印制电路板制作中的孔间距分析

郭志伟 徐 杰 杨 俊

(惠州中京电子科技有限公司，广东 惠州 516029)

0 前言

随着HDI高密度互连技术逐步发展成熟，印制电路板（PCB）的孔密度也越来越密集，对孔间距的要求也越来越小（如图1所示）。在同网络孔设计中，由于孔边与孔边较近会在机械钻孔过程中导致断针或两孔切破产生毛刺；在不同网络的孔设计中最常出现的是灯芯相连导致内短报废（如图2所示），由于此问题存在于孔壁的内部，只能在电路板电测工序测量电路阻值检验，或者使用物理切片通过显微镜测量灯芯长度来抽检监控，如果电路板装上电器元件后出现铜离子迁移导致轻微漏电短路，从而会导致电器损坏造成不可估量损失。

图1 孔间距图示

图2 灯芯相连图示

1 同网络孔间距的分析

1.1 同网络孔间距的类型和影响

同网络相近的孔又可分为化学镀铜孔和非化学镀铜孔，非化学镀铜孔（非金属化孔）一般用于电路板制作过程中扫描定位功能或安装电器设备时起固定作用，孔径设计一般在0.5 mm以上；化学镀铜孔（金属化孔），用来连接电路板层与层之间的铜线路导通作用，孔径设计一般在0.1 mm～0.5 mm之间，还有比零件焊接脚直径大一些的插件孔。

无论是化学镀铜孔还是非化学镀铜孔如果设计孔间距较近会对机械钻孔工序有所影响，两个孔过近会造成钻第二个孔时一边方向的材质过薄，使钻头受力和散热不均，从而导致钻第二个孔时断钻针、孔位偏移，两个孔之间切破产生毛刺不良（见图3所示），所以必须有一个两孔之间的安全距离才能不会产生以上不良。

图3 近孔毛刺图

1.2 同网络孔间距的安全距离分析

为了能得到合理的同网络孔间距的安全距离因子，笔者根据自己多年的工作经验做了试验验证，实验步骤如下。

1.2.1 实验设备

大族钻机（型号：HANS-F6M）、视频显微镜（型号：HD-1080）。

1.2.2 实验材料

钻头（直径0.25 mm、0.50 mm、1.00 mm、2.00 mm），铝片（厚度0.16 mm），木浆板（厚度2.50 mm），FR-4覆铜基板（厚度1.5 mm）.

1.2.3 实验方法

（1）以不同直径钻头与不同间距分别做钻孔，把近孔分为两把刀具钻孔各做100组近孔。

（2）使用钻孔正常参数（见表1、表2所示）和近孔参数生产（近孔进刀速度下调50%）。

表1 钻头实验参数表

表2 实验设计和叠板结构表

（3）钻孔后对底板使用视频放大镜观察，测量孔位和孔间距变化。

1.2.4 降低对实验数据的误差

对实验机台保养后各项性能检测见表3所示。

表3 实验机台性能检测表

1.2.5 实验结果

钻孔后对底板进行视频放大镜观察，测量孔位和孔间距变化,以两孔之间不切破、不产生毛刺为标准，以图4为例，判定结果如表4所示。

图4 钻孔例图

表4 同网络孔间距实验结果表

1.2.6 实验结果分析

通过以上实验结果表明直径0.25 mm钻针孔偏移相对其他孔径较大，只有孔间距设在0.125 mm时两孔之间未切破，钻头直径0.5 mm、1.00 mm、2.00 mm设定在0.1 mm时两孔之间未切破，在此实验结果上我们就可得知，在机械钻孔时同网络孔间距要求不切破、无毛刺时，直径0.25 mm的孔安全孔间距需要设计要大于0.125 mm。直径0.5 mm、1.00 mm、2.00 mm的孔的安全孔间距需要设置大于0.10 mm。此为实验数据，笔者认为在量产过程中还要再加大些。

2 不同网络孔间距的分析

不同网络孔间距的设计难度主要是灯芯管控，从物理实验微切片分析得知灯芯是金属离子沿着电路板基材的玻璃纤维丝渗入迁移导致，从灯芯的产生工序看是在钻孔到化学镀铜之间；从钻孔工序分析是钻头刀面会随着孔数增加而磨损，磨损后的钻头对孔壁有拉扯作用，导致孔壁纤维和孔壁树脂产生裂隙，在化学镀铜后产生灯芯；从化学镀铜工序的分析化学镀铜前除胶阶段对孔壁的咬蚀有着一定的作用；但不同板材的玻璃纤维布种的结构也不能排除，总结以上分析笔者做了表5的中三项实验，为不同网络孔间距的合理性提供了一些依据。

表5 实验参数设计表

2.1 实验材料

本次试验分别使用7628玻璃纤维布材和2116玻璃纤维布材，板厚为1.0 mm，孔径为0.2 mm，孔间距设计为0.3 mm。

2.2 实验结果与讨论

2.2.1 不同钻针的孔限对灯芯和孔间距的影响

在机械钻孔过程中，钻头的孔限会直径影响到钻孔后的孔壁质量，如最常见的孔粗、钉头等。下面就做个实验，使用相同材料及相同化学镀铜参数不同的钻头孔限做测试。结果如表6所示。结果显示，在材料及其它加工参数相同的情况下，随着钻头孔限的增加灯芯的长度也会跟着增加，钻头磨损越大越不锋利对孔壁拉扯损伤也会越严重，灯芯表现也就越明显。因此减少钻头的孔限可以在一定程度上减小灯芯的长度。

表6 钻孔孔限实验结果表

2.2.2 化学镀铜前的除胶对灯芯和孔间距的影响

除胶工序是为了将孔内的胶渣清除干净。除胶药水主要成分为高锰酸钾，该药水对孔壁有强力的侵蚀作用。在相同的加工条件下，笔者使用相同的材料、相同的纵横比和相同除胶温度加工三组实验板，分别使用2.0 m/min、3.0 m/min、4.0 m/min的除胶速度，对比三组的灯芯大小，试验结果如表7所示。

表7 化学镀铜前除胶实验结果表

结果显示，在相同的材料、相同的加工条件下，除胶速度的降慢孔壁灯芯也会随着增大，即除胶的速度与灯芯长度成反比例关系，这个实验结果表明除胶速度与孔间距的设计也是一个重要的考量因素。

2.2.3 不同覆铜基板材的玻璃纤维布种对灯芯和孔间距的影响

从覆铜电路板基材厂商得知在市场上广泛使用的是7628玻璃纤维布板材，其次是2116玻璃纤维布板材，接着是1080玻璃纤维布板材和106玻璃纤维布板材等，它们的区别是其厚度和单丝直径不同。笔者使用相同的板材厂家，相同的厚度，相同的钻孔和除胶加工条件下，分别使用7628玻璃纤维布实验板和2116玻璃纤维布实验板，化学镀铜后切片观察如图5所示。从图5的试验结果显示，在其它加工条件相同的情况下，7628玻璃纤维布实验板要比2116玻璃纤维布实验板的灯芯大，那么在制作不同网络孔间距较小的电路板产品时要注意尽量避开7628玻璃纤维布板材。既然同网络孔间距的设计灯芯是关键因素，那么灯芯又是沿着玻璃纤维丝延伸的铜离子而产生，究竟是板材品质的不良导致纤维与树脂基体间未紧密结合出现裂隙而产生灯芯？还是加工过程中条件不够合理导致板材的裂纹产生灯芯？还需要进一步探索。

图5 不同玻璃纤维布板材实验板材

3 结论

通过以上实验得出：无论是同网络孔和不同网络孔都有必要设计孔的安全间距，同网孔间距设计重点考量的因素是钻头直径，直径越小孔间距要求越大；影响不同网络孔间距的关键因素主要是灯芯，影响灯芯的几个关键因素，分别是机械钻孔工序的钻头寿命管控、化学镀铜工序的除胶速度、板材的玻璃纤维布种选取。

笔者对于本文所讨论的问题，希望能够为同行提供一些借鉴，并非常欢迎与业界同行做进一步的探讨和交流。