陳擁軍 楊司進(jìn) 梁 瀅

（微軟亞洲硬件中心，廣東 深圳 518057）

PCB塞孔問題探討

陳擁軍 楊司進(jìn) 梁 瀅

（微軟亞洲硬件中心，廣東 深圳 518057）

PCB板面小孔塞孔是當(dāng)今流行的PCB設(shè)計(jì)方法，其目的是確保制作完成的PCB能順利完成在OEM制造工廠的制造與功能測(cè)試流程，本文通過對(duì)PCB塞孔后出現(xiàn)的比較重大的品質(zhì)問題以及解決方案來闡述如何在PCB制作工廠進(jìn)行有效的小孔塞孔品質(zhì)控制。

PCB塞孔；導(dǎo)通孔油墨裂縫；三機(jī)作業(yè)；ICT測(cè)試

1 引言

隨著電子產(chǎn)品向輕、薄、小的方向發(fā)展，印刷板也推向了高密度、高難度發(fā)展,因此相關(guān)的線路板生產(chǎn)制造控制要求也越來越高，越來越嚴(yán)格。線路板塞孔設(shè)計(jì)是印制板制作工藝和表面貼裝技術(shù)提出的更高要求中而產(chǎn)生的一個(gè)過程。單純從塞孔本身來講,電路板塞孔并不承擔(dān)零部件的相關(guān)功能或電氣連接要求，但其在后續(xù)裝配過程發(fā)揮著重要作用，常見的塞孔設(shè)計(jì)其作用如下：

（1）導(dǎo)通孔（Via）為測(cè)試孔（上錫面為阻焊劑開窗設(shè)計(jì)，零件面為無阻焊劑開窗設(shè)計(jì)），在裝配完畢后進(jìn)行ICT測(cè)試時(shí)，由于探孔必須打入孔內(nèi)，并且焊盤的邊緣與針尖上部需形成良好接觸，因此此類設(shè)計(jì)的via塞孔深度必須在一定范圍內(nèi)（比如40%～90%），塞孔太淺而太深都無法完成相關(guān)測(cè)試要求。

（2）導(dǎo)通孔為非測(cè)試孔，但是由于其位于BGA區(qū)域，塞孔的目的是防止PCB過波峰焊爐時(shí)，錫珠從導(dǎo)通孔貫穿元件面造成BGA短路。

（3）避免助焊劑或者表面處理化學(xué)劑殘留在導(dǎo)通孔內(nèi)，此類設(shè)計(jì)要求塞孔深度大于80%。

（4）防止SMD Pad面錫膏流入孔內(nèi)造成焊接不良。

針對(duì)導(dǎo)通孔塞孔的問題，筆者所在的PCB小組在負(fù)責(zé)PCB供應(yīng)鏈質(zhì)量管理的2010年到2011年期間，曾多次遭遇不同供應(yīng)鏈領(lǐng)域的導(dǎo)通孔塞孔不良的問題，受影響的PCB的出貨量以數(shù)十萬片計(jì)算，嚴(yán)重影響了最終成品的出貨，因此在供應(yīng)鏈領(lǐng)域?qū)θ讍栴}進(jìn)行徹底的改善已經(jīng)是刻不容緩的事情。

2 原因分析

2.1 問題的表征現(xiàn)象

上面的第一個(gè)ICT測(cè)試點(diǎn)不良問題，我們從切片可以看出，底面開窗的焊盤上面的錫已大部分已陷入測(cè)試孔內(nèi)，導(dǎo)致焊盤表面錫面不足，無法形成柔軟良好的測(cè)試接觸點(diǎn)，綠油塞孔深度低于15%（要求塞孔深度控制為40%～90%），第三個(gè)ICT測(cè)試點(diǎn)不良的情況與第一個(gè)是同一問題，X射線機(jī)掃描顯示測(cè)試點(diǎn)的錫膏已填充Via孔的絕大部分，所以序號(hào)1的問題與與序號(hào)3的問題同為導(dǎo)通孔孔塞孔深度不足的問題。

表1 供應(yīng)鏈領(lǐng)域塞孔不良問題統(tǒng)計(jì)（數(shù)據(jù)來源：PCBA裝配工廠）

上面第二個(gè)錫橋短路的問題，從IC位置的圖片來看，表面已經(jīng)聚集一堆凸起的半透明的物質(zhì)，并且有過多的錫量導(dǎo)致錫橋短路。EDX元素分析顯示半透明物質(zhì)為焊接用松香劑，進(jìn)一步切片顯示裝配完后導(dǎo)通孔孔孔內(nèi)有裂紋的情況出現(xiàn)，最終確定產(chǎn)生此不良的情況是由與零件面相對(duì)的一面裝配時(shí)導(dǎo)通孔孔塞孔不良產(chǎn)生裂縫，PCB印錫膏過爐后松香沿縫隙流入零件面，冷卻后形成結(jié)晶狀物質(zhì)，在零件面錫膏印刷時(shí)頂起鋼網(wǎng)，導(dǎo)致IC位置下錫量過多而最終導(dǎo)致錫橋短路。因此序號(hào)2體現(xiàn)的問題是導(dǎo)通孔塞孔孔內(nèi)裂縫導(dǎo)致的不良。

下面我們將針對(duì)以上兩類不問的問題產(chǎn)生原因分別進(jìn)行分析。

2.2 Via孔塞孔深度不足原因分析

針對(duì)塞孔的流程設(shè)計(jì)，當(dāng)前所有的供應(yīng)鏈?zhǔn)褂萌龣C(jī)作業(yè)規(guī)范，也就是先用專用鋁片或絲網(wǎng)進(jìn)行一次從零件面的塞孔作業(yè)，然后從零件面及測(cè)試點(diǎn)面分別進(jìn)行綠油絲網(wǎng)印刷（測(cè)試點(diǎn)不開印刷擋點(diǎn)），通過三機(jī)作業(yè)的方式來確保Via孔的塞孔深度到達(dá) 40%～90%。

從對(duì)不良品的觀察發(fā)現(xiàn)，每一塊不良板并沒有出現(xiàn)我們所認(rèn)為的100%的孔出現(xiàn)不良的情況，從統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來看，90%以上的不良板只10～20個(gè)測(cè)試點(diǎn)存在這樣的問題，并且不良點(diǎn)出現(xiàn)的位置并沒有特別的規(guī)律，根據(jù)對(duì)不同的供應(yīng)鏈進(jìn)行實(shí)地調(diào)查與分析取證，主要有以下幾個(gè)原因：

（1）塞孔時(shí)印刷臺(tái)面下的導(dǎo)氣底板部分孔堵塞。在塞孔過程中，Via孔內(nèi)的氣泡不能部分或完全被趕出，油墨無法從網(wǎng)板上面下落到Via孔內(nèi)，而形成了塞孔深度不足的問題。此類導(dǎo)氣底板的堵塞主要是在作業(yè)過程中異物掉或油墨掉落底板后固化而導(dǎo)致底板導(dǎo)氣孔堵塞。

（2）塞孔鋁片有折痕或損壞。在實(shí)際對(duì)供應(yīng)鏈綠油塞孔工序的稽查過程中我們發(fā)現(xiàn)部分塞孔鋁片有折痕或破壞但仍在使用的情況，鋁片發(fā)生物理損壞后部分孔被堵塞，極易造成塞孔時(shí)無法下油的情況。

（3）未返洗完全的塞孔返工板。此類塞孔返洗不完全的板，由于油墨固化在孔內(nèi)，再次塞孔時(shí)將導(dǎo)致此區(qū)域油墨堵塞無法下油而達(dá)不到理想的塞孔深度。針對(duì)這個(gè)產(chǎn)生原因，可能有部分工廠忽略了對(duì)這方面因素的系統(tǒng)品質(zhì)管控，但是在實(shí)際的生產(chǎn)過程中，這種不良板大有存在，需密切注意。

（4）塞孔時(shí)印刷參數(shù)的管控。針對(duì)不同產(chǎn)品的印刷參數(shù)，如孔徑，板厚及不同的油墨，未使用實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行流程參數(shù)（刮刀角度，壓力，速度）優(yōu)化與比較，使部分產(chǎn)品的塞孔的深度無法達(dá)到最終產(chǎn)品的要求。

2.2 塞孔深度不足 改善行動(dòng)

（1）針對(duì)導(dǎo)氣底板部分孔堵塞, 增加每班對(duì)塞孔導(dǎo)氣底板的清潔，并增加相應(yīng)的底板檢驗(yàn)記錄，由IPQC針對(duì)檢驗(yàn)后的底板進(jìn)行抽檢，確保檢查及清潔的質(zhì)量。同時(shí)，為了操作的方便，可以對(duì)每個(gè)型號(hào)的塞孔的導(dǎo)氣板，可以準(zhǔn)備兩套導(dǎo)氣板，分I/II班（日/夜班）標(biāo)記在導(dǎo)氣板上，由不同班次的管理員負(fù)責(zé)對(duì)該導(dǎo)氣板進(jìn)行清潔，裉洗及分發(fā)管理。

（2）針對(duì)塞孔鋁片上的折痕等破損，需定義可接收的鋁片折痕標(biāo)準(zhǔn)，因?yàn)樵趯?shí)際生產(chǎn)中， 因?yàn)榫G油工序手工操作比較多，會(huì)有一些鋁片擦花的情況。當(dāng)前定義鋁片的折痕接收標(biāo)準(zhǔn)是：針對(duì)BGA區(qū)折痕不能超過一處，并且長度不能超過1 cm，非BGA區(qū)不能超過兩次并且長度不超過1.2 cm。這些標(biāo)準(zhǔn)需要在生產(chǎn)前鋁片檢驗(yàn)前進(jìn)行管控，并記錄相關(guān)的鋁片檢驗(yàn)記錄。

（3）針對(duì)未返洗完全的塞孔返工板，需安排專人在塞孔后返工工站進(jìn)行檢驗(yàn)，如有任何不透光的孔位，必須重新返洗孔內(nèi)綠油，確保下重新塞孔時(shí)油墨能順利填充孔內(nèi)。此站也同樣需要返工記錄以供后續(xù)的重工追溯。

（4）塞孔印刷參數(shù)的管控。針對(duì)印刷參數(shù)，按照目前研發(fā)部門在圖紙中所要求的1.6 mm板厚40%～90%的塞孔深度要求，目前大部分供應(yīng)鏈領(lǐng)域使用的參數(shù)如下：塞孔速度1-2格；刮刀壓力0.5 MPa ～0.6 MPa ，刮刀角度15゜～17゜，在實(shí)際生產(chǎn)時(shí)根據(jù)首板情況進(jìn)行了微調(diào)后，塞孔深度品質(zhì)有明顯的改善。

（5）所有塞孔不足的問題都能通過增加Via孔透光檢查光臺(tái)進(jìn)行圍堵，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，如果塞孔深度在30%以下，在光源的透視下將透出綠光；如果Via孔完全未進(jìn)行塞孔，將會(huì)在光源下透出白光，此種方法將極方便快捷的將不良品從整個(gè)影響批次中篩選出來。

2.3 VIA塞孔孔內(nèi)裂紋原因分析

該問題已經(jīng)在表1序號(hào)2中描述，即塞孔裂縫使FLUX（助焊劑）沿裂縫流入結(jié)晶到另一面，錫膏印刷時(shí)FLUX結(jié)晶物頂起鋼網(wǎng)，導(dǎo)致錫橋短路的問題。Via孔內(nèi)裂縫導(dǎo)致錫橋短路問題，這是我們第一次在裝配工廠遇到，因?yàn)樯婕暗目赡茉虮容^復(fù)雜，故選擇關(guān)鍵實(shí)驗(yàn)因子用實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)（D.O.E）的的方法來研究產(chǎn)生此類不良的真正原因，并采取相對(duì)應(yīng)的糾正預(yù)防行動(dòng)措施。

2.3.1 實(shí)驗(yàn)流程

實(shí)驗(yàn)流程兩大部分：第一部實(shí)驗(yàn)內(nèi)容在PCB工廠內(nèi)進(jìn)行；第二部分實(shí)驗(yàn)在PCBA裝配工廠進(jìn)行，具體實(shí)驗(yàn)流程如圖1。

圖1

2.3.2 塞孔油墨型號(hào)，塞孔速率及塞孔后靜置時(shí)間

2.3.3 正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

本實(shí)驗(yàn)采用兩水平全因子實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)共分8次進(jìn)行，每批實(shí)驗(yàn)數(shù)量為480 PCS，實(shí)驗(yàn)運(yùn)行組合如表2。

表2 正交實(shí)驗(yàn)表

2.3.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

每組實(shí)驗(yàn)板在完成PCB后工序的制作流程后，安排成品板在裝配工廠上線，收集不同批次的PCB板在SMT過爐后SPI（焊膏檢驗(yàn)）工站的良率數(shù)據(jù)（只統(tǒng)計(jì)與Via裂縫相關(guān)的良率數(shù)據(jù)，其它非PCB Via裂縫相關(guān)問題數(shù)據(jù)忽略），具體結(jié)果如表3。

從極差分析數(shù)據(jù)可以看出，實(shí)驗(yàn)因子對(duì)塞孔裂縫的影響順序?yàn)椋河湍吞?hào)＞塞孔后靜置時(shí)間＞塞孔速率。

2.3.4.1 Via孔塞孔裂縫主效應(yīng)圖

從塞孔裂縫主效應(yīng)圖可以看出，當(dāng)使用油墨型號(hào)B，塞孔速率為1.5格，塞孔后靜置時(shí)間為30分鐘時(shí)，在裝配工廠取得了最高96.74%的SPI直通率。

2.3.4.2 Via孔塞孔裂縫顯著性分析

表4 裂縫顯著性分析結(jié)果表

由MINITAB的分析結(jié)果可以看出，P值＝0.005＜0.05，為顯著實(shí)驗(yàn)因子，對(duì)于導(dǎo)致塞孔裂縫問題因素中，油墨型號(hào)是最顯著的因素。

2.3.4.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

通過實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的方法，我們得出影響塞孔裂縫最主要的因素是油墨型號(hào)，其次是塞孔后靜置時(shí)間，最后是塞孔時(shí)的塞孔速率控制。

針對(duì)此次實(shí)驗(yàn)的油墨型號(hào)A，經(jīng)查證，此型號(hào)并非專用的塞孔油墨，基于成本的考慮，供應(yīng)鏈領(lǐng)域當(dāng)時(shí)使用基于非專用塞孔油墨進(jìn)行塞孔，導(dǎo)致此油墨在過爐后產(chǎn)生了比較高的裂縫或氣泡貫穿不良。通過改用專用塞孔油墨B后，塞孔良率在裝配端SPI提高了10%，由于在三機(jī)作業(yè)塞孔的過程中，仍不可避免的產(chǎn)生孔內(nèi)氣泡，雖然改用油墨B后仍無法達(dá)到100%的良率，但是SPI工站96%的良率已經(jīng)達(dá)到了裝配工廠設(shè)定目標(biāo)92%，最大限度的減少了此類不良對(duì)產(chǎn)品交期的影響和最大限度的提高了裝配工廠單位時(shí)間的機(jī)器輸出效率。

針對(duì)第二大影響因素：塞孔后靜置時(shí)間的控制。理論上靜置時(shí)間越長，將越減少塞孔氣泡和過爐后裂縫的可能。本次實(shí)驗(yàn)的兩個(gè)水平因子30 min比15 min的靜置時(shí)間增加了1%～3%的SPI良率，基于30 min的靜置時(shí)間對(duì)綠油工序現(xiàn)場(chǎng)的管控增加難度以及對(duì)產(chǎn)量的影響，因此在后續(xù)量產(chǎn)的參數(shù)優(yōu)化中，我們?nèi)栽O(shè)定為15 min靜置時(shí)間，使用B油墨型號(hào)和1.5格的塞孔速率，其裝配端SPI的良率穩(wěn)定在94%以上，達(dá)到了我們預(yù)期的目標(biāo)。

3 總結(jié)

阻焊油墨工序是所有PCB制程中最關(guān)鍵的一個(gè)工序，而塞孔品質(zhì)管控又是此工序的重中之重，因此針對(duì)塞孔不足的問題，加強(qiáng)以下項(xiàng)目的流程管控將有助于改善塞孔不良：

（1）定期對(duì)塞孔導(dǎo)氣板（底板）進(jìn)行檢查及清潔確保沒有任何異物堵孔的情況；（2）確立良好的塞孔鋁片或網(wǎng)板的生產(chǎn)前來料品質(zhì)檢驗(yàn)規(guī)范；（3）使用經(jīng)優(yōu)化的塞孔流程控制參數(shù)；（4）增加光臺(tái)檢驗(yàn)工站確保有異常的批次能被圍堵而避免流到裝配工廠。

針對(duì)塞孔裂縫的問題，估化以下的流程參數(shù)將減小此類問題到最低：

（1）使用專用塞孔油墨進(jìn)行塞孔，避免在裝配工廠經(jīng)熱沖擊后出現(xiàn)孔內(nèi)油墨裂紋的情況；（2）根據(jù)產(chǎn)量或現(xiàn)場(chǎng)管理，延長塞孔后靜置時(shí)間，如果產(chǎn)能及現(xiàn)場(chǎng)允許，可以將靜置時(shí)間控制到30分鐘，使孔內(nèi)氣泡徹底排出，避免在終固化及裝配時(shí)出現(xiàn)綠油裂縫的情況；（3）使用優(yōu)化的塞孔速度和壓力，確保最佳的塞孔深度，滿足產(chǎn)品圖紙對(duì)塞孔的要求。

[1]上海質(zhì)量管理控制科學(xué)研究院. 六西格瑪核心教程[M]. 北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社, 2002:265～277.

The study on PCB via hole plugging

CHEN Yong-Jun YANG Si-Jing LIANG Ying

The PCB via hole plugging is the popular design in PCB design industry, and the purpose is to make sure the board can complete subsequent assembly & test process in OEM factory. Here we analyzed the quality issue on via hole plugging and provided solution for the issue, which is to give a guideline on how to achieve the effective via hole plugging control for PCB factory.

PCB VIA hole plugging; via hole solder mask cracking; stuff 3 times; ICT test

TN41 < class="emphasis_bold">文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：

1009-0096（2012）08-0026-04

陳擁軍，PCB供應(yīng)商質(zhì)量管理工程師，主要負(fù)責(zé)PCB供應(yīng)商的品質(zhì)持續(xù)改善。