LED用印制板控深孔的深度控制异常分析

余小丰 郭志伟 赵 强 徐 杰

（惠州中京电子科技有限公司，广东 惠州 516029）

0 前言

LED（发光二极管）显示屏在显示屏领域逐渐走向主流化，而大部分LED显示屏的印制电路板（PCB）都设计有控深盲孔来实现对屏幕的拼接组装，控深孔一般深度公差要求±0.1 mm，也有因PCB厚度较薄深度公差要求±0.05 mm。控深孔工艺最常出现的问题点是钻孔深度超出公差范围，目前常用的检测方法就是使用深度规和切片测量。LED板如在机械加工过程中出现钻深超下限范围，会因为钻到下一层铜箔或钻穿板而无法补救，直接导致报废。由于控深钻孔在PCB制程的最后几道工序，所以一旦出现钻深报废造成的损失也是较大的。

而孔钻浅了往往是在终端客户插件时才能发现，对问题追溯处理难度也很大，所以找到控深孔深度异常的原因有着重大的意义。

1 控深孔的定义和原理

控深孔的作用是让外层与任意内层连接或切断电路，或应用于零件的安装。控深孔的分类包括：背钻孔、锥形沉头孔、阶梯孔、控深盲孔等（如图1所示）。它们都是依靠下钻时钻头的钻尖接触基板的覆铜面或铝片时产生一个微电流信号，以此信号为零点基准向下钻孔，并利用蘑菇头连接零伏电压接地，再依据设定的下钻深度值进行计算下钻深度，在达到下钻深度位置时停止下来，完成控深钻孔。目前最常用的是这种具有控深钻孔功能的数控钻孔机，都配置有控深模组，控深精度也较高。普通数控钻孔机也是可以钻控深孔的，它是以钻孔机台面为零点，通过计算板厚和所需控深深度来完成，因受钻孔机台面平整度、下钻深度误差、辅助物料（垫板铝片）厚度均匀性的影响，控深精度较差。

图1 控深孔的类型解析表

不同的钻孔机型钻控深孔原理基本相同，但所使用的钻孔程式指令有所不同。例如常用的大族84系统所识别的启动控深指令是M18，Schmoll钻孔机所识别的控深钻指令是M08。表1列出了几种钻孔程式对比。

表1 不同钻孔机型所使用钻孔程式示例表

2 影响控深孔精度的原因分析

2.1 控深孔钻深超公差异常分析

2.1.1 钻孔流程异常分析和改善

2021年12月我厂生产现场反馈：一款拼接LED屏幕系列PCB样品首件发现台阶孔深度超公差上限。要求孔深度（1.2±0.1）mm，经过对此批板的数据测量得知：实测控深孔最大深度值1.59 mm，严重超公差（如表2所示），以单块计算不良率100%，要求钻孔站别分析原因并改善。

表2 控深台阶孔超公差测量数据表（单位：mm）

经确认此台阶孔的上孔径为Φ4.1 mm，下孔径为Φ2.1 mm。经检查流程发现此台阶孔是先钻Φ2.1 mm通孔，再到二钻流程进行钻Φ4.1 mm控深孔如图2（a）所示。分析认为因两次钻孔坐标位置相同，当Φ4.1 mm孔径下钻时钻尖接触的铝片下面为空洞状态，钻尖压到铝片时铝片会下陷，导致钻尖触发铝片时会发生信号传至系统时间延迟，而此时钻头仍是在下钻动作，这种时间差会造成深度偏深状况，且下钻速度越快深度偏差越深，偏深的误差也相对会更大。

为改善铝片下面空洞问题，为使钻尖接触到铝片时不会因钻尖压空造成导电计算深度延迟，制定了优化流程措施：（1）将Φ4.1 mm台阶控深孔先钻；（2）再使用第七象限从背面钻台阶孔的通孔如图2（b）所示。经优化台阶孔的钻孔流程后，再抽取板件进行切片测量控深孔的深度确认。测量结果如表3所示。从表3得出数据：极差下限为1.16 mm，上限为1.25 mm，满足1.2±0.1 mm的标准，说明台阶孔超公差是钻孔流程的原因导致，经改善钻孔流程后再没有出现此台阶孔深度超公差现象。

表3 优化后钻孔流程后控深台阶孔公差测量数据表（单位：mm）

图2 控深孔的钻孔步骤图

2.1.2 钻孔机蘑菇头导电性能差造成控深孔深异常分析

引用《论语》中的一句话：工欲善其事，必先利其器。设备的好坏与产品品质有着关键性的因素，在钻控深盲孔时由于钻孔机蘑菇头老化和蘑菇头气缸磨损也会造成导电接触不良，如图3（a）所示。导致出现控深盲孔钻得过深或钻穿现象。因此，钻孔机除了按时保养维护外，首先培训操作员平时发现有蘑菇头磨损或固定螺丝松动时应及时反馈设备部门处理，其次应在蘑菇头上增加一条电阻值较小的接地导线，通过导线来减少因蘑菇头老化或蘑菇头气缸接地导电不良问题如图3（b）所示。经过以上改善后，跟进一段时间，产线未反馈因蘑菇头问题导致控深孔钻穿和钻深现象。

图3 钻孔机导电蘑菇头图

2.2 控深孔钻浅超公差异常分析

2.2.1 钻头尖高度对控深深度的影响与自动化计算的分析

控深盲孔最常用的作业方式是以工程部提供的作业图纸（如图4所示）要求，在钻孔程式里面手动加入控深钻指令和深度值，深度值以钻孔机控深深度设定公式计算（控深值＝标准值＋钻尖高度＋铝片厚度），而钻尖高度则以工作经验值进行计算。然后进行首件切片确认，如不合格再依切片测量值进行补偿修正，这样不仅会增加首件测量次数的成本，也会有人为疏忽造成的输入错误风险，这就需要我们对生产方式进行优化。

图4 控深盲孔示意图

业界常用的钻头钻尖角度有130°、150°、165°（如表4所示），由于钻尖角度和钻头直径的不同，钻头的钻尖高度也不同。通常控深盲孔的深度要求是不含钻尖高度的，而钻孔机是以钻尖接触到铝片或基板的铜箔开始计算深度的，钻孔机控深值＝标准值＋钻尖高度＋铝片厚度，客户的要求标准值和铝片厚度是固定值不用计算，那么钻尖高度怎么算呢？平面看钻尖为一个等腰三角型，已知钻尖角度和宽度，求高度。钻尖高度＝×d 直径/tan×钻尖角度，，计算结果见表4所示。

从表4数据得知相同的钻尖角度，直径越大钻尖高度也就越大，呈正比例关系；相同的直径，钻尖角度越大得到的钻尖高度就越小，成反比例关系。如果因覆铜板介质层偏薄或厚度公差的因素，较难控制钻尖伤到盲孔的底层铜或钻穿，所以我们要优先选用钻尖高度小的钻头，具体建议如表4所示，直径在Φ2.1 mm～Φ3.15 mm槽孔要使用特制165°钻尖角的钻头。知道了钻尖角的使用规则，依钻孔机控深孔的深度计算公式就可以得知其较精确的深度值，就会大大改善首件良率，减少了重覆首件确认的成本。在钻控深孔过程中每个规格的钻头都要操作员进行计算其深度值也是挺麻烦的，很容易因计算或输入失误导致深度不良，为此建议：提前把每种规格的钻头使用的钻尖高度计算好，用控深盲孔深度设定公式，由工程人员导入工程软件脚本内，输出控深盲孔钻孔资料时直接带出钻孔机控深深度值和相关参数。钻孔操作员工使用控深孔钻孔资料时就省去了计算钻尖角和计算钻孔机的控深深度值事项，直接做首件确认就可以了。此设计需要注意的是必须固定钻尖高度和钻孔机的机型，特别适用LED板的机械控深盲孔。

表4 不同钻头的钻尖高度表

2.2.2 其他因素对控深钻浅的影响分析

在日常工作中总会遇到一些看似不可能发生的小问题，在生产过程中如果能提前发现和预防也可以减少很多控深孔钻浅不良的发生，笔者简单列举以下几项常见的发生因素。

（1）控深钻时员工操作失误使用了两张铝片，钻头尖提前接触到铝片一定会导致钻浅不良；（2）所用铝片有折皱不平，当钻到铝片的高位时也会导致钻尖提前接触铝片，造成钻孔机提前计算深度产生钻浅不良；（3）钻头缠丝后带的丝（铝丝或铜丝）提前接触铝片，造成钻孔机提前计算深度产生钻浅不良；（4）钻孔时铝片下有杂物使铝片凸起，导致钻尖提前接触铝片造成钻孔机提前计算深度产生钻浅不良；（5）钻孔机的LODI和SUTO值设置不合理，导致钻孔机误判深度，造成钻深或钻浅。

3 结语

文章重点分析讨论了LED板钻控深孔时，因流程问题或钻孔机蘑菇类导电性能问题导致钻深超公差的原因和优化方案，改善后其控深精度和稳定性得到明显的提升。通过对钻尖高度的计算，使控深度值的精度得到提升，并提出以工程软件脚本设计，使用其自动化导出合理钻机所需的深度值，从而减少了人员繁琐计算以及输入带来的失误，生产效率也相继得到了提高。

以上分析难免有所不足之处，希望同行给予批评斧正，同时也希望能为行业的发展尽一点自己的绵薄之力。