利用自動測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，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)導致電路板設計思想發(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，尤其在高密度應用場合(如移動電話、計算機、各種板卡和IC封裝)。高寬比大于8:1且直徑小于0.3mm的孔已越來越常見，特別是在服務器、基板和工作站的電路板上。如何對這類通孔品質(zhì)進行控制？本文介紹一種自動測量的方法提高產(chǎn)品的成品率。

研究及個人經(jīng)驗表明，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，這給過孔數(shù)量超過30,000個的電路板帶來了嚴重的成品率問題，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)；

測量清洗效果；

對設備工作情況進行監(jiān)控；

測量設備產(chǎn)能；

在進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

導致微通孔產(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。

例如可能是操作者對設備進行了錯誤的設置、加載了舊文件、鉆頭安裝錯誤、電路板放置不正確、電路板操作有誤、在使用前沒有清除碎屑；也可能設備的氣動軸承出現(xiàn)磨損、檢流計或行程需要校準、壓腳運行不正常、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了公差要求，如鉆頭磨損、樹脂過厚或固化不良、底片受到污染、層壓時變形過大等等。

將這些缺陷分為五類然后用Ishikawa圖畫出來，可以確定出三種問題，即孔成形不良、錯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)量缺陷進行測量。微通孔缺陷也可能由共形掩膜底片、激光和機械鉆孔以及外層圖形的對位偏差引起。

PCB行業(yè)采用了一些先進的檢測技術(shù)用于電路圖形檢查、底片檢查及坐標測量設備中，但由于是專門針對這些應用而設計，所以對微通孔檢測并不是很有效。針對通孔和微通孔的AOI技術(shù)還必須滿足一些其它要求，例如：

基于測量而不是基于檢查。測量可以提供不斷變化的數(shù)據(jù)，這對預防性過程控制至關重要，測量系統(tǒng)在馬達、編碼器、光學照明系統(tǒng)以及可追溯校準工具等場合需要使用不同的策略；

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

全自動方式而不是人工協(xié)助批處理方式。操作人員應該僅在設置、生產(chǎn)失控或產(chǎn)品需要維修時才進行人工干預。

現(xiàn)在有的新型設備可從多個角度提供多種顏色LED照射，并通過高分辨率單色數(shù)碼攝像機使用遠心測量透鏡生成視頻影像。基準和鉆孔文件用于確定每個孔的位置和正確的直徑，設備影像測量技術(shù)則用于測量每個孔的位置、直徑和圓度，攝像機每個視場測量時間小于100毫秒。

智能影像算法可以發(fā)現(xiàn)缺陷、進行分類并測量其特性，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通孔成形方法及檢測工序。圖1顯示了鉆房檢測的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會有所不同。

目前，還不可能用該技術(shù)對每個工序的盲孔缺陷都進行檢測。以CO2激光鉆孔為例，有時在孔內(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，而在清理之后再進行檢測會更加可靠一些。高寬比大于1:1的盲孔也難以檢測，主要因為光學方法本身局限限制了技術(shù)的應用。

使用檢查數(shù)據(jù)

SPC和過程控制工具可以把缺陷與造成該缺陷的工藝或設備聯(lián)系起來。第一件產(chǎn)品鉆孔完成以后即可測出設備的產(chǎn)能，確定維護計劃。收集的數(shù)據(jù)還可以證實設備是否工作正常，以及產(chǎn)品是否合格，并為進一步改善提供信息。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給量、轉(zhuǎn)速或疊板厚度，這樣可很快評估工藝改變帶來的好處。工序控制在每個工藝步驟之后都可以進行。

確定鉆孔和電鍍問題根源

Merix公司發(fā)現(xiàn)，含有大量通孔的厚線路板(2mm及以上)會因為孔堵塞而產(chǎn)生較多缺陷。在去毛刺和預清洗之后對這些板進行百分之百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孔中，因此重點對其鉆頭尺寸進行改進，這也可減少檢測周期，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重，在有些情況下高達15,000ppm；

在去毛刺和預清洗線上，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)了其它兩項研究，分別針對影響塞孔的因素和改善去毛刺和預清洗工藝。

減少塞孔

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

用各種參數(shù)對線路板進行鉆孔，然后準確地找出堵塞孔。采用60%閾值(即有40%被堵塞才認為是堵塞)對每塊板檢測兩次，把試驗數(shù)據(jù)記錄下來并統(tǒng)計每塊板在各參數(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)量會受到影響。試驗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的鉆頭，鉆深0.015"，使用分階鉆和雙擊鉆。兩塊板看起來幾乎完全相同，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)，孔壁上幾乎沒有污點。從質(zhì)量的角度看，增加雙擊鉆后并沒有什么影響，雙擊鉆是一種昂貴的工藝，這里的目的只是想看不同DoE變量之間的關系。Merix目前一直在對堵塞孔進行檢測和維修，同時也在繼續(xù)研究其它工藝參數(shù)。

改善去毛刺和預清洗工藝

完成機械鉆孔后，板件將經(jīng)過去毛刺和和預清洗工序。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)過該工序后通孔仍然堵塞且含有水汽，所以對這些產(chǎn)品要臨時使用手工空氣清洗工序。用AOI設備測量生產(chǎn)線上采取以下三種措施之后的效果：

更換去毛刺和預清洗設備；

使用在線式風刀；

使用離線式手工風刀。

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

在線式風刀平均可減少96%的堵塞；

手動風刀可減少93%，且要花費更長的時間。

于是Merix決定在新的去毛刺和預清洗工序上都使用風刀。

其它工藝

在其它工序上對缺陷進行檢查也越來越可行。例如在電鍍工序前后測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出激光鉆出的微孔。對激光和機械鉆孔進行測量能找出引起HDI板出現(xiàn)缺陷的主要原因，此外我們還對凸出孔的外層干膜損壞和由于阻焊劑引起的塞孔進行了研究。經(jīng)Merix核算，經(jīng)過三個月運行，應用自動測量系統(tǒng)在工藝改善和鉆孔修理上所節(jié)約的資金已超過了原定目標，目前該系統(tǒng)每周七天每天24小時運轉(zhuǎn)，以便對所有高寬比大的產(chǎn)品和高密度產(chǎn)品進行全檢。

Mark Owen

先進產(chǎn)品經(jīng)理

MV Technology Ltd.

Email: markowen@home.com

Nick Stevenson

Tom Raab

Email: tom.raab@merix.com

Merix Corp.