剛撓結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品主板PCB設計為六層任意層互聯的剛撓結合板，經產品分析，激光孔焊環設計單邊僅60 μm，02/05層的激光孔偏位問題為最大的潛在品質風險，而在樣品制作階段也的確如預期所料，出現偏位異常，與期望目標差距很大（見表1）。為此需要制定相關措施控制該品質風險，以保證后續量產階段的產品品質及準時交貨率。

該項目的疊層設計如圖1。最大的品質缺陷即為電測試短路問題，通過破壞性切片分析確認激光孔偏位導致（見圖2），此類缺陷具有難以偵測和識別的特點，故更應集中資源進行徹底分析改善。

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致偏位問題發生（見圖3）。

進一步將這三種情形進行可能原因細分，小組內部頭腦風暴，可能性原因進行魚骨圖分析（見圖4）。

2.2 因果交叉表分析

對各項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，我們可以發現軟板PI層材料變形以及孔-盤錯位的幾個因素是造成激光孔偏位的主要原因，將在后續論文中進行詳細的系統分析和改善。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。

表1 產品改善前激光孔偏位狀況

圖1 疊層設計

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

根據原因分析結果，對主要的幾個原因進行逐一確認并改善，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層材料變形等三個變量相對獨立，變量之間沒有交叉影響。但是孔和盤之間錯位的變量相對復雜，幾個影響因素之間有交叉影響，因此我們內部安排DOE實驗進行系統分析。

3.1 激光孔底盤尺寸改善

3.1.1 現有能力確認

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據并進行能力分析，PPK非常低僅為-4.62，遠遠低于我們的目標值220 μm左右，需要從蝕刻補償等各方面進行改善。

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償，甚至針對此項目的每一個焊盤進行逐一人工處理，在允許的范圍內進行移線刮銅預留，最大空間留給焊盤補償，同時現場確認蝕刻藥水成分濃度分析，確保蝕刻因子在控制范圍內。

圖4 激光孔偏位原因魚骨圖

表2 設備/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

經過有效補償加放后，焊盤尺寸明顯往上限平移，在220 μm中值及以上PPK穩定在2.0以上，從箱線圖看出整個改善效果非常明顯（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，激光鉆孔設備一般都是高精度設置的鐳射設備，本身的設備穩定性基本可以保證。使用金相顯微鏡進一步通過對現有樣品進行切片分析，現有的激光孔孔徑可以滿足客戶要求，而且PPK達到1.92，說明現有能力足夠，無需進一步的分析改善（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，嚴格管控撓性板聚酰亞胺[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，在加強來料漲縮監控之外，還需要從拼版設計上入手，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比

圖7 激光孔孔徑現有能力分析

3.4 激光孔和底盤之間錯位DOE實驗

為了更好理解掌握激光孔和底盤之間的錯位狀況，介紹一種量測孔和盤之間錯位程度的全新理念，量測兩者之間的中心間距數據進行可量化分析。理想的狀態下，兩者的孔間距為0；極限的狀態下，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

內部安排DOE實驗[2]，找出影響激光孔和底盤之間錯位的顯著因子，使用相應優化器工具找出最優的參數搭配組合，最后進行放量性測試，確認該參數的改善效果。

3.4.1 實驗安排

（1）模擬測試板流程完全按照改任意層互聯項目執行；（2）安排約30片板進行模擬實驗；（3）在第一次壓合后安排水平研磨切片，收集確認孔和盤的錯位程度；（4）最終安排電測試確認實際效果。

3.4.2 變量選擇和實驗設計

（1）變量分析：選取了拼版設計，壓合參數和壓機類型作為自變量，而孔和盤之間的中心間距即錯位程度作為相應變量。

（2）定量分析：將其它因素視為定量，整個實驗基于以下展開。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實驗。

3.4.3 數據分析方法

（1）用方差分析（ANOVA）的方法確定影響孔-盤偏位的顯著主效應和交互作用；（2）用殘差分析的方法確定DOE試驗模型設計和孔-盤偏位數據的擬合程度； （3）用主效應圖和交互效應圖來定性的分析試驗因子對孔-盤偏位的影響；（4）用響應優化器來確定最優參數組合，并定量的預測響應結果；（5）用控制圖和能力分析的方法驗證最優參數組合的實際輸出結果的能力可行性。

3.4.4 實驗結果及分析討論

（1）孔-盤間距的效應和系數的估計（已編碼單位）（見圖11）。

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

表3 孔-盤錯位DOE實驗設計表

圖10 拼版設計

表4 孔-盤錯位DOE實驗結果列表

②主要因子非常顯著，而各個因子之間的交叉作用不明顯。

（2）孔-盤間距的數據方差分析（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象；

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

（3）主效應圖分析。

主效應圖說明拼版是主效應，B拼版明顯優于A拼版，壓合參數其次，溫升效率越低，對孔-盤偏位越有利，同時，Cedal壓機在控制孔-盤偏位時優于Burkel壓機（見圖13所示）。

另外，交互作用分析可以說明層壓參數和壓機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，拼版是最關鍵因子，其次是壓合參數，壓機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。最佳的參數組合為：B 拼版設計 + 1.5 ℃/min 溫升壓合參數 + Cedal 壓機。

下一步驗證試驗將會按此參數進行數據確認和能力分析。

4 驗證與總結

4.1 放量驗證

按照DOE實驗的最佳參數，進一步放量生產確認，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）提升產品整體的生產效率；

（2）保證了產品整體的交貨進度；

（3）降低了客戶端投訴風險；

（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化設計方案確認，形成設計指引規范；（2）層壓參數優化，確定出最優的溫升速率目標值；（3）形成了Cedal電壓機的通用用途規范。

圖12 孔-盤間距的數據方差分析圖

圖13 孔-盤間距主效應圖

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 結語

本文是全制程特性化分析思路的完整應用。通過對某一任意層互聯剛撓結合板項目的深入研究，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位的關鍵因子和相應措施，并得到了放量性的驗證，可供相關工程師參考。