PCB板邊插頭前端斜坡?tīng)畹闹谱鞣椒?/h1>
2023-06-28 13:04:54羅家偉鄧林鳳曹小冰
印制電路信息 2023年6期
羅家偉 黃 力 鄧林鳳 曹小冰
（珠海方正科技高密電子有限公司，廣東 珠海 510310）
0 引言
印制電路板（printed circuit board，PCB）的板邊插頭（edge-board contact）用于插入連接器卡槽，實(shí)現(xiàn)PCB與外部連接。由于一排插頭如手指形狀，又是表面鍍金，因此被稱為金手指（gold finger）。
一款有金手指插頭設(shè)計(jì)的PCB 必然存在對(duì)外連接插拔的問(wèn)題。正常情況下，為了能實(shí)現(xiàn)快速與連接器插拔，金手指前端基材均有斜邊（倒角）。一般金手指銅厚及電鍍鎳金厚度總和＞40 μm，最高可達(dá)＞70 μm。金手指與基材之間存在一個(gè)臺(tái)階，會(huì)影響同連接器簧片的插拔與配合［1］，插拔的同時(shí)加劇金手指的磨損，并影響連接器簧片工作的壽命，如圖1所示。
圖1 PCB金手指與連接器的配合
為了降低金手指銅厚與基材之間的高度差，盡可能減少金手指前端同連接器簧片的插拔與配合時(shí)的磨損。本文從實(shí)際生產(chǎn)案列出發(fā)，介紹一種金手指前端（0.3±0.1）mm 區(qū)域呈斜坡?tīng)铍A梯銅的設(shè)計(jì)，就其制作工藝原理、生產(chǎn)難點(diǎn)及改善措施等進(jìn)行闡述，如圖2所示。
圖2 金手指前端區(qū)域銅呈斜坡?tīng)?/p>
1 制作流程
1.1 產(chǎn)品制作特點(diǎn)
產(chǎn)品基本信息見(jiàn)表1，前端呈斜坡?tīng)罱鹗种赋善沸Ч鐖D3所示。
表1 產(chǎn)品基本信息
圖3 PCB金手指前端成品圖片
1.2 制作工藝流程
流程設(shè)計(jì)：前工序（壓合）→機(jī)械鉆孔→一次銑→金屬化孔（plating through hole，PTH）沉銅→整板鍍銅→真空樹(shù)脂塞孔→樹(shù)脂研磨→PTH沉銅→填孔覆蓋電鍍（plating over filled via，POFV）鍍銅→外層圖形（減銅圖形）→減銅→去膜→外層圖形→圖形電鍍（只鍍錫不鍍銅）→二次銑（制作PTH 半孔）→堿性蝕刻→外層自動(dòng)化光學(xué)檢測(cè)（automated optical inspection，AOI）→絲印阻焊→絲印字符→后固化→沉鎳金→插頭鍍金→（成型）后工序。
1.3 制作難點(diǎn)分析
本成品主要特點(diǎn)是分級(jí)金手指、階梯銅（極差≥40 μm）、PTH 槽減銅、POFV 工藝、金手指寬度精度控制等。具體制作難點(diǎn)及解決方案見(jiàn)表2。
表2 產(chǎn)品制作難點(diǎn)及解決方案
2 制作過(guò)程管控
2.1 電鍍銅厚均勻性控制
PCB 制作過(guò)程中，板面鍍銅均勻性好壞直接影響后續(xù)精細(xì)線路的制作與形成［2］。同時(shí)金手指前端斜坡?tīng)顓^(qū)域成品銅厚≤15 μm；如果銅厚均勻性差或極差過(guò)大，會(huì)導(dǎo)致減銅時(shí)局部區(qū)域銅厚＞15 μm，造成有些區(qū)域露出基材，無(wú)法滿足品質(zhì)要求，導(dǎo)致報(bào)廢。因此，控制好成品銅厚均勻性成為此板的重中之重。電鍍后采用銅厚測(cè)量?jī)x按6 格×6 格方式收集成品銅厚，成品銅厚測(cè)量統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表3。由表3 可知，整體銅厚60.73～73.51 μm；均值67.12 μm；極差12.78 μm。為了進(jìn)一步了解此次產(chǎn)品銅厚分布情況，對(duì)比分析收集的兩面次銅厚數(shù)據(jù)的平均值，以檢驗(yàn)銅厚平均值是否存在差異，為后工序減銅及蝕刻提供重要依據(jù)。
表3 金手指成品銅厚測(cè)量統(tǒng)計(jì) 單位/μm
通過(guò)單因子方差分析（置信區(qū)間95%），元件面銅厚范圍65.14～65.78 μm；焊接面銅厚范圍68.46～69.10 μm。方差分析區(qū)間置信區(qū)間95%，整體銅厚分布范圍66.84～67.41 μm。
直方圖分析如圖4 所示。其電鍍均勻性變化系數(shù)（coefficient of variation，COV）=標(biāo)準(zhǔn)偏差/平均值×100%=2.744/67.12×100%=4.09%。
圖4 整體銅厚直方圖
2.2 金手指前端呈斜坡?tīng)羁刂?/h3>
據(jù)金手指前端呈斜坡?tīng)钪谱骼碚?，整板鍍最小銅厚，金手指前端通過(guò)蝕刻減銅方式，最終實(shí)現(xiàn)金手指前端區(qū)域銅呈階梯斜坡?tīng)钚Ч?/p>
2.2.1 區(qū)域銅厚控制
采用浸泡式減銅，每次減銅后實(shí)測(cè)銅厚調(diào)整減銅量。每次減銅量需＜15 μm，多次減銅每次需更換面次，以保證減銅均勻性。后續(xù)流程阻焊超粗化處理、沉鎳金前微蝕等銅厚損耗，減銅后此區(qū)域銅厚按7～16 μm 控制即可。最終減銅區(qū)域的成品微切片抽測(cè)銅厚為7.80～14.58 μm，滿足品質(zhì)要求。具體數(shù)據(jù)見(jiàn)表4。
表4 減銅后金手指前端呈斜坡?tīng)顓^(qū)域銅厚
2.2.2 金手指前端呈斜坡?tīng)铋L(zhǎng)度控制
如圖5所示，金手指長(zhǎng)L，其中關(guān)鍵區(qū)域A=3/5L，非關(guān)鍵區(qū)域B=C=1/5L，非關(guān)鍵區(qū)域中B區(qū)較C區(qū)重要一些。
圖5 金手指關(guān)鍵區(qū)域分布
金手指前端制作呈斜坡?tīng)铍A梯銅，其區(qū)域長(zhǎng)度不能超過(guò)金手指長(zhǎng)度的1/5，也不能改變金手指總長(zhǎng)度公差范圍。工程輔助制造資料設(shè)計(jì)方法如圖6所示。
圖6 斜梯金手指外側(cè)長(zhǎng)度補(bǔ)償
金手指長(zhǎng)度（包含前端斜坡?tīng)铍A梯銅區(qū)域）按制程能力正常補(bǔ)償后，蝕刻后金手指前端呈斜坡?tīng)铋L(zhǎng)度數(shù)據(jù)見(jiàn)表5，制程能力分析如圖7 所示。要求（0.3±0.1）mm，最小281.96 μm，最大320.68 μm，滿足品質(zhì)要求。此批次斜坡?tīng)顓^(qū)域長(zhǎng)度在中值，其過(guò)程能力指數(shù)（complex process capabilityindex，CPK）為3.67，符合量產(chǎn)制程能力。
表5 金手指前端呈斜坡?tīng)铋L(zhǎng)度實(shí)測(cè)
圖7 斜坡?tīng)罱鹗种竿鈧?cè)長(zhǎng)度制程能力分析
2.2.3 金手指前端呈斜坡?tīng)羁煽啃则?yàn)證
斜坡?tīng)罱鹗种搞~厚＜15 μm 區(qū)域存在銅皮分離/起泡等風(fēng)險(xiǎn)。通過(guò)模擬客戶貼件5 次回流焊及熱沖擊（288 ℃、10s）三次，然后進(jìn)行微切片，觀察此區(qū)域均未有銅皮分離與起泡，驗(yàn)證了產(chǎn)品滿足品質(zhì)可靠性（如圖8所示）。
圖8 斜坡?tīng)罱鹗种缚煽啃则?yàn)證切片
2.3 金手指寬度精度控制
由于金手指寬度較大，其公差按±0.05 mm 控制。本產(chǎn)品銅厚＞50 μm，為了保證其線寬精度，在現(xiàn)有制程能力下又額外補(bǔ)償了0.05 mm。跟進(jìn)蝕刻后金手指寬度實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)見(jiàn)表6。金手指寬度要求（0.811±0.05）mm，實(shí)測(cè)0.814～0.840 mm；均值0.822 mm，此批次完成板厚為中值偏上，過(guò)程能力指數(shù)（complex process capabilityindex，CPK）為3.26，符合批量生產(chǎn)要求。
表6 金手指寬度實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)
2.4 階梯銅滲錫線凸控制
2.4.1 原因分析
由于金手指前端區(qū)域成斜坡?tīng)睿淬~面存在階梯，極差達(dá)40 μm 以上；貼膜時(shí)容易導(dǎo)致貼膜氣泡，金手指邊緣顯影后干膜與階梯銅結(jié)合不好，鍍錫時(shí)易鍍上；堿性蝕刻時(shí)，由于有錫作為保護(hù)，無(wú)法蝕刻干凈，導(dǎo)致金手指?jìng)?cè)壁線凸不良。金手指?jìng)?cè)壁線凸過(guò)程演化如圖9所示。
2.4.2 技術(shù)改善思路
金手指?jìng)?cè)壁滲錫線凸不良，嚴(yán)重影響AOI/出貨檢驗(yàn)（final quality control，F(xiàn)QC）檢板效率及良率。嚴(yán)重超標(biāo)時(shí)，會(huì)導(dǎo)致兩手指短路，因此需重點(diǎn)改善。
通過(guò)觀察發(fā)現(xiàn)減銅圖形形成的直角區(qū)域，如圖10（a）所示，發(fā)現(xiàn)不利于貼膜過(guò)程中的氣泡排出，需重新優(yōu)化減銅圖形工程輔助制造資料設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)優(yōu)化后兩斜坡?tīng)罱鹗种竻^(qū)域采用弧形相連接，如圖10（b）所示，這有利于減少貼膜過(guò)程中空氣存留。
優(yōu)化在制板的拼版，調(diào)整拼版使手指指前端區(qū)域銅呈斜坡?tīng)罹y(tǒng)一方向，嚴(yán)禁混拼設(shè)計(jì)。調(diào)整外層圖形前處理放板方式及貼膜速度：前處理板打豎放（前端呈斜坡?tīng)罱鹗种阜较蚺c貼膜方向一致）貼膜，貼膜限速1.6 m/min，并空壓一次，速度為0.5 m/min。其余如溫度、壓力按正常制程即可，顯影后需確認(rèn)斜坡?tīng)铍A梯銅區(qū)域有無(wú)貼膜氣泡。
2.4.3 階梯銅滲錫線凸不良改善效果驗(yàn)證
通過(guò)工程輔助制造資料優(yōu)化、制程參數(shù)等技術(shù)調(diào)整，完全改善金手指?jìng)?cè)壁線凸不良，金手指?jìng)?cè)壁線凸改善如圖11所示。
圖11 金手指?jìng)?cè)壁線凸改善情況
3 結(jié)論
（1）從本產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程看，此類產(chǎn)品關(guān)鍵難點(diǎn)/工序在于電鍍均勻性、減銅、外層圖形（減銅圖形）/外層圖形、堿性蝕刻；其中電鍍銅厚均勻性控制為重中之重。
（2）斜坡?tīng)铍A梯銅區(qū)域銅厚＜15 μm，5 次回流焊或三次熱沖擊均不會(huì)導(dǎo)致銅皮分離/起泡，能滿足后續(xù)可靠性。
（3）通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)資料、調(diào)整外層圖形貼膜參數(shù)及放板方式，能有效改善金手指前端呈斜坡?tīng)铍A梯銅有高度差所導(dǎo)致的貼膜氣泡，最終改善滲錫線凸不良。
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一款有金手指插頭設(shè)計(jì)的PCB 必然存在對(duì)外連接插拔的問(wèn)題。正常情況下，為了能實(shí)現(xiàn)快速與連接器插拔，金手指前端基材均有斜邊（倒角）。一般金手指銅厚及電鍍鎳金厚度總和＞40 μm，最高可達(dá)＞70 μm。金手指與基材之間存在一個(gè)臺(tái)階，會(huì)影響同連接器簧片的插拔與配合［1］，插拔的同時(shí)加劇金手指的磨損，并影響連接器簧片工作的壽命，如圖1所示。
圖1 PCB金手指與連接器的配合
為了降低金手指銅厚與基材之間的高度差，盡可能減少金手指前端同連接器簧片的插拔與配合時(shí)的磨損。本文從實(shí)際生產(chǎn)案列出發(fā)，介紹一種金手指前端（0.3±0.1）mm 區(qū)域呈斜坡?tīng)铍A梯銅的設(shè)計(jì)，就其制作工藝原理、生產(chǎn)難點(diǎn)及改善措施等進(jìn)行闡述，如圖2所示。
圖2 金手指前端區(qū)域銅呈斜坡?tīng)?/p>
1 制作流程
1.1 產(chǎn)品制作特點(diǎn)
產(chǎn)品基本信息見(jiàn)表1，前端呈斜坡?tīng)罱鹗种赋善沸Ч鐖D3所示。
表1 產(chǎn)品基本信息
圖3 PCB金手指前端成品圖片
1.2 制作工藝流程
流程設(shè)計(jì)：前工序（壓合）→機(jī)械鉆孔→一次銑→金屬化孔（plating through hole，PTH）沉銅→整板鍍銅→真空樹(shù)脂塞孔→樹(shù)脂研磨→PTH沉銅→填孔覆蓋電鍍（plating over filled via，POFV）鍍銅→外層圖形（減銅圖形）→減銅→去膜→外層圖形→圖形電鍍（只鍍錫不鍍銅）→二次銑（制作PTH 半孔）→堿性蝕刻→外層自動(dòng)化光學(xué)檢測(cè)（automated optical inspection，AOI）→絲印阻焊→絲印字符→后固化→沉鎳金→插頭鍍金→（成型）后工序。
1.3 制作難點(diǎn)分析
本成品主要特點(diǎn)是分級(jí)金手指、階梯銅（極差≥40 μm）、PTH 槽減銅、POFV 工藝、金手指寬度精度控制等。具體制作難點(diǎn)及解決方案見(jiàn)表2。
表2 產(chǎn)品制作難點(diǎn)及解決方案
2 制作過(guò)程管控
2.1 電鍍銅厚均勻性控制
PCB 制作過(guò)程中，板面鍍銅均勻性好壞直接影響后續(xù)精細(xì)線路的制作與形成［2］。同時(shí)金手指前端斜坡?tīng)顓^(qū)域成品銅厚≤15 μm；如果銅厚均勻性差或極差過(guò)大，會(huì)導(dǎo)致減銅時(shí)局部區(qū)域銅厚＞15 μm，造成有些區(qū)域露出基材，無(wú)法滿足品質(zhì)要求，導(dǎo)致報(bào)廢。因此，控制好成品銅厚均勻性成為此板的重中之重。電鍍后采用銅厚測(cè)量?jī)x按6 格×6 格方式收集成品銅厚，成品銅厚測(cè)量統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表3。由表3 可知，整體銅厚60.73～73.51 μm；均值67.12 μm；極差12.78 μm。為了進(jìn)一步了解此次產(chǎn)品銅厚分布情況，對(duì)比分析收集的兩面次銅厚數(shù)據(jù)的平均值，以檢驗(yàn)銅厚平均值是否存在差異，為后工序減銅及蝕刻提供重要依據(jù)。
表3 金手指成品銅厚測(cè)量統(tǒng)計(jì) 單位/μm
通過(guò)單因子方差分析（置信區(qū)間95%），元件面銅厚范圍65.14～65.78 μm；焊接面銅厚范圍68.46～69.10 μm。方差分析區(qū)間置信區(qū)間95%，整體銅厚分布范圍66.84～67.41 μm。
直方圖分析如圖4 所示。其電鍍均勻性變化系數(shù)（coefficient of variation，COV）=標(biāo)準(zhǔn)偏差/平均值×100%=2.744/67.12×100%=4.09%。
圖4 整體銅厚直方圖
2.2 金手指前端呈斜坡?tīng)羁刂?/h3>
據(jù)金手指前端呈斜坡?tīng)钪谱骼碚?，整板鍍最小銅厚，金手指前端通過(guò)蝕刻減銅方式，最終實(shí)現(xiàn)金手指前端區(qū)域銅呈階梯斜坡?tīng)钚Ч?/p>
2.2.1 區(qū)域銅厚控制
采用浸泡式減銅，每次減銅后實(shí)測(cè)銅厚調(diào)整減銅量。每次減銅量需＜15 μm，多次減銅每次需更換面次，以保證減銅均勻性。后續(xù)流程阻焊超粗化處理、沉鎳金前微蝕等銅厚損耗，減銅后此區(qū)域銅厚按7～16 μm 控制即可。最終減銅區(qū)域的成品微切片抽測(cè)銅厚為7.80～14.58 μm，滿足品質(zhì)要求。具體數(shù)據(jù)見(jiàn)表4。
表4 減銅后金手指前端呈斜坡?tīng)顓^(qū)域銅厚
2.2.2 金手指前端呈斜坡?tīng)铋L(zhǎng)度控制
如圖5所示，金手指長(zhǎng)L，其中關(guān)鍵區(qū)域A=3/5L，非關(guān)鍵區(qū)域B=C=1/5L，非關(guān)鍵區(qū)域中B區(qū)較C區(qū)重要一些。
圖5 金手指關(guān)鍵區(qū)域分布
金手指前端制作呈斜坡?tīng)铍A梯銅，其區(qū)域長(zhǎng)度不能超過(guò)金手指長(zhǎng)度的1/5，也不能改變金手指總長(zhǎng)度公差范圍。工程輔助制造資料設(shè)計(jì)方法如圖6所示。
圖6 斜梯金手指外側(cè)長(zhǎng)度補(bǔ)償
金手指長(zhǎng)度（包含前端斜坡?tīng)铍A梯銅區(qū)域）按制程能力正常補(bǔ)償后，蝕刻后金手指前端呈斜坡?tīng)铋L(zhǎng)度數(shù)據(jù)見(jiàn)表5，制程能力分析如圖7 所示。要求（0.3±0.1）mm，最小281.96 μm，最大320.68 μm，滿足品質(zhì)要求。此批次斜坡?tīng)顓^(qū)域長(zhǎng)度在中值，其過(guò)程能力指數(shù)（complex process capabilityindex，CPK）為3.67，符合量產(chǎn)制程能力。
表5 金手指前端呈斜坡?tīng)铋L(zhǎng)度實(shí)測(cè)
圖7 斜坡?tīng)罱鹗种竿鈧?cè)長(zhǎng)度制程能力分析
2.2.3 金手指前端呈斜坡?tīng)羁煽啃则?yàn)證
斜坡?tīng)罱鹗种搞~厚＜15 μm 區(qū)域存在銅皮分離/起泡等風(fēng)險(xiǎn)。通過(guò)模擬客戶貼件5 次回流焊及熱沖擊（288 ℃、10s）三次，然后進(jìn)行微切片，觀察此區(qū)域均未有銅皮分離與起泡，驗(yàn)證了產(chǎn)品滿足品質(zhì)可靠性（如圖8所示）。
圖8 斜坡?tīng)罱鹗种缚煽啃则?yàn)證切片
2.3 金手指寬度精度控制
由于金手指寬度較大，其公差按±0.05 mm 控制。本產(chǎn)品銅厚＞50 μm，為了保證其線寬精度，在現(xiàn)有制程能力下又額外補(bǔ)償了0.05 mm。跟進(jìn)蝕刻后金手指寬度實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)見(jiàn)表6。金手指寬度要求（0.811±0.05）mm，實(shí)測(cè)0.814～0.840 mm；均值0.822 mm，此批次完成板厚為中值偏上，過(guò)程能力指數(shù)（complex process capabilityindex，CPK）為3.26，符合批量生產(chǎn)要求。
表6 金手指寬度實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)
2.4 階梯銅滲錫線凸控制
2.4.1 原因分析
由于金手指前端區(qū)域成斜坡?tīng)睿淬~面存在階梯，極差達(dá)40 μm 以上；貼膜時(shí)容易導(dǎo)致貼膜氣泡，金手指邊緣顯影后干膜與階梯銅結(jié)合不好，鍍錫時(shí)易鍍上；堿性蝕刻時(shí)，由于有錫作為保護(hù)，無(wú)法蝕刻干凈，導(dǎo)致金手指?jìng)?cè)壁線凸不良。金手指?jìng)?cè)壁線凸過(guò)程演化如圖9所示。
2.4.2 技術(shù)改善思路
金手指?jìng)?cè)壁滲錫線凸不良，嚴(yán)重影響AOI/出貨檢驗(yàn)（final quality control，F(xiàn)QC）檢板效率及良率。嚴(yán)重超標(biāo)時(shí)，會(huì)導(dǎo)致兩手指短路，因此需重點(diǎn)改善。
通過(guò)觀察發(fā)現(xiàn)減銅圖形形成的直角區(qū)域，如圖10（a）所示，發(fā)現(xiàn)不利于貼膜過(guò)程中的氣泡排出，需重新優(yōu)化減銅圖形工程輔助制造資料設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)優(yōu)化后兩斜坡?tīng)罱鹗种竻^(qū)域采用弧形相連接，如圖10（b）所示，這有利于減少貼膜過(guò)程中空氣存留。
優(yōu)化在制板的拼版，調(diào)整拼版使手指指前端區(qū)域銅呈斜坡?tīng)罹y(tǒng)一方向，嚴(yán)禁混拼設(shè)計(jì)。調(diào)整外層圖形前處理放板方式及貼膜速度：前處理板打豎放（前端呈斜坡?tīng)罱鹗种阜较蚺c貼膜方向一致）貼膜，貼膜限速1.6 m/min，并空壓一次，速度為0.5 m/min。其余如溫度、壓力按正常制程即可，顯影后需確認(rèn)斜坡?tīng)铍A梯銅區(qū)域有無(wú)貼膜氣泡。
2.4.3 階梯銅滲錫線凸不良改善效果驗(yàn)證
通過(guò)工程輔助制造資料優(yōu)化、制程參數(shù)等技術(shù)調(diào)整，完全改善金手指?jìng)?cè)壁線凸不良，金手指?jìng)?cè)壁線凸改善如圖11所示。
圖11 金手指?jìng)?cè)壁線凸改善情況
3 結(jié)論
（1）從本產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程看，此類產(chǎn)品關(guān)鍵難點(diǎn)/工序在于電鍍均勻性、減銅、外層圖形（減銅圖形）/外層圖形、堿性蝕刻；其中電鍍銅厚均勻性控制為重中之重。
（2）斜坡?tīng)铍A梯銅區(qū)域銅厚＜15 μm，5 次回流焊或三次熱沖擊均不會(huì)導(dǎo)致銅皮分離/起泡，能滿足后續(xù)可靠性。
（3）通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)資料、調(diào)整外層圖形貼膜參數(shù)及放板方式，能有效改善金手指前端呈斜坡?tīng)铍A梯銅有高度差所導(dǎo)致的貼膜氣泡，最終改善滲錫線凸不良。
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