印制電路板制作中的孔間距分析

郭志偉 徐 杰 楊 俊

(惠州中京電子科技有限公司，廣東 惠州 516029)

0 前言

隨著HDI高密度互連技術(shù)逐步發(fā)展成熟，印制電路板（PCB）的孔密度也越來(lái)越密集，對(duì)孔間距的要求也越來(lái)越小（如圖1所示）。在同網(wǎng)絡(luò)孔設(shè)計(jì)中，由于孔邊與孔邊較近會(huì)在機(jī)械鉆孔過(guò)程中導(dǎo)致斷針或兩孔切破產(chǎn)生毛刺；在不同網(wǎng)絡(luò)的孔設(shè)計(jì)中最常出現(xiàn)的是燈芯相連導(dǎo)致內(nèi)短報(bào)廢（如圖2所示），由于此問(wèn)題存在于孔壁的內(nèi)部，只能在電路板電測(cè)工序測(cè)量電路阻值檢驗(yàn)，或者使用物理切片通過(guò)顯微鏡測(cè)量燈芯長(zhǎng)度來(lái)抽檢監(jiān)控，如果電路板裝上電器元件后出現(xiàn)銅離子遷移導(dǎo)致輕微漏電短路，從而會(huì)導(dǎo)致電器損壞造成不可估量損失。

圖1 孔間距圖示

圖2 燈芯相連圖示

1 同網(wǎng)絡(luò)孔間距的分析

1.1 同網(wǎng)絡(luò)孔間距的類(lèi)型和影響

同網(wǎng)絡(luò)相近的孔又可分為化學(xué)鍍銅孔和非化學(xué)鍍銅孔，非化學(xué)鍍銅孔（非金屬化孔）一般用于電路板制作過(guò)程中掃描定位功能或安裝電器設(shè)備時(shí)起固定作用，孔徑設(shè)計(jì)一般在0.5 mm以上；化學(xué)鍍銅孔（金屬化孔），用來(lái)連接電路板層與層之間的銅線(xiàn)路導(dǎo)通作用，孔徑設(shè)計(jì)一般在0.1 mm～0.5 mm之間，還有比零件焊接腳直徑大一些的插件孔。

無(wú)論是化學(xué)鍍銅孔還是非化學(xué)鍍銅孔如果設(shè)計(jì)孔間距較近會(huì)對(duì)機(jī)械鉆孔工序有所影響，兩個(gè)孔過(guò)近會(huì)造成鉆第二個(gè)孔時(shí)一邊方向的材質(zhì)過(guò)薄，使鉆頭受力和散熱不均，從而導(dǎo)致鉆第二個(gè)孔時(shí)斷鉆針、孔位偏移，兩個(gè)孔之間切破產(chǎn)生毛刺不良（見(jiàn)圖3所示），所以必須有一個(gè)兩孔之間的安全距離才能不會(huì)產(chǎn)生以上不良。

圖3 近孔毛刺圖

1.2 同網(wǎng)絡(luò)孔間距的安全距離分析

為了能得到合理的同網(wǎng)絡(luò)孔間距的安全距離因子，筆者根據(jù)自己多年的工作經(jīng)驗(yàn)做了試驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)步驟如下。

1.2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

大族鉆機(jī)（型號(hào)：HANS-F6M）、視頻顯微鏡（型號(hào)：HD-1080）。

1.2.2 實(shí)驗(yàn)材料

鉆頭（直徑0.25 mm、0.50 mm、1.00 mm、2.00 mm），鋁片（厚度0.16 mm），木漿板（厚度2.50 mm），F(xiàn)R-4覆銅基板（厚度1.5 mm）.

1.2.3 實(shí)驗(yàn)方法

（1）以不同直徑鉆頭與不同間距分別做鉆孔，把近孔分為兩把刀具鉆孔各做100組近孔。

（2）使用鉆孔正常參數(shù)（見(jiàn)表1、表2所示）和近孔參數(shù)生產(chǎn)（近孔進(jìn)刀速度下調(diào)50%）。

表1 鉆頭實(shí)驗(yàn)參數(shù)表

表2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和疊板結(jié)構(gòu)表

（3）鉆孔后對(duì)底板使用視頻放大鏡觀察，測(cè)量孔位和孔間距變化。

1.2.4 降低對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的誤差

對(duì)實(shí)驗(yàn)機(jī)臺(tái)保養(yǎng)后各項(xiàng)性能檢測(cè)見(jiàn)表3所示。

表3 實(shí)驗(yàn)機(jī)臺(tái)性能檢測(cè)表

1.2.5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

鉆孔后對(duì)底板進(jìn)行視頻放大鏡觀察，測(cè)量孔位和孔間距變化,以?xún)煽字g不切破、不產(chǎn)生毛刺為標(biāo)準(zhǔn)，以圖4為例，判定結(jié)果如表4所示。

圖4 鉆孔例圖

表4 同網(wǎng)絡(luò)孔間距實(shí)驗(yàn)結(jié)果表

1.2.6 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

通過(guò)以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明直徑0.25 mm鉆針孔偏移相對(duì)其他孔徑較大，只有孔間距設(shè)在0.125 mm時(shí)兩孔之間未切破，鉆頭直徑0.5 mm、1.00 mm、2.00 mm設(shè)定在0.1 mm時(shí)兩孔之間未切破，在此實(shí)驗(yàn)結(jié)果上我們就可得知，在機(jī)械鉆孔時(shí)同網(wǎng)絡(luò)孔間距要求不切破、無(wú)毛刺時(shí)，直徑0.25 mm的孔安全孔間距需要設(shè)計(jì)要大于0.125 mm。直徑0.5 mm、1.00 mm、2.00 mm的孔的安全孔間距需要設(shè)置大于0.10 mm。此為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，筆者認(rèn)為在量產(chǎn)過(guò)程中還要再加大些。

2 不同網(wǎng)絡(luò)孔間距的分析

不同網(wǎng)絡(luò)孔間距的設(shè)計(jì)難度主要是燈芯管控，從物理實(shí)驗(yàn)微切片分析得知燈芯是金屬離子沿著電路板基材的玻璃纖維絲滲入遷移導(dǎo)致，從燈芯的產(chǎn)生工序看是在鉆孔到化學(xué)鍍銅之間；從鉆孔工序分析是鉆頭刀面會(huì)隨著孔數(shù)增加而磨損，磨損后的鉆頭對(duì)孔壁有拉扯作用，導(dǎo)致孔壁纖維和孔壁樹(shù)脂產(chǎn)生裂隙，在化學(xué)鍍銅后產(chǎn)生燈芯；從化學(xué)鍍銅工序的分析化學(xué)鍍銅前除膠階段對(duì)孔壁的咬蝕有著一定的作用；但不同板材的玻璃纖維布種的結(jié)構(gòu)也不能排除，總結(jié)以上分析筆者做了表5的中三項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，為不同網(wǎng)絡(luò)孔間距的合理性提供了一些依據(jù)。

表5 實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)計(jì)表

2.1 實(shí)驗(yàn)材料

本次試驗(yàn)分別使用7628玻璃纖維布材和2116玻璃纖維布材，板厚為1.0 mm，孔徑為0.2 mm，孔間距設(shè)計(jì)為0.3 mm。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.2.1 不同鉆針的孔限對(duì)燈芯和孔間距的影響

在機(jī)械鉆孔過(guò)程中，鉆頭的孔限會(huì)直徑影響到鉆孔后的孔壁質(zhì)量，如最常見(jiàn)的孔粗、釘頭等。下面就做個(gè)實(shí)驗(yàn)，使用相同材料及相同化學(xué)鍍銅參數(shù)不同的鉆頭孔限做測(cè)試。結(jié)果如表6所示。結(jié)果顯示，在材料及其它加工參數(shù)相同的情況下，隨著鉆頭孔限的增加燈芯的長(zhǎng)度也會(huì)跟著增加，鉆頭磨損越大越不鋒利對(duì)孔壁拉扯損傷也會(huì)越嚴(yán)重，燈芯表現(xiàn)也就越明顯。因此減少鉆頭的孔限可以在一定程度上減小燈芯的長(zhǎng)度。

表6 鉆孔孔限實(shí)驗(yàn)結(jié)果表

2.2.2 化學(xué)鍍銅前的除膠對(duì)燈芯和孔間距的影響

除膠工序是為了將孔內(nèi)的膠渣清除干凈。除膠藥水主要成分為高錳酸鉀，該藥水對(duì)孔壁有強(qiáng)力的侵蝕作用。在相同的加工條件下，筆者使用相同的材料、相同的縱橫比和相同除膠溫度加工三組實(shí)驗(yàn)板，分別使用2.0 m/min、3.0 m/min、4.0 m/min的除膠速度，對(duì)比三組的燈芯大小，試驗(yàn)結(jié)果如表7所示。

表7 化學(xué)鍍銅前除膠實(shí)驗(yàn)結(jié)果表

結(jié)果顯示，在相同的材料、相同的加工條件下，除膠速度的降慢孔壁燈芯也會(huì)隨著增大，即除膠的速度與燈芯長(zhǎng)度成反比例關(guān)系，這個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明除膠速度與孔間距的設(shè)計(jì)也是一個(gè)重要的考量因素。

2.2.3 不同覆銅基板材的玻璃纖維布種對(duì)燈芯和孔間距的影響

從覆銅電路板基材廠商得知在市場(chǎng)上廣泛使用的是7628玻璃纖維布板材，其次是2116玻璃纖維布板材，接著是1080玻璃纖維布板材和106玻璃纖維布板材等，它們的區(qū)別是其厚度和單絲直徑不同。筆者使用相同的板材廠家，相同的厚度，相同的鉆孔和除膠加工條件下，分別使用7628玻璃纖維布實(shí)驗(yàn)板和2116玻璃纖維布實(shí)驗(yàn)板，化學(xué)鍍銅后切片觀察如圖5所示。從圖5的試驗(yàn)結(jié)果顯示，在其它加工條件相同的情況下，7628玻璃纖維布實(shí)驗(yàn)板要比2116玻璃纖維布實(shí)驗(yàn)板的燈芯大，那么在制作不同網(wǎng)絡(luò)孔間距較小的電路板產(chǎn)品時(shí)要注意盡量避開(kāi)7628玻璃纖維布板材。既然同網(wǎng)絡(luò)孔間距的設(shè)計(jì)燈芯是關(guān)鍵因素，那么燈芯又是沿著玻璃纖維絲延伸的銅離子而產(chǎn)生，究竟是板材品質(zhì)的不良導(dǎo)致纖維與樹(shù)脂基體間未緊密結(jié)合出現(xiàn)裂隙而產(chǎn)生燈芯？還是加工過(guò)程中條件不夠合理導(dǎo)致板材的裂紋產(chǎn)生燈芯？還需要進(jìn)一步探索。

圖5 不同玻璃纖維布板材實(shí)驗(yàn)板材

3 結(jié)論

通過(guò)以上實(shí)驗(yàn)得出：無(wú)論是同網(wǎng)絡(luò)孔和不同網(wǎng)絡(luò)孔都有必要設(shè)計(jì)孔的安全間距，同網(wǎng)孔間距設(shè)計(jì)重點(diǎn)考量的因素是鉆頭直徑，直徑越小孔間距要求越大；影響不同網(wǎng)絡(luò)孔間距的關(guān)鍵因素主要是燈芯，影響燈芯的幾個(gè)關(guān)鍵因素，分別是機(jī)械鉆孔工序的鉆頭壽命管控、化學(xué)鍍銅工序的除膠速度、板材的玻璃纖維布種選取。

筆者對(duì)于本文所討論的問(wèn)題，希望能夠?yàn)橥刑峁┮恍┙梃b，并非常歡迎與業(yè)界同行做進(jìn)一步的探討和交流。