PCB線路板半金屬化孔的加工方法及合理設計

　　摘要：半金屬化孔成型后的孔壁銅皮翹起、披鋒殘留問題一直是PCB板件機械加工中的一個難題。殘留在半金屬化孔內的銅絲和披鋒在下游的smt廠家的焊接過程中，容易出現焊點不牢、虛焊、橋接短路等問題。因此半金屬化孔的銅皮翹起和披鋒一般不為大多smt廠家的IQC所接受。本文介紹了從CAM／CAD設計上以及加工技巧上有效的控制、減小半金屬化孔的銅皮翹起和披鋒的幾種方法，同時評估各種加工方法對成本控制和制作周期的影響。

前言

如何控制半金屬化孔成型后的孔壁銅皮翹起、披鋒殘留的產生一直是PCB板件機械加工中的一個難題。這是因為一般的PCB成型的機械加工方式無外乎數控鑼床鑼板、機械沖床沖切等方式，這些方式在切斷PTH孔銅的時候，無可避免的會導致余下部分PTH孔的斷面上殘留下銅絲披鋒，嚴重的甚至有孔壁銅皮翹起現象。如下圖所示。

象上圖這樣單元邊整排有半金屬化孔的PCB，個體都比較小，多用于載板上，作為一個母板的子板，通過這些半金屬化孔與母板以及元器件的引腳焊接到一起。所以如果這些半金屬化孔內殘留有銅絲披鋒，在smt廠家進行焊接的時候，將導致焊腳不牢、虛焊；嚴重的造成兩引腳之間的橋接短路。多數smt廠家不易接受此類PCB缺陷，而據筆者所知，現在多數PCB廠家是以人工修理作為應對方案。

機械加工原理：下面我們從機械加工的原理來分析披鋒的成因。由于機械沖床沖切方式幾乎不大可能應用到半金屬化孔的外形加工上，在此只針對數控鑼床鑼外形的原理進行分析介紹。我們知道，一般的數控鑼床的SPINDLE的旋轉方向都是順時針的，習慣上稱為右旋刀。如下圖(一)，假定一個金屬化孔在PCB單元外形上，A、B兩點是它們的交點，鑼板方向如圖所示。那么當右旋的鑼刀在鑼到B點的時候，B點受到一個向右的剪切力F。理想狀況下剪切力F將B處切斷。但是附著在孔壁上的銅是具有延展性和韌性的，鑼刀在切到孔壁以銅為主的金屬化層的時候，會由于以下原因產生披鋒殘留：

1、鑼刀由于轉速不夠和磨損的原因，造成鑼刀的切割力不足；
2、孔銅與孔壁結合力不足，在F的作用下，斷口附近孔銅脫離；
3、孔銅的延展性，特別是熱風整平或沉金等表面處理后，又增加了金屬層的厚度和延展性及韌性，造成切割不斷；
 

大多數情況下，披鋒只在B點而不會在A點產生。這是因為鑼刀在切割到A點的斷面的時候，先切割到A點的孔壁金屬化層。A點金屬化層同B點的孔壁金屬化層一樣，會由于金屬的延展性發生形變，但A點斷面背靠著基材層，有效地防止了金屬層的延伸以及金屬層與孔壁的脫離。只要鑼刀沒有嚴重磨損，切割力足夠，A點鑼后的斷面會很平滑，沒有披鋒產生。從原理分析中，我們很容易想到只要我們先將板件反轉過來，還是用原來的鑼板方向，先把B點處的銅絲鑼斷，再按正常情況鑼板，就能防止披鋒的產生。不過此種方法只適用于單個金屬化孔在外形線上，而且孔徑比較大的情況。現時常規小直徑的鑼刀是中0．80mm，如果我們面對的是一整排的類似郵票孔的半金屬化孔，并且孔間距比較小、孔徑也比較小的時候，我們應該怎么做呢?如下圖(二)所示。

 
設計和加工方法
一、二次鉆法

設計方法：
按鑼板方向在半金屬化孔的B點處在PTH后加鉆一個適當的NPTH孔，預先切斷B點斷面。這里要注意幾個細節。

1、 NPTH孔的孔徑的選擇：

2、一般數控鉆機的S P I NDL E的旋轉方向也是順時針的，將PCB板件翻轉過來鉆孔；并且應選用槽形鉆嘴鉆孔。所以要切斷B點的孔銅，必須考慮到PCB板件的漲縮變化和二次鉆以及鑼機的對位精度，NP TH孔應該在鉆帶中設計為削入板件內2-4mil ；

3、如果按下面的堿性蝕刻流程，需要把半金屬化孔的焊盤單元外的部分削入外形線2-4mil如 果采用下面的酸性蝕刻流程，則單元外的焊盤要保留單邊比孔大5mil以上。

生產流程：

l. 堿性蝕刻流程：板件→一次鉆孔→PTH→外層圖形轉移→圖形電鍍→退膜→堿性蝕刻→二次鉆孔→退錫→感光阻焊→表面處理→字符印刷→鑼外形

2. 酸性蝕刻流程：板件→一次鉆孔→PTH直接加厚孔銅→外層圖形轉移→酸性蝕刻→二次鉆孔→感光阻焊→表面處理　　加工效果 ：下面是我們采用上述兩種流程批量生產某板件后采集的數據。每個流程的量產數量是350個PANAL，4200個出貨拼板單元，16800個PCS。二次鉆孔時采用兩塊／疊生產，按出貨單元計量比例。(如果按PCS計量，比例更低。)改善效果十分明顯。

 　　優劣分析：從制作成本的角度來看，增加的二次鉆孔流程延長了生產的制作周期，鉆孔成本也成倍增加。這是因為要保證加鉆孔有效的切斷孔銅，需要使用特殊槽形鉆嘴并且鉆孔參數需要調整，鉆孔疊數也不可能多。同時二次鉆法對后面工序的影響也不可忽視。首先二次鉆后在半PTH孔內將殘留部分板粉，必須采用高壓水洗的方法予以清除，以免對綠油和表面處理帶來不利的影響。同時對綠油工序而言，在加鉆孔位置必須要加單邊比孔大2mil左右的綠油開窗，防止綠油殘留在半金屬化孔里。采用堿蝕二次鉆法注意盡量避免對板件錫面的擦花。使用之前鉆機機臺要清潔干凈。堿蝕二次鉆法的外層線路菲林削焊盤之后也存在著在圖形電鍍時孔內上錫不良的潛在缺點。不過相對于人工修理給交期帶來的巨大影響和工時成本增加，二次鉆法在大批量生產時不失為一個可行方法。