采用MINITAB軟件優化印刷線路板電鍍盲孔的參數

張虹，石彩燕 ，肖心萍

（1.秦皇島職業技術學院，河北 秦皇島 066100；2.中國石油大連石化公司，遼寧 大連 116025）

采用MINITAB軟件優化印刷線路板電鍍盲孔的參數

張虹1,*，石彩燕2，肖心萍1

（1.秦皇島職業技術學院，河北 秦皇島 066100；2.中國石油大連石化公司，遼寧 大連 116025）

利用Minitab軟件的田口設計方法對印刷線路板盲孔鍍銅的工藝參數進行優化，鍍液成分為：Cu2+30 ～ 45 g/L，H2SO4180 ～260 g/L，Cl?60 ～ 80 mg/L，光亮劑8 ～ 15 mL/L。得出盲孔孔徑及4個鍍銅缸噴壓的最佳值。在最佳條件下，銅厚和凹陷值均符合要求，從而省卻了填孔后的減銅工序，降低了成本，縮短了生產周期。

印刷線路板；盲孔；電鍍；優化；凹陷

1 前言

目前 PCB(印刷線路板)填孔鍍大多要經過鍍前處理、化學鍍銅和電鍍銅來完成[1]。一般PCB廠商電鍍盲孔的生產流程是：激光鉆孔─水平電鍍─垂直電鍍填孔─減薄銅。電鍍填孔使用專屬填孔藥水，通過低電流、長時間的鍍銅再搭配噴壓調整將盲孔填充平整。其優點是：盲孔內用電鍍銅填滿，避免了表面凹陷，有利于更精細線路的設計和制作；避免了樹脂、導電膠填孔造成的缺陷，以及因為材料不同而造成的溫度膨脹系數不一的現象，導電性更好，同時提高了板件散熱性能[2]。

在填孔電鍍中，Dimple(凹陷)值是衡量填孔電鍍品質的首要指標。盲孔鍍銅時，Dimple值越小越好(一般以小于15 μm為標準)。在其他參數不變的情況下，Dimple值隨孔徑增大而增大。孔徑過小，填孔有缺陷；孔徑過大，Dimple值會大于15 μm。在微小盲孔的電鍍和填孔鍍銅中，除了添加劑起了主要作用外，攪拌的模式和程度對填孔鍍銅的效果起著重要的影響。一般PCB廠商的電鍍藥水均由供應商直接提供，所以在實際生產中，除了控制電鍍添加劑的類型與含量外，最重要的是控制鍍銅液的流動速度，同時還要根據盲孔的厚徑比和孔徑作調整，以得到最佳效果。

電鍍銅添加劑中各組分的功能和作用原理在很多文獻中都有詳盡的描述，電鍍的效果取決于它們的協同效果。電鍍盲孔的影響因素很多，而且各生產廠家的設備、工藝又不盡相同，實際生產中不同基材 PCB的工藝參數一般都需要經過大量的實驗來加以確定。為達到將盲孔填滿的效果，一般通過增加鍍銅層厚度來滿足需求，填孔后又通過減薄銅來降低面銅的厚度，以達到面銅規格[3]。整個填孔過程中大約有 20%左右的生產成本(包括電鍍藥水、銅、水電等)損耗在減薄銅的過程中。本文嘗試通過優化填孔參數，以期在保證填孔質量的前提下降低鍍銅厚度，取消填孔后的減銅工序。

2 實驗

電鍍板材質為1067PP。電鍍液組成為：Cu2+30 ～45 g/L，H2SO4180 ～ 260 g/L，Cl?60 ～ 80 mg/L，酸性鍍銅光亮劑8 ～ 15 mL/L。

在控制電鍍藥水、添加劑、電流密度等參數不變的情況下，通過正交試驗及Minitab軟件對PCB電鍍盲孔的 2個工藝參數──盲孔孔徑和銅缸噴壓，進行量化分析。樣品切片后，利用金相顯微鏡觀察孔內切片情形，并測量填孔后的Dimple值，如圖1所示。

圖1 電鍍填孔評價方法Figure 1 Method for evaluating the filling of blind hole

3 結果與討論

3. 1 工藝參數的選取

生產實踐中，盲孔孔徑通常在2.5 ～ 5.5 mil(1 mil ≈25.4 μm)之間。實驗證明，孔徑在3.5 ～ 5.0 mil之間是合格的。由于孔徑越小越有利于PCB的布線，因此激光鉆孔時選擇3.5 mil和4.0 mil兩個孔徑進行試驗。填孔過程中工件依次浸入 4個銅缸中電鍍，填孔藥水的極限噴壓為0.2 bar和1.2 bar(1 bar = 0.1 MPa)。其余條件為：線速0.5 m/min，電流密度22 ASF(1 A/dm2= 9.29 ASF)。

3. 2 實驗設計及分析

2種盲孔孔徑和 4個銅缸的不同噴射壓力組成一個二水平五因素的試驗，采用25+3正交試驗設計[4]尋找最佳參數組合。整理數據后做成統計表，再利用Minitab軟件，采用田口方法進行實驗設計分析，最后求出最佳過程參數解。

實驗結果見表1。由于實驗數據是單一的且沒有重復，因此可初步利用效應柏拉圖(見圖2)進行顯著因子篩選，挑選重要效應，然后進行模型縮減[5]。標準化效應柏拉圖如圖3所示。

Dimple值(μm)的效應和系數的估計(已編碼單位)如下：

表1 田口實驗設計及結果Table 1 Taguchi design and experimental results

圖2 效應柏拉圖Figure 2 Pareto chart of the effects

圖3 標準化效應柏拉圖Figure 3 Pareto chart of the standardized effects

(1) 線框部分P值 = 0.067 ＞0.05，是有意義的，因此納入模型分析。

(2) 修正的擬合優度R-Sq(adj) = 95.85 %，說明此模型能充分解釋Dimple的變異。

從殘差圖(圖4)分析可知，殘差符合正態性并且沒有明顯規律性，故該模型是合適的。

圖4 凹陷殘差圖Figure 4 Residual plots of dimple

最佳過程參數的解如圖5所示，最終得出孔徑最佳為3.5 mil，4個銅缸噴壓分別為0.8 bar、0.6 bar、0.4 bar和0.3 bar。

圖5 最佳工藝參數的求解Figure 5 Solution of optimal process parameters

3. 3 實驗結果測試

3. 3. 1 切片測試

按照上述工藝參數在該廠小批量生產樣品中進行抽樣檢驗，并統計實驗結果如表3。整個實驗利用固定的設備，通過固定的人員進行切片和測量，確認盲孔銅厚和Dimple值均符合規格，且銅厚均在面銅規格內。

表3 小批量生產的抽樣檢驗結果Table 3 Sample tests results of small-scale production

3. 3. 2 熱應力試驗

試樣置于150 °C烤箱中，4 h后取出，待其冷卻至室溫。然后置于(288 ± 5) °C的錫爐中，完全浸入錫液(10 ± 1) s，取出冷卻后再次浸錫。經6次浸錫后取出試樣，待其冷卻，清洗干凈后做孔切片，利用金相顯微鏡觀察孔內切片情形。圖 6是熱應力試驗樣品孔切片照片。從中可以看出，無爆板、孔破、孔銅斷裂、分層與分離等現象，說明熱應力測試合格。

圖6 熱應力試驗試樣切片Figure 6 Cross section of thermal stress test coupon

實踐表明，按以上方法進行電鍍填孔參數優化是可行的。與傳統填孔鍍銅工藝相比，新的鍍銅工藝可減少減薄銅工序，即新的工藝流程為：激光鉆孔─水平電鍍─垂直電鍍填孔。此外，對于不同設備、不同材質的PCB電鍍填盲孔，均可參照上述方法優化工藝參數。生產實踐中采用新工藝可降低電鍍填孔成本(包括電解溶液、銅、水電等)約15%，并縮短了產品生產周期，量產后5個月內的合格率僅下降了0.7%。

4 結論

通過正交試驗及Minitab軟件優化了PCB盲孔電鍍工藝參數。結果顯示，最佳孔徑為3.5 mil，1 ～ 4號銅缸的噴壓分別為0.8、0.6、0.4和0.3 bar。優化后的工藝流程為“激光鉆孔─水平電鍍─垂直電鍍填孔”，比傳統工藝減少了減薄銅工序。新工藝降低了電鍍填孔成本，并縮短了產品生產周期。

[1] 劉小兵, 駱玉祥. 脈沖電鍍在微盲孔填孔上的應用[J]. 印制電路信息, 2004 (7): 42-45, 59.

[2] 王洪, 楊宏強. 微孔電鍍填孔技術在IC載板中的應用[J]. 印制電路信息, 2005 (2): 32-36.

[3] 林金堵, 吳梅珠. PCB電鍍銅技術與發展[J]. 印制電路信息, 2009 (12): 27-32.

[4] 茆詩松, 周紀薌, 陳穎. 試驗設計 DOE [M]. 北京: 中國統計出版社, 2004: 33.

[5] 洪楠, 侯軍, 李志輝. MINITAB統計分析教程[M]. 北京: 電子工業出版社, 2007: 51-53.

Parameter optimization for plating blind holes on printed circuit board by Minitab software //

ZHANG Hong*, SHI Cai-yan, XIAO Xin-ping

The process parameters for plating blind holes on printed circuit boards were optimized with Minitab software by Taguchi design method. The copper plating bath is composed of Cu2+30-45 g/L, H2SO4180-260 g/L, Cl?60-80 mg/L, and brightening agent 8-15 mL/L. The optima of blind hole diameter and the spray pressure of four copper plating tanks were determined. The copper thickness and dimple value are qualified under the optimal conditions. Consequently, the copper thinning procedure after blind hole filling is omitted, resulting in lowered cost and shortened production cycle.

printed circuit board; blind hole; electroplating; optimization; dimple

Qinhuangdao Institute of Technology, Qinhuangdao 066100, China

TQ153.14

A

1004 – 227X (2012) 03 – 0004 – 04

2011–07–29

2011–11–08

張虹（1971–），女，遼寧鞍山人，碩士，高級工程師，主要從事材料工程研究。

作者聯系方式：(E-mail) zhanghong-71@163.com。

[ 編輯：溫靖邦 ]