PCB背钻工艺开发.doc

广州杰赛科技股份有限公司第九事业部印制电路分公司背钻工艺开发报告编号：TE - 2009-9-15主题背钻工艺开发技术人员彭承刚目的开发新工艺相关工序钻孔、层压转呈人员詹总工、任经理、钟经理、刘经理日期2009-9-15处理结果POSALUX钻机能完成制作深度公差为+/-25um，水平偏移度根据二钻孔位公差控制为+/-0.1mm，二钻孔（背钻）刀径比一钻孔刀径最少大0.35mm一、简介：随着信息化产业的不断推动，数字信号传输的速度越来越快，频率越来越高，以及大功率供放器的运用，传统设计的PCB板已经不能满足这种高频电路的需要。一些技术领先的交换机生产企业越来重视对于信号的完整性传输研究，且已证明PTH 孔无用孔铜部分有着重大影响，所以使用背钻技术去除这部分孔可以低成本，且满足高频、高速的性能。本文主要从客户需要出发，通过策划和试验，对如何开发此项新工艺进行一个完整的阐述。二、前期策划2.1 识别关键流程以及易产生缺陷分析 2.1.1 钻通孔缺陷分析：背钻的一钻孔偏会加大背钻孔与一钻孔对准度差异，对背钻精度造成较大影响，所以必须严格控制一钻孔位精度。采取措施：（1）此类孔必须采用新刀钻孔。（2）钻孔参数优化：降低CHIPLOAD 。2.1.2 背钻缺陷分析：背钻是利用钻机的深度控制功能实现盲孔的加工，以去除部分孔铜。其公差主要受到背钻设备精度和介质厚度公差的影响。采取措施： （1）对背钻深度进行能力研究，判断是否足够；（2）监控背钻深度和介质厚度公差。三、背钻初始能力研究 3.1 背钻定位能力研究3.1.1 当背钻（back drill）与初钻（first drill）的对准度较差时，则会导致短线长度（stub length）一边大一边小（图3-1-1-1），从而影响背钻的精度。按公司难度控制表，孔位公差为+/-0.1mm。以左图为例，孔左边二钻到一钻距离47.09um，孔右边二钻到一钻距离155.12um，两边相差88um，即偏差44um。 图3-1-1-1另外，为减小背钻与初钻的对准度误差，背钻与初钻时使用钻机的同一象限生产，因为PCB板钻孔时上表面的孔位精度要高于下表面的孔位精度。3.1.2 与上述原理相同，要得到良好的阶梯背钻效果，且满足电性能，除需要克服偏位外，还要钻掉一钻后的孔壁铜，所以其包含二钻对准度公差和孔径公差（0.1mm+0.075mm）共偏差0.175mm，从而得到二钻孔（背钻）刀径比一钻孔刀径最少要大0.35mm（0.175mm2）。3.2 背钻深度公差能力研究目前用于生产背钻和盲孔的钻机绝大部分为高频电子感应原理钻机，其加工精度较高，但其精度容易受外界的影响，如钻刀的电阻大小、钻刀刀尖上的粉尘与铜丝、板厚的公差、盖板与测量单元接触效果，板的翘曲度等，容易导致钻机报警和影响钻机深度控制，因此生产时需要注意选择更为合适的钻孔物料及钻孔方法。3.2.1 使用不同类型钻刀比较从理论上说，在相同的对准度偏差的前提下，背钻钻刀的刀尖角度越小则短线长度的偏差越大，背钻钻刀的刀尖角度越大则短线长度，高频电子感应原理钻机工作原理为钻刀与PCB板或盖板（导体）接触，系统通过高频电子导通形成回路，回路的重要导体为钻刀（见图3-2-1-1），并从此点开始计算下钻深度。因此钻刀会影响背钻的精度。 图3-2-1-1 图3-2-1-2现有普通焊接式钻刀（见图3-2-1-2），中间焊接层电阻较大，对背钻信号传输有一定影响。所以需要使用钻刀柄与钻刀刃一体的全钨钢钻刀。另外，刀尖角度大小影响背钻孔型和毛刺状况，现有刀尖角130钻刀（见图3-2-1-3），斜率比较大，对深度控制效果不佳，因此有必要进行改进。 图3-2-1-3 图3-2-1-4如图3-2-1-5所示为钻刀的刀尖角度对背钻深度影响的对比图，当钻孔深度参数不变时（均钻到H2位置），钻刀的刀尖角度变大会引起背钻深度（H1）变大。反之，钻刀的刀尖角变小会引起背钻深度（H1）变小，刀尖角度为165的钻刀（参阅图3-2-1-6）于刀尖角度为130的钻刀的背钻深度之间有深度差（H3），因此背钻需要严格控制钻刀的刀尖角度。 图3-2-1-5 图3-2-1-6但并不是刀尖角度越大越好，刀尖角度的大小还会影响钻孔的孔壁质量，因此选用几类刀尖角度进行实验（图3-2-1-4），实验时钻孔参数相同，实验结果如下：刀尖角度钻孔效果判断130钻刀斜率大，对深度控制效果不佳，对准度高 其次165钻刀孔形最好，虽然对准度存在偏差，但斜率小，深度控制相对容易最佳180钻刀无斜率，但严重积压铜丝、粉尘和孔壁被扯裂，客户有严格要求可采用其次180平角铣刀无斜率，但严重积压铜丝、粉尘和孔壁被扯裂，同180钻刀其次3.2.1 使用不同垫木板比较3.2.1.1 我们的常规物料中，使用铝片作盖板制作盲孔钻孔，常规的铝片规格为0.15+/-0.02mm，因其很薄，钻孔时容易被钻机吸尘吸离PCB板面（见图3-2-1-1），导致高频电子感应器对实际距离出现感应误差，而且钻孔时也有粉尘藏在铝片下，同样出现高频电子感应器对实际距离出现感应误差，从而严重的降低了背钻精度。3.2.1.2 在PCB板上安装单面覆铜板（见图3-2-1-3），铜面向下与PCB板面直接接触，因其有一定厚度和较大硬度，钻孔时不容易被吸起，且单面覆铜板的铜厚公差小（+/-3um），能够减少高频电子感应器对深度的感应误差，另外，单面覆铜板的基材面有清洁钻刀的作用，能够清洁钻刀，避免粉尘、铜屑等残留，同样能够减少高频电子感应器对深度的感应误差，从而有效的提高了背钻精度。 图3-2-1-1 图3-2-1-2 图3-2-1-33.2.1.3 对比几种物料作为盖板，测量背钻深度，见下表盖板类型GS-030纸0.26盖板A4纸0.26mm盖板酚醛盖板无盖板SP5无盖板SP6单面覆铜板盖板铝片0.15mm盖板实测深度(单位:mm)0.390.390.380.390.390.380.390.380.390.380.360.370.210.190.390.380.390.390.390.390.380.390.390.390.360.370.190.190.390.380.380.390.390.390.390.40.390.390.360.360.20.190.390.380.380.390.380.380.380.390.390.380.360.360.190.190.390.380.390.380.380.380.390.380.380.390.360.360.20.190.390.380.390.390.390.390.380.390.380.390.360.360.190.190.390.390.390.390.390.390.380.390.390.380.360.360.20.190.390.380.380.390.390.390.380.380.380.380.360.370.190.190.380.380.390.380.390.390.380.390.380.380.370.360.20.190.380.390.390.380.390.380.390.380.380.380.370.360.190.19MAX0.390.390.390.40.390.370.21MIN0.380.380.380.380.380.360.19Rang0.410.360.410.360.410.360.410.360.410.360.390.340.2250.175R-CPK1.60 1.67 1.60 1.81 1.63 1.91 1.35 1.41 1.67 1.60 2.06 1.69 1.87 1.05 AVG0.38550.38650.3870.38550.38450.36250.193STD0.0051 0.0049 0.0047 0.0060 0.0051 0.0044 0.0057 R0.0100 0.0100 0.0100 0.0200 0.0100 0.0100 0.0200 CP1.63 1.70 1.77 1.38 1.63 1.88 1.46 CPK1.60 1.60 1.63 1.35 1.60 1.69 1.05 Ca0.02 0.06 0.08 0.02 -0.02 -0.10 -0.28 从上表可以看出，除铝片外，其它几类盖板都能控制深度CPK在1.33以上，且其中以单面覆铜板作为盖板的效果最佳。3.3 结论3.3.1 根据我司量产定位精度，背钻（二钻孔）刀径比一钻孔刀径最少要大0.35mm；3.3.2 采用165钨钢一体钻刀，配合单面覆铜板作为盖板，POSALUX钻机可以将背钻公差控制在+/-25um。四、现场控制与实施4.1 流程控制实现 钻通孔(drill hole) 沉铜/镀铜(PTH&PPTH) 背钻(back drill)根据客户PCB的特性要求，流程可选择在镀铜后或蚀刻后工序（但尽量不安排在喷锡后工序制作，因孔口锡厚均匀性会影响背钻深度的控制），在一钻孔的基础上实现背钻，得到如下效果图（图3-1）图3-14.2 背钻控制实现4.2.1 按如下代码编写钻孔程式，实现POSALUX钻机的盲孔钻功能 头文件T01M84 盲孔功能打开XYW0.5 W0.5即 由铝片或铜皮（不加铝片）开始再下钻0.5mm深度XY XYM85 盲孔功能关闭T02 其它钻孔坐标4.2.2 使用钻孔物料165钨钢一体钻刀，配合单面覆铜板作为盖板4.2.3 操作步骤（1）将