半金属化孔的合理设计及加工方法

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1、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

2、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

3、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

4、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

5、大的情况。现时常规最小直径的锣刀是中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：　　如图(三)所示，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SPINDLE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，NPTH孔应该在钻带中设计为削入板

6、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

7、。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