一文读懂线路板层压结构

2019-01-25 16:08:14 来源:21ic
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线路板轻薄短小的发展趋势使得PCB制作工艺日新月异,其中层压技术作为其最重要的工序之一,自然也备受制造厂商关注,使得层压高端工艺愈加成熟,然而,在提高层压工艺能力的同时,却没有对层压结构图纸予以正确处理,导致层压结构图问题的报废客诉屡禁不止,损失惨重。

 

据统计,层压结构问题虽然有一些属于工艺能力不足或者产线员工控制不当,但这并非问题的全部,仍有很大比例的问题源于层压图纸,只是当大家把焦点放于工艺之时,往往忽略了其它因素,本文将对层压结构图问题进行具体分析并总结合理改善方案。

 

结构图纸错误综合分析

随着电子电路的行业的发展,线路板的层数越来越多,结构越来越复杂(盲、埋、通孔共存,布线更紧密),使得层压结构的控制要求也越来越严,层压结构的问题也越来越突出,其中,错误的层压结构图纸就是其元凶之一。

 

制图情况分析

对于所有PCB生产商而言,正确合理地制作出客户要求的线路板才是最终目的,而在生产线路板的所有环节中,只有保证正确的层次结构,进一步控制各层精细工艺才有意义。而产线压合结构通过图纸指示,故确保图纸正确合理必为其前提。

 

然而,优秀的图纸虽然是层压流程正确进行的必要前提,却并未得到相应的重视,导致目前为止,层压结构图纸的制作还处于原始阶段。很多PCB厂商仍然依靠通用的平台软件自带的制图功能,毫无数据支撑,更无工艺能力的保障,甚至小部分厂采用手工制图。总体而言,业界大部分图纸的完善全靠制图人员自身的经验,并没有其它优良措施来辅助判断结构的可行性和最优性。

 

制图错误类型分析

常见的结构图纸的错误可分为芯板,介质、可优化性、不按客户要求等几个方面,它们之中任一方面的错误都能导致报废和客诉。

 

芯板的选择错误

目前市场的芯板种类繁多,同类型又存在不同的规格区分,芯板的类型、规格、厚度、覆铜厚度都有区别,而当前业界大多仍由人的经验判断如何选材,具有不小的报废风险或可优化空间(如图1,3OZ的厚铜板实际应选FR-4的S1000-2即高TG的板材,员工错用普通S1141型号)

 

 

层间介质错误

最普遍的介质问题就是PP选择错误,不同类PP的价格差异很大,且流动性各有不同,一旦PP选错甚至其先后顺序弄错,都会造成实物板结构不符(如图2,芯板覆厚铜,PP介质最好在0.15MM以上,实际只用一张0.08MM的PP,层间介质过薄)。

 

 

另外,铜箔的厚度错误也应注意,虽然这类情形部分可以通过加厚减薄工艺改良,但凭空增加额外流程会影响成本,同时产生其它隐患。

 

部分可优化结构问题

同样厚度的线路板可能有多种材料组合,任选一种都能做出正确的结构,但不同搭配情况的成本和生产控制难度一定不同,故应采用成本和控制难度都相对较低的结构组合,然实际统计发现,约30%的线路板层次结构并非最优(如图3,106的PP太贵,实际可用2116的PP进行优化)。

 

 

另一典型可优化问题为非对称结构,由于涨缩等问题,不对称板的翘曲度通常比对称板高,若客户要求严格,这样的板通常会是废品,因此任何情形的线路板结构都应确保对称,即使无法达到(比如一些盲埋孔板),也应尽量降低其不对称程度。

 

客户要求方面问题

部分客户对层压结构选材有明显限定,甚至不乏对层压结构有明确指定,若客户对板材的选择有明确要求,制图人员就必须缩慎重设计结构,尤其若有明确结构指定,更应仔细检查客户结构是否合理、是否与本司制作工艺冲突,然而实际很多此类情况的遗漏,令众厂商头疼不已。

 

部分结构问题实述

下图4为作者截取的该司某一个月中有关层压结构的问题点:

 

图 4

 

由图看出,很多制图人员的技术经验欠缺,导致诸多重复问题出现,但经作者访问发现,有关层压结构图设计错误原因还包括制图人员的疏忽。换言之,其可归纳为对该司工艺不了解和细节性疏忽。

 

对结构图错误后果严重性的分析

总所周知,报废和客诉一直是所有PCB厂最头疼的问题,尤其是批量报废,其直接经济损失更加严重,如果导致客诉,还会大幅降低客户满意度,带来严重的潜在损失。

 

虽然PCB制程的任一环节错误都可能导致报废和客诉,但是,纵观PCB制作的所有环节,我们发现,层压相关问题导致报废和客诉的几率最大,同比其它工序平均多出50%,而层压结构图是层压工序的唯一指导,板的结构完全取决于它,一旦图纸错误,此板几乎等同报废,其重要性不言而喻。因此,层压结构图的管控应作为各PCB厂商的重点问题对待,否则,很难根治这类问题。

 

业界改进现状及分析

业界的改进现状基本可以总结为以下三点:

 

1) 针对图纸误导产线生产错误的PCB板的问题,部分PCB厂拟在图纸上附加一些特殊信息以增强图纸的信息量和可读性,但结果并未降低因图纸问题导致的报废客诉,经分析,此种方式虽然增强了图纸的指导性,但图纸本身的错误却未有效减少,因其产生的误导自然无法有效避免。

 

2) 一部分厂商则依靠比较流行的软件(如ENGENIX等)附带的层压结构功能模块制作层压结构图,不可否认,这些软件整体功能强大且专业,但是,专业也就意味着难以大众化,如果一张图纸不能让产线员工短时间看明白,那么,它可能并不合适,更何况,通用性也就决定着其在精确控制方面的盲点,而层压结构图需要高正确性和最优性,如果软件不能确保这两点,那么,其并不能解决层压结构图纸所引发的问题。

 

3) 出于一直难以解决层压结构问题的困扰,不少PCB厂选择增加大量层压技术知识的培训,想以此提高CAM人员的专业水平,降低层压结构图出错的概率。同时,制定一系列惩罚制度意图“避免”人为疏忽,但结果不但毫无效果,反而因过多的培训占据制单时间,延长了制单周期,增加了成本预算,恶化了员工情绪,带来了不少负面影响。

 

就上述三点分析可以看出,业界并未发现一种最合理方案,所谓的解决办法,都治标不治本,甚至部分还带来恶劣的后果。

 

问题推断

通过对层压结构图问题的分析,初步推断为:制图人员对层压结构了解不够深入,技能存在不足,不了解该司制造工艺,做事不够仔细,不按要求核对客户特殊信息。故若要针对上述原因改善问题,那么,首先所有制图人员都应拥有足够的行业经验(至少是关于层压结构),同时对该司PCB层压加工工艺足够了解,基于这样的要求,专项培训就成为了必要措施,然而通过上述对业界改进现状的分析可以看出,这样的方案根本行不通。如此,难道只有指定那些既了解工艺又做事仔细的“精干”员工制作?这显然并不合适,况且,即使真这样,就一定能避免上述所有问题吗?显然,我们需要一种新的方式来改善这些问题。

 

解决方案

针对层压结构图纸设计或优化的情况,通常,若属于该司内部可调结构,建议由具有一定经验的主管级人员调整,从而降低结构成本,若客户有明确要求,建议与客户确认,从而避免投诉。

 

但从根本上讲,层压结构图的制作还是需要CAM具有一定的经验和细心做事的态度,经验往往是时间的积累,难以宏观调控,细心的态度也因人因境而异,更没有明确的保障,并且,总是在一些小的不确定上与人确认,耽误的往往是更多人的效率,造成时间和资源的浪费。

 

综合这些错误的分析,本文提出了通过计算机应用来解决问题的方案,作者通过对该司之前的一系列层压结构的问题进行汇总和分析,具有针对性地开发出一款专门用于制作层压结构的智能工具软件,通过该司内部数据统计显示,CAM人员使用此软件制作层压结构图后,层压结构出错率降低到3%,对于提高层压结构制作的正确性和最优性,降低订单制作周期,减少资源的浪费具有明显的效果。

 

通过软件改善问题

软件功能实现分析

使用软件辅助制图人员画结构图并不难实现,但这样的软件往往不能判断做出的结构是否正确,更无法判断当前结构是否最优,也就是说,如果开发出一个只能作为一个画图平台的软件,那么根本不能解决前文所论述的问题,只有将该司层压工艺规则加入软件内部逻辑,才能有效判断图纸的正确性,只有具引导性的提示,才能做出低成本、高品质的结构图,只有简单清晰的操作步骤,才能大幅降低制图人员的疏忽可能,只有简明易懂的图纸外观,才能避免图纸误导。

 

软件开发条件苛刻

要使软件具有一套合理的判断功能,需将层压工艺转换为软件内部判断依据,否则,其只能作为普通的制图平台,毫无针对性,然而层压工艺是一套拥有诸多例外情况的标准,且会实时变更,故还应使得软件内部逻辑可调,这使得软件构建复杂而困难,需开发人员本身拥有足够的行业经验和过硬的软件知识。

 

软件须具有引导性

当按照层压工艺标准构建出软件逻辑之后,软件需通过对话框形式与制图人员实时交互,避免其因经验不足而漏掉很多不合理的细节,因一时疏忽而弄错一些重要参数,这样才能引导其准确地做出优良的层压图,因此,软件的引导能力也必须注重。

 

简单的操作和易识别的图纸

软件的操作越复杂,说明软件的智能性越低,辅助能力越差,只有尽量简单的制图步骤,才能降低制图人员的疏忽比例,同时,为正确的指导生产,避免因信息遗漏、信息冗余、图纸难懂造成各种不良后果,通过软件生成的图纸必须信息齐全、简明扼要且通俗易懂。

 

软件描述

编译软件平台:JAVA SE

系统要求:各类主流操作系统均可

硬件要求:PIII 1GHZ以上或赛杨1.5GHZ以上中央处理器,2G以上的硬盘空间,256M内存(建议用512M以上),800*600以上VGA制作目的:提高层压结构图制作正确性和可优化性,降低成本,提升订单制作效率。

 

功能:自动获取客户层压信息和本司库存材料信息,自带部分常见层压结构模板,自动检测材料型号、结构正确性和可优化性,智能修正明显参数错误,计算并检测压合厚度,保存结构至数据库和读取,提示所有不符或具可优化性情形。

 

软件运行依据:客户层压信息和本司库存材料信息通过本司数据库获取,所有模板都已通过工艺评审,材料检测基于数据库信息,厚度计算已充分考虑不同压合情况,所有人为输入参数均会正则匹配数据格式和范围,已加入本司特殊工艺结构的检测机制,数据处理精确到小数点后十位。

 

软件介绍:软件界面如下图5,此工具制作的层压结构图,图纸简单明了,易于被产线员工识别,信息齐全,包括客户所有重要信息。另外,所有结构图的制作过程都只有三步:添加结构、选择参数、保存结构,其中,制图人员只需有基本层压结构知识,在参数选择上,软件可以根据库存给出选择范围,同时加以提示,具有辅助选择功能,并且,参数填写完毕后,软件会自动计算当前结构的理论厚度(计算结果会显示在厚度显示面板并提示),然后启动所有检测机制,全面检测比如厚度、对称性、是否特殊工艺、可优化性等,高度智能化的检测机制和容错性纠正全部基于该司PCB制作工艺,若工艺变动,可调节参数保持与工艺一致。使用这样的软件,针对性强,检测机制齐全,可以帮助员工避免很多疏漏,这样,普通CAM人员也能画出符合该司制作工艺、满足客户要求且成本相对最低的层压结构。

 

图 5

 

实际效果统计

使用软件是否能有效解决层压结构图问题,请看该司实际的异常数据统计(如图6),横坐标为统计时间(4月至11月),纵坐标为结构图问题与当月问题总数的百分比,其中,4-7月为未用软件之前的情况,8月初软件投入试用,9月底软件维护和优化基本完毕,10-11月软件全面启用。

 

图 6

 

由图中折线走势看出,该软件试用之后,错误比例明显降低,尤其正式全面使用之后,结构图引发的错误几近消失,相比之前几月持续居高不下的情形,效果非常显着。

 

总结

虽然高针对性、高智能化的软件开发要求非常苛刻,对开发者自身要求很高,但并非不可实现。并且使用专门的辅助软件之后,层压结构图问题基本消失。相比业界目前其他改进方法,效果更为显着。同时,软件可以根据该司工艺变动实时调整,检测和优化机制,具有很广的适用性、可移植性和可扩展性,因此,对于如何确保层压结构图的正确性和最优性,采用高智能化、高针对性的软件辅助制作确是一条可行之路。当然,或有其他方案异曲同工,本文论述仅供参考。

 
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