SUBJ：6Sigma项目之板内阻抗板件质量改进

6Sigma项目之板内阻抗板件质量改进项目名称：板内阻抗板件质量改进项目负责人：杨晓新整理：袁欢欣DATE：2007-7-20项目组成员：苏藩春、苏培涛、袁欢欣、谢少英、郑国光、张小腾一、问题陈述随着高频印制电路板需求量不断增多，PCB中作为信号传输线的金属导线不仅要符合“通、断”等电气流通，更要保持其所需要的传输信号完整性、可靠性、精确性等要求，即需要高精度控制特性阻抗。Adtran客户板件从去年7月份开始，部分板件有100%控制板内阻抗需求，由于之前我司对阻抗的监控都是通过板边Coupon进行的，对板内阻抗控制暂无相关制作经验，导致去年7-8月首批加工生产板内阻抗测试合格率只有50%，该类型产品成品率只有70%左右，远低于目标要求，且过程控制不稳定，增加了公司板内阻抗板件的生产成本。二、界定(D)定义：特性阻抗(CharacteristicImpedance)即为高频讯号或电磁波在电子机器讯号传输线传输时所受到阻力，具体指电阻、电感和电容三者对交流电流的共同阻碍作用大小，简称阻抗。因难以实现对PCB内部真实走线进行阻抗测量，PCB生产商一般都会在PCB周围加上测试Coupon。但Coupon考虑比较理想化，板内阻抗设计可更忠实地代表板内的实际走线。项目任务：通过数据分析，从设计、过程控制进行优化，提升加工控制能力。三、测量(M)测量过程图：内层图形转移→百倍镜检查线宽→→AOI→→碱蚀(100％检查板内阻抗)→→物理室100％测内/外层板内阻抗。我司生产的第一个Adtran板内阻抗控制要求的板件007652A阻抗测试值总体情况不够稳定，且存在一定量的阻抗超差，过程能力Cpk仅0.6-0.8左右，难以达到≥1.33的稳定状态。经过一段时间的分析、总结，在接下来的一段时间内，板内阻抗过程控制勉强可以达到Cpk≥1.33，但板内阻抗控制中值极不理想(Av实测值平均与客户要求中值相差7%左右)，阻抗超差问题仍不容乐观。四、分析(A)选择变量，鱼骨图分析如下：蚀刻线宽控制不严AOI检查阻抗线缺点不严阻抗测试方向不同阻抗测试人员操作探针技术变更图形转移曝光能力不均蚀刻均匀性、蚀刻因子不够平板/图电电镀不均阻抗测试仪精度/重复性不够百倍镜检查线宽精度不够层压板介质层厚度不均层压板树脂含量不均板内阻抗与板边Coupon不同设计阻抗理论值补偿菲林受环境温湿度影响缩涨物理室阻抗测试房温湿度变化人机料法环板内阻抗超差五、改善(I)5.1方法方面板内阻抗和板边Coupon区别经分析，尽管测试coupon具有和主PCB相同的叠层和迹线构造，可以反映线路板的阻抗是否合格，但不能非常精确地忠实代表板内阻抗。图1为典型的PCB测试用Coupon和板内阻抗真实走线。可以看出Coupon和板内阻抗二者间存在较大的差别：A)虽二者走线间距、走线宽度一致，但coupon测试点的间距一般固定为100mil(即最初的双列直插式IC接脚间距)，而板内真实走线的末端(即芯片接脚)间距是不同的，随着QFP、PLCC、BGA封装的出现，芯片接脚间距远小于双列直插式IC封装间距。这种差分走线末端间距与走线间距差别引起阻抗不连续，带来不同的阻抗测试结果。B)Coupon走线是理想化的直线，而PCB板内阻抗线因各种因素导致走线设计不规则，如下图所示：这种不断拐弯的传输线本身就构成了一个复杂的滤波器，由于滤波作用使得高速信号不断损耗、反射而衰减，测试阻抗值在走线弯折处变得不连续。C)Coupon与板内阻抗走线在整个PCB上的位置不同。Coupon一般位于PCB边缘，在PCB出厂时往往会被生产商去掉。而板内阻抗真实走线的位置则相当多样，有的靠近电路板边缘，有的位于板中央。针对这种差别，从方法设计方面加以系统改善板内阻抗：优化板内阻抗线宽补偿。相对于板边Coupon，位于板中央的板内阻抗线蚀刻药水交换较慢，存在一定的“水池效应”；且板内阻抗线容易受图形本身影响、钻孔影响，线宽补偿难度远远高于板边Coupon。按目前正常的线宽补偿，双线板内阻抗一般都要超出控制下限3-4。通过走首板逐步确定板内阻抗线宽补偿量，曾一次或多次减小9717A、9468A、9433A、9213A、8572A、8543A等编号的线宽补偿。一般而言，0.5OZ可正常补偿，1OZ仅需补偿0.5-0.75mil，2OZ仅需补偿1-1.5mil左右。优化板内阻抗线路拐角。Adtran客户板内阻抗线一般存在多个拐角(如8171A存在36个拐弯)，客户曾部分有约90º(或90º)线迹转向设计，该转弯处导体面积增加，导致寄生电容增加、讯号损失增加、传输线特性阻抗变化增大。改善拐角采取135º走向或圆弧形设计，有利于阻抗稳定控制。改善平衡铜点设置。适当的平衡铜点添加可有效平衡介质层厚度、平均分散电流提高电镀镀层的均匀性。而阻抗线垂直对应区域的平衡铜点可使阻抗降低3-5%不等，且对双线影响更大。统计分析阻抗线图形尚且比较简单(均为直线型)且阻抗参数设计相同的9020A板内阻抗线表明，无平衡铜点覆盖的TP51(Cpk=0.59)明显比有铜点覆盖的TP50(Cpk=1.51)容易控制。这些不必要的平衡铜点较严重地干扰阻抗测试，去除该类平衡铜点，可减小测试干扰。565452504846LSLUSLProcessDataSampleN99StDev(Within)2.13191StDev(Overall)2.26699LSL45Target*USL55SampleMean51.2022Potential(Within)CapabilityOverallCapabilityPp0.74PPL0.91PPU0.56Ppk0.56CpmCp*0.78CPL0.97CPU0.59Cpk0.59ObservedPerformancePPMLSL0.00PPMUSL0.00PPMTotal0.00Exp.WithinPerformancePPMLSL1811.60PPMUSL37423.91PPMTotal39235.50Exp.OverallPerformancePPMLSL3110.68PPMUSL46942.68PPMTotal50053.36WithinOverall9020ATP5054.052.551.049.548.046.545.0LSLUSLProcessDataSampleN99StDev(Within)1.22847StDev(Overall)1.09296LSL45Target*USL55SampleMean50.1854Potential(Within)CapabilityOverallCapabilityPp1.52PPL1.58PPU1.47Ppk1.47CpmCp*1.36CPL1.41CPU1.31Cpk1.31ObservedPerformancePPMLSL0.00PPMUSL0.00PPMTotal0.00Exp.WithinPerformancePPMLSL12.16PPMUSL44.42PPMTotal56.58Exp.OverallPerformancePPMLSL1.05PPMUSL5.29PPMTotal6.33WithinOverall9020ATP515.2设备方面改善图形转移曝光能力不均。尽管目前我司采用点光源曝光，对于不同尺寸/厚度的板件，在内/外层图形转移时，考究在何种类型曝光机中进行。从工艺角度出发，考究根据不同干膜生产厂家选择不同的光密度尺控制曝光时间(曝光量)、改善照相底版尺寸稳定性和曝光机真空系统、真空框架材料等以得到优良的干膜抗蚀图像和较小的图像线宽偏差。改善平板/图电电镀均匀性。通过规范阳极磷铜球使用、镀缸两侧阳极数量及其排布紧密考究、阳极袋及时更换，特别是重点对电镀均匀性较差的老平板、老图形进行工程改造，通过考虑电流的均匀性，增加浮架/挡板、更换夹具/夹板方式、改换大V型座、更改电镀槽钛篮尺寸及形状以得到合适的阴阳面积比、电镀时使用假阴极，减少边缘效应；考究电镀酸铜药液各成分均匀性，改造打气管、摇摆系统等措施，有效提高了板面电镀均匀性。改造前后镀层正态分布图00.020.040.060.080.10.120.140.1620242832364044485256改造前第一次改造后第二次改造后图2B线平板经改造后镀层均匀性改善提高蚀刻均匀性、蚀刻因子。一方面，通过控制面铜电镀均匀性已有效改善蚀刻均匀性；另一方面，从蚀刻本身做了大量改善，通过DOE试验分析主要影响因素、调整药水浓度、合理搭配圆形/扇形喷嘴并调整喷嘴压力和喷嘴角度、对孤立线/密集线作分开补偿处理以缓解药水交换差异、根据线宽/线距适当选取不同厚度的抗蚀干膜等种种措施也改善了蚀刻均匀性和提高了蚀刻因子。购买新的CITS800s阻抗测试仪。该型号在设备自身保护、降低电磁干扰、提高电磁耐受、提高紧耦合线路测试精度、尤其是高欧姆阻抗测量等方面具有明显优势。各Av测试值均能够完全达到1%的测量精度要求。5.3板料方面在改善平板/图电电镀均匀性的基础上，从板件板内图形线路角度出发考究了夹板方式、不满缸生产时的种种规范做法，板内阻抗线路铜厚均匀性得到有效保证。板边coupon与板内阻抗走线在PCB上的位置不同。电路板上的不同位置在压制过程中所受到的压力不可能一致，导致PCB不同位置上的介电常数、介质层厚度不同，特征阻抗也当然不同。板边流胶量相对于板内偏大，板内阻抗介质层厚度略比板边Coupon大，由于介质层厚度与阻抗成正比，且介厚的正偏差对阻抗影响程度相对较小，结合介质层厚度要求，通过适当延长/缩短预压/高压时间、优化层压程序等措施，可使层间介质层厚度和层压流胶等得到有效控制，测试3台压机层压板件层压均匀性、板边流胶等，Cpk值1.33，均处于能力充裕阶段，可确保板内阻抗符合要求。5.4环境与操作方面AOI检测。在AOI工序专门设立工艺岗位，定期检查各种类型AOI机的各种缺陷的侦测能力并进行专项改进。针对讯号频率非常高的板件有必要找出导线缺口、凸口。阻抗测试方向规范。从不同板面测试外层阻抗线，由于直接(蚀刻后抽检板件)或间接(绿油后板件)接触介质的介电常数不同，对阻抗测量影响很大，甚至会影响阻抗控制的判断。对于外层阻抗线的测量，规范一律不能使被测外层阻抗线处于被压状态。力图确保板内阻抗线TDR读数的一致性。在测试板内阻抗线时严格避免下列对可控阻抗板上TDR测量质量不利的因素：测试仪测试前不正确的设置和校准、测试和计算阻抗的不同方法、手动指针(光标)位置的时常变化、在测试过程中不良的或断续的探针连接、外部物质(或测试人员的手部)与测试样板接触、环境温/湿度变化。六、改善效果特性阻抗(特别是板内阻抗)的高精度控制，真正很好地体现了产品从设计到生产的总体质量。本次板内阻抗板件质量改善从统计分析我司板内阻抗控制现状入手，通过阻抗设计优化考虑和过程控制的不断改善来提升加工控制能力。6.1经板内阻抗设计不断优化后，我司板内阻抗过程控制Cpk值明显提高。统计我司现有的28个Adtran板内阻抗控制要求板件，约有65%左右的板内阻抗可达到并维持在Cpk≥1.33的稳定状态，部分编号如下：生产编号7652A8005A8635A9020A9122A板内阻抗TP9TP5TP13TP9TP1TP5TP54TP55TP112TP110Cpk值1.231.371.861.961.221.420.981.261.851.38生产编号9123A9187A9213A9433A9468A板内阻抗TP11TP12TP9TP4TP39TP43TP94TP88TP112TP113Cpk值1.951.511.071.111.112.161.441.731.151.9生产编号9717A9784A9805A9843A9994A板内阻抗TP48TP51TP29TP33TP5TP9TP1004TP105TP39TP40Cpk值0.941.021.471.861.291.771.081.921.010.96生产编号9995A