半金属化槽孔成型加工技术

Contour Routing Technology of Half PTH
半金属化槽/孔的成型加工技术探讨
深南电路有限公司梁飞孙俊杰518053
摘要：半面金属化槽/孔在成型加工过程中的毛刺和铜皮翻起问题是PCB机械
加工中的一个难点，传统的改良方法，即更改走刀方向、下刀点以及定位方
式很难完全消除这些问题，继而在后续焊接过程中出现虚焊、桥接短路等问
题。

本文在对比总结灌锡铣、正反钻、正反铣工艺的同时，提出了机械加工
和化学加工相结合的最优解决方案——带锡铣。

关键词：半金属化槽/孔带锡铣
Abstract: It is difficult to avoid copper burr in routing the PCB with HALF PTH.
The technical requirements can not be meet only by improving the path direction, starting point and locate mode. While the copper burr remaining on the hole/slot wall would induce welding failure or short circuit. The following article summarizes some traditional technical methods such as filling stannum, double side drilling and double side routing to resolve this problem, meanwhile, an optimum solution is offered.
Keywords: half PTH hole/slot routing with stannum
一、前言
背景
所谓半金属化槽/孔，多指在PCB外形线上只留有半个金属化槽/孔的设计，而另一半要在成型加工时将其铣掉。

这种半金属化槽/孔的设计多用于电源板、个人消费品，背板上亦有此类设计，但是不多见。

焊接加工时，有些半金属化槽/孔的侧面作为压接连接的一个配合面，如、所示，但多数情况下是做为母板的一个子板，子板的半金属化槽/孔与母板或元器件的引脚焊接到一起以增强焊接性能。

如果这些半金属化单元内残留有铜丝、毛刺，将导致焊脚不牢、虚焊甚至桥接短路等问题。

然而究竟如何得到断面齐整、光洁、PTH镀层保存完好的半金属化槽/孔着实是PCB成型加工的一个难题。

目前，对半金属化槽/孔的加工，除了对要求较低的产品采用模具冲型外，业界普遍采用数控铣切的方式，下面仅就数控铣工艺来分析毛刺、铜皮起翘的产生机理。

毛刺、铜皮起翘的产生机理
一般情况下，数控铣床的主轴总是顺时针旋转的，在铣切过程中，板子侧面会产生一个切削力，在切削力作用下，铣刀将多余的板料铣削下来。

在加工半金属化槽/孔时，镀铜层与基材层之间的结合力、铣刀切削性能、半金属化单元图形的设计特点以及铣切方式等因素都会影响半金属化单元的成型加工质量，使得在一次性铣切金属化槽/孔的过程中，若不增加任何辅助工艺，就必然会产生毛刺、铜丝，这是目前铣切加工自身难以克服的弊端。

如所示为俯视观察铣刀铣切半金属化孔的剖面图，主轴顺时针方向旋转、逆铣走刀。

那么当铣刀切削至A位置和B位置时，A点与B点均受到一个向右的剪切力Ft，所不同的是：在A点，铣刀先切到基材层，将基材层切断后继续切削镀铜层，而镀铜通孔上的铜是连续性的结晶体，有非常良好的延展性，在Ft的作用下，铜镀层在A点又恰好有一个延展空间，于是A点处的镀铜层便顺着铣刀的行进方向延展，直至Ft战胜其晶体间的结合力，至此，毛刺也就形成了，如果镀铜层与基材的结合力不好，不足以抵抗Ft的作用，则A点处靠图形区一侧的孔壁镀铜层还会部分脱离基材，形成铜皮起翘；而在B点，铣刀是先切到镀铜层，在Ft的作用下将其压向B处的基材层，使其丧失了延展的空间，从而有效地防止了镀铜层的延展以及镀铜层与孔壁的脱离，可以得到齐整、光洁的断口。

但是铣刀在切断B点的时候，在走刀方向上是有进给的，如果B点与下一个PTH孔的距离很小，就很可能在下一个PTH孔的相应“A”点处产生毛刺、铜皮起翘的问题。

半金属化孔铣切加工示意图
综上分析，得到半金属化单元在铣切加工时产生毛刺、铜皮起翘的机理：
⑴半金属化单元内壁的双层结构使得其结合力成为一个重要影响因素；
⑵半金属化单元的内轮廓在成型加工前已经完成，使得“A”点区域的镀铜层有了足够的延展
空间，加之镀铜层本身良好的延展性，助长了毛刺的形成；
⑶铣切加工自身的特点，如主轴固定的旋向、逆铣的走刀方向等也使得毛刺的产生难以避免。

以上分析是在铣刀刀齿锋利、铣切参数合理的前提下进行的，而在实际加工中，铣刀是逐渐磨损的，很难恒定的保持理想的加工条件，若铣刀磨损严重、铣切力不足，那么A点、B点处均会产生毛刺、铜皮起翘。

二、传统工艺
内层设计优化工艺
改善机理——提高半金属化单元内壁镀铜层的结合力，改善铜皮翻起
在PTH槽/孔内层的允许空间上加铜盘，使其在与孔壁垂直的方向产生一个拉住内壁镀铜层的力量，以增强内壁镀铜层结合力，从而抵抗切削力，改善铜皮拉脱、翘起问题。

试验加工结果
试验设计了内层有盘PTH孔和内层无盘PTH孔两种图形，并在多种铣切参数下一次性铣切。

结果发现，内层有盘PTH孔的铜皮翻起长度比无盘孔的铜皮翻起长度小约20%，有盘PTH孔的铜屑衔接界面比无盘PTH孔更明晰、更易于修补，修补时间短且修补后界面更光滑，见和。

通过内层增加铜盘虽然对半金属化孔的铣切有明显辅助作用，但是在一次性铣切时不能杜绝铜皮翻起的问题。

有盘孔一次铣切图无盘孔一次铣切图
灌锡填孔工艺
改善机理——切断铜镀层的延展空间
由上文分析，我们知道A点会产生毛刺，而B点一般不会产生，主要原因是A点的孔壁镀层有延展空间。

那么通过在半金属化槽/孔中灌锡填孔的方法，可以封住A点孔壁铜皮的延展空间，强迫铜层断裂。

加工流程及加工效果
加工流程：HASL（喷锡不开风刀）—>铣半金属化槽/孔—>HASL（喷锡吹孔）—>外形加工。

加工效果：由于槽/孔内填满了锡，有效的阻止了孔壁铜皮的延展，可以得到较理想的加工效果。

局限性及弊端
这种灌锡填孔的工艺方法仅适用于表面涂敷方式为HASL的板件，而且由于此类板件经过了两次热冲击，容易造成后续焊接失效，特别是对于厚度较高、内层铜厚较厚的板，两次热冲击更是致命。

正反钻/正反铣工艺
改善机理——反向置板，将原有铣切问题点“A”转换消除
如所示，A点为一次性铣切半金属化单元的问题点，如果通过一些辅助工艺方法，事先解决这个问题点，然后再正常铣外形，就可以满足工艺要求了。

消除问题点“A”的几种工艺方法
反钻法
如（a）所示，在A点处预先钻出一个NPTH孔，将A点的金属化单元侧壁预先切断。

由于数控钻机的主轴旋转方向也是顺时针的，若按铣外形的置板方向来钻这个预钻孔，问题点仍不能消除。

因此，需要按照（b）所示的方向，即与铣外形相反的方向置板钻预钻孔，称为反钻法。

（a）（c）
（b）（d）
反钻工艺示意图
预钻孔孔径以及位置的设计要充分考虑半金属化单元外层焊盘的尺寸、形状特点，板件的涨缩变化以及铣床的成型精度和对位精度等因素。

如（c）所示，预钻孔加在与半金属化单元内壁相切的位置，则其外层焊盘仍有r′段尚未钻掉，在铣外形时仍有可能被铣刀带起，产生毛刺。

而且在工艺允差下有时铣刀路线可能会切进设计图形，则内壁区域的铜镀层仍有产生毛刺的可能，为了彻底消除A点隐患，需将预钻孔切进图形，如图（d）所示。

正反钻法
由的分析，我们认为B点的正常铣切不会产生毛刺、铜皮翻起问题。

但是，若半金属化单元设计有外层焊盘且焊盘尺寸很小，焊盘在垂直方向上仍有延展空间，也可能会有毛刺、铜皮翻起现象。

（a）是只在“A”点加了预钻孔的半金属化槽正常铣切后的效果，“B”点处的表层焊盘还是被带了出来，形成了铜丝毛刺。

为解决此类带有小尺寸外层焊盘的半金属化单元的铣切加工问题，可用正反钻法，在B点也加钻NPTH预钻孔，如（b）所示，其孔径及孔位的设计与反钻法相同。

一般情况下，当焊盘宽度小于时，需加正钻预钻孔。

（a）（b）
正反铣法
若半金属化单元在板外形线上排布比较分散且半金属化单元外层焊盘尺寸较大的设计，为避免
反钻法带来的低效率、延长生产周期等问题可采用正反铣的方法。

与反钻“A”点的道理相同，反向置板铣切“A”点，然后正向置板完成铣槽和外形的加工，亦会收到较好的加工效果，同时还可避免正反钻方法带来的高成本。

局限性及弊端
正反钻/正反铣工艺采用的是纯机械加工方式，无法彻底得到光洁完整的侧面效果，特别是批量加工过程中，由于刀具、机床主轴、板材涨缩等过程因素存在波动，往往导致部分板仍旧存在毛刺、铜皮翻起等问题。

鉴于上述传统工艺改善方法的局限性和弊端，我们提出机械加工和化学加工相结合的新工艺来解决该问题。

三、机械加工与化学工艺相结合的工艺——带锡铣
加工流程：
……图形电镀—>外形铣槽—>外层碱蚀—>……—>化学镍金—>外形加工……
改善机理——借助化学方法消除铣切半金属化单元带来的问题
将铣切半金属化槽/孔的流程加到图形电镀和外层碱蚀中间，利用锡层的抗蚀作用和药水对铜的蚀刻作用，来除掉毛刺和翻起的铜皮。

加工效果
（a）（b）
（c）（d）
带有半金属化单元的板件经过图形电镀以后槽内完成了镀铜，如（a）所示。

外形铣槽后的效果如图（b），此时“A”点有明显的毛刺残留，毛刺为双层结构，外层为锡层，内层为铜层。

经过碱性蚀刻，毛刺的内层铜皮被蚀刻掉，而毛刺的外层锡层则在褪锡环节被消除。

图（c）为外层碱蚀后的效果，可以看到图（b）中的毛刺已经被去除了。

图（d）为最终成型加工后的效果，槽双侧侧面均光滑无任何凸起。

四、结论
总之，相对于传统纯机械加工工艺而言，带锡铣工艺跳出了传统工艺改善的着眼点，巧妙地借助了化学加工，消除了正反置板带来的多次定位问题、提高了加工效率，减少了对铣刀/钻头锋利程度的依赖、节省了成本，更重要的是完全避免了毛刺的产生，特别是当半金属化单元外层焊盘尺寸特别小时带锡铣工艺更具优势。

参考文献
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