利用自动测量提高线路板微通孔成品率

自从1995起出现各种微通孔技术以来，在批量生产线上业界开始逐渐采用CO₂激光、UV/YAG激光以及光成像电介材料等技术，这些新技术导致电路板设计思想发生转变，从以前小心使用0.3mm通孔转为大量使用盲孔和微通孔，尤其在高密度应用场合(如移动电话、计算机、各种板卡和IC封装)。高宽比大于8:1且直径小于0.3mm的孔已越来越常见，特别是在服务器、基板和工作站的电路板上。如何对这类通孔品质进行控制？本文介绍一种自动测量的方法提高产品的成品率。

研究及个人经验表明，大多数HDI产品制造厂商在高宽比大的通孔和所有微盲孔上，缺陷率一般都大于1,000ppm，这给过孔数量超过30,000个的电路板带来了严重的成品率问题，因此需要采用新的工艺控制，其目的在于

使钻孔参数最优；

测量清洗效果；

对设备工作情况进行监控；

测量设备产能；

在进行其它工序之前找出缺陷。

这类工具有助于降低成本、提高成品率和改善钻孔工艺。

微通孔缺陷检测

导致微通孔产生缺陷的可能原因包括环境温度或湿度的改变，或者在钻孔、清洗、电镀工序中方法使用不当。

例如可能是操作者对设备进行了错误的设置、加载了旧文件、钻头安装错误、电路板放置不正确、电路板操作有误、在使用前没有清除碎屑；也可能设备的气动轴承出现磨损、检流计或行程需要校准、压脚运行不正常、钻孔参数不正确、碎屑抽出系统发生堵塞；还可能是材料的变化超过了公差要求，如钻头磨损、树脂过厚或固化不良、底片受到污染、层压时变形过大等等。

将这些缺陷分为五类然后用Ishikawa图画出来，可以确定出三种问题，即孔成形不良、错位以及大小或形状不正确，这些缺陷分别按X-Y偏差、圆度、尺寸或质量缺陷进行测量。微通孔缺陷也可能由共形掩膜底片、激光和机械钻孔以及外层图形的对位偏差引起。

PCB行业采用了一些先进的检测技术用于电路图形检查、底片检查及坐标测量设备中，但由于是专门针对这些应用而设计，所以对微通孔检测并不是很有效。针对通孔和微通孔的AOI技术还必须满足一些其它要求，例如：

基于测量而不是基于检查。测量可以提供不断变化的数据，这对预防性过程控制至关重要，测量系统在马达、编码器、光学照明系统以及可追溯校准工具等场合需要使用不同的策略；

针对工厂环境度身定做，而不是对经过特别处理的净化车间。要想接近缺陷产生的工序，检测就必须在操作环境下进行，如在钻孔和电镀工序；

全自动方式而不是人工协助批处理方式。操作人员应该仅在设置、生产失控或产品需要维修时才进行人工干预。

现在有的新型设备可从多个角度提供多种颜色LED照射，并通过高分辨率单色数码摄像机使用远心测量透镜生成视频影像。基准和钻孔文件用于确定每个孔的位置和正确的直径，设备影像测量技术则用于测量每个孔的位置、直径和圆度，摄像机每个视场测量时间小于100毫秒。

智能影像算法可以发现缺陷、进行分类并测量其特性，由于不同的通孔生成技术所形成的通孔具有不同特性，所以分类算法必须针对通孔成形方法及检测工序。图1显示了钻房检测的UV/YAG激光钻孔盲通孔分类情况，显然，这些相同的孔在去污、微蚀刻和电镀后看起来会有所不同。

目前，还不可能用该技术对每个工序的盲孔缺陷都进行检测。以CO₂激光钻孔为例，有时在孔内有一些烧焦的碎屑，但很难在钻孔后立即就发现好的通孔和有些堵塞通孔之间的区别，而在清理之后再进行检测会更加可靠一些。高宽比大于1:1的盲孔也难以检测，主要因为光学方法本身局限限制了技术的应用。

使用检查数据

SPC和过程控制工具可以把缺陷与造成该缺陷的工艺或设备联系起来。第一件产品钻孔完成以后即可测出设备的产能，确定维护计划。收集的数据还可以证实设备是否工作正常，以及产品是否合格，并为进一步改善提供信息。例如，孔的圆度不合格可能表明钻嘴漂移并意味着要使用不同的钻孔进给量、转速或叠板厚度，这样可很快评估工艺改变带来的好处。工序控制在每个工艺步骤之后都可以进行。

确定钻孔和电镀问题根源

Merix公司发现，含有大量通孔的厚线路板(2mm及以上)会因为孔堵塞而产生较多缺陷。在去毛刺和预清洗之后对这些板进行百分之百AOI检查后，得到结果如下：

99%以上的缺陷发生在直径最小的两个孔中，因此重点对其钻头尺寸进行改进，这也可减少检测周期，从每板约90秒降到30至45秒；

高宽比大于8:1的0.25mm孔的偏差、钻孔漂移和堵塞最严重，在有些情况下高达15,000ppm；

在去毛刺和预清洗线上，堵塞物和水未能有效去除；

95%以上的堵塞可用集中式高压空气去除。

这些结论引发了其它两项研究，分别针对影响塞孔的因素和改善去毛刺和预清洗工艺。

减少塞孔

我们采用DoE法确定影响塞孔的因素以及导致其产生的原因。试验中有四个变量(分阶钻、钻深、双击钻和工具)，每个变量有两种状态，对这些变量进行全分析试验，收集所有与塞孔相关的数据。

用各种参数对线路板进行钻孔，然后准确地找出堵塞孔。采用60%阈值(即有40%被堵塞才认为是堵塞)对每块板检测两次，把试验数据记录下来并统计每块板在各参数下的平均塞孔数。各种参数的影响见图2。

图2表明，双击钻比分阶钻的影响大，但除了塞孔以外，并未表明孔的质量会受到影响。试验中用两块板作为样品分析孔的质量，其中一块用新钻头，钻深为0.030"，使用分阶钻和双击钻；另一块板用重新磨过的钻头，钻深0.015"，使用分阶钻和双击钻。两块板看起来几乎完全相同，孔壁有一些粗糙但在要求范围内，楔形形状也在质量规范的150%范围内，孔壁上几乎没有污点。从质量的角度看，增加双击钻后并没有什么影响，双击钻是一种昂贵的工艺，这里的目的只是想看不同DoE变量之间的关系。Merix目前一直在对堵塞孔进行检测和维修，同时也在继续研究其它工艺参数。

改善去毛刺和预清洗工艺

完成机械钻孔后，板件将经过去毛刺和和预清洗工序。早期研究发现具有较小孔径和较大高宽比的钻孔经过该工序后通孔仍然堵塞且含有水汽，所以对这些产品要临时使用手工空气清洗工序。用AOI设备测量生产线上采取以下三种措施之后的效果：

更换去毛刺和预清洗设备；

使用在线式风刀；

使用离线式手工风刀。

在进行去毛刺和预清洗工序前后对板件进行检查，发现该工艺只是部分有效，但新设备似乎效果更好。使用风刀进行清洁后再进行检查，可得到结论：

在线式风刀平均可减少96%的堵塞；

手动风刀可减少93%，且要花费更长的时间。

于是Merix决定在新的去毛刺和预清洗工序上都使用风刀。

其它工艺

在其它工序上对缺陷进行检查也越来越可行。例如在电镀工序前后测量孔径可确定镀孔平均直径、发现电镀覆层的不均匀以及验证用于压合连接器的孔的尺寸；在钻孔和清洗工序之后可检测出激光钻出的微孔。对激光和机械钻孔进行测量能找出引起HDI板出现缺陷的主要原因，此外我们还对凸出孔的外层干膜损坏和由于阻焊剂引起的塞孔进行了研究。经Merix核算，经过三个月运行，应用自动测量系统在工艺改善和钻孔修理上所节约的资金已超过了原定目标，目前该系统每周七天每天24小时运转，以便对所有高宽比大的产品和高密度产品进行全检。

Mark Owen

先进产品经理

MV Technology Ltd.

markowen@home.com

Nick Stevenson

Tom Raab

tom.raab@merix.com

Merix Corp.