HDI 電路板-- 生產尺寸的控制

         HDI產品，普遍性認為尺寸漲縮的控制是最困難的，其實客戶所提供的孔環、隔離環是有足夠的空間，如何使製程的製工具尺寸，在某些製程再作批次間生產尺寸的集合、統一、與收斂，是尺寸生產控制重點，使讓所有SPNL到電測只有匹配單一個尺寸，達到最高測試良率.

              批次生產尺寸的歧異造成原因99%是鑽孔程式及底片尺寸造成的。業界一般都仔細分析製程的尺寸分布，刷磨影響、底片溫溼變化等，找出自認為穩定的控制尺寸的系統，思路都是過於偏頗，相對衍生出製造過程中繁複的尺寸分堆系統九宮分佈、五環區域...造成投資治工具、工具管理成本都是高的非常，而且分堆多到造成更亂更難管理；我的想法很簡單，反正HDI外層幾乎都是GND地層導通孔導通孔，或者NPTH螺絲孔，只要製程中不會造成和內層間的open/short，客戶的給設計規格空間，目前設備雷射機或LDI曝光機，機台本體精度已經是非常優越的，客戶設計提供的空間規格，就大膽的使用上去.

        電路板生產使用的治工具，也就是曝光底片、鑽孔程式等，造成尺寸R值全距的分布,延伸出尺寸分批歧異的主要因素80-90%是底片的管理(底片生產過程中尺寸就變異中)，而鑽孔程式數量收斂就是統合尺寸的關鍵製程，例如內層埋孔客戶給4mil 的環邊，加上4mil隔離環，那+-4mil甚至+-5mil的尺寸分布可以統合在一起用相同鑽孔工具生產，後站工具自然減少許多了，這和許多HDI廠採用+-2mil、+-3mil分堆級距要求愈準愈好的觀念規格不一樣。

問題: 

外层回路制作时，如果钻孔有4mil的偏差，加上同批次产品间约2mil的偏差，底片自身1mil左右的偏差，以及各种对位偏差，几乎肯定有破孔不良的发生。另外，仅考虑内层的open/short是不够的，特别是信赖性要求高的汽车板，通孔孔壁与内层CU的间距是必须要保证的，否则2，3年内不会出问题，但4，5年后极可能发生CAF不良。

回答: 
HDI 消費用的電子產品板子例如手機類，孔壁銅與內層function銅差距0.8 mil以上就可保持一定CAF水準，不會有客訴的，記得消費性產品就當消費性產品生產，要有產品區隔，才能提取出最低生產成本，有誰的手機會用5年，用了4-5年也沒有任何人給你保固，汽車板、航空板、軍用板(少用HDI結構設計)當然需要另當別論啦。

           HDI多批次量產過程中,從投料到電性測試,所有定位孔無旋轉現象,加上使每一SPNL控制在 ±5um (整個量產工作PNL100% 集中於  ±50um內),不論是導電膠測試還是微針測試, 可以讓測試通過率穩定度提高,這是非常重要的控制目標,太多高階 HDI 工廠,生產過程努力強調對位精細化,最終卻敗在實際電測總良率,中間過程線路AOI良率累加占不到報廢率的30% ,電測報廢率其中70% 取用ad高對位飛針測試又PASS, 主要因素就是對位漲縮系統所造成的電測損失.

         截至2018/12/31 ,HDI 台資龍頭C廠確認仍於雷射鑽孔製程採用燒開內層影像靶,自動補償雷射鑽孔作業,於雷射鑽孔製程仍走尺寸發散控制,壓合完尺寸漲縮分布R值,隨著多次設備精度累加逐漸擴大,再做尺寸分堆作業,40/40 um L/S Any-layer HDI 約85% 直通良率,  些許可惜,如能善加利用LDI 及Laser 的設備精度功能,可讓全產品尺寸收斂到單一數值(無分堆),良率預估整體至少有5-8% 提升,製造控制也可精簡很多分堆的資源耗費.HDI龍頭廠尚且如此,其他諸廠於HDI製程串整改善更是有極大的空間.

HDI 產品良率暴增14%的秘密

         工廠開產了8年,HDI 直通良率總約70-72%,於業界單價上無競爭力(良率對客戶是永遠的機密,客戶也因應市場比價機制不會因自己良率低加價買單),單廠虧損6-7年,但是,一年內卻能持續提升總良率到85%.是有特殊的秘密武器.
        工廠早已殛具規模,設備都已多年量產就位,設備能力,生產的文化習慣,都早已僵化,虧損多
年股東也不可能大量挹注資金買高等設備,這個秘密不是設備也不是生產資質改善.   
       機密其實是HDI生產的對位邊框控制機制,總流程從發料/內層/鑽孔/壓合/雷射/外層....總體對位孔串整能力,一個新的投入與改變,批量的投入測試,讓良率陡升提高.多年的虧損,人力大量流動下,找到一個能直接帶著舊廠資料與經驗過來串整邊框對位試導入的收穫.
        以上是台灣某PCB大廠的HDI( T5 ) 投資歷史 , 連7年的虧損, 是令人非常唏噓的慘痛付出.

       HDI在業界能串整所有製程對位的人才是非常稀有的, T5廠既有的設備更替更新能於2020年前達到88%良率已是極致, 如設備投入初期能更加投入正確, 94% 高良率才會有所機會.

      HDI 增層過程如何讓工序流程重複循環,連續性的雷射(雷射鑽孔機)/線路(影像曝光機)/壓合(X-Ray鑽靶機)設備作業過程中,使得整個連續批量性的100%所有生產工作片(Working Panel)每一個層次孔位和影像機構,透過諸多自動對位設備作業在板框設計的定位孔上,能夠上下左右四角落穩定性的最大化居中,是最大的重點.

    業界HDI研發或製程,常鑽牛角尖定義成愈準確愈好的概念(強調縮小對位精度允收值,或強調精密對位)其實是錯誤的引導性概念,使得HDI 電路板製作被引入層間對位/精度/尺寸要求的錯誤盲點,致使整個產品一直於錯誤中打轉,難以使得良率衝上極致,T5廠嚐受了7年,截至2018年底的目前也還有70%的HDI製作工廠仍蒙蔽其中.

下面開始針對我認知HDI 逐一串整設備對位學理及框邊設計建議:
1. 內層曝光機:從一般多層板延續下來的內層曝光機,有簡易的手動曝光機(底片三明治作業),到UV光底片對位曝光機(上下底片2個對位符號夾曝作業),前述二種作業方式因為上下層對位精度約略極限25um ,且無法有效控管旋轉型層偏,設備無法控制X / Y雙軸性漲縮差異性,量產尺寸全距R值更容易被忽略性的擴大,對HDI 啟始層是不佳的選擇工法及設備.

建議方式:
HDI純粹內層最佳的曝光方式是板件四角落先機械鑽孔(有預設漲縮),鑽孔整批漲縮是收斂一致的,再使用外層曝光機4CCD對位曝光作業,如果是固定漲縮底片系統會被PE/JE使曝光尺寸R值受控(底片縮率超出會拒曝),同時XY雙軸受控,JE 旋轉偏差也會達最小最優值.如果是LDI 雷射直接曝光系統,量測固定漲縮曝光更會使所有工作片影像R值100%縮到10um以內.

2.X-Ray打靶機:
傳統壓合X-Ray打靶是L型防呆3靶作業,有100%中央定距打靶,補償定距打靶模式,防呆孔位有直交90度打孔或見靶中央打靶模式...各種交叉設定方式,3靶作業也僅能主控到長邊方向漲縮,加上太多公司設計單位鑽孔零點設於CAM左下角,或者鑽孔機2PIN零點,壓合打靶和鑽孔程式零點沒有做移補校正,因為壓合/鑽孔/及CAM輸出製程工程單位分段分工分員及工程師極少跨足涉獵到CAM設計軟體和機鑽零點概念整合,生產HDI 常常很多年被鑽孔對內層旋轉所困住多年,層間的短路/斷脖子的信賴度及良率都深陷惡性不良循環.實際上此議題由多層板轉產HDI的公司都嚐受多年製程良率犧牲.

建議方式:
原L型防呆3靶,僅做壓合後撈邊定位及防呆孔位使用.
增加角落4靶見靶鑽靶中央鑽靶功能,做後續雷射及機械鑽孔定位用.
(因為幾乎100%設計單位, 4靶並不是正矩形設計,板角孔都有孔位錯差,千萬千萬不要使用X-Ray花俏的矩形補正功能,此功能我認為是X-Ray 鑽靶機最大的軟體開發敗筆,目前仍被設備廠標榜成優勢,使用後發生層間偏轉,已經不是設備商的責任,X-Ray鑽靶機型號功能購置成本可以從這裡降低20-30%)

3.雷射鑽孔機:
雷射鑽孔工序,不管用通孔定位還是燒開內層銅面靶,多數HDI廠採用Auto-scale 自動補償鑽孔功能,這種方式僅只是對該層次雷射能對底層影像提高精準度,但是對於整個HDI良率其實有嚴重的負面效應,從每年的PCB展覽許多公司秀出多層雷射孔層層精準疊放在一直線的切片孔,強調其高製程能力,對我而言那才是一個極大的笑話,展現完全的不懂HDI,產業的利基是要能賺錢營利的HDI不是要僅能展覽用的HDI,產品在生產本來就有尺寸R值的分布,全部孔位層疊都精準,那電性測試就會剩不到40%的良率,除非去買個200台飛針完全自動補償測試,再者,也讓客戶100%自動補償組裝零件.

建議方式:
雷射鑽孔機,精準度需求,本就是強大的加工及量測設備,強化運用雷射鑽孔機量測功能,固定補償雷射鑽孔,是我建議的作業方式,讓雷鑽設備參與,最終全量產尺寸分布能收斂到所有批量只有一個XY尺寸值,電測順暢性良率衝到極限.(利用此方式,我開發的HDI APPLE  i-pad2    三壓Anylayer  HDI板,量產電測一次測良率高於92%,二次複測約96%)


4.機械鑽孔機:
任何PCB產品,客戶設計都是有給製程能力公差,量產尺寸R值分布,每一片板子都有各自尺寸,機械鑽孔每批次僅有一個尺寸設定,內層的鑽孔目的是給內層曝光定位使用,每一片板子曝光用定位孔必須確實無任何旋轉角產生,才可以減免鑽孔/曝光逐層的旋轉效應,絕大多數使用的鑽孔架PIN方式,3PIN作業或大產能2PIN作業都是HDI產品機械鑽孔工序不佳的設定方式.

建議方式:
分析歸整雷射尺寸量測值,使用相同4CCD PIN位, 採4PIN鑽孔作業,鑽出曝光用4CCD,是無旋轉居中性最好的作業方式.

5.外層曝光機:
UV底片曝光機,底片曝光過程受熱漲縮,是生產尺寸R值的主要來源,但基本可受曝光PE侷限於一定規格內.

建議方式:
新型LDI 雷射直接曝光機,加上高敏度乾膜產率已達量產規模,配合LDI尺寸量測,使用固定漲縮曝光,也是收斂尺寸R值的最佳選擇.

針對以上幾項HDI流程工序,和層間對位優劣與否相關設備選擇,板框設計定位方式的建立,能立即有效提升對位相關良率.
T5廠只是仿用U廠經驗即於1年內全廠良率提高14%(70%提高到84%)
Y廠我也曾於3個月內2+N+2 HDI 提增7%良率 (85%提高到92%)
C廠 1+N+1 總良率 99.6 %
G廠 8L  Any-layer  HDI 總良率 96%
都是實際經驗例證,
到目前此HDI 製程串整,設計框邊,設備選定,都仍一直是許多HDI 工廠的弱項,先不考慮設備的更替投資(良率CP值投資比),邊框設計就可以先有效提升良率.要提升HDI工廠良率,有興趣關注的朋友可以共同交相討論研究.




     
 

HDI電路板品質異常發生的機論概念

          每個工廠在現下運行的設備,人員,流程工序,材料選定,每日每日依既定運作模式生產著產品,整個工廠體系都汲汲營營運行追求品質良率改善及信賴度發生極盡所能的避免發生.
但是這條持續改善PDCA的學習曲線,在工序冗長的電路板行業時程及效率總是那麼地緩慢,難以有效突破.異常的發生,信賴度的客訴長年來於各個工廠(包含行業尖端)仍是難以有效的做相關的突破提升改善.
其中管理用人的概念/人才的專業性/改變的風險性/還有流程品質機率概念....多項因子都繞入其中.造成整個產業都成長緩慢.
此篇,先就品質機率這個概念作討論.

HDI流程不能讓盲孔失效，不落入機率性的問題:

1. 電漿處理機發生不良機率高於水平de-smear化學處理抉擇 ??
電漿機單位產率慢,多層同工作業腔體式設計當道, 但是,多層疊放方式,會使的板件中央位置和周邊位置膠渣咬蝕率R值大,要全面乾淨又需提高能量,除膠過度現象難控(孔形均勻性差),盲孔除膠異常ppm會較高.
乾式除膠渣設備,例如電漿機,此方式總成本一般都高於濕式除膠渣2倍以上,除膠均勻性動輒低於50%,為了增加產能而增加框架設計板中央和板邊差異性極大,第二是氣體電漿,當盲孔有阻塞異物,他一點效果也沒有,因為電漿氣體衝擊擴散力小,被孔塞汙染異物給隔開了,所以電漿設備仍然會存在機率性的孔塞除膠渣不到位的問題.

2. 設備能力選定,不是選擇處理效力最強的,而是要選擇整個加工面(前/左/右/內/外)處理均勻性最佳的.

3. 有內埋塞孔工序，第一關是塞孔網板，特多隆網、鐵氟龍網、還是不鏽鋼板、或鋁板，各種網都有，不鏽鋼板價格高，鋁板製作網版的技術各家各有訣竅，鐵氟龍網成本其次，最便宜的還是特多龍網，當然特多隆網選對網目數才是重點，一般廠為了網板的共用性，36T/42T想直接使用，當然無所謂可行不可行，只不過是直徑太粗的網繩，網結大會遮蔽塞孔過程的孔口，造成有機率性的塞孔不良，影響後製程品質，最明顯的就是機率性的塞不夠飽，孔內藏水，棕化線烘不乾，壓合后板內含水氣起泡爆板了。

4. 盲孔底墊除膠渣  一定  要進行兩次,讓盲孔孔塞或異物除膠渣不淨機率降到微乎其微,假設10萬個盲孔第一次除膠渣假設有20孔 (200dppm) 受異物遮擋而除膠未淨,經過水洗沖激遮蔽物鬆脫,第二次重新除膠渣,連續二次都孔塞,沒有除膠渣比例,萬分之2   * 萬分之2   =   0.02 dppm   .  不需要懷疑, PCB分兩次作業, 和一次作業放慢2倍作業速度完全是不相同的. 後者只是增加強度,  前者叫做改變機率不同的概念.

5.   PTH化學銅  , HDI使用鹼性鈀較佳,分子顆粒較小(酸性鈀膠體體積大5-6倍),微小縫隙的覆蓋力較佳,這已是基本知識,杜絕蟹腳也是非常重要的關鍵因素.

6. 壓合棕化藥水的選擇其實不需迷戀高單價藥水,基本上HDI水平棕化藥水的可用性基本上都是OK的,ATO、東碩、甚至沒聽過的吉祥都不會有品質上的疑慮,因為藥水造成的拉力不足或爆板,真因常常不是藥水本身因素,而是水質、設備、或污染、未烘乾、吸濕所造成的機率是最高的;棕化不上的現象原因也很多,整面性不上,要立即分段測試,常見是水質污染原因;局部區域不上,可能是前站抗氧化劑過厚不均,或是HDI常見的因為薄銅及刷磨製程造成的鈀層露出(華通系統稱葡萄串);也有可能刷磨過度造成微蝕失效造成棕化色差嚴重...

7. 機械鑽孔完成之後,有一個細微的小動作,在一般PCB廠常設,就是作業人員取下上蓋鋁板後,有時發現上疊板比較高的鑽孔Burr(也許是斷針或是鋁板下粉塵積屑造成的),會使用砂紙板擦,人工手動de-burr的作業程序,容易變成作業員常態性的作業程序,這個程序對一般PCB大於12mil以上的大孔可以改善品質無傷大雅,但是對於HDI 10mil以下小孔卻是極大的品質風險,因為孔徑小,容易將摩擦下來的銅Burr栓塞住小孔孔口,會有一定的機率孔塞造成電鍍銅薄或點狀孔破,甚至電鍍的藕斷絲連,無法查證及篩選;HDI流程工程,需強力禁止此程序,基本上小孔徑的Burr很容易被刷磨機De-burr設備所去除,無須此人工程序.