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談談鉆孔間距對產品可靠性的影響

來源:一博自媒體     時間:2018-7-17

文:王輝東    高速先生團隊成員

有人說距離產生美,這句話不但在生活中適用,在PCB的鉆孔加工中也同樣適用。本期我們就來聊聊PCB的鉆孔間距對PCB可靠性的影響。

PCB單面板或雙面板的制作都是在下料之后直接進行非導通孔或導通孔的鉆孔, 多層板則是在完成壓板之后才去鉆孔。傳統孔的種類除導通與否簡單的區分外,以功能的不同尚可分:零件孔,工具孔,通孔(Via),盲孔(Blind hole),埋孔(Buried hole)(后二者亦為via hole的一種)。在我的上期文章中說到我們的常規的鉆孔,是通過鉆孔機械加工出來的。在實際加工中鉆孔之間的間距通常會影響鉆機的加工及成品的可靠性。


 
 
本文中孔到孔的間距,是鉆孔內壁到內壁的間距,不是鉆孔焊盤到焊盤的間距。此點一定要區分。下面是孔到孔的間距離示意圖。
 
那么孔到間距設計太近,有哪些危害,如果是相同網絡的孔間距過近,通常會產生破孔、鈹鋒等不良情況,影響板子的外觀及裝配。如果是不同網絡的鉆孔間距不足,會產生破孔、鈹鋒、還有芯吸效應導致的短路等不良情況。芯吸效應具體是怎么產生的呢?鉆孔在機械加工時,由于鉆孔的高速運轉和鉆頭對周圍板材產生的壓力,會導致板材內部的玻纖松動,鉆孔動作進給速度過大,或鉆咀破損不夠鋒利以致拉松拉大玻纖紗束,或材料本身纖維束有缺口,過于疏松。加工中,過度除鉆污會使玻纖紗束的樹脂被溶掉,那么在后工序沉銅電鍍工序就會有藥水順著松動區域進行滲透,造成短路的產生。IPC-A-600G里面對于芯吸是有這樣規定的:對于芯吸作用(B)沒有減少導線間距使之小于采購文件規定的最小值 ,芯吸作用(A)沒有超過80mm[3.150min。鉆孔之間也同樣適用。
      
還有一種不良就是鉆孔設計時間距過近會產生一個CAF效應。什么是CAF效應呢?
CAF,也叫離子遷移,全稱為導電性陽極絲(CAF:Conductive Anodic Filamentation),指的是PCB內部銅離子從陽極(高電壓)沿著玻纖絲間的微裂通道,向陰極(低電壓)遷移過程中發生的銅與銅鹽的漏電行為。當PCB/PCBA在高溫高濕的環境下帶電工作時,兩絕緣導體間可能會產生嚴重的沿著樹脂或玻纖界面生長的CAF,此現象將最終導致絕緣不良,甚至短路失效。 它通常發生在過孔與過孔之間、過孔與內外層導線之間、外層導線與導線之間,從而造成兩個相鄰的導體之間絕緣性能下降甚至造成短路,如下圖所示:
  

 
CAF形成的原因有以下幾點:

1.常規FR4 P片是由玻璃絲編織成玻璃布,然后涂環氧樹脂半固化后制成;樹脂與玻纖之間的附著力不足,或含浸時膠性不良,兩者之間容易出現間隙;
2、鉆孔等機械加工過程中,由于切向拉力及縱向沖擊力的作用對樹脂的粘合力進一步破壞,鉆孔太過粗糙,造成玻纖束被拉松或分離而出現間隙;
3、距離較近的兩孔若電勢不同,則正極部分銅離子在電壓驅動下逐漸向負極遷移;高溫高濕的環境下,使得環氧樹脂與玻纖之間的附著力出現劣化,并促成玻纖表面硅烷偶聯劑的化學水解,從而在環氧樹脂與玻纖的界面上形成沿著玻纖增強材料形成CAF泄露的通路;

通常PCB廠應根據自身制程能力及風險承受能力制定CAF等級標準:
1、A級—極度風險(例如:孔間隙12mil及以下)
2、B級---高度風險(例如:空間隙12-25mil)
3、C級---有風險(例如:孔間隙25-33mil)

關于CAF效應,網上有一個很盛傳很精典的案例,2008年10月位于福建某度假村(酒店)購買了80臺智能電視機,并開始試營業,2009年5月正式開業后,反饋有很多機器出現了聲音、遙控、存儲等不良現象。

后來對出現問題的故障主板進行分析,其中兩塊聲音雜亂的故障板,經查均為聲音濾波支路(1.5V)電容引腳對3.3V電源過孔漏電,漏電電阻測量為11K,電壓差只有1.5V,過孔間孔壁距離0.8mm。另外有一塊板發生插座引腳對地過孔漏電導致SDA電壓下降到1.5V(應為3.3V),兩者孔壁距離過近。具體位置見下面的示意圖:

根據現場情況分析和第三方檢測機構的檢測結果,出現問題機器的酒店處于處在臨海的位置,具有高溫高濕的地理環境,水蒸氣中鹽份含量較高,且PCB 設計孔到孔時間距過近,導致出現不良,判斷此次酒店機主要問題為PCB板的CAF引起絕緣失效。有時候你的幸福感,就是看到別人的災難時產生的。通過案例學習,警醒自己。特別是現在電子行業的高速發展,如汽車和戶外機柜等產品,所使用的環境比較惡劣,高溫潮濕等,除了在PCB制造焊接時做其自身的防護外,我們在設計之初就要考慮各類間距對CAF效應的影響。

PCB上的元件孔和導通孔需要電鍍孔銅。PCB設計工程師希望將孔到孔和孔到焊盤間距設計得很小,以獲得最大的布線空間。而PCB加工者希望孔的間距盡可能大點,提高鍍通孔的可靠性。矛盾就產生了,面對這一矛盾就需要設計工程師和PCB制造廠家找到一個共同的平衡點,這個平衡點就是鉆孔設計時間距要遵循一定的規律。通俗點說就是要滿足工廠的制程能力。下面是我附上一份我司PCB工廠鉆孔加工的制程能力,因為每家工廠的設備和操作規范不同,加工能力也會有很大的差異。不要看到這個制程能力就產生一種“自從買了保險,過馬路都不用看紅燈了”的豪氣,制程能力是一個紅線,告訴我們不要跨越。鑒于生產成本和工藝難度,pcb設計時盡量避免0.1mm、0.15mm的鉆頭。因為不僅容易斷鉆,而且工藝難度加大,成本增加,同時不良板增多。我們在設計時,一定要盡可能多的給產品留下裕量。否則就會是看到制程能力激動的紅了臉,板子出現了問題紅了眼,感嘆……



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