LED用印制板控深孔的深度控制異常分析

余小豐 郭志偉 趙 強(qiáng) 徐 杰

（惠州中京電子科技有限公司，廣東 惠州 516029）

0 前言

LED（發(fā)光二極管）顯示屏在顯示屏領(lǐng)域逐漸走向主流化，而大部分LED顯示屏的印制電路板（PCB）都設(shè)計有控深盲孔來實現(xiàn)對屏幕的拼接組裝，控深孔一般深度公差要求±0.1 mm，也有因PCB厚度較薄深度公差要求±0.05 mm?？厣羁坠に囎畛３霈F(xiàn)的問題點是鉆孔深度超出公差范圍，目前常用的檢測方法就是使用深度規(guī)和切片測量。LED板如在機(jī)械加工過程中出現(xiàn)鉆深超下限范圍，會因為鉆到下一層銅箔或鉆穿板而無法補(bǔ)救，直接導(dǎo)致報廢。由于控深鉆孔在PCB制程的最后幾道工序，所以一旦出現(xiàn)鉆深報廢造成的損失也是較大的。

而孔鉆淺了往往是在終端客戶插件時才能發(fā)現(xiàn)，對問題追溯處理難度也很大，所以找到控深孔深度異常的原因有著重大的意義。

1 控深孔的定義和原理

控深孔的作用是讓外層與任意內(nèi)層連接或切斷電路，或應(yīng)用于零件的安裝?？厣羁椎姆诸惏ǎ罕炽@孔、錐形沉頭孔、階梯孔、控深盲孔等（如圖1所示）。它們都是依靠下鉆時鉆頭的鉆尖接觸基板的覆銅面或鋁片時產(chǎn)生一個微電流信號，以此信號為零點基準(zhǔn)向下鉆孔，并利用蘑菇頭連接零伏電壓接地，再依據(jù)設(shè)定的下鉆深度值進(jìn)行計算下鉆深度，在達(dá)到下鉆深度位置時停止下來，完成控深鉆孔。目前最常用的是這種具有控深鉆孔功能的數(shù)控鉆孔機(jī)，都配置有控深模組，控深精度也較高。普通數(shù)控鉆孔機(jī)也是可以鉆控深孔的，它是以鉆孔機(jī)臺面為零點，通過計算板厚和所需控深深度來完成，因受鉆孔機(jī)臺面平整度、下鉆深度誤差、輔助物料（墊板鋁片）厚度均勻性的影響，控深精度較差。

圖1 控深孔的類型解析表

不同的鉆孔機(jī)型鉆控深孔原理基本相同，但所使用的鉆孔程式指令有所不同。例如常用的大族84系統(tǒng)所識別的啟動控深指令是M18，Schmoll鉆孔機(jī)所識別的控深鉆指令是M08。表1列出了幾種鉆孔程式對比。

表1 不同鉆孔機(jī)型所使用鉆孔程式示例表

2 影響控深孔精度的原因分析

2.1 控深孔鉆深超公差異常分析

2.1.1 鉆孔流程異常分析和改善

2021年12月我廠生產(chǎn)現(xiàn)場反饋：一款拼接LED屏幕系列PCB樣品首件發(fā)現(xiàn)臺階孔深度超公差上限。要求孔深度（1.2±0.1）mm，經(jīng)過對此批板的數(shù)據(jù)測量得知：實測控深孔最大深度值1.59 mm，嚴(yán)重超公差（如表2所示），以單塊計算不良率100%，要求鉆孔站別分析原因并改善。

表2 控深臺階孔超公差測量數(shù)據(jù)表（單位：mm）

經(jīng)確認(rèn)此臺階孔的上孔徑為Φ4.1 mm，下孔徑為Φ2.1 mm。經(jīng)檢查流程發(fā)現(xiàn)此臺階孔是先鉆Φ2.1 mm通孔，再到二鉆流程進(jìn)行鉆Φ4.1 mm控深孔如圖2（a）所示。分析認(rèn)為因兩次鉆孔坐標(biāo)位置相同，當(dāng)Φ4.1 mm孔徑下鉆時鉆尖接觸的鋁片下面為空洞狀態(tài)，鉆尖壓到鋁片時鋁片會下陷，導(dǎo)致鉆尖觸發(fā)鋁片時會發(fā)生信號傳至系統(tǒng)時間延遲，而此時鉆頭仍是在下鉆動作，這種時間差會造成深度偏深狀況，且下鉆速度越快深度偏差越深，偏深的誤差也相對會更大。

為改善鋁片下面空洞問題，為使鉆尖接觸到鋁片時不會因鉆尖壓空造成導(dǎo)電計算深度延遲，制定了優(yōu)化流程措施：（1）將Φ4.1 mm臺階控深孔先鉆；（2）再使用第七象限從背面鉆臺階孔的通孔如圖2（b）所示。經(jīng)優(yōu)化臺階孔的鉆孔流程后，再抽取板件進(jìn)行切片測量控深孔的深度確認(rèn)。測量結(jié)果如表3所示。從表3得出數(shù)據(jù)：極差下限為1.16 mm，上限為1.25 mm，滿足1.2±0.1 mm的標(biāo)準(zhǔn)，說明臺階孔超公差是鉆孔流程的原因?qū)е?，?jīng)改善鉆孔流程后再沒有出現(xiàn)此臺階孔深度超公差現(xiàn)象。

表3 優(yōu)化后鉆孔流程后控深臺階孔公差測量數(shù)據(jù)表（單位：mm）

圖2 控深孔的鉆孔步驟圖

2.1.2 鉆孔機(jī)蘑菇頭導(dǎo)電性能差造成控深孔深異常分析

引用《論語》中的一句話：工欲善其事，必先利其器。設(shè)備的好壞與產(chǎn)品品質(zhì)有著關(guān)鍵性的因素，在鉆控深盲孔時由于鉆孔機(jī)蘑菇頭老化和蘑菇頭氣缸磨損也會造成導(dǎo)電接觸不良，如圖3（a）所示。導(dǎo)致出現(xiàn)控深盲孔鉆得過深或鉆穿現(xiàn)象。因此，鉆孔機(jī)除了按時保養(yǎng)維護(hù)外，首先培訓(xùn)操作員平時發(fā)現(xiàn)有蘑菇頭磨損或固定螺絲松動時應(yīng)及時反饋設(shè)備部門處理，其次應(yīng)在蘑菇頭上增加一條電阻值較小的接地導(dǎo)線，通過導(dǎo)線來減少因蘑菇頭老化或蘑菇頭氣缸接地導(dǎo)電不良問題如圖3（b）所示。經(jīng)過以上改善后，跟進(jìn)一段時間，產(chǎn)線未反饋因蘑菇頭問題導(dǎo)致控深孔鉆穿和鉆深現(xiàn)象。

圖3 鉆孔機(jī)導(dǎo)電蘑菇頭圖

2.2 控深孔鉆淺超公差異常分析

2.2.1 鉆頭尖高度對控深深度的影響與自動化計算的分析

控深盲孔最常用的作業(yè)方式是以工程部提供的作業(yè)圖紙（如圖4所示）要求，在鉆孔程式里面手動加入控深鉆指令和深度值，深度值以鉆孔機(jī)控深深度設(shè)定公式計算（控深值＝標(biāo)準(zhǔn)值＋鉆尖高度＋鋁片厚度），而鉆尖高度則以工作經(jīng)驗值進(jìn)行計算。然后進(jìn)行首件切片確認(rèn)，如不合格再依切片測量值進(jìn)行補(bǔ)償修正，這樣不僅會增加首件測量次數(shù)的成本，也會有人為疏忽造成的輸入錯誤風(fēng)險，這就需要我們對生產(chǎn)方式進(jìn)行優(yōu)化。

圖4 控深盲孔示意圖

業(yè)界常用的鉆頭鉆尖角度有130°、150°、165°（如表4所示），由于鉆尖角度和鉆頭直徑的不同，鉆頭的鉆尖高度也不同。通?？厣蠲た椎纳疃纫笫遣缓@尖高度的，而鉆孔機(jī)是以鉆尖接觸到鋁片或基板的銅箔開始計算深度的，鉆孔機(jī)控深值＝標(biāo)準(zhǔn)值＋鉆尖高度＋鋁片厚度，客戶的要求標(biāo)準(zhǔn)值和鋁片厚度是固定值不用計算，那么鉆尖高度怎么算呢？平面看鉆尖為一個等腰三角型，已知鉆尖角度和寬度，求高度。鉆尖高度＝×d 直徑/tan×鉆尖角度，，計算結(jié)果見表4所示。

從表4數(shù)據(jù)得知相同的鉆尖角度，直徑越大鉆尖高度也就越大，呈正比例關(guān)系；相同的直徑，鉆尖角度越大得到的鉆尖高度就越小，成反比例關(guān)系。如果因覆銅板介質(zhì)層偏薄或厚度公差的因素，較難控制鉆尖傷到盲孔的底層銅或鉆穿，所以我們要優(yōu)先選用鉆尖高度小的鉆頭，具體建議如表4所示，直徑在Φ2.1 mm～Φ3.15 mm槽孔要使用特制165°鉆尖角的鉆頭。知道了鉆尖角的使用規(guī)則，依鉆孔機(jī)控深孔的深度計算公式就可以得知其較精確的深度值，就會大大改善首件良率，減少了重覆首件確認(rèn)的成本。在鉆控深孔過程中每個規(guī)格的鉆頭都要操作員進(jìn)行計算其深度值也是挺麻煩的，很容易因計算或輸入失誤導(dǎo)致深度不良，為此建議：提前把每種規(guī)格的鉆頭使用的鉆尖高度計算好，用控深盲孔深度設(shè)定公式，由工程人員導(dǎo)入工程軟件腳本內(nèi)，輸出控深盲孔鉆孔資料時直接帶出鉆孔機(jī)控深深度值和相關(guān)參數(shù)。鉆孔操作員工使用控深孔鉆孔資料時就省去了計算鉆尖角和計算鉆孔機(jī)的控深深度值事項，直接做首件確認(rèn)就可以了。此設(shè)計需要注意的是必須固定鉆尖高度和鉆孔機(jī)的機(jī)型，特別適用LED板的機(jī)械控深盲孔。

表4 不同鉆頭的鉆尖高度表

2.2.2 其他因素對控深鉆淺的影響分析

在日常工作中總會遇到一些看似不可能發(fā)生的小問題，在生產(chǎn)過程中如果能提前發(fā)現(xiàn)和預(yù)防也可以減少很多控深孔鉆淺不良的發(fā)生，筆者簡單列舉以下幾項常見的發(fā)生因素。

（1）控深鉆時員工操作失誤使用了兩張鋁片，鉆頭尖提前接觸到鋁片一定會導(dǎo)致鉆淺不良；（2）所用鋁片有折皺不平，當(dāng)鉆到鋁片的高位時也會導(dǎo)致鉆尖提前接觸鋁片，造成鉆孔機(jī)提前計算深度產(chǎn)生鉆淺不良；（3）鉆頭纏絲后帶的絲（鋁絲或銅絲）提前接觸鋁片，造成鉆孔機(jī)提前計算深度產(chǎn)生鉆淺不良；（4）鉆孔時鋁片下有雜物使鋁片凸起，導(dǎo)致鉆尖提前接觸鋁片造成鉆孔機(jī)提前計算深度產(chǎn)生鉆淺不良；（5）鉆孔機(jī)的LODI和SUTO值設(shè)置不合理，導(dǎo)致鉆孔機(jī)誤判深度，造成鉆深或鉆淺。

3 結(jié)語

文章重點分析討論了LED板鉆控深孔時，因流程問題或鉆孔機(jī)蘑菇類導(dǎo)電性能問題導(dǎo)致鉆深超公差的原因和優(yōu)化方案，改善后其控深精度和穩(wěn)定性得到明顯的提升。通過對鉆尖高度的計算，使控深度值的精度得到提升，并提出以工程軟件腳本設(shè)計，使用其自動化導(dǎo)出合理鉆機(jī)所需的深度值，從而減少了人員繁瑣計算以及輸入帶來的失誤，生產(chǎn)效率也相繼得到了提高。

以上分析難免有所不足之處，希望同行給予批評斧正，同時也希望能為行業(yè)的發(fā)展盡一點自己的綿薄之力。