常见的PCB制造缺陷有哪些？

介绍

PCB（即印刷电路板）对于大多数现代硬件至关重要。然而，它们在制造过程中很容易出现缺陷。这些缺陷可能会导致 PCB 令人失望，并对产品执行和稳定的质量产生不利影响。

这本影响深远的指南分析了最主要的 PCB 制造沙漠，调查了其潜在驱动因素，并针对有限的机会给出了可能的答案。PCB 由层叠在绝缘基板上的导电铜迹线组成。元件被焊接到板上以形成功能性电子电路。

在每个制造阶段，可能会出现导致成品电路板出现缺陷的问题。常见缺陷包括焊接、机械损坏、污染、尺寸不准确、电镀缺陷、内层未对准、钻孔问题和材料问题。

PCB 缺陷和质量控制，当我们努力保持高标准的质量和效率时，解决并尽量减少这些常见的 PCB 制造缺陷至关重要。

这些缺陷会导致电气短路、开路、美观性差、可靠性降低以及 PCB 完全故障。

常见的 PCB 制造缺陷

深入了解 PCB 缺陷的主要原因，使制造商能够实施稳健的过程控制和检查方法，以最大限度地降低风险。本文探讨了最常见的常见 PCB 制造缺陷、其根本原因以及潜在的解决方案。

在流程的早期检测和解决缺陷对于减少废品和避免最终产品的功能问题至关重要。与 PCB 制造商密切合作并传达质量和缺陷预防期望会带来积极的成果。本指南涵盖了通过设计、过程控制、检查、培训和其他方法最大限度地减少缺陷的策略。

PCB缺陷的主要原因

设计缺陷和制造变异性是造成 PCB 缺陷的两个主要原因。以下是常见 PCB 制造缺陷的几个主要原因：

PCB 制造涉及许多复杂的步骤，包括设计、成像、蚀刻、钻孔、电镀、阻焊层应用、丝网印刷、布线和组装。如果控制不当，多个变量可能会导致每个阶段出现缺陷。掌握 PCB 缺陷的重要驱动因素可以实施预防措施。

设计不当

许多 PCB 缺陷源于设计问题。常见的与设计相关的原因包括走线之间的间距不足、钻孔周围的小环形圈、超出制造能力的锐走线角度以及制造工艺无法实现的细线或间隙的公差。

其他示例包括存在酸陷阱风险的对称图案、可能因静电放电而损坏的细迹线以及散热问题。执行全面的可制造性设计 (DFM) 分析并遵守PCB 设计指南可以防止许多设计引起的缺陷。

让制造工程师参与设计过程有助于评估可制造性。仿真和建模工具还可以验证设计对现实世界压力的耐受性并识别问题区域。优化可制造性设计是最大限度减少常见 PCB 制造缺陷的关键第一步。

污染

PCB 制造涉及使用许多可能导致污染的化学品和工艺。在制造过程中，PCB 很容易受到助焊剂残留物、手指油、酸性电镀液、颗粒碎片和清洁剂残留物等物质的污染。

污染物会带来电气短路、开路、焊接缺陷和长期腐蚀问题的风险。保持生产区域极度清洁，执行严格的污染控制，并防止人手接触，最大限度地降低污染风险。员工有关正确处理程序的培训也至关重要。

材料缺陷

PCB 制造中使用的材料必须没有固有缺陷。不合格的PCB 材料（例如低质量层压板、预浸料、箔片和其他组件）可能包含树脂不足、玻璃纤维突出、针孔和结节等缺陷。

这些材料缺陷会融入最终的板材中并影响性能。确保所有材料均来自具有广泛质量控制的信誉良好的供应商，有助于避免与材料相关的问题。还建议对进料进行检查。

机械损坏

机械损坏PCB

PCB 是薄而易碎的组件，在制造过程中容易受到机械损坏。撞击、划痕、弯曲、凹痕和其他来源可能会造成身体伤害。PCB 在整个生产过程中会与许多表面、固定装置和搬运设备接触。

精心设计的处理程序和固定装置旨在最大限度地减少接触点，有助于避免机械损坏。装载、移动和储存 PCB 时，对员工进行正确技术培训也很重要。在工艺步骤之间检查电路板可以及早发现损坏。

工艺变化

如果关键参数超出控制范围，正常的工艺变化可能会产生 PCB 缺陷。常见的例子包括蚀刻剂温度不准确、钻孔速度偏离目标、层压未对准以及存储条件差。

使用统计方法监控过程可以在偏离所需公差时进行检测。控制图提供了可视化工具，可将制造过程维持在统计控制状态，从而最大限度地减少与变异性相关的缺陷。

人为错误

尽管尽了最大努力来防止这些错误，但PCB 生产中人为错误仍不可避免。机器操作员可能会将电路板误装到电镀槽中、使用不正确的钻头尺寸、不正确地存储成品电路板以及犯下其他错误，从而损坏 PCB 或产生缺陷。

全面的培训计划、详细的工作说明、清单等工作辅助工具以及提高的自动化程度都有助于减少人为错误。通过机器设置的二次验证等项目进行的冗余也可以在错误影响最终产品之前容纳错误。 

常见的PCB制造缺陷

现在让我们探讨一些最常见的 PCB 制造缺陷：

制造过程中可能会出现各种潜在的 PCB 缺陷。对最普遍的制造问题的认识使工厂能够适当地关注检查和过程控制工作。以下是一些最常见的 PCB 缺陷。

焊接缺陷

PCB 焊接缺陷

大多数 PCB 缺陷源自将元件焊接到板上的组装过程。常见的焊接缺陷包括：

焊接是一个关键的PCB 组装过程，如果执行不当，很容易出现多种缺陷。实施严格的协议和检查技术可以最大限度地减少与焊接相关的缺陷。常见的焊接问题包括桥接、空洞、冷接点、焊球、墓碑和润湿不足。

焊桥——当焊料无意中连接了两个应保持电气隔离的区域时，就会发生桥接。回流期间焊料过多和元件未对准是常见原因。

焊料空洞——接头内缺少焊料的小间隙。降低机械强度和导电性。这是由表面污染、润湿不良、焊料质量差和热量低引起的。

冷焊点——由于焊接过程中热量不足而导致表面之间不完全润湿的焊点。增加电阻。

焊球——形成独立块的小焊球。它可能会导致短路。通常是由于热风回流焊过程中的飞溅造成的。

焊料不足——焊料量不足，接头周围形成焊角。导致连接不良和可靠性问题。

立碑现象——由于焊接过程中的热不平衡，表面贴装元件的一端在回流期间从电路板上翘起。

机械损坏

机械损坏是最常见的缺陷类别之一。PCB 会因以下原因而损坏：

PCB 薄而脆弱的特性使其在制造过程中容易因冲击、划痕、弯曲和其他原因而受到机械损坏。保持正确的处理程序和固定装置可以最大限度地降低风险。常见的机械缺陷包括：

凹痕——PCB表面的局部凹陷，可能会导致铜破裂并降低走线间距。与物体的撞击通常会导致划痕——覆盖材料被擦掉的区域，从而暴露出基材。它可能会影响间距并导致短路或开路。通常由接触固定装置引起。

翘曲——PCB 整体平整度的变形。影响焊接工艺和装配。它是由热应力或不当处理导致电路板弯曲而产生的。

裂纹——PCB基板和铜上的裂纹，会破坏电气连接。当弯曲应力超过材料极限时形成。

孔洞——电路板完全刺穿，破坏电路。通常，（续）在搬运过程中会与尖锐物体接触。

碎裂——小碎片从 PCB 边缘破裂，是由于存储和搬运过程中板之间的碰撞而造成的。

污染

PCB 制造会带来多种污染机会：

许多污染物是在 PCB 制造过程中无意引入的。这些包括助焊剂残留物、手指油、金属颗粒、化学溶液、灰尘和其他碎片。污染会导致短路、焊接受损、漏电流和腐蚀。

助焊剂残留物– 焊接组件后剩余的松香助焊剂。随着时间的推移，可能会导致漏电。

手指油——因操作而沉积在 PCB 表面的皮肤油。干扰焊接并可能导致电化学迁移。

金属颗粒——沉积在 PCB 上的微小金属碎片。这可能会导致短路并阻碍焊接。

化学溶液——电镀溶液、溶剂和蚀刻剂，在板上干燥后留下残留物。促进腐蚀。

灰尘/碎片——生产过程中收集的颗粒。损害焊接、组装和操作可靠性。

尺寸缺陷

PCB 必须满足严格的尺寸公差。常见的准确性问题：

保持严格的尺寸公差对于实现正确的 PCB 功能至关重要。常见的尺寸缺陷包括：

倾斜– 层之间的错位导致内层移位。它会产生短路或开路。

图案重合失调– 层未正确对齐，导致孔等特征未正确对齐。

孔未对准– 钻孔位置与预期位置不正确。妨碍正确组装。

孔不对中

环形环- 钻孔周围的环形环尺寸根据规格不正确 - 影响孔壁粘附力。

超出公差的特征– 痕迹、空间、孔和其他超过指定公差的特征。这可能会造成短路或可靠性问题。

电路板翘曲——总体而言，PCB 的翘曲超出了允许的平整度公差。这使得组装变得困难。

电镀缺陷

高质量的PCB电镀至关重要。典型的电镀缺陷：

PCB 上的电镀必须一致且无缺陷，以实现正确的电气连接和焊接。常见的电镀缺陷包括：

结节——镀铜表面的孤立凸块。在严重的情况下，它可以弥补导致短路的间隙。

凹坑——镀层中的小空隙和凹陷。导致焊料润湿不良和接头不可靠。

附着力差——镀层需要正确附着在板表面上。长期导致剥落和可靠性问题。

暗淡的镀层——无光泽的镀层，质地粗糙、暗淡，而不是光滑的光泽。表明电镀质量不合格。

镀层薄——镀层比规格要求的薄。在电力负载下它会磨损得更快。

钻孔缺陷

正确的 PCB 钻孔至关重要。钻孔缺陷包括：

钻孔必须具有优良的质量，以实现层之间的正确连接。常见钻孔缺陷：

破裂——钻孔周围有突出的玻璃纤维破裂。影响连接。

污迹——钻孔后孔周围的树脂残留物。它会阻碍镀层附着力。

畸形孔——圆度或直径不完美的孔。导致连接不良。

毛刺——孔边缘粗糙，会降低电镀质量。

孔位置– 孔中心不正确。妨碍正确的组装和连接。

过孔桩——仅部分穿过介电层的盲孔和埋孔。

预防常见 PCB 制造缺陷的解决方案

有很多方法可以降低 PCB 缺陷的风险：

虽然 PCB 缺陷永远无法消除，但有多种策略可以最大限度地减少其发生：

可制造性设计 (DFM) 分析

在设计阶段执行 DFM 分析可识别可能难以可靠制造的功能。设计人员可以在电路板制造开始之前修改布局以消除这些可制造性风险。

让 PCB 制造商的工程师参与设计过程可确保将制造知识融入到设计中。仿真和建模工具还验证设计能否承受现实世界的压力并满足规格。

过程控制

实施稳健的过程控制对于最大限度地减少制造变异性导致的 PCB 缺陷至关重要。统计过程控制 ( SPC ) 技术可以连续监控关键过程参数，以检测它们何时偏离既定的控制限值。控制图提供了可视化工具来保持制造过程的统计稳定性。

一些需要控制的关键流程包括：

蚀刻 – 监控蚀刻剂温度、传送带速度和溶液化学成分可确保最佳蚀刻质量。检测这些漂移何时超出可接受的范围可以最大限度地减少蚀刻不足/过度蚀刻。

层压 – 控制参数，如施加的压力、温度梯度和对准停止层重合失调和歪斜缺陷。

钻孔 – 钻头磨损、孔尺寸、孔位置、表面光洁度和漏孔的过程测量可减少钻孔问题。

电镀 – 跟踪电镀厚度、附着力测试、表面粗糙度和溶液化学成分，尽早发现电镀问题。

阻焊层——控制涂层厚度、固化时间、粘度和附着力可防止阻焊层缺陷。

焊接——监控曲线、峰值温度一致性和润湿质量确保焊点坚固无缺陷。

必须在每个流程步骤中识别和监控影响质量的关键输入因素。统计过程控制提供了测量每个板上的这些输入的工具，并在它们超出定义的控制限制时进行可视化。

操作员培训

对机器操作员进行广泛的培训对于减少导致 PCB 缺陷的人为错误至关重要。工人应该拥有适当地完成其制造工作的信息和能力，而不会出现任何缺陷。培训应涵盖：

设备操作 – 正确的机器装载/卸载、启动/关闭、校准、预防性维护和参数调整程序。动手演示可确保熟练程度。

处理技术——精致的 PCB 处理方法，以避免划伤、跌落、边缘碰撞、弯曲和其他损坏源。使用防护架、手套和洁净室协议。

视觉标准——检测细微的 PCB 缺陷涉及识别技能。检查员需要标准来显示缺陷类型，例如电镀结节、焊料空洞、污染等。

缺陷识别——除了视觉技能之外，还提供电气测试和检查方法方面的培训，以可靠地识别 PCB 缺陷。查明根本原因的诊断技能。

污染控制——污染风险以及防止手指油、化学残留物、颗粒、纤维等在处理过程中接触 PCB 的方法。

ESD 控制 – 静电危害、正确使用腕带、鞋接地、接地设备以及安全 PCB 处理以避免静电放电损坏。

正式的认证计划通过测试来验证操作员的资格。这确保每个员工在独立工作之前满足知识要求。定期重新认证和进修课程可强化技能。

检查

在多个制造阶段对 PCB 进行彻底检查对于在缺陷增加之前及早发现缺陷至关重要。应同时使用自动检查系统和人工目视检查。标准检验方法包括：

自动光学检测 (AOI) – 使用相机对 PCB 进行成像，并使用复杂的算法来识别人眼无法检测到的缺陷。检查焊料桥接、润湿不足、引线翘起和污染情况。

X 射线检测 – X 射线成像可以识别焊点中的空洞、通孔堵塞和元件定位错误等缺陷。对于发现隐藏的缺陷特别有用。

飞针测试 – 使用探针检查 PCB 是否存在电气短路和开路。检测外部不可见的断开连接和损坏。

为了确保清洁度，离子清洁度测试 – 测量 PCB 表面上助焊剂、手指油和其他污染物的离子残留物。

焊膏检查——检查焊膏沉积物的体积、偏移、塌陷和桥接是否正确。

目视检查 – 由经过培训的质量技术人员在放大镜下进行手动目视检查，以检测表面缺陷。

在每个主要制造步骤（成像、蚀刻、AOI、ICT、FPT等）进行频繁检查，尽早发现缺陷。这允许返工或报废有缺陷的电路板，而不是进一步传播问题。

污染控制

实施严格的污染控制对于防止颗粒、化学和 ESD 相关的 PCB 缺陷至关重要。方法包括：

清洁——所有湿法工艺步骤之间的彻底清洁可防止化学物质和碎屑积聚在电路板上。超声波清洗与去离子水冲洗相结合，可有效去除残留物。

ESD 协议 – 腕带、ESD 安全鞋、防静电地板、接地工作表面、电离器和湿度控制可防止操作过程中的静电放电损坏。

覆盖——在不进行主动加工时，用盖子或泡沫板覆盖板材，可以防止环境颗粒沉积在表面上。

手套——所有 PCB 处理都必须使用不起毛的手套，以防止裸手接触电路板时出现油污和颗粒物。经常更换手套可保持清洁。

层流罩 – 层流罩中的组装和检查使用过滤气流来阻止污染物接触 PCB。

洁净室——最终的污染控制环境。HEPA 过滤器可去除空气中的颗粒，而粘性垫子则可困住鞋子。人员着装程序保持清洁。

培训——对员工进行有关污染风险、清洁方法、正确处理技术和污染预防的教育至关重要。

检查——离子清洁度测试经常验证 PCB 是否符合清洁度规范。确定何时需要改进流程。

清洁、受控的环境对于消除与污染相关的缺陷至关重要。彻底的登机处理程序和培训可保持 PCB 的清洁度。污染控制必须被视为涵盖材料、机器、员工和设施的集成系统。

可追溯性

通过旅行者或 MES 软件维护详细记录，可以在发生缺陷时通过生产流程和材料追溯 PCB，以查明根本原因。

可追溯性提供故障分析所需的数据。机器参数、测试结果、图像和材料批次的记录有助于故障排除。

冗余和防错

构建冗余可以容纳不可避免的人为错误，例如机器设置的二次验证和比较Gerber 文件。

通过检查表、确认提示和流程标准化进行防错，减少影响质量的操作员错误。

结论

由于设计和制造因素，PCB 制造中会出现缺陷。了解最常见的 PCB 缺陷使工厂能够专注于有针对性的预防和检查工作。基本预防原则是执行设计分析、严格控制流程、培训操作员、彻底检查、保持清洁、跟踪板和防错原则。

审核编辑：黄飞