剛撓結(jié)合板激光孔偏位控制和研究

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。