簡 潔 謝陳難

(武漢數(shù)字工程研究所 武漢 430205)

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印制板模塊生產(chǎn)的質(zhì)量控制方法*

簡 潔 謝陳難

(武漢數(shù)字工程研究所 武漢 430205)

印制板模塊是軍用電子設(shè)備的基礎(chǔ)性部件之一,其質(zhì)量對電子設(shè)備的可靠性影響較大。論文從設(shè)計和生產(chǎn)兩個角度系統(tǒng)地分析影響印制板模塊產(chǎn)品質(zhì)量的重要因素,并結(jié)合實際情況,對小批量、多品種生產(chǎn)模式下產(chǎn)品的質(zhì)量控制提出了切實可行的方法。

印制板模塊; 可制造性設(shè)計; 特殊過程; 質(zhì)量控制

Class Number TM393

1 引言

在惡劣的戰(zhàn)場環(huán)境條件下,軍用電子設(shè)備必須隨時能夠保持較高的完好率,這也對電子設(shè)備的質(zhì)量可靠性提出了更高的要求。而作為電子設(shè)備的基礎(chǔ)性部件之一,印制板(Printed Circuit Board,PCB)模塊的質(zhì)量對于整機的影響是不言而喻的。由于PCB模塊的關(guān)鍵質(zhì)量參數(shù)(如焊點強度、三防涂層結(jié)合力等)難以直接測量,屬于特殊過程,因此,如何通過對PCB模塊的設(shè)計、生產(chǎn)過程的嚴(yán)格控制來確保產(chǎn)品質(zhì)量一直是軍用PCB模塊生產(chǎn)企業(yè)的重要課題。

2 PCB模塊設(shè)計質(zhì)量的控制

2.1 可制造性設(shè)計技術(shù)

根據(jù)HP公司的統(tǒng)計調(diào)查表明:產(chǎn)品總成本的60%取決于產(chǎn)品的最初設(shè)計,75%的制造成本取決于設(shè)計規(guī)范,70%～80%的生產(chǎn)缺陷是由于設(shè)計原因造成的[1]。因此,PCB模塊的產(chǎn)品質(zhì)量首先應(yīng)控制其源頭,即PCB的設(shè)計質(zhì)量。

可制造性設(shè)計(Design for Manufacturing,DFM)技術(shù)是提升PCB設(shè)計質(zhì)量的一個重要手段?？芍圃煨栽O(shè)計是將產(chǎn)品的功能要求和供應(yīng)商的制造能力相匹配,以達(dá)到成本最低、效率最高的設(shè)計實踐和流程[2]。對于海軍艦艇用PCB模塊而言,可制造性設(shè)計主要包括PCB的制造、元器件的焊接以及三防涂敷的可行性和可靠性設(shè)計。

2.2 常見的錯誤設(shè)計

PCB模塊的生產(chǎn)、貼裝以及三防質(zhì)量與其設(shè)計有著直接的、十分重要的關(guān)系,良好的PCB設(shè)計是保證產(chǎn)品質(zhì)量和可靠性的首要條件之一。如果產(chǎn)品的設(shè)計不符合國標(biāo)、國軍標(biāo)或電子行業(yè)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),或者脫離了設(shè)計方以及設(shè)計方外包方的實際生產(chǎn)能力,產(chǎn)品就失去了實現(xiàn)其質(zhì)量和可靠性的基本前提。具體來看,不良設(shè)計在PCB生產(chǎn)和貼裝過程中的危害主要有[3]:

1) 造成大量的生產(chǎn)或焊接缺陷,增加返工和返修的工作量;

2) 增加了制造難度,降低了PCB生產(chǎn)和焊接的效率;

3) 印制板或模塊的可靠性降低;

4) 設(shè)計出的印制板無法生產(chǎn)或焊接,需重新設(shè)計。

下面例舉了生產(chǎn)中一些常見的設(shè)計錯誤以及可能導(dǎo)致的質(zhì)量問題。

2.2.1 焊盤設(shè)計

常見的焊盤設(shè)計問題主要有焊盤尺寸錯誤、焊盤間距過大或過小、焊盤不對稱、兼容焊盤設(shè)計不合理等,焊接時容易出現(xiàn)虛焊、移位、立碑等不良現(xiàn)象,勉強完成焊接的元器件焊端結(jié)合力也遠(yuǎn)小于正常的元器件[4]。常見焊盤設(shè)計錯誤的示例如圖1、圖2所示。

圖1 焊盤間距設(shè)計過大

圖2 焊盤間距設(shè)計過小

2.2.2 孔的設(shè)計

常見的孔的設(shè)計問題主要有過孔與焊盤距離太近或直接打在焊盤上,插件孔的孔徑或間距與元器件不符等,焊接時容易出現(xiàn)虛焊、通孔插裝器件難以安裝等問題。過孔打在焊盤上導(dǎo)致焊接后錫量過少的示例見圖3。焊點錫量過少也會導(dǎo)致焊點結(jié)合力下降,造成質(zhì)量隱患。

圖3 過孔在焊盤上導(dǎo)致焊接后錫量過少

2.2.3 裝配性設(shè)計

輔助圖形主要指Mark點、測試點、填充圖形、板名及編號標(biāo)識等,這是最容易被設(shè)計人員所忽視的部分,但對于生產(chǎn)的影響卻是非常大的。如Mark點的缺失或設(shè)計不當(dāng),會造成貼片時對位精度下降甚至無法定位;板名及編號標(biāo)識位置設(shè)計不當(dāng),會造成在元器件安裝后標(biāo)識被遮擋,在后續(xù)生產(chǎn)過程中無法辨別等等。

2.3 可制造性設(shè)計的應(yīng)用效果

2.3.1 可制造性設(shè)計的導(dǎo)入

根據(jù)實際應(yīng)用經(jīng)驗,導(dǎo)入PCB可制造性設(shè)計規(guī)范需經(jīng)過以下幾個步驟:

1) 編制適合企業(yè)產(chǎn)品特點及生產(chǎn)能力的PCB設(shè)計規(guī)范;

2) 制訂PCB評審的制度和流程;

3) 引入專業(yè)的PCB設(shè)計規(guī)范軟件,并對其進(jìn)行二次開發(fā),使其適合我所的產(chǎn)品特點及生產(chǎn)能力;

4) 進(jìn)行PCB的虛擬設(shè)計和組裝,對不合理的設(shè)計進(jìn)行完善;

5) 加強與PCB生產(chǎn)廠家以及SMT加工廠家的溝通,適時對PCB設(shè)計規(guī)范進(jìn)行修改。

2.3.2 可制造性設(shè)計的應(yīng)用效果

PCB可制造性設(shè)計規(guī)范的引入以及PCB評審流程和制度的建立,基本解決了“印制板級”和“模塊級”的可制造性設(shè)計問題,提高了PCB模塊的生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量,新研產(chǎn)品的試生產(chǎn)階段一次成功,縮短了新產(chǎn)品的實際開發(fā)周期。據(jù)統(tǒng)計,可制造性設(shè)計應(yīng)用后,PCB模塊焊接的總體生產(chǎn)效率提高了20%左右,返修率降低了約3%,而且由于返修率的降低可以提高產(chǎn)品可靠性、研發(fā)周期縮短可以使新產(chǎn)品提前應(yīng)用等附加價值,可制造性設(shè)計應(yīng)用所帶來的直接及間接效益十分明顯。

3 PCB模塊生產(chǎn)過程的質(zhì)量控制

3.1 PCB模塊生產(chǎn)過程簡介

PCB模塊的生產(chǎn)過程大致可分為兩個階段:元器件焊接和三防漆涂敷。元器件焊接是將各種元器件焊接到PCB上,其主要質(zhì)量評價指標(biāo)除了焊點外觀以及焊接的正確性外,還包括焊點的機械強度及壽命等;三防漆涂敷是在完成元器件焊接的PCB模塊上涂敷一層三防漆,以提高電子產(chǎn)品環(huán)境適應(yīng)性、降低使用故障、提高產(chǎn)品壽命等[5]。其主要質(zhì)量評價指標(biāo)除了三防漆的外觀以及厚度外,還包括三防(防濕熱、防鹽霧、防霉菌)性能、三防漆與PCB模塊的結(jié)合力等。焊點的強度、壽命以及三防漆的結(jié)合力等質(zhì)量參數(shù),無法采用常規(guī)的方法進(jìn)行檢驗,必須進(jìn)行破壞性實驗才能檢測,在質(zhì)量管理體系中稱這種不易或不能經(jīng)濟地進(jìn)行驗證的過程為“特殊過程”[6]。

3.2 特殊過程質(zhì)量控制

由于特殊過程的產(chǎn)品質(zhì)量難以通過常規(guī)的檢驗手段來驗證,按照GJB 9001B的要求,主要采用過程控制的方法來確保產(chǎn)品的質(zhì)量。過程是指“使用資源將輸入轉(zhuǎn)化為輸出的活動的系統(tǒng)”,過程中各要素的關(guān)系如圖4所示。

圖4 “過程”示意圖

以三防漆涂覆的過程為例,過程的輸入就是待加工的PCB模塊,控制就是工藝和環(huán)境條件,資源就是操作人員、設(shè)備以及各種原材料,輸出就是涂覆好的PCB模塊。

過程控制是指為在產(chǎn)品加工的過程中那些為實現(xiàn)產(chǎn)品的安全和適宜所必須采用的所有的條件和方法措施。過程控制的關(guān)注要點并不是過程的結(jié)果——也就是我們常說的產(chǎn)品——而是關(guān)注過程本身的正確性。在控制方法正確的前提下,好的過程必然產(chǎn)生好的產(chǎn)品,這就是推行過程控制為什么能夠降低不合格率的原因。對于特殊過程而言,過程結(jié)果不易檢驗,但過程是可以受控的,因此對特殊過程必須采用過程控制。

3.2.1 確認(rèn)過程能力滿足生產(chǎn)的要求

在生產(chǎn)前應(yīng)證實和認(rèn)可策劃的過程結(jié)果符合規(guī)定的要求,也就是通常所說的對過程的鑒定或確認(rèn)。以我所的三防漆涂覆過程為例,對選定的三防漆和噴涂設(shè)備,按預(yù)先設(shè)定的噴涂工藝流程及參數(shù)并且由有資格的人員進(jìn)行操作,環(huán)境條件符合施工要求,在噴涂后對樣品進(jìn)行交變濕熱、溫度沖擊、百格試驗、硬度檢測等試驗,驗證其性能是否符合規(guī)定的要求。一經(jīng)證實,應(yīng)將過程中的各項參數(shù)固化下來,作為生產(chǎn)時過程控制的標(biāo)準(zhǔn)。

特殊過程應(yīng)按照規(guī)定的時間間隔對過程能力進(jìn)行再確認(rèn),以驗證過程的穩(wěn)定性。當(dāng)過程中的部分項目發(fā)生變化(如主要設(shè)備或操作人員、工藝流程或參數(shù)等)時或者過程停工時間較長時,也需要重新確認(rèn)。

3.2.2 對過程進(jìn)行系統(tǒng)地控制

過程的系統(tǒng)化控制就是從人、機、料、法、環(huán)五個方面對生產(chǎn)過程進(jìn)行全面的監(jiān)控,以確保各項過程參數(shù)在規(guī)定的范圍內(nèi)。仍然以三防漆涂覆的過程為例,簡述過程控制的主要內(nèi)容。

1) 人員

在特殊過程進(jìn)行確認(rèn)后,應(yīng)規(guī)定人員的資格,包括教育、培訓(xùn)、技能和經(jīng)驗等,定期對操作人員進(jìn)行培訓(xùn)以確保其具備操作資格并發(fā)放特殊過程的上崗證。

2) 機器

機器不僅指生產(chǎn)設(shè)備,還包括監(jiān)視和測量的各種儀器或裝置(如氣壓表、溫濕度計等),這些設(shè)備、儀器應(yīng)按照規(guī)定的時間對其狀態(tài)和精度進(jìn)行確認(rèn)。

3) 材料

三防漆涂覆過程的主要材料就是三防漆,由于三防漆固化后的質(zhì)量也無法直接檢驗,因此每批次的三防漆在使用前必須做首件以驗證三防漆的質(zhì)量。

4) 方法(工藝)

工藝是過程控制的核心,重要的工藝流程、參數(shù)及操作方法等應(yīng)形成書面的作業(yè)指導(dǎo)書,在生產(chǎn)時須確保各項參數(shù)在工藝規(guī)范要求的范圍內(nèi)。

5) 環(huán)境

對于三防漆涂覆過程而言,環(huán)境條件也是影響產(chǎn)品質(zhì)量的一個重要因素,與其他因素不同的是,環(huán)境條件如溫溫度、濕度等并不能完全受控,對此我所也制定了應(yīng)急方案,明確當(dāng)環(huán)境條件超標(biāo)時可采取的措施,如停工、增加抽濕機和空調(diào)、臨時改變前處理的工藝等。

3.2.3 記錄

生產(chǎn)記錄包括工藝參數(shù)、環(huán)境參數(shù)、檢驗結(jié)果等,是確保產(chǎn)品質(zhì)量的基礎(chǔ),記錄在質(zhì)量控制中的作用主要有以下幾點:

1) 生產(chǎn)記錄是生產(chǎn)工藝和操作指導(dǎo)書的延續(xù),是生產(chǎn)工藝和操作指導(dǎo)書的細(xì)化,同時也為生產(chǎn)工藝的改進(jìn)提供支撐;

2) 作為可追溯性依據(jù),分析生產(chǎn)操作中存在的問題,確定某一件產(chǎn)品的質(zhì)量問題,這對于軍工產(chǎn)品而言是不可或缺的;

3) 對某一批產(chǎn)品在一定時期內(nèi)的生產(chǎn)記錄進(jìn)行綜合分析,掌握產(chǎn)品質(zhì)量情況,為采取糾正和預(yù)防措施、完善工藝提供依據(jù);

4) 對關(guān)鍵參數(shù)可采用統(tǒng)計過程控制(Statistical Process Control,SPC),即運用數(shù)理統(tǒng)計方法對生產(chǎn)制造過程的數(shù)據(jù)進(jìn)行收集、整理和分析,從而了解、預(yù)測和監(jiān)控過程的運行狀態(tài)和水平,從而實現(xiàn)以預(yù)防為主的質(zhì)量控制[7～8]。許多先進(jìn)的管理技術(shù),如“六西格瑪管理”等,都是以SPC為基礎(chǔ)的,這些管理技術(shù)對提高產(chǎn)品質(zhì)量都起到了顯著的作用。

4 多品種、小批量生產(chǎn)的控制

軍工科研院所的生產(chǎn)任務(wù)一般都呈現(xiàn)多品種、小批量的特點,即產(chǎn)品品種繁多,每種產(chǎn)品的生產(chǎn)數(shù)量很少,有時僅一件。我所的PCB模塊生產(chǎn)也是這種模式,批次數(shù)量小于20塊的占總批次數(shù)量的60%以上的,90%以上的批次生產(chǎn)數(shù)量不足100塊。由于每種產(chǎn)品的生產(chǎn)過程參數(shù)不盡相同,因此對于依靠過程控制的特殊過程而言,其質(zhì)量管理的難度較高。

4.1 多品種、小批量生產(chǎn)的統(tǒng)計過程控制

多品種、小批量生產(chǎn)模式的優(yōu)點在于產(chǎn)品種類多樣化,周期短,能快速適應(yīng)市場的變化和需求,在現(xiàn)代的制造行業(yè)中,多品種、小批量生產(chǎn)模式日趨普遍。但從特殊過程的質(zhì)量管理角度而言,小批量生產(chǎn)意味著過程參數(shù)少,多品種則意味著過程參數(shù)變動較大,這些使得在過程中應(yīng)用統(tǒng)計分析十分困難。常見的做法是將過程參數(shù)進(jìn)行一定的數(shù)學(xué)變換,使其具備一定的可比性;或者通過技術(shù)手段將個性化的參數(shù)轉(zhuǎn)化為共性的參數(shù),從而可以采用統(tǒng)計過程控制的方法。在PCB模塊的元器件焊接過程中,就可以采用后一種方式。

回流焊的溫度曲線是PCB模塊的元器件焊接過程中的一項重要參數(shù),包括了升溫速率、升溫時間、最高溫度、回流時間、冷卻速率等分項參數(shù),一般情況下對于不同類型的模塊其回流焊溫度曲線是不同的,因此其生產(chǎn)數(shù)據(jù)較為分散,對生產(chǎn)起不到控制和預(yù)防的作用。但可以采用爐溫測量和板溫測量技術(shù)將相對分散的溫度曲線數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為兩個通用性的數(shù)據(jù): 1) 回流爐的實際爐溫和設(shè)置溫度之差; 2) PCB模塊在焊接過程中的實際溫度。這兩個數(shù)據(jù)對于絕大部分PCB模塊的生產(chǎn)要求都是一致的,通過一段時間的數(shù)據(jù)統(tǒng)計,形成控制圖,計算工序能力指數(shù)(Cp值),從而實現(xiàn)對回流焊過程的有效監(jiān)控。

4.2 質(zhì)量工具在多品種、小批量生產(chǎn)模式中應(yīng)用

無論是質(zhì)量管理的老七種工具(排列圖、因果圖、直方圖、控制圖等),還是新七種工具(樹圖、關(guān)聯(lián)圖、矩陣數(shù)據(jù)分析法等)[9],都是國外企業(yè)在大批量生產(chǎn)的條件下總結(jié)出來的。但不等于說小批量生產(chǎn)都不適用,問題是如何因地制宜地靈活應(yīng)用。

老七種工具中,基本上都是針對具體問題做技術(shù)性的分析,因而在分析問題、解決問題、提高某一特定因素的產(chǎn)品質(zhì)量方面有著廣泛的應(yīng)用。如只要是為了尋找影響質(zhì)量的各種問題和主次問題的,都可用排列圖;只要是為分析影響某質(zhì)量問題的各種原因和主次原因的,都可用因果圖;控制圖和工序能力指數(shù)的計算則需要根據(jù)生產(chǎn)的實際情況進(jìn)行修改后使用。

新七種工具中的矩陣數(shù)據(jù)分析法、流程圖、網(wǎng)絡(luò)圖等方法,則更多地是從系統(tǒng)的角度對企業(yè)在生產(chǎn)、質(zhì)量、成本等各方面可能存在的問題進(jìn)行分析,如樹圖通常用于表示某一主題與其組成要素之間的關(guān)系,從而進(jìn)行策劃和解決等[10]。這些工具對數(shù)據(jù)的依賴性較小,應(yīng)用范圍更廣;所有這些質(zhì)量管理工具之間還可以相互組合,從而實現(xiàn)對過程更有效的控制,進(jìn)而提高產(chǎn)品質(zhì)量。

5 結(jié)語

隨著軍用電子設(shè)備朝著“短、小、輕、薄”的方向發(fā)展,而實際使用中環(huán)境條件又是多種多樣的,如何在各種惡劣條件下保證電子設(shè)備中PCB模塊的可靠性,逐漸成為軍用電子設(shè)備生產(chǎn)單位的一個重要研究課題。作為PCB模塊的生產(chǎn)部門,必須合理利用各種質(zhì)量管理的技術(shù)和方法,對生產(chǎn)過程進(jìn)行全面、系統(tǒng)地監(jiān)控,提高工藝水平,改善過程能力,才能適應(yīng)新形勢下的軍工產(chǎn)品質(zhì)量要求。

[1] 陳正浩.軍工行業(yè)電路設(shè)備電路可制造性設(shè)計[M].北京:中程在線科技有限公司,2010.

[2] 顧靄云.表面組裝技術(shù)基礎(chǔ)與可制造性設(shè)計[M].北京:電子工業(yè)出版社,2008.

[3] 姜培安.印制電路板的可制造性設(shè)計[M].北京:中國電力出版社,2007.

[4] 王勝利,閆衛(wèi)紅.SMT工藝中的PCB設(shè)計[J].電子工藝技術(shù),2010,31(5):286-289.

[5] 曲亮.軍用電子產(chǎn)品三防技術(shù)的發(fā)展和工藝改進(jìn)[J].航空精密制造技術(shù),2008,44(1):52-55.

[6] GJB 9001B-2009 質(zhì)量管理體系要求[S].2009.

[7] 張公緒,孫靜.質(zhì)量工程師手冊[M].北京:企業(yè)管理出版社,2002.

[8] 尤建新,邵魯寧,武小軍,等.質(zhì)量管理——理論與方法[M].大連:東北財經(jīng)大學(xué)出版社,2009.

[9] 刑文英.QC小組基礎(chǔ)教材[M].北京:中國社會出版社,2008.

[10] GJB/Z 127A-2006 裝備質(zhì)量管理統(tǒng)計方法應(yīng)用指南[S].2006.

Method of Quality Control for Manufacture of Printed Circuit Board Assembly

JIAN Jie XIE Chennan

(Wuhan Digital Engineering Institute, Wuhan 430205)

Printed circuit board assembly(PCBA) is a basic part of the military electronic equipment. The quality of PCBA has a great influence on dependability of the equipment. The important factors affecting the quality of the PCBA are analyzed systematically from perspectives of design and production. And combined with the actual situation, the feasible method of quality control of the production mode which is small batch and multi varieties is proposed.

printed circuit board assembly, design for manufacturing, special process, quality control

2014年9月7日,

2014年10月26日

簡潔,女,研究方向:印制板模塊及計算機部件裝聯(lián)。

TM393

10.3969/j.issn1672-9730.2015.03.033