杜 森

（至卓飛高印制板（深圳有限公司）工程部，廣東 深圳 518067）

1 引言

1.1 本文研究的主要內(nèi)容

翹曲問題是印制板功能性問題之一，其給PCBA過程帶來的危害是十分明顯的，由于翹曲問題是在FQC將大板銑成小板之后才檢查的，因而對于不合格的板需要花大量的人力物力去返工，而返工過程還可能帶來其它的問題，如阻焊油墨變色、鍍銀面氧化發(fā)黃、擦花等其它問題的出現(xiàn)，所以Z公司一直把翹曲問題作為PCB的一個重要的可靠性問題來抓。

本文從PCB的設(shè)計及制造流程上探討了造成翹曲問題的機理，通過實驗設(shè)計、參數(shù)優(yōu)化等手段，找出關(guān)鍵的工藝參數(shù)，來達到消除翹曲的目的。多層板的成型過程即壓合過程是影響翹曲問題的一個重要過程，在這個過程中，環(huán)氧樹脂及玻璃布，銅箔及芯板在高溫高壓下固化成型，最后形成一塊印制板，銅箔與玻璃布，基材之間熱力學(xué)性不匹配導(dǎo)致有應(yīng)力產(chǎn)生。從而導(dǎo)致翹曲發(fā)生，同時在壓合以后的制程中，由于多層板受到熱應(yīng)力、機械應(yīng)力的作用，如沉銅工序、電鍍工序、濕菲林工序、熱風(fēng)整平工序的作用，最后會導(dǎo)致板的內(nèi)應(yīng)力殘留而造成翹曲問題，印制板的設(shè)計也是影響翹曲的一個主要因素，對于設(shè)計主要分為以下幾個方面：排板結(jié)構(gòu)的設(shè)計、內(nèi)外層殘銅率的分布，而對于線路的分布沒有進行考慮。不對稱的結(jié)構(gòu)及各層殘銅分布的不均勻也會造成翹曲問題。

在生產(chǎn)經(jīng)驗及理論研究的基礎(chǔ)上，通過對壓合工序及其FQC的翻壓工序的重大影響因素進行參數(shù)設(shè)計，通過大量的實驗數(shù)據(jù)分析，找出使翹曲達到最小的最佳參數(shù)組合，從而從根本上徹底消除印制板翹曲。

綜上所述，本文研究的主要內(nèi)容及目的是分析印制板產(chǎn)生翹曲的機理，系統(tǒng)地優(yōu)化組合壓合工序及FQC的返壓工序及印制板設(shè)計的主要工藝參數(shù)，以消除翹曲問題。

2 印制板翹曲產(chǎn)生機理綜述

本章主要是對翹曲造成的機理進行系統(tǒng)的分析，同時提出本文的研究方向。

2.1 印制板翹曲分析

印制板的加工是很復(fù)雜的，造成翹曲的原因主要就是因為有殘余的應(yīng)力所造成的，從基板材料開始，就有這個問題，另外一個就是PCB制造的問題，PCB的流程十分復(fù)雜，工序眾多，印制板要經(jīng)過多次磨板，多次受熱，因而不停地受到外來應(yīng)力的作用，所以造成翹曲的因素是復(fù)雜的[1]，還有一個就是下游客戶在PCBA過程中所形成的翹曲，一個平整的PCB板，在下游的PCBA過程中，需要表面貼裝元件，然后過波峰焊或回流焊，PCB板要受到加熱及冷卻的作用[2]。

2.1.1 玻璃纖維布的各向異性

根據(jù)圖1中的數(shù)據(jù)可以計算出纖維的縱橫比及彎曲率，見表1所示。

表1 7628纖維的縱橫比及卷曲度

圖1 印制板W方向切片圖，測量7628的縱橫比及彎曲率

從上面的數(shù)據(jù)可以看出，對于7628纖維，其在W方向及F方向的縱橫比及卷曲度是不同的（圖2），這也就決定了纖維具有的各向異性[3]。玻璃布作為一種增強材料，其紗的支數(shù)、密度、捻數(shù)、紡織方式、玻璃布的表面處理，都會影響纖維的熱膨脹系數(shù)、彈性模量。

圖2 F方向切片圖

2.1.2 壓合成型過程導(dǎo)致印制板內(nèi)的應(yīng)力殘留

壓合過程是多層印制板加工過程中的一個極其重要的過程，在這個過程中，多層的芯板（CORE，也叫半固化片片的C階狀態(tài)）與半固化片片（B階樹脂）、銅箔一起在高溫高壓下產(chǎn)生高分子聚合反應(yīng)，最后形成一個完全固化的PCB板，由于銅箔、纖維及環(huán)氧樹脂之間的CTE不同，導(dǎo)致三者之間的收縮不一致，此舉直接導(dǎo)致在壓合好的印制板內(nèi)殘留有應(yīng)力。

導(dǎo)致應(yīng)力殘留的主要因素有：壓板參數(shù)影響，其中包括熱壓參數(shù)及冷壓參數(shù)，而熱壓過程中升溫太快及壓力過大會導(dǎo)致應(yīng)力殘留過多，在冷壓過程中降溫速率過快也會導(dǎo)致殘余應(yīng)力過大。

2.1.3 壓合后制程的影響

多層印制板在層壓之后，還要經(jīng)過很多工序加工，才能到達成品板。如鉆孔、銑外形等機械加工工序；孔金屬化、圖形轉(zhuǎn)移、蝕刻、絲印阻焊劑、熱風(fēng)整平等濕法加工工序。這些工序?qū)Χ鄬影迓N曲度都有一定的影響，特別是在絲印阻焊劑和熱風(fēng)整平工序，板子還要經(jīng)過長時間的高溫烘烤（150 ℃、3小時）和短時間的高溫沖擊（240 ℃，3vs）。對由于這些加工過程導(dǎo)致的多層板翹曲，通過對成品板進行熱壓釋放殘余應(yīng)力，是改善其翹曲度過大的有效方法。

為解決因后制程中所造成的翹曲問題，將大板銑成單元后，使用翹曲返直接進行翹曲翻壓，也就是將單元板放在一定的溫度、壓力下保持一段時間，然后再進行冷壓到室溫，此舉能將大部分因外力作用而產(chǎn)生的翹曲進行修正，也是解決薄板最好的方法。

3 實驗方法

本章主要是確定相關(guān)試驗的試驗因素及水平，主要考慮以下影響：壓板時排板結(jié)構(gòu)的影響，壓合工藝參數(shù)的影響及FQC返壓翹曲參數(shù)的影響等，應(yīng)用全因子設(shè)計和正交試驗設(shè)計的方法來設(shè)計試驗[5][6]。

3.1 翹曲的影響因素及其水平確定

通過對產(chǎn)生翹曲的機理及工序流程的分析，認為影響翹曲的主要因素有印制板的設(shè)計因素、壓合流程及FQC翻壓流程，濕菲林烘板流程，以上幾個方面對翹曲的影響較大，同時對于薄板，員工的操作也是一個不可忽視的因素。本文主要從壓合流程及FQC返壓流程方面進行實驗。

3.2 壓合工序?qū)嶒炘O(shè)計

3.2.1 壓合工序?qū)嶒炓蛩氐拇_定

壓合工序是多層板加工中極重要的一個工序，在這個過程中，半固化片、環(huán)氧樹脂、銅箔在高溫高壓下固化成型，因而溫度、時間、壓力是直接的影響因素，同時冷壓也是一個重要的影響因素，實驗表明，在其它條件不變時，冷壓時間越長，板的內(nèi)應(yīng)力釋放越完全，翹曲壞率也就越低。所以冷壓時間也是要考慮的一個因素。

通過前面的分析，可以知道，壓板程序的設(shè)定是多步進行的，即在不同的階段需要不同的溫度及時間、壓力進行配合，在前面的開始階段，溫度壓力均較低，隨著樹脂的不斷熔融，粘度逐漸變小，所以本次實驗選用的不是溫度，而是升溫速率。

由于環(huán)氧樹脂的固化階段時間最長，壓力最大，所以選用的是固化所用的最大的壓力，以及整個過程的時間。

因而本次實驗所采用的主要因素有：升溫速率、最大壓力、固化時間、冷壓時間。

3.2.2 壓合工序?qū)嶒炓蛩厮降拇_定

對于四個影響因素：升溫速率、最大壓力、固化時間、冷壓壓力，根據(jù)供應(yīng)商提供的資料及Z公司長期的生產(chǎn)經(jīng)驗，都確定了一個行動范圍，為了尋找最佳的參數(shù)組合，每個因素選擇一個最佳值做為其中的一個水平，而另外兩個水平則選擇行動范圍的兩個極端值。因素和水平見表2所示。

表2 壓合工序的試驗因素設(shè)計

各因素水平的調(diào)節(jié)方式。對于升溫速率，可以通過增加緩沖所用的牛皮紙的數(shù)量來進行，牛皮紙的一個作用就要使用壓力均勻，另一個作用就是調(diào)節(jié)升溫速率，一般用18張，如果牛油紙數(shù)量越大，則升溫速率越小，傳熱越慢；最大壓力，固化時間，冷壓壓力均可以通過壓板機所使用的軟件程序進行調(diào)節(jié)，方式比較簡單，直接進行設(shè)定即可。

由于實驗所采用的因素及水平較多，有四個三水平因子，所以如果采用全因子實驗設(shè)計，則會有3*3*3*3即81種實驗，要進行如此多的實驗，是不經(jīng)濟也是沒必要的，因而為了找到最佳的實驗組合，同時又不會進行太多的實驗，所以本次實驗采用田口實驗方法。

Taguchi實驗設(shè)計方法[6]是以田口玄一為首的一批日本電訊研究所的研究人員于50年代初在費歇樂多元配制法基礎(chǔ)上開發(fā)研究的正交實驗設(shè)計技術(shù)。正交矩陣和信噪比是Taguchi實驗設(shè)計方法中的兩個重要概念，正交矩陣是進行實驗的基礎(chǔ)，具有不同實驗因素個數(shù)和實驗因素水平的實驗，要嚴格按照對應(yīng)的正交矩陣進行實驗。信噪比是Taguchi實驗中評判實驗效果的重要依據(jù)，不同的實驗?zāi)繕?biāo)對應(yīng)著不同的信噪比計算公式。實驗設(shè)計根據(jù)優(yōu)化目標(biāo)個數(shù)的不同可分為單目標(biāo)實驗設(shè)計和多目標(biāo)實驗設(shè)計兩種設(shè)計方法，本實驗采用單目標(biāo)實驗設(shè)計。

對于壓合工序的實驗組合，使用MINITAB軟件生成如下的正交實驗表，共有9種實驗組合，見表3。

表3 壓板工序?qū)嶒灄l件組合

3.2.3 FQC返壓工序?qū)嶒炘O(shè)計方案

FQC翻壓工序?qū)嶒炓蛩氐拇_定：翻壓工序是對前工序產(chǎn)生的翹曲板的返直，其實這個過程與壓合工序有點類似，也就是在一定的溫度、時間、壓力下，成品的印制板重新受熱后發(fā)生形變，并最終被返直。

分析這個過程后發(fā)現(xiàn)，溫度、時間、壓力，在三個因素這個過程中起著重要的作用，這三都缺一不可。因而本次實驗所采用的是因素有：溫度、壓力、熱壓時間、冷壓時間。

3.2.4 返壓工序?qū)嶒炓蛩厮降拇_定

由于FQC的板都已被銑成了單元，有些板已進行了表面處理，并且在板上面已印完了綠油，所以在設(shè)計這些參數(shù)時必須對這些內(nèi)容進行考慮，根據(jù)供應(yīng)商提供的相關(guān)參數(shù)的行動范圍，以及Z公司的長期生產(chǎn)的實踐，發(fā)現(xiàn)溫度對綠油的顏色影響較大，通過實驗得到當(dāng)溫度超過155 ℃時，綠油的顏色變化較為明顯，并且隨著時間的延長，其變色更為明顯，所以將溫度的上限定為155 ℃，Z公司對這些行動范圍進行了修改，為了尋找最佳的參數(shù)組合，每個因素選擇其中一個最佳值做為一個其中的水平，另外兩個水平則選擇規(guī)格范圍的兩個極端值，其因素和水平見表4所示。

由于此試驗因素與水平眾多，有四個三水平因子，難以采用全因子試驗方法，故而采用正交設(shè)計的方法。根據(jù)材料的特性以及生產(chǎn)的經(jīng)驗，發(fā)現(xiàn)A與B、C、D可能存在交互作用，所以在設(shè)計本次實驗時考慮AXB，AXC，AXD的交互影響，本試驗一共有四個因子和3個交互作用，正交表的列數(shù)必須大于10?？紤]選用L27(313)的正交表，正交試驗（Design form ofOrthogonal Test）L27（313）表頭設(shè)計見表5所示。

表4 FQC返壓工序?qū)嶒炓蛩卦O(shè)計

表5 正交試驗 L27(313)表頭設(shè)計

按照L27（313）正交表來安排試驗：把溫度、熱壓時間安排在第1列和第2列，壓力安排在第5列，冷壓時間安排在第9列，其余為交互作用列。所有組合見表6。

表6 L27(313)正交表

從正交表中取出試驗因素所占的第1、2、5、9列，組成試驗表，見表7。

表7 FQC翻壓工序?qū)嶒灄l件組合

3.3 試驗方案的實施

3.3.1 壓合工序試驗1的實施

此次試驗每種組合也是采用4塊大板，共計2*40單元，共有9個組合，總的大板數(shù)量為36塊，共計2*360單元。在流程方面，即從鉆孔到FQC的工序，流程的所有控制參數(shù)及方法均與正常的生產(chǎn)板一樣，從而可以避免有誤差的出現(xiàn)。為了便于在后工序區(qū)分不同的組合而不會導(dǎo)致混板等情況出現(xiàn)，在壓板時在每塊板的上面寫上實驗組合的代號，此外，下板后銑完邊還要在板邊的空白位置用打字機打上組合代號，從而不會造成混板丟失等，組合的代號分別為：A1B1C1D1，A1B2C2D2，A1B3C3D3，A2B1C2D2，A2B2C3D3，A2B3C1D1，A3B1C3D3，A3B2C1D1，A3B3C2D2。

以上板跟到FQC銑成單元板以后，用孔徑針測量翹曲數(shù)據(jù)并記錄，統(tǒng)計翹曲壞率。

3.3.2 FQC翻壓翹曲工序試驗2的實施

此工序的試驗與上面兩個工序的不一樣，這里的板都是單元板，但是這個實驗是采用了上面實驗的最佳條件，也就是說，重新跟進一批板，按實驗的最佳條件來做板，最后做到了FQC，采用這樣的做法也是為了減少許多人為的誤差。

具體做法是：首先確定每個試驗組合的板的單元數(shù)量，按正常的生產(chǎn)數(shù)量，取每種組合15塊，27種就是405單元，由于需要做重復(fù)試驗，所以總數(shù)就是2*405=810單元。對于這些板，在返壓前需要將每塊板的翹曲數(shù)據(jù)量出來并記錄，在返壓完成后，再次測量翹曲數(shù)據(jù)，然后運用分析手段對數(shù)據(jù)進行處理。以找到最佳的返壓條件。

4 試驗結(jié)果分析及參數(shù)優(yōu)化

4.1 壓合工序?qū)嶒灲Y(jié)果分析

在壓合工序的實驗是四因素三水平正交實驗，從生產(chǎn)的長期經(jīng)驗來看，在升溫速率、壓力及冷壓時間這些因素之間不存在交互作用，這與高分子材料的特性有關(guān)，本次實驗仍以良率做為輸出響應(yīng)值，實驗數(shù)據(jù)見附錄所示，其實驗數(shù)據(jù)初步處理見表8所示。

表8 壓合工序?qū)嶒灁?shù)據(jù)表

使用Minitab對本例進行分析，包括信噪比分析、平均值分析、標(biāo)準(zhǔn)偏差分析。分析結(jié)果見圖3、圖4、圖5、表9。

分別對上述各圖表進行分析 ，結(jié)果如下：

（1）從圖3各因素對輸出變量均值的影響圖可以看到，A、B取第2水平，C、D取第3水平時，均值會最大。

圖3 各因素對輸出變量均值的影響圖

圖4 各因素對SN的主要影響圖

表9 Minitab分析結(jié)果輸出表

圖5 各因素對變量標(biāo)準(zhǔn)差的影響圖

（2）從圖4各因素對SN的主要影響圖可以看到，A、B取第2水平，C、D取第3水平時，SN達到最大。

（3）從圖4各因素對輸出變量標(biāo)準(zhǔn)差的主要影響圖可以看到，當(dāng)A取第3水平，B取第1水平，C取第3水平，D取第2水平時，輸出的變量標(biāo)準(zhǔn)差最大。

（4）從表4可以看出，在影響信噪比的因素中，B因素對信噪比的影響最大。從各因素對變量均值的主要影響中可以看到，B因素對變量均值的影響最大。從各因素對輸出標(biāo)準(zhǔn)差的主要影響中可以看到，A因素對標(biāo)準(zhǔn)差的影響最大。

對信噪比的影響最大的水平進行選擇，最佳組合為A2B2C3D3。下面用Minitab對SN影響最大的因素組合對輸出進行預(yù)測，結(jié)果如表10所示：

表10 按信噪比最大的因素水平組合進行預(yù)測的結(jié)果

從預(yù)測輸出結(jié)果可知：SN最大值為39.6055，此時各因素的設(shè)置水平為：A=1.8，B=320，C=130，D=80。對應(yīng)于SN最大值的輸出為93.1667，標(biāo)準(zhǔn)偏差為3.5355，標(biāo)準(zhǔn)偏差的自然對數(shù)為1.33725。

通過本次實驗可以得到：

（1）因素B對信噪比的影響最大。

（2）對SN影響最大的各因素組合為：A=1.8，B=320，C=130，D=80。

（3）用最大的因素組合得到的預(yù)測值為：信噪比為39.6055，輸出均值為93.1667。

（4）實驗組合A2B2C3D3是前面的試驗表中所沒有的組合，這說明使用Taguchi方法所得到的結(jié)果是正確的。

4.2 FQC返壓工序?qū)嶒灲Y(jié)果分析

該實驗是采用四因素三水平正交實驗，由于需要考慮3個因子間的兩兩交互作用，所以實驗組合共有27種，通過比較返壓前后的差值，算出返壓前后的翹曲變化率，將其作為輸出響應(yīng)值，實驗數(shù)據(jù)見附錄E，其數(shù)據(jù)處理結(jié)果輸出見表11所示。

表11 FQC翻壓翹曲正交試驗因素間平方和計算表

由表11可以看出，如不考慮交互作用，則最優(yōu)組合為：A3B3C1D3，影響程度大小為：AXB＞A＞B＞C＞D＞AXC＞AXD。

對因素做方差計算、F值計算，得到結(jié)果見表12。

查F表得到：F(2，6；0.05)=5.14，F(xiàn)(4，6；0.05)=4.53。對于給定的顯著性水平α=0.05，從表4.5可以得到，因素A、B、AXB、C影響顯著，而D影響不顯著，同時AXC、AXD的交互作用則不顯著。

由于交互作用AXB對實驗指標(biāo)影響顯著，所以A、B的優(yōu)水平的確定應(yīng)依據(jù)A、B的水平搭配表來進行，從圖5搭配表計算結(jié)果來看，因素A、B優(yōu)水平搭配為A3B3，所以最后的確定方案為A3B3C1D3。

表12 FQC翻壓正交試驗因素方差計算表

表13因素A，B水平搭配表。

表13 因素A、B水平搭配表

從以上的實驗組合來看，A3B3C1D3不在表13所列的組合之中，這說明正交實驗的結(jié)果是正確的。

4.3 實驗參數(shù)優(yōu)化選擇

4.3.1 實驗因素最優(yōu)參數(shù)總結(jié)

通過對前面實驗的結(jié)果進行分析，得出了二組實驗的最佳水平組合，各種參數(shù)見表14所示，第一種實驗最佳的參數(shù)為：壓板升溫速率1.8，最高壓力320，壓板時間130 min，冷壓時間80 min；第二種實驗最佳的參數(shù)為：翻壓溫度155 ℃、熱壓時間4 h，翻壓壓力40 psi、冷壓時間4 h。

表14 各組實驗最佳組合表

5 結(jié)論

5.1 結(jié)論

本文通過一系列的DOE實驗對翹曲問題進行了研究，總共進行了70多個實驗，并結(jié)合生產(chǎn)的實踐情況，得出以下結(jié)論：

（1）經(jīng)過70多個實驗的實施，發(fā)現(xiàn)翹曲問題的改善可以通過優(yōu)化工藝設(shè)計及工藝參數(shù)來進行。

（2）壓合工序是印制板加工中的最重要的一個工序，在這個實驗中，發(fā)現(xiàn)采用最佳組合為升溫速率1.8℃/min、最高壓力320PSI、壓合時間130分鐘，冷壓時間80分鐘，在壓合實驗中，最高壓力對翹曲起著關(guān)鍵的作用，是主要的影響因素。將這種最佳組合應(yīng)用于生產(chǎn)后，其板厚分布及TG的測試均符合生產(chǎn)要求，流膠也變得均勻，同時滑板情況也減少了許多，因而內(nèi)應(yīng)力釋放較為完全，是最佳的組合。

（3）FQC的翻壓實驗，得出了最佳組合為155 ℃的溫度、熱壓時間4個小時、壓力40PSI、冷壓時間4小時，如果溫度太高，雖然對改善翹曲有幫助，但會引起其它問題的出現(xiàn)，如綠油變色，金面及銅面氧化等外觀問題。但同時還發(fā)現(xiàn)，雖然有翻壓，但仍然有部分板的翹曲值超出了要求范圍，因而可以看到，翻壓也不能100%解決翹曲問題，從大量的生產(chǎn)跟地進來看，對于由于印制板設(shè)計（比如銅面積分布不均勻，排板結(jié)構(gòu)不對稱）而帶來的翹曲問題，通過翻壓后的改善效果不大。

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