一類汽車用PCB產(chǎn)品翹/扭曲性能的改善

宋軍勤（奧托立夫（中國）電子有限公司質(zhì)量部，上海，201401）

一類汽車用PCB產(chǎn)品翹/扭曲性能的改善

宋軍勤
（奧托立夫（中國）電子有限公司質(zhì)量部，上海，201401）

隨著汽車電子技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用,雷達類產(chǎn)品已經(jīng)在汽車電子產(chǎn)品中得到廣泛的應(yīng)用。與普通的電子產(chǎn)品不同。雷達類電子產(chǎn)品需要高頻材料作為雷達型號接受和發(fā)送的介質(zhì)。因此，汽車電子產(chǎn)品中的PCB多用FR4材料和RF材料的混壓方法制造雷達用PCB。

但是兩種不同材料的混壓會產(chǎn)生PCB的翹曲并影響電子產(chǎn)品的組裝和雷達產(chǎn)品的可靠性。因此，怎么樣控制此類PCB的翹曲成為PCB制造和SMT制造的一個難題。

為解決翹曲的質(zhì)量問題，我們和PCB產(chǎn)品的供應(yīng)商一起研究和分析了問題產(chǎn)生的原因，并通過DOE（試驗設(shè)計）以及試驗設(shè)計分析找到了優(yōu)化PCB翹曲的方案。通過優(yōu)化PCB Dummy Pad的設(shè)計、優(yōu)化PCB疊構(gòu)的方法降低了PCB產(chǎn)品翹/扭曲。優(yōu)化后的PCB產(chǎn)品經(jīng)過小批量生產(chǎn)，翹曲性能穩(wěn)定，能夠達到公司產(chǎn)品設(shè)計和生產(chǎn)的需求。同時成功的改善翹曲對公司提升產(chǎn)品良率、提高公司競爭力都有積極的貢獻。對國內(nèi)類似的產(chǎn)品生產(chǎn)也有借鑒價值。

PCB（印刷線路板）；翹/扭曲；汽車

0 引言

隨著中國經(jīng)濟發(fā)展、人民生活水平的改善，汽車越來越成為人們生活當中的必須品，而與此同時，隨著近幾十年來電子技術(shù)的突飛猛進，汽車生產(chǎn)中也引入了大量的電子控制產(chǎn)品，這些產(chǎn)品的引入對汽車的安全性和舒適性帶來了非常大的提高。其中車載雷達就是一個非常實用的汽車電子產(chǎn)品。汽車雷達產(chǎn)品可以幫助駕駛?cè)藛T輕松舒適的駕乘汽車，也可以幫助駕駛?cè)藛T識別障礙、判斷距離、減少盲區(qū)，從而大大地降低汽車安全風險。而且，隨著汽車無人駕駛技術(shù)的進一步發(fā)展，汽車用雷達產(chǎn)品將越來越受到歡迎，并且呈高速增長的態(tài)勢。

目前中國能夠制造生產(chǎn)汽車雷達產(chǎn)品的電子類公司也為數(shù)不多。而且公司雷達類產(chǎn)品用PCB是一種FR4材料和RF材料的混壓產(chǎn)品。由于使用不同的材料混壓，該類PCB比普通PCB有更高的翹/扭曲特性。增加了雷達產(chǎn)品生產(chǎn)的難度。

在生產(chǎn)初期，質(zhì)量部門就發(fā)現(xiàn)雷達產(chǎn)品的PCB卡板、元器件貼裝位置偏差以及測試不通等等質(zhì)量問題遠遠高于其他類型的產(chǎn)品。就不良率生產(chǎn)指標而言，公司目標是5%，實際是12%左右。其它相似的產(chǎn)品線不良率目標可以達到0.4%。即便是考慮到新項目和新工藝的因素。這么高的不良率也是不能接受的。

于是對比了現(xiàn)存類似雷達產(chǎn)品的生產(chǎn)過程和原材料。對比發(fā)現(xiàn)，兩種類似產(chǎn)品的原材料PCB有明顯的翹曲差異。目測也能發(fā)現(xiàn)明顯的翹曲差別。測量幾組周期產(chǎn)品的翹/扭曲后，數(shù)據(jù)顯示翹/扭曲的差別明顯。并且所有板子均朝向數(shù)字面彎曲。

周期雷達 PCB普通PCB DC Bow Twist Bow Twist 1621 38 79 0 13 1621 23 66 0 11 1621 32 109 11 16 1637 17 33 0 0 1631 38 49 0 0 1621 38 93 11 0

測試方法采用IPC TM 650 2.4.22.[1]

而PCB的翹/扭曲是表面貼裝產(chǎn)品良率的主要影響因素之一。從數(shù)據(jù)看，雷達類PCB產(chǎn)品的翹/扭曲明顯高于普通PCB。因此后續(xù)問題的改善主要集中在如何減小此類PCB的翹扭曲上。

1 PCB板翹曲產(chǎn)生原因的分析

PCB板翹曲的產(chǎn)生有很多種原因。按照4M1E的分析方法。各個方面都有產(chǎn)生PCB翹曲的可能性。一般而言有以下這些方面都有可能影響PCB的翹曲。

人，員工不正確的Handling，錯誤的放板方式可能會引起PCB翹曲。

機，壓力系統(tǒng)故障，溫度循環(huán)系統(tǒng)故障，造成壓力不夠、過大或者升降溫速率超出設(shè)定值都有可能引起PCB翹曲。

料，原材料玻璃絲布搭配不合理，材料吸潮均有可能為使PCB翹曲的原因。

法，電鍍不合適夾具，錯誤的磨板速度以及不正確的磨板方向都有可能產(chǎn)生PCB翹曲。

環(huán)境，不合理的環(huán)境溫濕度控制也有可能是翹曲的影響因素。

除了上面可能的翹曲影響因素之外。PCB板的設(shè)計也是一個主要的翹曲產(chǎn)生因素。不對稱的疊構(gòu)。不對稱得圖形。Dummy盤的形狀和分布。半固化片增強材料的選擇等等也是非常重要的翹曲影響因素。

具體到該款的PCB上面，我們對比同周期普通PCB和雷達PCB的翹曲數(shù)值。我們發(fā)現(xiàn)兩者的差異明顯。生產(chǎn)時間和設(shè)備相同，人員差異不明顯，環(huán)境無明顯區(qū)別。所以我們將翹曲的可能原因放在了產(chǎn)品的設(shè)計上面。

通過評估兩種產(chǎn)品的設(shè)計和疊構(gòu)，我們發(fā)現(xiàn)。普通的PCB使用的是同一種FR4 環(huán)氧樹脂材料。板子兩邊結(jié)構(gòu)對稱。殘銅率相當。而雷達PCB的設(shè)計則有明顯的區(qū)別。雷達用PCB的設(shè)計使用不同的材料的非對稱疊構(gòu)設(shè)計。板子的頂面和底面分別承擔不同的功能。一面是天線面，用來接受雷達信號，一面是數(shù)字處理面。主要是用來處理信號。兩面使用了不同的原材料。數(shù)字處理面是FR4環(huán)氧樹脂材料，天線面是Rogers 高頻材料。雖然在當初設(shè)計PCB是已經(jīng)考慮到了材料的差異。并且盡可能的挑選了熱膨脹系數(shù)相近的材料搭配。但還是無法和普通PCB一樣做到材料完全一致。另外，由于雷達PCB兩面有明顯的功能差異，所以，底面和頂面的線路圖形有很大的差異，殘銅率明顯不同。

所以，針對以上設(shè)計的特點。我們將改善點放在了優(yōu)化產(chǎn)品疊構(gòu)設(shè)計。盡可能的平衡殘銅，減少PCB翹曲這個思路上。由于這種混合設(shè)計雖然有PCB 翹曲的問題，但是這種設(shè)計有明顯的成本優(yōu)勢，且能使產(chǎn)品功能結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定而倍受客戶歡迎。整個PCB的混合材料設(shè)計不能變更。要做的工作就是在現(xiàn)有設(shè)計基層上進行優(yōu)化并滿足生產(chǎn)的要求。所以后面的改善還是以現(xiàn)有設(shè)計為基礎(chǔ)。

2 翹曲改善試驗設(shè)計和驗證

2.1 翹曲改善試驗設(shè)計

基于以上的分析，我們把改善方案分為兩個大的因素。一個是疊構(gòu)因素，一個是board design因素。設(shè)想在疊構(gòu)上增加剛性較強的材料以抵消應(yīng)力，降低翹曲。另一個是優(yōu)化PCB大板加工的Dummy pad設(shè)計，改善應(yīng)力分布，優(yōu)化殘銅率。

圖1 兩種Stack-up示意圖

因素2 Board design有五個水平，圖示和描述如下。水平1，每層的set之間和大板采用銅塊設(shè)計

圖2 Level 1 copper block

水平 2 整板和母板均用Dummy盤設(shè)計

圖3 Level 2 Dummy pad

水平3 大板使用銅塊設(shè)計，set之間使用銅條設(shè)計

圖4 Level 3 Solid bar

水平 4 Rogers層用銅條，F(xiàn)R4層用dummy盤

圖5 level 4 Rogers Bar

水平 5 Rogers層用Dummy盤 FR4層用銅條

圖6 Level 5 Rogers pad

用兩次回流焊后set 的翹曲值作為響應(yīng)因子。每個組合有7塊大板，42set小板。采用Minitab 軟件做實驗結(jié)果分析。我們Half Normal Plot 和ANOVA分析考察模型和因子的顯著性影響。用Interaction 分析因子的交互作用并尋找最優(yōu)改善方案。

2.2 實驗結(jié)果的分析

本研究42例疑似乳腺病變患者相關(guān)數(shù)據(jù)應(yīng)用SPSS 19.0軟件對比分析，2種檢查靈敏度、特異度、準確性情況行χ2檢驗，采用（n%）表示。以P＜0.05為校驗水準，對本研究結(jié)果統(tǒng)計學意義情況予以檢驗。

2.2.1 設(shè)計實驗的基本匯總，按照設(shè)計，本試驗共有2個因子。每組42個觀測值?？?20個測值。

圖7 各組原始數(shù)據(jù)箱線圖

2.2.2 Half- Normal plot 分析顯示，這兩個因素對板的翹曲是的影響的因素。

圖8 影響因素表

2.2.3 實驗結(jié)果的 ANOVA分析

DOE模型的F值8.03顯示這個模型對改善翹曲是有意義的。僅僅有0.01的機會是由于噪音造成的該值變大。P值小于0.05意味著兩個因子Stack-up和Boarder design 對于改善翹曲有意義。

Pred R-Squared 和Adj R-Squared 兩者差異小于0.2，有著良好的一致性。Adeq Precision 值9.317大于4 意味著該模型噪音較低。模型可以用于降低翹曲。

2.2.4 Interaction的結(jié)果

Interaction結(jié)果顯示，相比較于目前的Stack-up設(shè)計，新的設(shè)計能夠顯著的降低翹曲值。Solid bar 設(shè)計是翹曲最低的。

圖9 Interaction的結(jié)果

2.2.5 設(shè)計優(yōu)化

實驗優(yōu)化的結(jié)果顯示新的Stack-up 結(jié)合Solid Bar的設(shè)計能夠得到最優(yōu)的翹曲降低效果。64%的期望值認為翹曲的優(yōu)化結(jié)構(gòu)可以達到平均35.1mil的結(jié)果。這可以很好的滿足翹曲小于80mil的新設(shè)計要求。

圖10 設(shè)計優(yōu)化結(jié)果

3 結(jié)束語

DOE實驗顯示，模型和模型的兩個因素對于改善此類PCB板的翹曲是由效果的。改善后的翹曲結(jié)果能夠很好的滿足新的設(shè)計標準的要求。推薦的最優(yōu)方法是結(jié)合疊構(gòu)的優(yōu)化和板子圖形的設(shè)號，來區(qū)分哪個數(shù)據(jù)塊需要讀取。

時鐘：接收時鐘頻率為25MHz，與發(fā)送時鐘成倍數(shù)關(guān)系，能夠保證在lbit數(shù)據(jù)的時間中點采集數(shù)據(jù)，增加采樣準確度；塊號：表示接收到的塊號，判斷接收到的塊號是否和本模塊一致，若一致更新RX_BYTE2"30的數(shù)據(jù)，反之則丟棄。

3 通信信號處理系統(tǒng)的設(shè)計

3.1 物理層

常見的通信方式有光纖、CAN總線、R5485。其中R5485差分通信，成本低，且能滿足通信距離、速率要求。

圖1 板間接線圖

485通信分2線制（半雙工）和4線制（全雙工）兩種接線方式，為了提高通信速率采用4線制（全雙工）連接方式接線。

3.2 通信協(xié)議

DSP主要實現(xiàn)子模塊的控制算法，采用MODBUS軟件協(xié)議，將大大增加DSP資源負擔，為保證控制算法的實時性，通信控制由FPGA實現(xiàn)，設(shè)計了精簡有效的自定義通信協(xié)議，DSP和FPGA之間通過數(shù)據(jù)總線交互數(shù)據(jù)，構(gòu)成了完整的數(shù)據(jù)通路。

3.3 硬件設(shè)計

控制硬件架構(gòu)采用DSP+FPGA+ARM組合，其中DSP負責完成系統(tǒng)控制算法，ARM完成人機界面交互及以太網(wǎng)等接口，F(xiàn)PGA負責完成模塊與中央的通信。

4 結(jié)束語

綜上所述，基于FPGA技術(shù)的通信信號處理設(shè)計具有靈活性強、集成度高、開發(fā)成本低等優(yōu)勢，且利用FPGA對通信信號進行處理后，使得信號具有較強的移植性和擴展性，在諸多領(lǐng)域內(nèi)均可得以廣泛應(yīng)用。

[1]李輝，楊挺，王暉.基于FPGA的通用傳感器信號處理系統(tǒng)設(shè)計[J].傳感器與微系統(tǒng)，2016（03）：105-107.

[2]李曉，李芮，王志斌，等.基于DSP和FPGA的CAN總線通信系統(tǒng)設(shè)計[J].計算機測量與控制，2015（01）：284-286.

Improvement of winding / twisting performance of a class of automotive PCB products

Song Junqin
（Otto Arif (China) Electronics Co.,Ltd.,Shanghai,201401）

With the development of auto electronic technology and applications, radar products have been widely used in automotive electronic products. Difference with general electronic products. As radar type radar electronics need high frequency materials

and sent on the signal. Therefore, using hybrid FR4 and RF material build radar PCB.

Due to this is hybrid PCB, it always have high warpage then general PCB will impact production assembly process and reliability. Therefore, how to control this kind of warpage of PCB will be problem for PCB and SMT process.

For improving this issue, we research and analysis the causes of the problems with supplier and do DOE to find optimization plan. Change stack-up and dummy pad design can improve warpage effectively. These improvements bring benefits to the company at the same time provides some useful lessonsfor similar production.

PCB (printed wiring board); warped / twisted; automobile