利用自動(dòng)測(cè)量提高線路板微通孔成品率

自從1995起出現(xiàn)各種微通孔技術(shù)以來(lái)，在批量生產(chǎn)線上業(yè)界開始逐漸采用CO2激光、UV/YAG激光以及光成像電介材料等技術(shù)，這些新技術(shù)導(dǎo)致電路板設(shè)計(jì)思想發(fā)生轉(zhuǎn)變，從以前小心使用0.3mm通孔轉(zhuǎn)為大量使用盲孔和微通孔，尤其在高密度應(yīng)用場(chǎng)合(如移動(dòng)電話、計(jì)算機(jī)、各種板卡和IC封裝)。高寬比大于8:1且直徑小于0.3mm的孔已越來(lái)越常見(jiàn)，特別是在服務(wù)器、基板和工作站的電路板上。如何對(duì)這類通孔品質(zhì)進(jìn)行控制？本文介紹一種自動(dòng)測(cè)量的方法提高產(chǎn)品的成品率。

研究及個(gè)人經(jīng)驗(yàn)表明，大多數(shù)HDI產(chǎn)品制造廠商在高寬比大的通孔和所有微盲孔上，缺陷率一般都大于1,000ppm，這給過(guò)孔數(shù)量超過(guò)30,000個(gè)的電路板帶來(lái)了嚴(yán)重的成品率問(wèn)題，因此需要采用新的工藝控制，其目的在于

使鉆孔參數(shù)最優(yōu)；

測(cè)量清洗效果；

對(duì)設(shè)備工作情況進(jìn)行監(jiān)控；

測(cè)量設(shè)備產(chǎn)能；

在進(jìn)行其它工序之前找出缺陷。

這類工具有助于降低成本、提高成品率和改善鉆孔工藝。

微通孔缺陷檢測(cè)

導(dǎo)致微通孔產(chǎn)生缺陷的可能原因包括環(huán)境溫度或濕度的改變，或者在鉆孔、清洗、電鍍工序中方法使用不當(dāng)。

例如可能是操作者對(duì)設(shè)備進(jìn)行了錯(cuò)誤的設(shè)置、加載了舊文件、鉆頭安裝錯(cuò)誤、電路板放置不正確、電路板操作有誤、在使用前沒(méi)有清除碎屑；也可能設(shè)備的氣動(dòng)軸承出現(xiàn)磨損、檢流計(jì)或行程需要校準(zhǔn)、壓腳運(yùn)行不正常、鉆孔參數(shù)不正確、碎屑抽出系統(tǒng)發(fā)生堵塞；還可能是材料的變化超過(guò)了公差要求，如鉆頭磨損、樹脂過(guò)厚或固化不良、底片受到污染、層壓時(shí)變形過(guò)大等等。

將這些缺陷分為五類然后用Ishikawa圖畫出來(lái)，可以確定出三種問(wèn)題，即孔成形不良、錯(cuò)位以及大小或形狀不正確，這些缺陷分別按X-Y偏差、圓度、尺寸或質(zhì)量缺陷進(jìn)行測(cè)量。微通孔缺陷也可能由共形掩膜底片、激光和機(jī)械鉆孔以及外層圖形的對(duì)位偏差引起。

PCB行業(yè)采用了一些先進(jìn)的檢測(cè)技術(shù)用于電路圖形檢查、底片檢查及坐標(biāo)測(cè)量設(shè)備中，但由于是專門針對(duì)這些應(yīng)用而設(shè)計(jì)，所以對(duì)微通孔檢測(cè)并不是很有效。針對(duì)通孔和微通孔的AOI技術(shù)還必須滿足一些其它要求，例如：

基于測(cè)量而不是基于檢查。測(cè)量可以提供不斷變化的數(shù)據(jù)，這對(duì)預(yù)防性過(guò)程控制至關(guān)重要，測(cè)量系統(tǒng)在馬達(dá)、編碼器、光學(xué)照明系統(tǒng)以及可追溯校準(zhǔn)工具等場(chǎng)合需要使用不同的策略；

針對(duì)工廠環(huán)境度身定做，而不是對(duì)經(jīng)過(guò)特別處理的凈化車間。要想接近缺陷產(chǎn)生的工序，檢測(cè)就必須在操作環(huán)境下進(jìn)行，如在鉆孔和電鍍工序；

全自動(dòng)方式而不是人工協(xié)助批處理方式。操作人員應(yīng)該僅在設(shè)置、生產(chǎn)失控或產(chǎn)品需要維修時(shí)才進(jìn)行人工干預(yù)。

現(xiàn)在有的新型設(shè)備可從多個(gè)角度提供多種顏色LED照射，并通過(guò)高分辨率單色數(shù)碼攝像機(jī)使用遠(yuǎn)心測(cè)量透鏡生成視頻影像?；鶞?zhǔn)和鉆孔文件用于確定每個(gè)孔的位置和正確的直徑，設(shè)備影像測(cè)量技術(shù)則用于測(cè)量每個(gè)孔的位置、直徑和圓度，攝像機(jī)每個(gè)視場(chǎng)測(cè)量時(shí)間小于100毫秒。

智能影像算法可以發(fā)現(xiàn)缺陷、進(jìn)行分類并測(cè)量其特性，由于不同的通孔生成技術(shù)所形成的通孔具有不同特性，所以分類算法必須針對(duì)通孔成形方法及檢測(cè)工序。圖1顯示了鉆房檢測(cè)的UV/YAG激光鉆孔盲通孔分類情況，顯然，這些相同的孔在去污、微蝕刻和電鍍后看起來(lái)會(huì)有所不同。

目前，還不可能用該技術(shù)對(duì)每個(gè)工序的盲孔缺陷都進(jìn)行檢測(cè)。以CO2激光鉆孔為例，有時(shí)在孔內(nèi)有一些燒焦的碎屑，但很難在鉆孔后立即就發(fā)現(xiàn)好的通孔和有些堵塞通孔之間的區(qū)別，而在清理之后再進(jìn)行檢測(cè)會(huì)更加可靠一些。高寬比大于1:1的盲孔也難以檢測(cè)，主要因?yàn)楣鈱W(xué)方法本身局限限制了技術(shù)的應(yīng)用。

使用檢查數(shù)據(jù)

SPC和過(guò)程控制工具可以把缺陷與造成該缺陷的工藝或設(shè)備聯(lián)系起來(lái)。第一件產(chǎn)品鉆孔完成以后即可測(cè)出設(shè)備的產(chǎn)能，確定維護(hù)計(jì)劃。收集的數(shù)據(jù)還可以證實(shí)設(shè)備是否工作正常，以及產(chǎn)品是否合格，并為進(jìn)一步改善提供信息。例如，孔的圓度不合格可能表明鉆嘴漂移并意味著要使用不同的鉆孔進(jìn)給量、轉(zhuǎn)速或疊板厚度，這樣可很快評(píng)估工藝改變帶來(lái)的好處。工序控制在每個(gè)工藝步驟之后都可以進(jìn)行。

確定鉆孔和電鍍問(wèn)題根源

Merix公司發(fā)現(xiàn)，含有大量通孔的厚線路板(2mm及以上)會(huì)因?yàn)榭锥氯a(chǎn)生較多缺陷。在去毛刺和預(yù)清洗之后對(duì)這些板進(jìn)行百分之百AOI檢查后，得到結(jié)果如下：

99%以上的缺陷發(fā)生在直徑最小的兩個(gè)孔中，因此重點(diǎn)對(duì)其鉆頭尺寸進(jìn)行改進(jìn)，這也可減少檢測(cè)周期，從每板約90秒降到30至45秒；

高寬比大于8:1的0.25mm孔的偏差、鉆孔漂移和堵塞最嚴(yán)重，在有些情況下高達(dá)15,000ppm；

在去毛刺和預(yù)清洗線上，堵塞物和水未能有效去除；

95%以上的堵塞可用集中式高壓空氣去除。

這些結(jié)論引發(fā)了其它兩項(xiàng)研究，分別針對(duì)影響塞孔的因素和改善去毛刺和預(yù)清洗工藝。

減少塞孔

我們采用DoE法確定影響塞孔的因素以及導(dǎo)致其產(chǎn)生的原因。試驗(yàn)中有四個(gè)變量(分階鉆、鉆深、雙擊鉆和工具)，每個(gè)變量有兩種狀態(tài)，對(duì)這些變量進(jìn)行全分析試驗(yàn)，收集所有與塞孔相關(guān)的數(shù)據(jù)。

用各種參數(shù)對(duì)線路板進(jìn)行鉆孔，然后準(zhǔn)確地找出堵塞孔。采用60%閾值(即有40%被堵塞才認(rèn)為是堵塞)對(duì)每塊板檢測(cè)兩次，把試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄下來(lái)并統(tǒng)計(jì)每塊板在各參數(shù)下的平均塞孔數(shù)。各種參數(shù)的影響見(jiàn)圖2。

圖2表明，雙擊鉆比分階鉆的影響大，但除了塞孔以外，并未表明孔的質(zhì)量會(huì)受到影響。試驗(yàn)中用兩塊板作為樣品分析孔的質(zhì)量，其中一塊用新鉆頭，鉆深為0.030"，使用分階鉆和雙擊鉆；另一塊板用重新磨過(guò)的鉆頭，鉆深0.015"，使用分階鉆和雙擊鉆。兩塊板看起來(lái)幾乎完全相同，孔壁有一些粗糙但在要求范圍內(nèi)，楔形形狀也在質(zhì)量規(guī)范的150%范圍內(nèi)，孔壁上幾乎沒(méi)有污點(diǎn)。從質(zhì)量的角度看，增加雙擊鉆后并沒(méi)有什么影響，雙擊鉆是一種昂貴的工藝，這里的目的只是想看不同DoE變量之間的關(guān)系。Merix目前一直在對(duì)堵塞孔進(jìn)行檢測(cè)和維修，同時(shí)也在繼續(xù)研究其它工藝參數(shù)。

改善去毛刺和預(yù)清洗工藝

完成機(jī)械鉆孔后，板件將經(jīng)過(guò)去毛刺和和預(yù)清洗工序。早期研究發(fā)現(xiàn)具有較小孔徑和較大高寬比的鉆孔經(jīng)過(guò)該工序后通孔仍然堵塞且含有水汽，所以對(duì)這些產(chǎn)品要臨時(shí)使用手工空氣清洗工序。用AOI設(shè)備測(cè)量生產(chǎn)線上采取以下三種措施之后的效果：

更換去毛刺和預(yù)清洗設(shè)備；

使用在線式風(fēng)刀；

使用離線式手工風(fēng)刀。

在進(jìn)行去毛刺和預(yù)清洗工序前后對(duì)板件進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)該工藝只是部分有效，但新設(shè)備似乎效果更好。使用風(fēng)刀進(jìn)行清潔后再進(jìn)行檢查，可得到結(jié)論：

在線式風(fēng)刀平均可減少96%的堵塞；

手動(dòng)風(fēng)刀可減少93%，且要花費(fèi)更長(zhǎng)的時(shí)間。

于是Merix決定在新的去毛刺和預(yù)清洗工序上都使用風(fēng)刀。

其它工藝

在其它工序上對(duì)缺陷進(jìn)行檢查也越來(lái)越可行。例如在電鍍工序前后測(cè)量孔徑可確定鍍孔平均直徑、發(fā)現(xiàn)電鍍覆層的不均勻以及驗(yàn)證用于壓合連接器的孔的尺寸；在鉆孔和清洗工序之后可檢測(cè)出激光鉆出的微孔。對(duì)激光和機(jī)械鉆孔進(jìn)行測(cè)量能找出引起HDI板出現(xiàn)缺陷的主要原因，此外我們還對(duì)凸出孔的外層干膜損壞和由于阻焊劑引起的塞孔進(jìn)行了研究。經(jīng)Merix核算，經(jīng)過(guò)三個(gè)月運(yùn)行，應(yīng)用自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)在工藝改善和鉆孔修理上所節(jié)約的資金已超過(guò)了原定目標(biāo)，目前該系統(tǒng)每周七天每天24小時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)，以便對(duì)所有高寬比大的產(chǎn)品和高密度產(chǎn)品進(jìn)行全檢。

Mark Owen

先進(jìn)產(chǎn)品經(jīng)理

MV Technology Ltd.

Email: markowen@home.com

Nick Stevenson

Tom Raab

Email: tom.raab@merix.com

Merix Corp.