介紹

PCB（即印刷電路板）對于大多數現代硬件至關重要。然而，它們在制造過程中很容易出現缺陷。這些缺陷可能會導致 PCB 令人失望，并對產品執行和穩定的質量產生不利影響。

這本影響深遠的指南分析了最主要的 PCB 制造沙漠，調查了其潛在驅動因素，并針對有限的機會給出了可能的答案。PCB 由層疊在絕緣基板上的導電銅跡線組成。元件被焊接到板上以形成功能性電子電路。

在每個制造階段，可能會出現導致成品電路板出現缺陷的問題。常見缺陷包括焊接、機械損壞、污染、尺寸不準確、電鍍缺陷、內層未對準、鉆孔問題和材料問題。

PCB 缺陷和質量控制，當我們努力保持高標準的質量和效率時，解決并盡量減少這些常見的 PCB 制造缺陷至關重要。

這些缺陷會導致電氣短路、開路、美觀性差、可靠性降低以及 PCB 完全故障。

深入了解 PCB 缺陷的主要原因，使制造商能夠實施穩健的過程控制和檢查方法，以最大限度地降低風險。本文探討了最常見的常見 PCB 制造缺陷、其根本原因以及潛在的解決方案。

在流程的早期檢測和解決缺陷對于減少廢品和避免最終產品的功能問題至關重要。與 PCB 制造商密切合作并傳達質量和缺陷預防期望會帶來積極的成果。本指南涵蓋了通過設計、過程控制、檢查、培訓和其他方法最大限度地減少缺陷的策略。

PCB缺陷的主要原因

設計缺陷和制造變異性是造成 PCB 缺陷的兩個主要原因。以下是常見 PCB 制造缺陷的幾個主要原因：

PCB 制造涉及許多復雜的步驟，包括設計、成像、蝕刻、鉆孔、電鍍、阻焊層應用、絲網印刷、布線和組裝。如果控制不當，多個變量可能會導致每個階段出現缺陷。掌握 PCB 缺陷的重要驅動因素可以實施預防措施。

設計不當

許多 PCB 缺陷源于設計問題。常見的與設計相關的原因包括走線之間的間距不足、鉆孔周圍的小環形圈、超出制造能力的銳走線角度以及制造工藝無法實現的細線或間隙的公差。

其他示例包括存在酸陷阱風險的對稱圖案、可能因靜電放電而損壞的細跡線以及散熱問題。執行全面的可制造性設計 (DFM) 分析并遵守PCB 設計指南可以防止許多設計引起的缺陷。

讓制造工程師參與設計過程有助于評估可制造性。仿真和建模工具還可以驗證設計對現實世界壓力的耐受性并識別問題區域。優化可制造性設計是最大限度減少常見 PCB 制造缺陷的關鍵第一步。

污染

PCB 制造涉及使用許多可能導致污染的化學品和工藝。在制造過程中，PCB 很容易受到助焊劑殘留物、手指油、酸性電鍍液、顆粒碎片和清潔劑殘留物等物質的污染。

污染物會帶來電氣短路、開路、焊接缺陷和長期腐蝕問題的風險。保持生產區域極度清潔，執行嚴格的污染控制，并防止人手接觸，最大限度地降低污染風險。員工有關正確處理程序的培訓也至關重要。

材料缺陷

PCB 制造中使用的材料必須沒有固有缺陷。不合格的PCB 材料（例如低質量層壓板、預浸料、箔片和其他組件）可能包含樹脂不足、玻璃纖維突出、針孔和結節等缺陷。

這些材料缺陷會融入最終的板材中并影響性能。確保所有材料均來自具有廣泛質量控制的信譽良好的供應商，有助于避免與材料相關的問題。還建議對進料進行檢查。

機械損壞

PCB 是薄而易碎的組件，在制造過程中容易受到機械損壞。撞擊、劃痕、彎曲、凹痕和其他來源可能會造成身體傷害。PCB 在整個生產過程中會與許多表面、固定裝置和搬運設備接觸。

精心設計的處理程序和固定裝置旨在最大限度地減少接觸點，有助于避免機械損壞。裝載、移動和儲存 PCB 時，對員工進行正確技術培訓也很重要。在工藝步驟之間檢查電路板可以及早發現損壞。

工藝變化

如果關鍵參數超出控制范圍，正常的工藝變化可能會產生 PCB 缺陷。常見的例子包括蝕刻劑溫度不準確、鉆孔速度偏離目標、層壓未對準以及存儲條件差。

使用統計方法監控過程可以在偏離所需公差時進行檢測。控制圖提供了可視化工具，可將制造過程維持在統計控制狀態，從而最大限度地減少與變異性相關的缺陷。

人為錯誤

盡管盡了最大努力來防止這些錯誤，但PCB 生產中人為錯誤仍不可避免。機器操作員可能會將電路板誤裝到電鍍槽中、使用不正確的鉆頭尺寸、不正確地存儲成品電路板以及犯下其他錯誤，從而損壞 PCB 或產生缺陷。

全面的培訓計劃、詳細的工作說明、清單等工作輔助工具以及提高的自動化程度都有助于減少人為錯誤。通過機器設置的二次驗證等項目進行的冗余也可以在錯誤影響最終產品之前容納錯誤。 

常見的PCB制造缺陷

現在讓我們探討一些最常見的 PCB 制造缺陷：

制造過程中可能會出現各種潛在的 PCB 缺陷。對最普遍的制造問題的認識使工廠能夠適當地關注檢查和過程控制工作。以下是一些最常見的 PCB 缺陷。

焊接缺陷

大多數 PCB 缺陷源自將元件焊接到板上的組裝過程。常見的焊接缺陷包括：

焊接是一個關鍵的PCB 組裝過程，如果執行不當，很容易出現多種缺陷。實施嚴格的協議和檢查技術可以最大限度地減少與焊接相關的缺陷。常見的焊接問題包括橋接、空洞、冷接點、焊球、墓碑和潤濕不足。

焊橋——當焊料無意中連接了兩個應保持電氣隔離的區域時，就會發生橋接。回流期間焊料過多和元件未對準是常見原因。

焊料空洞——接頭內缺少焊料的小間隙。降低機械強度和導電性。這是由表面污染、潤濕不良、焊料質量差和熱量低引起的。

冷焊點——由于焊接過程中熱量不足而導致表面之間不完全潤濕的焊點。增加電阻。

焊球——形成獨立塊的小焊球。它可能會導致短路。通常是由于熱風回流焊過程中的飛濺造成的。

焊料不足——焊料量不足，接頭周圍形成焊角。導致連接不良和可靠性問題。

立碑現象——由于焊接過程中的熱不平衡，表面貼裝元件的一端在回流期間從電路板上翹起。

機械損壞

機械損壞是最常見的缺陷類別之一。PCB 會因以下原因而損壞：

PCB 薄而脆弱的特性使其在制造過程中容易因沖擊、劃痕、彎曲和其他原因而受到機械損壞。保持正確的處理程序和固定裝置可以最大限度地降低風險。常見的機械缺陷包括：

凹痕——PCB表面的局部凹陷，可能會導致銅破裂并降低走線間距。與物體的撞擊通常會導致劃痕——覆蓋材料被擦掉的區域，從而暴露出基材。它可能會影響間距并導致短路或開路。通常由接觸固定裝置引起。

翹曲——PCB 整體平整度的變形。影響焊接工藝和裝配。它是由熱應力或不當處理導致電路板彎曲而產生的。

裂紋——PCB基板和銅上的裂紋，會破壞電氣連接。當彎曲應力超過材料極限時形成。

孔洞——電路板完全刺穿，破壞電路。通常，（續）在搬運過程中會與尖銳物體接觸。

碎裂——小碎片從 PCB 邊緣破裂，是由于存儲和搬運過程中板之間的碰撞而造成的。

污染

PCB 制造會帶來多種污染機會：

許多污染物是在 PCB 制造過程中無意引入的。這些包括助焊劑殘留物、手指油、金屬顆粒、化學溶液、灰塵和其他碎片。污染會導致短路、焊接受損、漏電流和腐蝕。

助焊劑殘留物– 焊接組件后剩余的松香助焊劑。隨著時間的推移，可能會導致漏電。

手指油——因操作而沉積在 PCB 表面的皮膚油。干擾焊接并可能導致電化學遷移。

金屬顆粒——沉積在 PCB 上的微小金屬碎片。這可能會導致短路并阻礙焊接。

化學溶液——電鍍溶液、溶劑和蝕刻劑，在板上干燥后留下殘留物。促進腐蝕。

灰塵/碎片——生產過程中收集的顆粒。損害焊接、組裝和操作可靠性。

尺寸缺陷

PCB 必須滿足嚴格的尺寸公差。常見的準確性問題：

保持嚴格的尺寸公差對于實現正確的 PCB 功能至關重要。常見的尺寸缺陷包括：

傾斜– 層之間的錯位導致內層移位。它會產生短路或開路。

圖案重合失調– 層未正確對齊，導致孔等特征未正確對齊。

孔未對準– 鉆孔位置與預期位置不正確。妨礙正確組裝。

環形環- 鉆孔周圍的環形環尺寸根據規格不正確 - 影響孔壁粘附力。

超出公差的特征– 痕跡、空間、孔和其他超過指定公差的特征。這可能會造成短路或可靠性問題。

電路板翹曲——總體而言，PCB 的翹曲超出了允許的平整度公差。這使得組裝變得困難。

電鍍缺陷

高質量的PCB電鍍至關重要。典型的電鍍缺陷：

PCB 上的電鍍必須一致且無缺陷，以實現正確的電氣連接和焊接。常見的電鍍缺陷包括：

結節——鍍銅表面的孤立凸塊。在嚴重的情況下，它可以彌補導致短路的間隙。

凹坑——鍍層中的小空隙和凹陷。導致焊料潤濕不良和接頭不可靠。

附著力差——鍍層需要正確附著在板表面上。長期導致剝落和可靠性問題。

暗淡的鍍層——無光澤的鍍層，質地粗糙、暗淡，而不是光滑的光澤。表明電鍍質量不合格。

鍍層薄——鍍層比規格要求的薄。在電力負載下它會磨損得更快。

鉆孔缺陷

正確的 PCB 鉆孔至關重要。鉆孔缺陷包括：

鉆孔必須具有優良的質量，以實現層之間的正確連接。常見鉆孔缺陷：

破裂——鉆孔周圍有突出的玻璃纖維破裂。影響連接。

污跡——鉆孔后孔周圍的樹脂殘留物。它會阻礙鍍層附著力。

畸形孔——圓度或直徑不完美的孔。導致連接不良。

毛刺——孔邊緣粗糙，會降低電鍍質量。

孔位置– 孔中心不正確。妨礙正確的組裝和連接。

過孔樁——僅部分穿過介電層的盲孔和埋孔。

預防常見 PCB 制造缺陷的解決方案

有很多方法可以降低 PCB 缺陷的風險：

雖然 PCB 缺陷永遠無法消除，但有多種策略可以最大限度地減少其發生：

可制造性設計 (DFM) 分析

在設計階段執行 DFM 分析可識別可能難以可靠制造的功能。設計人員可以在電路板制造開始之前修改布局以消除這些可制造性風險。

讓 PCB 制造商的工程師參與設計過程可確保將制造知識融入到設計中。仿真和建模工具還驗證設計能否承受現實世界的壓力并滿足規格。

過程控制

實施穩健的過程控制對于最大限度地減少制造變異性導致的 PCB 缺陷至關重要。統計過程控制 ( SPC ) 技術可以連續監控關鍵過程參數，以檢測它們何時偏離既定的控制限值。控制圖提供了可視化工具來保持制造過程的統計穩定性。

一些需要控制的關鍵流程包括：

• 蝕刻 – 監控蝕刻劑溫度、傳送帶速度和溶液化學成分可確保最佳蝕刻質量。檢測這些漂移何時超出可接受的范圍可以最大限度地減少蝕刻不足/過度蝕刻。

• 層壓 – 控制參數，如施加的壓力、溫度梯度和對準停止層重合失調和歪斜缺陷。

• 鉆孔 – 鉆頭磨損、孔尺寸、孔位置、表面光潔度和漏孔的過程測量可減少鉆孔問題。

• 電鍍 – 跟蹤電鍍厚度、附著力測試、表面粗糙度和溶液化學成分，盡早發現電鍍問題。

• 阻焊層——控制涂層厚度、固化時間、粘度和附著力可防止阻焊層缺陷。

• 焊接——監控曲線、峰值溫度一致性和潤濕質量確保焊點堅固無缺陷。

必須在每個流程步驟中識別和監控影響質量的關鍵輸入因素。統計過程控制提供了測量每個板上的這些輸入的工具，并在它們超出定義的控制限制時進行可視化。

操作員培訓

對機器操作員進行廣泛的培訓對于減少導致 PCB 缺陷的人為錯誤至關重要。工人應該擁有適當地完成其制造工作的信息和能力，而不會出現任何缺陷。培訓應涵蓋：

• 設備操作 – 正確的機器裝載/卸載、啟動/關閉、校準、預防性維護和參數調整程序。動手演示可確保熟練程度。

• 處理技術——精致的 PCB 處理方法，以避免劃傷、跌落、邊緣碰撞、彎曲和其他損壞源。使用防護架、手套和潔凈室協議。

• 視覺標準——檢測細微的 PCB 缺陷涉及識別技能。檢查員需要標準來顯示缺陷類型，例如電鍍結節、焊料空洞、污染等。

• 缺陷識別——除了視覺技能之外，還提供電氣測試和檢查方法方面的培訓，以可靠地識別 PCB 缺陷。查明根本原因的診斷技能。

• 污染控制——污染風險以及防止手指油、化學殘留物、顆粒、纖維等在處理過程中接觸 PCB 的方法。

• ESD 控制 – 靜電危害、正確使用腕帶、鞋接地、接地設備以及安全 PCB 處理以避免靜電放電損壞。

正式的認證計劃通過測試來驗證操作員的資格。這確保每個員工在獨立工作之前滿足知識要求。定期重新認證和進修課程可強化技能。

檢查

在多個制造階段對 PCB 進行徹底檢查對于在缺陷增加之前及早發現缺陷至關重要。應同時使用自動檢查系統和人工目視檢查。標準檢驗方法包括：

• 自動光學檢測 (AOI) – 使用相機對 PCB 進行成像，并使用復雜的算法來識別人眼無法檢測到的缺陷。檢查焊料橋接、潤濕不足、引線翹起和污染情況。

• X 射線檢測 – X 射線成像可以識別焊點中的空洞、通孔堵塞和元件定位錯誤等缺陷。對于發現隱藏的缺陷特別有用。

• 飛針測試 – 使用探針檢查 PCB 是否存在電氣短路和開路。檢測外部不可見的斷開連接和損壞。

• 為了確保清潔度，離子清潔度測試 – 測量 PCB 表面上助焊劑、手指油和其他污染物的離子殘留物。

• 焊膏檢查——檢查焊膏沉積物的體積、偏移、塌陷和橋接是否正確。

• 目視檢查 – 由經過培訓的質量技術人員在放大鏡下進行手動目視檢查，以檢測表面缺陷。

在每個主要制造步驟（成像、蝕刻、AOI、ICT、FPT等）進行頻繁檢查，盡早發現缺陷。這允許返工或報廢有缺陷的電路板，而不是進一步傳播問題。

污染控制

實施嚴格的污染控制對于防止顆粒、化學和 ESD 相關的 PCB 缺陷至關重要。方法包括：

• 清潔——所有濕法工藝步驟之間的徹底清潔可防止化學物質和碎屑積聚在電路板上。超聲波清洗與去離子水沖洗相結合，可有效去除殘留物。

• ESD 協議 – 腕帶、ESD 安全鞋、防靜電地板、接地工作表面、電離器和濕度控制可防止操作過程中的靜電放電損壞。

• 覆蓋——在不進行主動加工時，用蓋子或泡沫板覆蓋板材，可以防止環境顆粒沉積在表面上。

• 手套——所有 PCB 處理都必須使用不起毛的手套，以防止裸手接觸電路板時出現油污和顆粒物。經常更換手套可保持清潔。

• 層流罩 – 層流罩中的組裝和檢查使用過濾氣流來阻止污染物接觸 PCB。

• 潔凈室——最終的污染控制環境。HEPA 過濾器可去除空氣中的顆粒，而粘性墊子則可困住鞋子。人員著裝程序保持清潔。

• 培訓——對員工進行有關污染風險、清潔方法、正確處理技術和污染預防的教育至關重要。

• 檢查——離子清潔度測試經常驗證 PCB 是否符合清潔度規范。確定何時需要改進流程。

清潔、受控的環境對于消除與污染相關的缺陷至關重要。徹底的登機處理程序和培訓可保持 PCB 的清潔度。污染控制必須被視為涵蓋材料、機器、員工和設施的集成系統。

可追溯性

通過旅行者或 MES 軟件維護詳細記錄，可以在發生缺陷時通過生產流程和材料追溯 PCB，以查明根本原因。

可追溯性提供故障分析所需的數據。機器參數、測試結果、圖像和材料批次的記錄有助于故障排除。

冗余和防錯

構建冗余可以容納不可避免的人為錯誤，例如機器設置的二次驗證和比較Gerber 文件。

通過檢查表、確認提示和流程標準化進行防錯，減少影響質量的操作員錯誤。

結論

由于設計和制造因素，PCB 制造中會出現缺陷。了解最常見的 PCB 缺陷使工廠能夠專注于有針對性的預防和檢查工作。基本預防原則是執行設計分析、嚴格控制流程、培訓操作員、徹底檢查、保持清潔、跟蹤板和防錯原則。