(jìn)行表觀檢驗(yàn)及做切片觀察孔拐角，均未發(fā)現(xiàn)孔口異常及斷裂現(xiàn)象。

通過在線板排查及不良板的現(xiàn)象分析，此異常為偶發(fā)性，進(jìn)一步排除了化學(xué)藥水咬蝕過程產(chǎn)生異常的可能，基本鎖定為水平線機(jī)械損傷，根據(jù)工藝流程及鍍層結(jié)構(gòu)推斷主要在蝕刻退錫后磨板和阻焊磨板產(chǎn)生。專案小組按照不同階段及不同次數(shù)磨板進(jìn)行驗(yàn)證。

4 異常再現(xiàn)試驗(yàn)

4.1 重點(diǎn)測試工序

蝕刻退錫磨板、阻焊前處理磨板；試板數(shù)量：12 PNL（使用異常板型號20021808生產(chǎn)資料）。

4.2 試驗(yàn)步驟

試驗(yàn)板按正常流程生產(chǎn)到外層蝕刻并退錫（不磨板），退錫后及按照正常參數(shù)不同磨板次數(shù)做切片確認(rèn)半孔孔拐角銅厚變化。

4.3 試驗(yàn)方法

（1）蝕刻后退錫不開磨刷，將生產(chǎn)板上鍍錫層剝離干凈后備用。

（2）取已銑半孔位置一組孔兩邊切片分析，磨板前后分別取同PCS內(nèi)對應(yīng)一組孔，確認(rèn)孔口銅厚。

（3）分別各取1PNL板按同方向放板過退錫磨板及阻焊前處理磨板，磨板次數(shù)分別為1次、2次、3次，記錄磨板壓力、速度、方向，切片確認(rèn)半孔兩邊銅厚。

4.4 試驗(yàn)過程

（1）磨板方向及取樣位置。

（2）退錫線為兩組500#磨刷，磨痕寬度10～12 mm，磨板時(shí)正常開啟退錫藥水噴淋。

（3）阻焊前處理為三組500#磨，磨痕寬度10～12 mm，阻焊磨板正常開啟噴砂。

（4）模擬試驗(yàn)切片數(shù)據(jù)：

①不同磨板次數(shù)損耗值；

②不同階段磨板累計(jì)損耗值。

4.5 通過上述模擬試驗(yàn)數(shù)據(jù)及不同階段磨板累計(jì)損耗數(shù)據(jù)分析結(jié)果：

（1）同一塊板半孔與磨板方向不同，孔拐角的銅厚損耗也相差較大。當(dāng)半孔垂直于磨刷，左右兩個(gè)半孔的銅厚損耗在0.5 μm以內(nèi)，當(dāng)半孔平行于磨刷，左右兩個(gè)半孔的銅厚損耗相差一倍以上，半孔平行比垂直于磨刷的銅厚損耗最大相差一倍以上。

（2）正常情況下退錫磨板和阻焊磨板1次，對半孔孔拐角銅厚損耗，平行方向總損耗最大2.2 μm，垂直方向總損耗最大4.6 μm。

（3）無論是退錫磨板還是阻焊磨板，每磨一次板在都會對面銅存在較大減薄作用，減銅量約1 μm左右。

4.6 異常原因分析

切片發(fā)現(xiàn)無論是圓孔還是半孔均出現(xiàn)單邊孔口銅薄的現(xiàn)象，分析我司退錫及阻焊前處理現(xiàn)用磨刷為500#尼龍針?biāo)?。磨刷上密集尼龍刷絲在高速旋轉(zhuǎn)及與板接觸面存在一定壓力的情況下，作用在生產(chǎn)板表面銅層進(jìn)行切削，形成均勻粗糙的微觀表面。板件移動到孔垂直于磨刷時(shí)刷絲瞬間蹦直突入孔內(nèi)，板水平前進(jìn)過程中刷毛在移出孔時(shí)會對孔口固定方向的銅進(jìn)行大力切削引起銅薄。

5 結(jié)論

（1）在線板排查及不良板的現(xiàn)象分析，此異常為偶發(fā)性，同時(shí)經(jīng)過再現(xiàn)模擬試驗(yàn)，蝕刻退錫后磨板和阻焊磨板不同次數(shù)后孔拐角銅厚變薄，與不良板的現(xiàn)象類似，確定孔口斷裂為水平線磨板多次造成。

（2）查找此型號的返工記錄，該板在外層蝕刻AOI時(shí)板面有氧化，在退錫線處理板面氧化返工磨板，返工數(shù)量與不良的比例吻合，造成該不良異常主要是由退錫多次磨板造成。

（3）半孔板的半孔與磨刷方向不同對孔拐角銅厚的損耗也不相同，尤其是半孔與磨刷平行的損耗是正常磨板的一倍以上。

6 改善措施

（1）優(yōu)化工程資料設(shè)計(jì)，同方向的半孔板不允許混合排板（PCS內(nèi)四邊都有半孔除外）。

（2）根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，將蝕刻退錫后磨刷由500#調(diào)整為800#。

（3）規(guī)范半孔板蝕刻退膜和阻焊磨板的放板方向，對于PCS內(nèi)四邊都有半孔時(shí)，控制磨痕寬度在8～10 mm之間。

（4）完善并實(shí)時(shí)管控各工序返工次數(shù)、返工檢驗(yàn)項(xiàng)目要求，返工產(chǎn)品嚴(yán)格標(biāo)識區(qū)分流轉(zhuǎn)，便于追溯。

表2 磨板試驗(yàn)數(shù)據(jù)

表3 磨板累計(jì)損耗值

（5）建議客戶在半孔的焊盤上設(shè)計(jì)過孔導(dǎo)通，防止類似不良造成的品質(zhì)隱患，增加半孔導(dǎo)通的可靠性。