论文PCB质量管理及主要品质缺陷分析

2 “零缺陷”全面质量管理概述2.1 质量管理的概念按照 2000 版 ISO9000 标准，质量管理的定义为：“质量管理是在质量方面指挥和控制组织协调的活动” 。在品质管理方面的指挥和控制活动通常包括制定质量方针、质量目标、质量策划、质量控制、质量保证和质量改进。质量管理起源于 20 世纪初期，至今主要经历了三个阶段，分别为质量检验管理阶段、统计质量管理阶段和全面质量管理阶段。2.2 “零缺陷”全面质量管理方式简述“零缺陷”全面质量管理主要主张发挥人的主观能动性来进行生产，生产者、操作者要努力使自己的产品没有缺点并向着高质量标准的目标而奋斗。所以此处所讲的“零缺陷”只是一种质量管理追求的理想目标，因为在很多情况下这种要求是不现实的，但是这种目标对提高产品质量却具有现实意义。零缺陷的全面质量管理是通过全员参与质量管理方式来实现的。产品质量是企业活动的各个环节、各个部门全部工作的综合反映。因此必须把企业所有人员的积极性和创造性充分调动起来，如果人人关心质量问题，人人做好本职工作，那么最终产品的不合格率将大大降低，这样不仅降低了产品的生产成本，同时也为客户提供了优良的品质保障。该质量管理方式可通过三种方式来实现（1）全员把关- 1 -全面质量管理要求每一个人都对产品质量负有责任，及时发现质量问题，并把问题解决于发源地。即生产线上的每名员工均有责任及时发现质量问题并寻找其根源。也就是说，在全面质量管理中，与强调通过检验员严把质量关相比，更强调全员把关，即每一个员工保证不让任何有质量缺陷的加工件进入下一工序。无论各工序可能的质量问题有多少，这种方法都会使企业的产品合格率大大提高。同时，这种方法还会减少检验员的数目，从而降低鉴定成本。（2）QC 小组QC 小组是由一些基层管理人员及一般员工组成，能够发现、分析并最终解决生产和质量问题。这是因为许多员工如果被允许参与改进他们所进行的工作，这些员工往往会表现出更大的兴趣和成就感。一般要求 QC 小组成员都是自愿加入的，并且小组的成员应定期进行讨论、研究等活动，以分析、解决产品质量问题。QC 小组可以是在同一个班组内建立，也可以跨班组建立。QC 小组可以定期或不定期向公司提出质量改进意见，而且企业管理人员应对这些意见或建议给予高度重视，因为往往这些群众意见中的某一条可行性建议，就可以使公司通过质量改进而提高产品合格率或降低成本，从而获得更大的收益。同时 QC 小组还可以成为研发人力资源、调动广大员工积极性和创造性的一种重要途径 2。（3）质量教育既然产品的质量决定于企业全体员工，要求全员参与质量管理，就必须不断地对全体人员进行质量教育，让他们在思想上重视质量问题。进行质量教育时要让每位员工了解与各自工作内容相关的环节的工作，以便使每位员工均认识到自己这一环节的工作如果出现问题会在哪些方面影响相关环节的工作。也就是应该使每位员工都要找到自己的“顾客” 。例如一条生产线上某一工序的人应该把下一工序的工人看做自己的“顾客”，每个人都应该尽量满足自己的“顾客”的需求。- 2 -“零缺陷”全面质量管理思想强调全企业所有工作人员齐心协力、循序渐进、精益求精地进行产品质量控制。如果利用这几种全员参与的质量管理方式相结合进行产品质量管理，相信所生产产品的品质与“零缺陷”目标的距离将大大缩短。3 主要品质缺陷分析由于印制电路板的制程复杂，工序繁琐，导致其制造过程中出现的品质缺陷较多，严重影响最终产品质量。为了降低 PCB 不合格率，使其在生产过程中的品质缺陷问题得到有效控制，现对 PCB 主要制造工序中的主要品质缺陷做简要分析，以便在实际生产中解决各缺陷问题提供必要的理论依据。3.1 层压工序主要缺陷分析（1）分层： 分层是指基材的层间或导电箔与基材之间部分发生分离现象。分层直接影响印制板的可靠性。明显的分层不用显微镜剖析，而用肉眼就可以直接观察，也就是通常说的气泡。多层板层压后分层产生原因a.铜箔或导体铜表面在层压前处理不当，如没有除油、粗化或黑化棕化不均匀。b.半固化片表面不清洁。c.半固化片存放时间过长。d.压制温度，加压工艺控制不正常，气泡未被完全排除。（2）层间错位： 层间错位是指层与层之间连接盘中心的偏移。层间错位产生原因- 3 -a. 内层材料的热膨胀，粘结片的树脂流动。b. 层压中的热收缩。c. 层压材料和模板的热胀系数相差大。（3）夹杂： 夹杂是指层压板内有没被蚀刻的金属箔或其他异物。层间夹杂产生原因a. 工作人员操作不当。b. 层压环境灰尘或悬浮颗粒过多。c. 蚀刻工艺控制参数设置异常或蚀刻工艺不得当。（4）空洞： 层压板的空洞通常是很小的，在实际中对于两层导体之间板厚为 0.254mm 的情况下，空洞最大允许直径为 0.076mm。层压空洞通常出现内层导线的边缘或焊盘上下面，当钻孔后，这个空洞很可能呈现在孔壁上一般情况下外层焊盘和导线之下允许有直径小于 0.076mm 的空洞。但孔壁上层压板空洞，由于孔金属化空洞内存有气体或其他杂质，焊接时的热冲击，破坏了孔金属化，将影响印制板的可靠性。层压板空洞产生原因a.半固化片化学挥发物过多。b.树脂系统含水分过高，工作室内湿度大。c.压制模具不便于排气。3.2 钻孔工序主要缺陷分析（1）钉头： 由于钻孔在多层印制板内层导线焊盘上的铜箔向外倾斜的状况叫钉头（如图 1 所示） 。多数的标准中没有一个明确的尺寸要求，但对军用多层印制电路板最大允许钉头大小是铜箔厚度的 50%，钉头的存在，也就说明了这块多层印制电路板的钻孔质量大大下降，钉头的存在也伴有环氧树脂腻污存在。（2）树脂腻污： 钻孔后，多层印制板内层导体铜环上有环氧树脂涂层，- 4 -使孔内铜环不能充分暴露，这通常叫树脂腻污，也有资料称之为胶渣（如图 2 所示） 。由于树脂腻污严重影响了孔壁金属与内层铜环的链接，所以，多层印制板不允许有树脂腻污存在。钉头与树脂腻污产生的原因 由于印制板基材的导热率比金属低，钻孔时产生大量的切屑热，绝大部分热量传递给钻头，使其达到很高的温度，除切屑热外，钻头与孔壁的钻擦也产生热量，这就加速了钻头的磨损，当用磨损的钻头钻孔时就容易使内层焊盘的铜产生钉头，造成孔壁的凹凸不平。更严重的是，由于钻孔时产生的热量，使环氧树脂受热软化，软化的树脂粘在钻头上，在钻头进刀或退刀时容易使已经暴露的铜环涂抹上一层环氧树脂。由此可见，这种缺陷与使用的印制板材料玻璃化温度、钻头材料与几何尺寸、钻孔操作工艺等有关系 3。（3）焊盘撕裂： 所谓焊盘撕裂是指钻孔时产生了多层印制板内层焊盘撕断或裂开。焊盘撕裂产生的原因图 1 钉头缺陷图 图 2 树脂腻污（胶渣）缺陷图- 5 -在产生较大的钉头同时，往往也容易产生这种缺陷，但主要是由于磨损钻头钻孔产生较大的切屑力，在层压板与铜箔之间抗剥强度较低的情况下，更容易产生内层焊盘撕裂。（4）毛刺： 钻孔后孔周围印制板两表面铜箔突起叫毛刺。目前现有的刷板设备可以去除大部分毛刺，但极其细小的毛刺刷板设备可能去除不彻底。并有可能使毛刺导向孔内，使孔径变小。严重时为了去除毛刺，造成孔周围的铜箔损坏，使孔壁与铜接触不良，有时可达到一圈而断开。毛刺产生的原因当钻头顶角磨顿时，可使印制板两面铜箔其毛刺，如果印制板与上下两面的垫板没有压紧，钻孔后也要产生毛刺。毛刺倒向孔内，影响孔金属化可靠性。3.3 孔金属化工序主要缺陷分析（1）电镀空洞： 是指在金属化孔壁上沉积的金属层中露出基材的洞状区域。电镀空洞产生原因a. 金属化孔之前孔壁清洁处理不好，活化处理时孔壁有附着颗粒和气泡，使该处没有活化从而导致该处的化学沉铜不能进行，造成最终产品的空洞。b. 图形电镀锡铅合金时局部由于附着物和气泡在孔壁上，蚀刻时，将没有镀上锡铅的部位的铜腐蚀掉就形成了空洞。（2）瘤状物： 是指在电镀过程中孔壁表面形成的金属瘤状凸起（如图 3所示） 。瘤状物产生原因a. 钻孔孔壁极不光滑，有严重玻璃纤维突出。b. 电镀液内有颗粒被镀涂在镀层里，或者使用电流密度过大。- 6 -c. 光亮镀铜的添加剂比例失调。（3）裂缝或拐角开裂： 这种裂痕是指在 120下将被测试验板烘 4 个小时，在 288下浮浸焊锡 10 秒后，再制备显微试样，在 200 倍以下显微效果下能观察到的裂缝（如图 4 所示） 。值得注意的是，不应该在高于200 的放大倍数下检查是否有裂缝，由于镀层与底层之间结合部分在制备样品时总有一定的变化，把正常的结合间隙认为是电镀裂缝则是不合理的。图 3 瘤状物（铜瘤）图 - 7 -要判断是否为真正的镀层裂缝和拐角开裂是很重要的，因为这种开裂最终导致电路故障，影响整板的可靠性。孔金属化裂缝或拐角开裂产生原因当印制板受热后，环氧玻璃布在 Z 方向上玻璃化温度（Tg 120140）以下的膨胀系数为 6910 - 5，当温度在 Tg 以上时膨胀系数为 2.510 - 4，而铜膨胀系数在 20时为 1.710 - 5，在 230时为1.810 - 5。由此可见，当印制电路板与元器件组装时，在焊接 265进行热冲击时，两种材料膨胀系数不同，而产生不同的力作用于金属化孔上，特别是在金属化孔拐角处受力最大，当镀铜层的韧性不能满足受力产生形变的要求时，则会发生开裂。要克服这种缺陷，除材料外，必须严格控制点镀铜层的质量。3.4 蚀刻工序主要缺陷分析（1）侧蚀： 由于蚀刻而在导线侧面上形成的凹槽，并以该凹槽深度的程度来描述侧蚀程度（如图 5 所示） 。造成侧蚀后使焊盘尺寸发生变化，导图 4 镀铜层拐角开裂缺陷图（放大 200 倍）- 8 -线变得很细，对于普通印制板导体侧蚀量不应该超过金属的总厚度，而精密的细线条对侧蚀要严格控制。侧蚀现象是时刻中不可避免的，只能设法减少，但不能消除。侧蚀量大产生原因a. 铜箔厚度过大。b. 蚀刻液不是在最佳工作状态进行蚀刻。c. 延长了蚀刻时间。（2） “铜箔残足”： 所谓铜箔残足是指在所形成线路的铜箔根部存在的蚀刻不足而产生的铜箔残留（如图 6 所示） 。“铜箔残足”产生原因a. 电镀铜箔制造时，是以 1000ASF 的高电流密度快速镀得的 ED 铜箔，是以柱状组织快速向上成长。起始时颗粒较细，结束时则毛面棱线的颗粒图 5 侧蚀缺陷图 （铜箔线路截面图 放大 400 倍）图 6 “铜箔残足”缺陷图（铜箔线路截面图）- 9 -就较大，并还有额外粗糙后处理所加镀的铜瘤与耐热的黄铜层。再加上高温压合时其棱线的踏入树脂中，因而很不容易彻底蚀刻透。b. 向上的板面会有水池（内层）或水沟（外层）效应，再加上一铜二铜镀得太厚，与锡铅层的屋檐效应等共同挞伐之下，板边角密线路区，经常造成蚀刻不彻底的短路情形。3.5 不同类型短路的特征及成因（1）基铜