PCB线路板半金属化孔的加工方法及合理设计

　　摘要：半金属化孔成型后的孔壁铜皮翘起、披锋残留问题一直是PCB板件机械加工中的一个难题。残留在半金属化孔内的铜丝和披锋在下游的smt厂家的焊接过程中，容易出现焊点不牢、虚焊、桥接短路等问题。因此半金属化孔的铜皮翘起和披锋一般不为大多smt厂家的IQC所接受。本文介绍了从CAM／CAD设计上以及加工技巧上有效的控制、减小半金属化孔的铜皮翘起和披锋的几种方法，同时评估各种加工方法对成本控制和制作周期的影响。

前言

如何控制半金属化孔成型后的孔壁铜皮翘起、披锋残留的产生一直是PCB板件机械加工中的一个难题。这是因为一般的PCB成型的机械加工方式无外乎数控锣床锣板、机械冲床冲切等方式，这些方式在切断PTH孔铜的时候，无可避免的会导致余下部分PTH孔的断面上残留下铜丝披锋，严重的甚至有孔壁铜皮翘起现象。如下图所示。

象上图这样单元边整排有半金属化孔的PCB，个体都比较小，多用于载板上，作为一个母板的子板，通过这些半金属化孔与母板以及元器件的引脚焊接到一起。所以如果这些半金属化孔内残留有铜丝披锋，在smt厂家进行焊接的时候，将导致焊脚不牢、虚焊；严重的造成两引脚之间的桥接短路。多数smt厂家不易接受此类PCB缺陷，而据笔者所知，现在多数PCB厂家是以人工修理作为应对方案。

机械加工原理：下面我们从机械加工的原理来分析披锋的成因。由于机械冲床冲切方式几乎不大可能应用到半金属化孔的外形加工上，在此只针对数控锣床锣外形的原理进行分析介绍。我们知道，一般的数控锣床的SPINDLE的旋转方向都是顺时针的，习惯上称为右旋刀。如下图(一)，假定一个金属化孔在PCB单元外形上，A、B两点是它们的交点，锣板方向如图所示。那么当右旋的锣刀在锣到B点的时候，B点受到一个向右的剪切力F。理想状况下剪切力F将B处切断。但是附着在孔壁上的铜是具有延展性和韧性的，锣刀在切到孔壁以铜为主的金属化层的时候，会由于以下原因产生披锋残留：

1、锣刀由于转速不够和磨损的原因，造成锣刀的切割力不足；
2、孔铜与孔壁结合力不足，在F的作用下，断口附近孔铜脱离；
3、孔铜的延展性，特别是热风整平或沉金等表面处理后，又增加了金属层的厚度和延展性及韧性，造成切割不断；
 

大多数情况下，披锋只在B点而不会在A点产生。这是因为锣刀在切割到A点的断面的时候，先切割到A点的孔壁金属化层。A点金属化层同B点的孔壁金属化层一样，会由于金属的延展性发生形变，但A点断面背靠着基材层，有效地防止了金属层的延伸以及金属层与孔壁的脱离。只要锣刀没有严重磨损，切割力足够，A点锣后的断面会很平滑，没有披锋产生。从原理分析中，我们很容易想到只要我们先将板件反转过来，还是用原来的锣板方向，先把B点处的铜丝锣断，再按正常情况锣板，就能防止披锋的产生。不过此种方法只适用于单个金属化孔在外形线上，而且孔径比较大的情况。现时常规小直径的锣刀是中0．80mm，如果我们面对的是一整排的类似邮票孔的半金属化孔，并且孔间距比较小、孔径也比较小的时候，我们应该怎么做呢?如下图(二)所示。

 
设计和加工方法
一、二次钻法

设计方法：
按锣板方向在半金属化孔的B点处在PTH后加钻一个适当的NPTH孔，预先切断B点断面。这里要注意几个细节。

1、 NPTH孔的孔径的选择：

2、一般数控钻机的S P I NDL E的旋转方向也是顺时针的，将PCB板件翻转过来钻孔；并且应选用槽形钻嘴钻孔。所以要切断B点的孔铜，必须考虑到PCB板件的涨缩变化和二次钻以及锣机的对位精度，NP TH孔应该在钻带中设计为削入板件内2-4mil ；

3、如果按下面的碱性蚀刻流程，需要把半金属化孔的焊盘单元外的部分削入外形线2-4mil如 果采用下面的酸性蚀刻流程，则单元外的焊盘要保留单边比孔大5mil以上。

生产流程：

l. 碱性蚀刻流程：板件→一次钻孔→PTH→外层图形转移→图形电镀→退膜→碱性蚀刻→二次钻孔→退锡→感光阻焊→表面处理→字符印刷→锣外形

2. 酸性蚀刻流程：板件→一次钻孔→PTH直接加厚孔铜→外层图形转移→酸性蚀刻→二次钻孔→感光阻焊→表面处理　　加工效果 ：下面是我们采用上述两种流程批量生产某板件后采集的数据。每个流程的量产数量是350个PANAL，4200个出货拼板单元，16800个PCS。二次钻孔时采用两块／叠生产，按出货单元计量比例。(如果按PCS计量，比例更低。)改善效果十分明显。

 　　优劣分析：从制作成本的角度来看，增加的二次钻孔流程延长了生产的制作周期，钻孔成本也成倍增加。这是因为要保证加钻孔有效的切断孔铜，需要使用特殊槽形钻嘴并且钻孔参数需要调整，钻孔叠数也不可能多。同时二次钻法对后面工序的影响也不可忽视。首先二次钻后在半PTH孔内将残留部分板粉，必须采用高压水洗的方法予以清除，以免对绿油和表面处理带来不利的影响。同时对绿油工序而言，在加钻孔位置必须要加单边比孔大2mil左右的绿油开窗，防止绿油残留在半金属化孔里。采用碱蚀二次钻法注意尽量避免对板件锡面的擦花。使用之前钻机机台要清洁干净。碱蚀二次钻法的外层线路菲林削焊盘之后也存在着在图形电镀时孔内上锡不良的潜在缺点。不过相对于人工修理给交期带来的巨大影响和工时成本增加，二次钻法在大批量生产时不失为一个可行方法。