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5G高速非对称结构金手指插头产品外形加工精度研究

分类:
技术交流
作者:
金百泽科技
2019/08/28 09:55

PCB高密度化、细线化、小型化是技术发展的永恒主题,模块化三维立体组装可以节省更多的装配空间也更有利于产品的后期维护。按照通信行业的预期,5G(第五代移动通信系统,简称5G)的传输速率将要达到1Gb/s以上,金具有非常优良的信号传输性能和电接性触能,制作的产品不仅表面平整、抗氧化能力强、而且具有耐磨、硬度高的特性,即使拔插上千次也不会在表面留有划痕,是制作5G金手指插头的首选材料。作为板件与结构件之间连接的桥梁,金手指插头部位不仅要传输高速数据信号还要承担电源引脚的功能。因此,设备制造商对金手指插头部位外形尺寸的精度要求就十分严格,通常要求为±0.05mm,是外形常规公差±0.1mm的2倍。此位置外形尺寸偏大或偏小均会导致金手指插头与卡槽线路连接错位,轻则电源引脚与信号引脚错位短路烧坏板卡及设备,严重的可能引起火灾等不可预估的后果。

 

 

现状

 

PCB金手指插头产品的加工通常采用多种复合材料混压、背钻、树脂塞孔、盲埋孔、图电金等特种工艺。不同材料厚度、层间盲埋孔、背钻孔都会像钉子一样镶嵌在板内各材料之间限制涨缩导致板子变形,非对称结构的产品流程更复杂,制作难度更大,变形则更加严重。PCB弓曲变形将导致元件(特别是芯片)焊点时虚焊甚至报废,另外板子变形也会影响到焊接后的板件与结构件之间的连接与安装。

在IPC三级接受标准中特别指示普通FR4材料的弓曲或扭曲的允收标准是0.5%,IPC-6018针对特殊材料及混压板的允收标准是0.75%。针对板件变形(弓曲或扭曲),PCB厂传统的解决方案是在FQC工序出货前通过整平反直机进行150度的烤板然后自然冷却处理,让板件恢复到比较平整的状态来解决,但这种方法受到阻焊耐热性能及表面处理耐热性能的限制,烤板时间不能过长也不能使用高于150度的高温。随着欧盟无铅法令的颁布及材料Tg温度向高温发展,在小于150度的条件下烤板所起的释放内应力的作用也随之减弱,也有PCB生产商在压合时采用自然冷却的方式来释放内应力,这种方式可以得到较好的改善效果,但压合周期会增加不适用于量产。

在压合时控制非对称结构光电产品的变形量是保证外形加工精度能否被控制在±0.05mm以内的前提和保障,但对于非对称结构产品仍然会有一下的翘曲变形,外形加工设备、工具以及对于不对称结构产品的斜边精度都需要严格、系统地控制才能确保产品的合格率。对金手指两边尺寸如此要求严格的产品,现只能采用二次元抽样检测的方法来大致判断其合格率,如何通过技术手段快速、100%地全部检测金手指到两边的距离业界尚无更好的办法,本文将系统地分析非对称结构的5G高速金手指插头产品产生弓曲变形的根本原因,外形加工精度、斜边精度控制在±0.05mm以内的方法并从技术的角度加以改善;在不增加成本的前提下如何100%地检测此类产品的外形尺寸、确保设备、产品与人员安全方向也取得到了很好的改善效果。

 

原因分析

 

芯板变形原理分析

PCB由芯板、半固化片、外层线路、阻焊等材料组成,因铜箔、树脂、玻璃布的物理和化学特性各不相同,压合时用加热和加压的方式释放半固化片中的树脂将独立的芯板、铜箔等粘连在一起。压合分升温、保温、降温三个阶段,在升温预热阶段芯板之间只有上下压力的传递,即使有非对称结构的芯板也无Z方向的剪切力不会导致芯板变形;在升温阶段的后期,芯板由“玻璃态”转变为“橡胶态”,半固化片内的树脂遇热达到凝胶点并将芯板粘结在一起,芯板之间开始产生Z方向的剪切力;当进入降温阶段以后,涨缩系数大的芯板收缩比涨缩系数小的变化加快,板子会向涨缩系数大的芯板一侧自然弯曲,此时如在较高温度出炉,芯板间的热应力残留无法快速消除就会导致更进一步的向涨缩系数大的芯板一侧弯曲,变形量取决于两种材料的热膨胀系数(CTE)。因此压合出炉的温度控制对非对称结构产品的影响非常大。由此可见,非对称结构的板件(XY方向及Z方向)产生变形的主要原因是板件在达到Tg温度之后的保温及降温过程中产生内应力影响了板子的弓曲变形。金手指插头产品均为中、高Tg板材,对于Tg值≥150度以上的板材,只有压合、喷锡工艺才会对变形产生关键影响。金手指插头产品表面处理为沉、镀金工艺,因此对板件变形产生关键影响的工序只有压合。而在其它加工过程中由于受外力的影响导致的板件变形,则可以通过后工序的压板整平设备来处理。

外形加工精度及检测原理分析

外形加工精度受设备技术能力、板件生产涨缩、铣刀、加工参数及加工过程的影响均很大,因此,业内外形的常规公差±0.1mm就是基于以上因素考虑。而金手指光电插头产品的金手指引线兼顾有传送电流的功能,为了确保设备的安全,金手指到边的距离公差才为±0.05mm,也是两条金手指错位后相互接触的安全距离,突破了安全距离的保障就意味着设备肯定会发生故障。因此,从技术上确保此类产品的制作精度满足产品安全距离的要求是准予生产的前提。

制造出来的产品是否100%合格则需要设备100%地检测,由于此类产品每个set金手指到边的距离每边需要检测20次共40次根本无法全部检测,业界只能人工用二次元进行抽测。随着客户对外观检查的要求起来越重视,AVI自动外观检查机近期逐渐成为PCB厂的常规标配设备,如何开发利用AVI的检测功能去准确检测金手指光电板插头部位到边的距离在业界仍然是空白。让外观检查机在检查外观缺陷的同时能检测金手指插头产品金手指位到两边的距离,即保证了外观缺陷不漏失,也能100%地检测全检全测金手指插头位的尺寸,确保外观尺寸精度100%合格。

 

实验方案

 

实验设计

1.实验产品M基本信息

表1:M产品基本信息

2.实验产品M斜边及金手指到边的距离信息

图1:斜边示图

图2:金手指到边的距离

3.实验产品M层压结构图

图3:M产品层压结构图

4.实验流程

实验计划

1.非对称结构金手指插头产品实验计划

每组实验设计100 SET产品,到FQC指定同一位质检员检测、记录;二次元及其它工具测量数据由指定同一位品质工程师负责测试、记录,确保数据的偏差最小。

2.非对称结构金手指插头产品实验项目

表2:非对称结构金手指插头产品实验计划

 

实验数据

 

压合弓曲变形改善实验

表3:压合弓曲变形改善实验数据

因不同材料的热膨胀系数(CTE)不同,高Tg印制板在温度升高到≥170℃时,基板才由“玻璃态”转变为“橡胶态”,冷却后机械强度、尺寸稳定性、粘接性、吸水性、热分解性、热膨胀性等均优于普通Tg,设计时选择刚性较好的高Tg材料对板子弓曲或扭曲有明显的改善作用。常规对称结构的产品压合时采用对称叠板、对称放置料、选择冷热一体压机压合对减少热应力有明显帮助。主要是冷热分体压机在高温下(Tg温度以上)将板件转到冷压机时,材料在Tg点以上有短期处于失压快速冷却会导致热应力迅速释放产生变形,而冷热一体压机可实现在热压末段降温以避免板件在高温下失压变形。利用辅料的非对称性放置去改变PCB板双面的升温速度,从而影响不同CTE芯板、树脂在升温和降温阶段的涨缩来解决变形量不一致的问题。通过延长冷压时间,保持板件上下方向的压力让板件自然冷却到较低温度,对改善非对称结构变形的效果较明显,但生产效率也会同步降低。综上所述,对于非对称结构的产品,工程需要选择刚性优良的高Tg板材,采用冷热一体的压机非对称放置辅料生产,并适当地延长冷压时间(30-60分钟)可明显改善非对称结构产品在压合后的弓曲或扭曲变形,并能满足客户要求的弓曲变形≤0.75%甚至≤0.5%的要求。

金手指到板边加工精度

表4:金手指到板边加工精度实验数据((公差≤0.05mm))

非对称结构的产品虽然在压合工序的较大的改善,符合IPC TM-6012C《刚性印制板的鉴定及性能规范》弓曲或扭曲度≤0.75%的要求。但部分客户特别是光电产品客户要求外形公差≤0.05mm。实验证实,外形生产此类高精度的光电产品时,首先需要选择精度高的成型机,叠板数量在常规条件下减1块,铣刀锣程设置为常规的70%以下,全板打满定位并盖1.0mm盖板防止部分板中间弓曲变形,四周用美纹胶带固定,然后采用全新的铣刀初铣第1次再用新刀精铣第二次,可以确保非对称结构的光电产品产品外形公差≤0.05mm的精度要求。

金手指斜边精度

1.夹持式斜边机

图4:斜边示意图

1)由吸嘴将板件吸附运送到整边台;

2)板子整边对齐,并平行推送到上下气动板夹处;

3)上下气动夹板夹紧板件;

4)斜边刀开始运动,经过待斜的板边完成斜边。

优点:斜边速度适中作业员即时可以检查每片板的状态,精度高。

缺点:上下板夹对板件只有夹持作用无整平功能,对于非对称结构产品或有一定弓曲变形的产品,斜边精度较差或不能斜边。

2.履带式斜边机

图5:斜边示意图

1)由吸嘴将板件运送到传送轮上;

2)板件整边对齐后开始由上下履带压住板件;

3)上下履带压紧板件并转动,并对板件进行整平;

4)履带夹持板件经过斜边刀完成斜边。

优点:生产速度快,对有弓曲或扭曲变形的产品先整平后斜边,较适合非对称结构,板厚较薄的光电产品生产。

缺点:对最小尺寸有一定的要求,尺寸小于100*100mm的产品会有偏位现象。板件最佳长度200mm以上。因此,以上M产品采用此机单set斜边会有斜边不良,需采用2set连片斜边然后再铣内槽,斜边效果如下图。

图6:履带式斜边机斜边高度实物图

金手指到板边外形尺寸的检验方法

1.二次元人工抽测或人工图像尺寸测量仪测试

PCB工厂现有测量工具主要为二次元,常规每个出货单元有10个金手指插头产品,每个金手指插头2边分别是0.9mm/0.5mm,采用二次元的测试方案,每个出货单元的金手指插头产品2面需要测量40次,选择自动测试按每10秒测量1个金手指,每个出货单元测试时间为10s/set*20pcs/set*2面=400s,平均每平方米按100set计算,二次元自动测试的时间为400s*100set÷60s/min÷60min/Hr=11Hr。

采用人工图像尺寸测量仪测试虽然可以同时测量一个金手指插头的2边,但人工测试需要上下板,测试时间为二次元自动测试的2倍以上,即最短测试时间为11hr*2=22Hr。

PCB工厂通常采用以上方法抽测对称结构产品或对外观尺寸要求不严格的常规产品,即使漏失也不会有报废及安全隐患,最多是单个产品报废处理。但对外形尺寸要求非常严格的金手指位光电模块,特别是非对称结构的光电模块产品时,则存在严重的安全隐患。因非对称结构的光电插头产品在外形加工时会有一定程度的弓曲或扭曲变型,外形加工受机台精度、产品特性、铣刀寿命、定位等多种因素的影响存在偏差,全检全测金手指插头位的尺寸,确保尺寸精度100%满足客户要求是PCB生产商的责任,受检测效率和交期的影响,PCB厂商对此类产品只能采用抽测。

2.AVI外观检查机的技术改善

外观检测机的镜头有不同的精度,能够准确区分基材与边界则需要2-3个像素以上,外形公差要求±0.05mm时应选择镜头分辨率为10-20μm的全自动外观检测机,并按常规要求制作检测资料。

要让设备准确识别出金手指到板边的距离,则需要将设备中基材与板边界的补偿参数、偏移像素等参数调整到最小,让设备软件配合硬件具有精确的识别功能,清晰地区分基材界外、基材、金手指三种材质边界的色差。然后按常规参数扫描,检测。当此区域中金手指与边的距离变大或变小时,就会100%被检测出来(如下图,三排红色块表示此区域变小三个像素,此机镜头为20μm,即表示此位置变小0.06mm,已超出金手指光电模块的客户要求)。

图7:金手指插头位精度检测图

3.检测数据分析

表5:检测数据分析

从以上数据看,二次元与图像尺寸测量仪检测非对称结构5G金手指插头产品的效率非常低,只适合于抽测。而外观检查机AVI能够100%准确、高效的检测金手指到板板的距离,确保此类产品外形尺寸合格。

 

 

实验数据总结

 

批试验证

从以上实验选择最优条件批试100PNL,选择高Tg板材、采用冷热一体压机加按非对称结构加辅料排板压合,冷却时间延长60分钟后出炉,未发现严重变形产品。过程中使用猪笼架插板或隔纸平放运输,按正常流程生产至外形。成型锣机选择精度CPK≥1.33的设备三块一叠采用全新铣刀初铣+精铣生产,2set连片采用履带式斜边机斜边后则品质工程师抽测100片精度全部合格。选择12μm外观检查机对100PNL产品全部检测,金手指插头位置到板边的距离全部满足客户±0.05mm的要求。后续公司按以上流程标准化批量生产,未出现异常。

总结

非对称结构的PCB产品设计可以减少部分工艺流程、可以为客户节省材料成本,但增加了外形及后工序的加工难度。出货前如果不能确保所有产品的外形尺寸精度会对客户贴片及使用造成非常严重的影响。

选择高Tg板材、采用冷热一体压机加按非对称结构加辅料排板压合,冷却时间延长30-60分钟后出炉减少对板材变形的影响,过程中使用工具平放运输可以明显芯板厚度相差0.15mm以上的非对称结构产品压合后的变形。由于不同的非对称结构涨缩变化不一样,对于因涨缩变形特别大的产品,可以在阻焊印刷前可以利用整平返直机增加一次烤板返直流程,温度上限按板材按Tg值设置烤板2小时冷却4-6小时或自然冷却返直后再印刷阻焊有一定的改善效果。外形生产时选择精度CPK≥1.33的设备,三块一叠采用全新铣刀初铣+精铣生产,2set连片履带式斜边机斜边,FQC采用外观检查机全部检测金手指插头位置到板边的距离,可以进一步确保全部产品的每个插头离板边的距离均小于客户±0.05mm的要求。

5G非对称结构设计的PCB金手指插头产品已经发展了一段时间,因加工流程复杂制作难度大,PCB生产商通常将主要的力量放在前制程进行技术攻关,客户对外形金手指插头位置±0.05mm的公差要求并未予以足够的重视,特别是这种非对称结构设计要求更严格、精度更难管控的插头产品。至到近期行业内某知名公司接连发生板卡烧坏设备烧毁的事件后才引起PCB制造企业管理层对金手指插头位置加工精度的重视。

5G非对称结构设计的PCB金手指插头产品主要采用高Tg材料生产,要保证产品金手指外形小于±0.05mm的加工精度,压合及加工过程中产品变形的管控非常重要。本文仅从产品变形机理和材料的特性出发对变形的根源进行了实验,并结合外形设备的技术特点对外形加工精度、斜边精度的控制进行了实验与分析,为100%保证金手指光电板插头部位到边的距离在出货小于±0.05mm,开发利用外观检查机的检测功能100%全测产品的外观尺寸,杜绝了二次元抽测漏失造成烧卡烧机事故发生的风险。PCB外形加工精度的控制方法还有很多,随着设备及工艺技术的发展也会越来越完善,本文仅针对外形的加工精度提出几点建议供同行参考,为改善、检验5G非对称结构设计的PCB金手指插头产品的外形加工精度尽一份力。

 

参考文献:

[1]刘海龙《PCB变形的原因及改善》印制电路信息2012.7

[2]IPC-TM 650《试验方法》

[3]GB4677《印制板测试方法》

[4]IPC-TM-6012C《刚性印制板的鉴定及性能规范》

 

14年印制电路板相关工作经验

金百泽制造工程部工艺工程师

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