PCB板边插头前端斜坡状的制作方法

2023-06-28罗家伟邓林凤曹小冰

印制电路信息 2023年6期

罗家伟黄力邓林凤曹小冰

（珠海方正科技高密电子有限公司，广东珠海 510310）

0 引言

印制电路板（printed circuit board，PCB）的板边插头（edge-board contact）用于插入连接器卡槽，实现PCB与外部连接。由于一排插头如手指形状，又是表面镀金，因此被称为金手指（gold finger）。

一款有金手指插头设计的PCB 必然存在对外连接插拔的问题。正常情况下，为了能实现快速与连接器插拔，金手指前端基材均有斜边（倒角）。一般金手指铜厚及电镀镍金厚度总和＞40 μm，最高可达＞70 μm。金手指与基材之间存在一个台阶，会影响同连接器簧片的插拔与配合［1］，插拔的同时加剧金手指的磨损，并影响连接器簧片工作的寿命，如图1所示。

图1 PCB金手指与连接器的配合

为了降低金手指铜厚与基材之间的高度差，尽可能减少金手指前端同连接器簧片的插拔与配合时的磨损。本文从实际生产案列出发，介绍一种金手指前端（0.3±0.1）mm 区域呈斜坡状阶梯铜的设计，就其制作工艺原理、生产难点及改善措施等进行阐述，如图2所示。

图2 金手指前端区域铜呈斜坡状

1 制作流程

1.1 产品制作特点

产品基本信息见表1，前端呈斜坡状金手指成品效果如图3所示。

表1 产品基本信息

图3 PCB金手指前端成品图片

1.2 制作工艺流程

流程设计：前工序（压合）→机械钻孔→一次铣→金属化孔（plating through hole，PTH）沉铜→整板镀铜→真空树脂塞孔→树脂研磨→PTH沉铜→填孔覆盖电镀（plating over filled via，POFV）镀铜→外层图形（减铜图形）→减铜→去膜→外层图形→图形电镀（只镀锡不镀铜）→二次铣（制作PTH 半孔）→碱性蚀刻→外层自动化光学检测（automated optical inspection，AOI）→丝印阻焊→丝印字符→后固化→沉镍金→插头镀金→（成型）后工序。

1.3 制作难点分析

本成品主要特点是分级金手指、阶梯铜（极差≥40 μm）、PTH 槽减铜、POFV 工艺、金手指宽度精度控制等。具体制作难点及解决方案见表2。

表2 产品制作难点及解决方案

2 制作过程管控

2.1 电镀铜厚均匀性控制

PCB 制作过程中，板面镀铜均匀性好坏直接影响后续精细线路的制作与形成［2］。同时金手指前端斜坡状区域成品铜厚≤15 μm；如果铜厚均匀性差或极差过大，会导致减铜时局部区域铜厚＞15 μm，造成有些区域露出基材，无法满足品质要求，导致报废。因此，控制好成品铜厚均匀性成为此板的重中之重。电镀后采用铜厚测量仪按6 格×6 格方式收集成品铜厚，成品铜厚测量统计见表3。由表3 可知，整体铜厚60.73～73.51 μm；均值67.12 μm；极差12.78 μm。为了进一步了解此次产品铜厚分布情况，对比分析收集的两面次铜厚数据的平均值，以检验铜厚平均值是否存在差异，为后工序减铜及蚀刻提供重要依据。

表3 金手指成品铜厚测量统计单位/μm

通过单因子方差分析（置信区间95%），元件面铜厚范围65.14～65.78 μm；焊接面铜厚范围68.46～69.10 μm。方差分析区间置信区间95%，整体铜厚分布范围66.84～67.41 μm。

直方图分析如图4 所示。其电镀均匀性变化系数（coefficient of variation，COV）=标准偏差/平均值×100%=2.744/67.12×100%=4.09%。

图4 整体铜厚直方图

2.2 金手指前端呈斜坡状控制

据金手指前端呈斜坡状制作理论，整板镀最小铜厚，金手指前端通过蚀刻减铜方式，最终实现金手指前端区域铜呈阶梯斜坡状效果。

2.2.1 区域铜厚控制

采用浸泡式减铜，每次减铜后实测铜厚调整减铜量。每次减铜量需＜15 μm，多次减铜每次需更换面次，以保证减铜均匀性。后续流程阻焊超粗化处理、沉镍金前微蚀等铜厚损耗，减铜后此区域铜厚按7～16 μm 控制即可。最终减铜区域的成品微切片抽测铜厚为7.80～14.58 μm，满足品质要求。具体数据见表4。

表4 减铜后金手指前端呈斜坡状区域铜厚

2.2.2 金手指前端呈斜坡状长度控制

如图5所示，金手指长L，其中关键区域A=3/5L，非关键区域B=C=1/5L，非关键区域中B区较C区重要一些。

图5 金手指关键区域分布

金手指前端制作呈斜坡状阶梯铜，其区域长度不能超过金手指长度的1/5，也不能改变金手指总长度公差范围。工程辅助制造资料设计方法如图6所示。

图6 斜梯金手指外侧长度补偿

金手指长度（包含前端斜坡状阶梯铜区域）按制程能力正常补偿后，蚀刻后金手指前端呈斜坡状长度数据见表5，制程能力分析如图7 所示。要求（0.3±0.1）mm，最小281.96 μm，最大320.68 μm，满足品质要求。此批次斜坡状区域长度在中值，其过程能力指数（complex process capabilityindex，CPK）为3.67，符合量产制程能力。

表5 金手指前端呈斜坡状长度实测

图7 斜坡状金手指外侧长度制程能力分析

2.2.3 金手指前端呈斜坡状可靠性验证

斜坡状金手指铜厚＜15 μm 区域存在铜皮分离/起泡等风险。通过模拟客户贴件5 次回流焊及热冲击（288 ℃、10s）三次，然后进行微切片，观察此区域均未有铜皮分离与起泡，验证了产品满足品质可靠性（如图8所示）。

图8 斜坡状金手指可靠性验证切片

2.3 金手指宽度精度控制

由于金手指宽度较大，其公差按±0.05 mm 控制。本产品铜厚＞50 μm，为了保证其线宽精度，在现有制程能力下又额外补偿了0.05 mm。跟进蚀刻后金手指宽度实测数据见表6。金手指宽度要求（0.811±0.05）mm，实测0.814～0.840 mm；均值0.822 mm，此批次完成板厚为中值偏上，过程能力指数（complex process capabilityindex，CPK）为3.26，符合批量生产要求。

表6 金手指宽度实测数据

2.4 阶梯铜渗锡线凸控制

2.4.1 原因分析

由于金手指前端区域成斜坡状，即铜面存在阶梯，极差达40 μm 以上；贴膜时容易导致贴膜气泡，金手指边缘显影后干膜与阶梯铜结合不好，镀锡时易镀上；碱性蚀刻时，由于有锡作为保护，无法蚀刻干净，导致金手指侧壁线凸不良。金手指侧壁线凸过程演化如图9所示。

2.4.2 技术改善思路

金手指侧壁渗锡线凸不良，严重影响AOI/出货检验（final quality control，FQC）检板效率及良率。严重超标时，会导致两手指短路，因此需重点改善。

通过观察发现减铜图形形成的直角区域，如图10（a）所示，发现不利于贴膜过程中的气泡排出，需重新优化减铜图形工程辅助制造资料设计。设计优化后两斜坡状金手指区域采用弧形相连接，如图10（b）所示，这有利于减少贴膜过程中空气存留。

优化在制板的拼版，调整拼版使手指指前端区域铜呈斜坡状均朝统一方向，严禁混拼设计。调整外层图形前处理放板方式及贴膜速度：前处理板打竖放（前端呈斜坡状金手指方向与贴膜方向一致）贴膜，贴膜限速1.6 m/min，并空压一次，速度为0.5 m/min。其余如温度、压力按正常制程即可，显影后需确认斜坡状阶梯铜区域有无贴膜气泡。

2.4.3 阶梯铜渗锡线凸不良改善效果验证

通过工程辅助制造资料优化、制程参数等技术调整，完全改善金手指侧壁线凸不良，金手指侧壁线凸改善如图11所示。