基于正交表對PCB鉆孔工藝參數(shù)的分析與優(yōu)化

摘要：在印制電路板（PCB）上加工微孔的數(shù)量越來越多，孔徑比越來越小（目前孔徑比已達1：20），加工精度要求也越來越高。對鉆孔加工中影響鉆孔質(zhì)量的各種工藝參數(shù)進行了分析，應(yīng)用正交試驗的設(shè)計方法，找出影響PCB孔質(zhì)量的主要因素；方差分析和極差分析的結(jié)果表明轉(zhuǎn)速、進刀速和孔限是最顯著的三個因素；最后確定一組最佳的鉆孔工藝參數(shù)用于指導(dǎo)工藝參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計。

關(guān)鍵詞：印制電路板（PCB）正交表因素水平參數(shù)優(yōu)化

0 引言

目前，全球PCB產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值占電子元件產(chǎn)業(yè)總產(chǎn)值的四分之一以上，是各個電子元件細分產(chǎn)業(yè)中比重最大的產(chǎn)業(yè)，產(chǎn)業(yè)規(guī)模達400億美元。PCB鉆孔技術(shù)發(fā)展迅速，逐步向微孔、盲孔、高密度孔發(fā)展，目前PCB成孔方式主要是采用數(shù)控機械鉆孔[1]。隨著電子科技的高速發(fā)展，對于PCB孔的要求也越來越高，現(xiàn)在國內(nèi)外PCB鉆孔技術(shù)仍然存在一些問題，如多層板高密度的孔很難控制孔徑圓度，孔位精度值會偏低，且會出現(xiàn)殘膠、披鋒、孔壁粗糙等現(xiàn)象。孔位精度是評價鉆孔質(zhì)量的一個重要指標，影響孔位精度的因素有許多，如對主軸轉(zhuǎn)速、進刀速度、退刀速度、下鉆深度、孔限、疊板數(shù)、鉆頭研磨次數(shù)等。這些因素之間存在相互作用，故實際生產(chǎn)中很難把握各個因素的參數(shù)。實際生產(chǎn)中，工程師根據(jù)自己的經(jīng)驗來確定工藝參數(shù)的，一方面試驗次數(shù)要比較多，另一方面也難以確定PCB最佳的參數(shù)組合。本文采用了正交試驗設(shè)計方法，應(yīng)用數(shù)理統(tǒng)計方法分析試驗數(shù)據(jù)，得到影響PCB鉆孔各因素的敏感程度及最佳鉆孔工藝參數(shù)。

1 鉆孔的工藝參數(shù)分析

根據(jù)專業(yè)知識和實踐經(jīng)驗，找出對指標有影響的一切可能的因素，然后分類。一類因素的值是固定的，實驗當(dāng)中就取這個定值；另一類因素是變化的，用水平來表示因素的變動范圍。對于非連續(xù)性的水平，只能取幾個值；對于連續(xù)性的水平，可在范圍內(nèi)取幾個水平，這里對鉆孔每個因素取2水平進行分析，具體取值見表1。

2 正交試驗的設(shè)計及方差分析

2.1 正交表的設(shè)計 在多因素試驗中，不僅各個因素的水平改變時對試驗指標有影響，而且各因素的聯(lián)合搭配對試驗指標也有影響，后一種影響叫做因素的交互作用。建立正交表之前要進行表頭設(shè)計，在試驗中，因為要考慮各因素間的交互作用，所以因素不能隨便入列[2]。本試驗考慮7因素，交互作用考慮8個，總共有15個，每因素取2水平，所以選用L16(215)的正交表。交互作用列表所占的列是一定的，表頭設(shè)計如表2所示。

2.2 正交試驗的結(jié)果分析 試驗結(jié)果用CPK（Complex Process Capability index，制程能力指數(shù)）來表示鉆孔的質(zhì)量，CPK值越大鉆孔質(zhì)量就越好，CPK值由專業(yè)檢測機器測出。根據(jù)表頭設(shè)計、影響鉆孔因素列出正交表L16(215)，根據(jù)這個表的16個方案執(zhí)行試驗，得到的CPK值分別為：0.994、1.128、1.030、0.984、1.249、1.437、1.589、0.918、1.241、1.957、1.261、1.334、2.022、1.306、1.615及1.877，將這16個值填入到L16(215)表格中進行偏差、方差及顯著性分析，結(jié)果表明各因素對PCB鉆孔參數(shù)影響主次的順序為：

由此可得出影響PCB鉆孔工藝參數(shù)的顯著因素為A-轉(zhuǎn)速，D-孔限，B-進刀速。

3 主要因素的參數(shù)優(yōu)化

根據(jù)前面分析結(jié)果，將主軸轉(zhuǎn)速、進刀速、孔限這3個因素作為主要影響因素，并把它作為實驗因素，將其它因素設(shè)為固定條件，以便確定主要影響因素的最佳參數(shù)。為了更準確的分析，采用三水平的正交表L9(34)，考慮到現(xiàn)實的一些情況及鉆孔成本，各因素的水平數(shù)值設(shè)定見表3，根據(jù)這個表做9次試驗得到的結(jié)果填入表3。

3.1 參數(shù)的確定 為了直觀分析因素與指標的關(guān)系，采用繪制趨勢圖，用因素的水平作橫坐標，指標的CPK值作縱坐標，畫出因素與指標的關(guān)系（趨勢圖），如圖1，從圖中可以看出：

3.1.1 主軸轉(zhuǎn)速以A2為最佳，A2水平過后指標值呈下降趨勢，所以取水平160krpm。

3.1.2 進刀速呈上升趨勢，可取B3=24um/r，水平也可適當(dāng)調(diào)高一點。

3.1.3 孔限水平在D1、D2時，效果都一樣，并考慮到孔限極差小，應(yīng)取D2=1500。因此，可以確定主要工藝參數(shù)的最佳水平組合為A2B3D2。

3.2 效果驗證 根據(jù)正交表試驗分析結(jié)果和實際情況的分析，確定出最佳PCB工藝鉆孔參數(shù)：轉(zhuǎn)速160krpm，進刀速24um/r，孔限1500，退刀速1000mm/min，研磨次數(shù)3次，上拉高度4mm，鉆頭型號選用P0353。將這一組工藝參數(shù)應(yīng)用于某客戶的實際生產(chǎn)中進行驗證，其中的5次操作結(jié)果CPK值分別是2.025、2.124、2.011、2.357和2.184 ，均值達到2.14。可以看得出采用這一組工藝參數(shù)操作的穩(wěn)定性很好，改善的效果也很明顯。

4 結(jié)語

應(yīng)用本文得到的工藝參數(shù)，鉆孔質(zhì)量中的孔位精度得到明顯改善，表明此試驗設(shè)計對實際生產(chǎn)具有重要的指導(dǎo)意義，不僅提高了鉆孔質(zhì)量，而且縮短工藝參數(shù)優(yōu)化的時間。

參考文獻：

[1]王健石.印制電路板技術(shù)標準手冊[M].中國標準出版社，2007.4.

[2]翟穎妮.基于正交試驗的作業(yè)車間瓶頸識別方法[J].計算機集成制造系統(tǒng).2010年9月，第16卷第9期：1945-1952.

[3]應(yīng)杏娟.基于正交試驗設(shè)計的Ω焊縫焊接工藝參數(shù)的確定[J].數(shù)理統(tǒng)計與管理.2006年5月，第25卷第3期：283-286.

作者簡介：管超軍（1983—），男，助教，碩士，研究領(lǐng)域：工業(yè)工程、生產(chǎn)計劃與控制、生產(chǎn)系統(tǒng)仿真、數(shù)字化制造等。