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      剛撓結(jié)合板激光孔偏位控制和研究

      2020-11-12 07:39:14何海洋
      印制電路信息 2020年9期
      關(guān)鍵詞:偏位壓機(jī)錯(cuò)位

      何海洋

      (上海美維電子有限公司,上海 201613)

      1 目的

      某公司最新穿戴式產(chǎn)品主板PCB設(shè)計(jì)為六層任意層互聯(lián)的剛撓結(jié)合板,經(jīng)產(chǎn)品分析,激光孔焊環(huán)設(shè)計(jì)單邊僅60 μm,02/05層的激光孔偏位問題為最大的潛在品質(zhì)風(fēng)險(xiǎn),而在樣品制作階段也的確如預(yù)期所料,出現(xiàn)偏位異常,與期望目標(biāo)差距很大(見表1)。為此需要制定相關(guān)措施控制該品質(zhì)風(fēng)險(xiǎn),以保證后續(xù)量產(chǎn)階段的產(chǎn)品品質(zhì)及準(zhǔn)時(shí)交貨率。

      該項(xiàng)目的疊層設(shè)計(jì)如圖1。最大的品質(zhì)缺陷即為電測試短路問題,通過破壞性切片分析確認(rèn)激光孔偏位導(dǎo)致(見圖2),此類缺陷具有難以偵測和識(shí)別的特點(diǎn),故更應(yīng)集中資源進(jìn)行徹底分析改善。

      2 根本原因分析

      2.1 激光孔偏位魚骨圖分析

      我們簡單化處理,直接從激光孔偏位的字面意義分解,只有以下三種情形可以導(dǎo)致偏位問題發(fā)生(見圖3)。

      進(jìn)一步將這三種情形進(jìn)行可能原因細(xì)分,小組內(nèi)部頭腦風(fēng)暴,可能性原因進(jìn)行魚骨圖分析(見圖4)。

      2.2 因果交叉表分析

      對(duì)各項(xiàng)因素影響激光孔偏位程度分析(見表2)。從上述的因果交叉和帕累托圖分析,我們可以發(fā)現(xiàn)軟板PI層材料變形以及孔-盤錯(cuò)位的幾個(gè)因素是造成激光孔偏位的主要原因,將在后續(xù)論文中進(jìn)行詳細(xì)的系統(tǒng)分析和改善。在此之前,要做的是保證盤尺寸和激光孔尺寸在受控范圍內(nèi)。

      表1 產(chǎn)品改善前激光孔偏位狀況

      圖1 疊層設(shè)計(jì)

      圖2 激光孔偏位(左:切片,右:表面)

      圖3 激光孔偏位直觀分類

      3 改善措施

      根據(jù)原因分析結(jié)果,對(duì)主要的幾個(gè)原因進(jìn)行逐一確認(rèn)并改善,這里要明確的是,激光孔底盤尺寸,激光孔孔徑尺寸和撓性板PI層材料變形等三個(gè)變量相對(duì)獨(dú)立,變量之間沒有交叉影響。但是孔和盤之間錯(cuò)位的變量相對(duì)復(fù)雜,幾個(gè)影響因素之間有交叉影響,因此我們內(nèi)部安排DOE實(shí)驗(yàn)進(jìn)行系統(tǒng)分析。

      3.1 激光孔底盤尺寸改善

      3.1.1 現(xiàn)有能力確認(rèn)

      客戶端的激光孔焊盤尺寸初始要求為(220±25)μm,使用三維測量儀(已進(jìn)行量具特性化分析和校正)收集了近期的撓性板層焊盤尺寸數(shù)據(jù)并進(jìn)行能力分析,PPK非常低僅為-4.62,遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于我們的目標(biāo)值220 μm左右,需要從蝕刻補(bǔ)償?shù)雀鞣矫孢M(jìn)行改善。

      3.1.2 改善措施

      最有效的改善措施是增加焊盤尺寸的蝕刻補(bǔ)償,甚至針對(duì)此項(xiàng)目的每一個(gè)焊盤進(jìn)行逐一人工處理,在允許的范圍內(nèi)進(jìn)行移線刮銅預(yù)留,最大空間留給焊盤補(bǔ)償,同時(shí)現(xiàn)場確認(rèn)蝕刻藥水成分濃度分析,確保蝕刻因子在控制范圍內(nèi)。

      圖4 激光孔偏位原因魚骨圖

      表2 設(shè)備/制程能力因果交叉表

      圖5 激光孔偏位柏拉圖

      3.1.3 改善后過程能力再確認(rèn)

      經(jīng)過有效補(bǔ)償加放后,焊盤尺寸明顯往上限平移,在220 μm中值及以上PPK穩(wěn)定在2.0以上,從箱線圖看出整個(gè)改善效果非常明顯(見圖6)。

      3.2 激光孔孔徑改善

      客戶端的激光孔孔徑初始要求為(100±25) μm,激光鉆孔設(shè)備一般都是高精度設(shè)置的鐳射設(shè)備,本身的設(shè)備穩(wěn)定性基本可以保證。使用金相顯微鏡進(jìn)一步通過對(duì)現(xiàn)有樣品進(jìn)行切片分析,現(xiàn)有的激光孔孔徑可以滿足客戶要求,而且PPK達(dá)到1.92,說明現(xiàn)有能力足夠,無需進(jìn)一步的分析改善(見圖7)。

      3.3 撓性板PI層變形控制

      為了避免激光孔偏位問題,嚴(yán)格管控?fù)闲园寰埘啺穂1]基材層的變形量是最直接的措施之一,但受制于材料的特性以及壓合制程的影響,一般的基材層變形量普遍在萬分之五左右,很難滿足苛刻的PCB制程需求。因此,在加強(qiáng)來料漲縮監(jiān)控之外,還需要從拼版設(shè)計(jì)上入手,盡量保持基材層的整體剛性和支撐性。

      圖6 底盤尺寸改善后能力分析及箱線圖對(duì)比

      圖7 激光孔孔徑現(xiàn)有能力分析

      3.4 激光孔和底盤之間錯(cuò)位DOE實(shí)驗(yàn)

      為了更好理解掌握激光孔和底盤之間的錯(cuò)位狀況,介紹一種量測孔和盤之間錯(cuò)位程度的全新理念,量測兩者之間的中心間距數(shù)據(jù)進(jìn)行可量化分析。理想的狀態(tài)下,兩者的孔間距為0;極限的狀態(tài)下,兩者的孔間距為60 μm(初始孔徑為100 μm,底盤尺寸為220 μm)(見圖8)。

      圖8 孔-盤錯(cuò)位極限

      通過水平研磨金相切片的方法,顯微鏡量測出兩者之間的中心間距,孔和盤的中心間距為11.19 μm(見圖9)。

      圖9 孔-盤間距平磨切片

      內(nèi)部安排DOE實(shí)驗(yàn)[2],找出影響激光孔和底盤之間錯(cuò)位的顯著因子,使用相應(yīng)優(yōu)化器工具找出最優(yōu)的參數(shù)搭配組合,最后進(jìn)行放量性測試,確認(rèn)該參數(shù)的改善效果。

      3.4.1 實(shí)驗(yàn)安排

      (1)模擬測試板流程完全按照改任意層互聯(lián)項(xiàng)目執(zhí)行;(2)安排約30片板進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn);(3)在第一次壓合后安排水平研磨切片,收集確認(rèn)孔和盤的錯(cuò)位程度;(4)最終安排電測試確認(rèn)實(shí)際效果。

      3.4.2 變量選擇和實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

      (1)變量分析:選取了拼版設(shè)計(jì),壓合參數(shù)和壓機(jī)類型作為自變量,而孔和盤之間的中心間距即錯(cuò)位程度作為相應(yīng)變量。

      (2)定量分析:將其它因素視為定量,整個(gè)實(shí)驗(yàn)基于以下展開。①改善后底盤尺寸控制;②激光孔孔徑中值控制;③軟板聚酰亞胺基材變形得到有效控制。

      (3)DOE實(shí)驗(yàn)。

      3.4.3 數(shù)據(jù)分析方法

      (1)用方差分析(ANOVA)的方法確定影響孔-盤偏位的顯著主效應(yīng)和交互作用;(2)用殘差分析的方法確定DOE試驗(yàn)?zāi)P驮O(shè)計(jì)和孔-盤偏位數(shù)據(jù)的擬合程度; (3)用主效應(yīng)圖和交互效應(yīng)圖來定性的分析試驗(yàn)因子對(duì)孔-盤偏位的影響;(4)用響應(yīng)優(yōu)化器來確定最優(yōu)參數(shù)組合,并定量的預(yù)測響應(yīng)結(jié)果;(5)用控制圖和能力分析的方法驗(yàn)證最優(yōu)參數(shù)組合的實(shí)際輸出結(jié)果的能力可行性。

      3.4.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析討論

      (1)孔-盤間距的效應(yīng)和系數(shù)的估計(jì)(已編碼單位)(見圖11)。

      ①R-Sq = 96.65% ≥80%,說明本次試驗(yàn)選擇的因子和水平有效,可以有效識(shí)別出影響孔-盤偏位的主效應(yīng)因子或交互作用。

      表3 孔-盤錯(cuò)位DOE實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)表

      圖10 拼版設(shè)計(jì)

      表4 孔-盤錯(cuò)位DOE實(shí)驗(yàn)結(jié)果列表

      ②主要因子非常顯著,而各個(gè)因子之間的交叉作用不明顯。

      (2)孔-盤間距的數(shù)據(jù)方差分析(已編碼單位)

      ①從以上方差分析可以看出,彎曲P值0.510>0.05,失擬P值0.058>0.05,說明無彎曲和失擬現(xiàn)象;

      ②從以上方差分析可以看出,只有主效應(yīng)的P-value=0.000<0.05,說明無交互作用。

      (3)主效應(yīng)圖分析。

      主效應(yīng)圖說明拼版是主效應(yīng),B拼版明顯優(yōu)于A拼版,壓合參數(shù)其次,溫升效率越低,對(duì)孔-盤偏位越有利,同時(shí),Cedal壓機(jī)在控制孔-盤偏位時(shí)優(yōu)于Burkel壓機(jī)(見圖13所示)。

      另外,交互作用分析可以說明層壓參數(shù)和壓機(jī)類型之間有一定的交互作用,其余因子間的交互作用基本可以忽略。

      總之,拼版是最關(guān)鍵因子,其次是壓合參數(shù),壓機(jī)類型也起到一定影響作用,因子間的交互作用不大,可以忽略。最佳的參數(shù)組合為:B 拼版設(shè)計(jì) + 1.5 ℃/min 溫升壓合參數(shù) + Cedal 壓機(jī)。

      下一步驗(yàn)證試驗(yàn)將會(huì)按此參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)確認(rèn)和能力分析。

      4 驗(yàn)證與總結(jié)

      4.1 放量驗(yàn)證

      按照DOE實(shí)驗(yàn)的最佳參數(shù),進(jìn)一步放量生產(chǎn)確認(rèn),激光孔和底盤的偏位控制能力顯著提升,激光孔偏位的缺陷得到有效改善(見圖14、表5所示)。

      4.2 效益分析

      (1)提升產(chǎn)品整體的生產(chǎn)效率;

      (2)保證了產(chǎn)品整體的交貨進(jìn)度;

      (3)降低了客戶端投訴風(fēng)險(xiǎn);

      (4)贏得客戶端信任。

      4.3 文件化

      (1)撓性板聚酰亞胺層的拼版優(yōu)化設(shè)計(jì)方案確認(rèn),形成設(shè)計(jì)指引規(guī)范;(2)層壓參數(shù)優(yōu)化,確定出最優(yōu)的溫升速率目標(biāo)值;(3)形成了Cedal電壓機(jī)的通用用途規(guī)范。

      圖12 孔-盤間距的數(shù)據(jù)方差分析圖

      圖13 孔-盤間距主效應(yīng)圖

      圖14 改善后孔-盤間距能力分析圖

      表5 激光孔偏位改善后狀況

      5 結(jié)語

      本文是全制程特性化分析思路的完整應(yīng)用。通過對(duì)某一任意層互聯(lián)剛撓結(jié)合板項(xiàng)目的深入研究,得出撓性PI層變形控制和底盤尺寸控制是最直接最有效的改善措施,找出影響激光孔和盤之間錯(cuò)位的關(guān)鍵因子和相應(yīng)措施,并得到了放量性的驗(yàn)證,可供相關(guān)工程師參考。

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