印制板模塊生產的質量控制方法*

簡 潔 謝陳難

(武漢數字工程研究所 武漢 430205)

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印制板模塊生產的質量控制方法*

簡 潔 謝陳難

(武漢數字工程研究所 武漢 430205)

印制板模塊是軍用電子設備的基礎性部件之一,其質量對電子設備的可靠性影響較大。論文從設計和生產兩個角度系統地分析影響印制板模塊產品質量的重要因素,并結合實際情況,對小批量、多品種生產模式下產品的質量控制提出了切實可行的方法。

印制板模塊; 可制造性設計; 特殊過程; 質量控制

Class Number TM393

1 引言

在惡劣的戰場環境條件下,軍用電子設備必須隨時能夠保持較高的完好率,這也對電子設備的質量可靠性提出了更高的要求。而作為電子設備的基礎性部件之一,印制板(Printed Circuit Board,PCB)模塊的質量對于整機的影響是不言而喻的。由于PCB模塊的關鍵質量參數(如焊點強度、三防涂層結合力等)難以直接測量,屬于特殊過程,因此,如何通過對PCB模塊的設計、生產過程的嚴格控制來確保產品質量一直是軍用PCB模塊生產企業的重要課題。

2 PCB模塊設計質量的控制

2.1 可制造性設計技術

根據HP公司的統計調查表明:產品總成本的60%取決于產品的最初設計,75%的制造成本取決于設計規范,70%～80%的生產缺陷是由于設計原因造成的[1]。因此,PCB模塊的產品質量首先應控制其源頭,即PCB的設計質量。

可制造性設計(Design for Manufacturing,DFM)技術是提升PCB設計質量的一個重要手段?？芍圃煨栽O計是將產品的功能要求和供應商的制造能力相匹配,以達到成本最低、效率最高的設計實踐和流程[2]。對于海軍艦艇用PCB模塊而言,可制造性設計主要包括PCB的制造、元器件的焊接以及三防涂敷的可行性和可靠性設計。

2.2 常見的錯誤設計

PCB模塊的生產、貼裝以及三防質量與其設計有著直接的、十分重要的關系,良好的PCB設計是保證產品質量和可靠性的首要條件之一。如果產品的設計不符合國標、國軍標或電子行業相關標準,或者脫離了設計方以及設計方外包方的實際生產能力,產品就失去了實現其質量和可靠性的基本前提。具體來看,不良設計在PCB生產和貼裝過程中的危害主要有[3]:

1) 造成大量的生產或焊接缺陷,增加返工和返修的工作量;

2) 增加了制造難度,降低了PCB生產和焊接的效率;

3) 印制板或模塊的可靠性降低;

4) 設計出的印制板無法生產或焊接,需重新設計。

下面例舉了生產中一些常見的設計錯誤以及可能導致的質量問題。

2.2.1 焊盤設計

常見的焊盤設計問題主要有焊盤尺寸錯誤、焊盤間距過大或過小、焊盤不對稱、兼容焊盤設計不合理等,焊接時容易出現虛焊、移位、立碑等不良現象,勉強完成焊接的元器件焊端結合力也遠小于正常的元器件[4]。常見焊盤設計錯誤的示例如圖1、圖2所示。

圖1 焊盤間距設計過大

圖2 焊盤間距設計過小

2.2.2 孔的設計

常見的孔的設計問題主要有過孔與焊盤距離太近或直接打在焊盤上,插件孔的孔徑或間距與元器件不符等,焊接時容易出現虛焊、通孔插裝器件難以安裝等問題。過孔打在焊盤上導致焊接后錫量過少的示例見圖3。焊點錫量過少也會導致焊點結合力下降,造成質量隱患。

圖3 過孔在焊盤上導致焊接后錫量過少

2.2.3 裝配性設計

輔助圖形主要指Mark點、測試點、填充圖形、板名及編號標識等,這是最容易被設計人員所忽視的部分,但對于生產的影響卻是非常大的。如Mark點的缺失或設計不當,會造成貼片時對位精度下降甚至無法定位;板名及編號標識位置設計不當,會造成在元器件安裝后標識被遮擋,在后續生產過程中無法辨別等等。

2.3 可制造性設計的應用效果

2.3.1 可制造性設計的導入

根據實際應用經驗,導入PCB可制造性設計規范需經過以下幾個步驟:

1) 編制適合企業產品特點及生產能力的PCB設計規范;

2) 制訂PCB評審的制度和流程;

3) 引入專業的PCB設計規范軟件,并對其進行二次開發,使其適合我所的產品特點及生產能力;

4) 進行PCB的虛擬設計和組裝,對不合理的設計進行完善;

5) 加強與PCB生產廠家以及SMT加工廠家的溝通,適時對PCB設計規范進行修改。

2.3.2 可制造性設計的應用效果

PCB可制造性設計規范的引入以及PCB評審流程和制度的建立,基本解決了“印制板級”和“模塊級”的可制造性設計問題,提高了PCB模塊的生產效率和產品質量,新研產品的試生產階段一次成功,縮短了新產品的實際開發周期。據統計,可制造性設計應用后,PCB模塊焊接的總體生產效率提高了20%左右,返修率降低了約3%,而且由于返修率的降低可以提高產品可靠性、研發周期縮短可以使新產品提前應用等附加價值,可制造性設計應用所帶來的直接及間接效益十分明顯。

3 PCB模塊生產過程的質量控制

3.1 PCB模塊生產過程簡介

PCB模塊的生產過程大致可分為兩個階段:元器件焊接和三防漆涂敷。元器件焊接是將各種元器件焊接到PCB上,其主要質量評價指標除了焊點外觀以及焊接的正確性外,還包括焊點的機械強度及壽命等;三防漆涂敷是在完成元器件焊接的PCB模塊上涂敷一層三防漆,以提高電子產品環境適應性、降低使用故障、提高產品壽命等[5]。其主要質量評價指標除了三防漆的外觀以及厚度外,還包括三防(防濕熱、防鹽霧、防霉菌)性能、三防漆與PCB模塊的結合力等。焊點的強度、壽命以及三防漆的結合力等質量參數,無法采用常規的方法進行檢驗,必須進行破壞性實驗才能檢測,在質量管理體系中稱這種不易或不能經濟地進行驗證的過程為“特殊過程”[6]。

3.2 特殊過程質量控制

由于特殊過程的產品質量難以通過常規的檢驗手段來驗證,按照GJB 9001B的要求,主要采用過程控制的方法來確保產品的質量。過程是指“使用資源將輸入轉化為輸出的活動的系統”,過程中各要素的關系如圖4所示。

圖4 “過程”示意圖

以三防漆涂覆的過程為例,過程的輸入就是待加工的PCB模塊,控制就是工藝和環境條件,資源就是操作人員、設備以及各種原材料,輸出就是涂覆好的PCB模塊。

過程控制是指為在產品加工的過程中那些為實現產品的安全和適宜所必須采用的所有的條件和方法措施。過程控制的關注要點并不是過程的結果——也就是我們常說的產品——而是關注過程本身的正確性。在控制方法正確的前提下,好的過程必然產生好的產品,這就是推行過程控制為什么能夠降低不合格率的原因。對于特殊過程而言,過程結果不易檢驗,但過程是可以受控的,因此對特殊過程必須采用過程控制。

3.2.1 確認過程能力滿足生產的要求

在生產前應證實和認可策劃的過程結果符合規定的要求,也就是通常所說的對過程的鑒定或確認。以我所的三防漆涂覆過程為例,對選定的三防漆和噴涂設備,按預先設定的噴涂工藝流程及參數并且由有資格的人員進行操作,環境條件符合施工要求,在噴涂后對樣品進行交變濕熱、溫度沖擊、百格試驗、硬度檢測等試驗,驗證其性能是否符合規定的要求。一經證實,應將過程中的各項參數固化下來,作為生產時過程控制的標準。

特殊過程應按照規定的時間間隔對過程能力進行再確認,以驗證過程的穩定性。當過程中的部分項目發生變化(如主要設備或操作人員、工藝流程或參數等)時或者過程停工時間較長時,也需要重新確認。

3.2.2 對過程進行系統地控制

過程的系統化控制就是從人、機、料、法、環五個方面對生產過程進行全面的監控,以確保各項過程參數在規定的范圍內。仍然以三防漆涂覆的過程為例,簡述過程控制的主要內容。

1) 人員

在特殊過程進行確認后,應規定人員的資格,包括教育、培訓、技能和經驗等,定期對操作人員進行培訓以確保其具備操作資格并發放特殊過程的上崗證。

2) 機器

機器不僅指生產設備,還包括監視和測量的各種儀器或裝置(如氣壓表、溫濕度計等),這些設備、儀器應按照規定的時間對其狀態和精度進行確認。

3) 材料

三防漆涂覆過程的主要材料就是三防漆,由于三防漆固化后的質量也無法直接檢驗,因此每批次的三防漆在使用前必須做首件以驗證三防漆的質量。

4) 方法(工藝)

工藝是過程控制的核心,重要的工藝流程、參數及操作方法等應形成書面的作業指導書,在生產時須確保各項參數在工藝規范要求的范圍內。

5) 環境

對于三防漆涂覆過程而言,環境條件也是影響產品質量的一個重要因素,與其他因素不同的是,環境條件如溫溫度、濕度等并不能完全受控,對此我所也制定了應急方案,明確當環境條件超標時可采取的措施,如停工、增加抽濕機和空調、臨時改變前處理的工藝等。

3.2.3 記錄

生產記錄包括工藝參數、環境參數、檢驗結果等,是確保產品質量的基礎,記錄在質量控制中的作用主要有以下幾點:

1) 生產記錄是生產工藝和操作指導書的延續,是生產工藝和操作指導書的細化,同時也為生產工藝的改進提供支撐;

2) 作為可追溯性依據,分析生產操作中存在的問題,確定某一件產品的質量問題,這對于軍工產品而言是不可或缺的;

3) 對某一批產品在一定時期內的生產記錄進行綜合分析,掌握產品質量情況,為采取糾正和預防措施、完善工藝提供依據;

4) 對關鍵參數可采用統計過程控制(Statistical Process Control,SPC),即運用數理統計方法對生產制造過程的數據進行收集、整理和分析,從而了解、預測和監控過程的運行狀態和水平,從而實現以預防為主的質量控制[7～8]。許多先進的管理技術,如“六西格瑪管理”等,都是以SPC為基礎的,這些管理技術對提高產品質量都起到了顯著的作用。

4 多品種、小批量生產的控制

軍工科研院所的生產任務一般都呈現多品種、小批量的特點,即產品品種繁多,每種產品的生產數量很少,有時僅一件。我所的PCB模塊生產也是這種模式,批次數量小于20塊的占總批次數量的60%以上的,90%以上的批次生產數量不足100塊。由于每種產品的生產過程參數不盡相同,因此對于依靠過程控制的特殊過程而言,其質量管理的難度較高。

4.1 多品種、小批量生產的統計過程控制

多品種、小批量生產模式的優點在于產品種類多樣化,周期短,能快速適應市場的變化和需求,在現代的制造行業中,多品種、小批量生產模式日趨普遍。但從特殊過程的質量管理角度而言,小批量生產意味著過程參數少,多品種則意味著過程參數變動較大,這些使得在過程中應用統計分析十分困難。常見的做法是將過程參數進行一定的數學變換,使其具備一定的可比性;或者通過技術手段將個性化的參數轉化為共性的參數,從而可以采用統計過程控制的方法。在PCB模塊的元器件焊接過程中,就可以采用后一種方式。

回流焊的溫度曲線是PCB模塊的元器件焊接過程中的一項重要參數,包括了升溫速率、升溫時間、最高溫度、回流時間、冷卻速率等分項參數,一般情況下對于不同類型的模塊其回流焊溫度曲線是不同的,因此其生產數據較為分散,對生產起不到控制和預防的作用。但可以采用爐溫測量和板溫測量技術將相對分散的溫度曲線數據轉化為兩個通用性的數據: 1) 回流爐的實際爐溫和設置溫度之差; 2) PCB模塊在焊接過程中的實際溫度。這兩個數據對于絕大部分PCB模塊的生產要求都是一致的,通過一段時間的數據統計,形成控制圖,計算工序能力指數(Cp值),從而實現對回流焊過程的有效監控。

4.2 質量工具在多品種、小批量生產模式中應用

無論是質量管理的老七種工具(排列圖、因果圖、直方圖、控制圖等),還是新七種工具(樹圖、關聯圖、矩陣數據分析法等)[9],都是國外企業在大批量生產的條件下總結出來的。但不等于說小批量生產都不適用,問題是如何因地制宜地靈活應用。

老七種工具中,基本上都是針對具體問題做技術性的分析,因而在分析問題、解決問題、提高某一特定因素的產品質量方面有著廣泛的應用。如只要是為了尋找影響質量的各種問題和主次問題的,都可用排列圖;只要是為分析影響某質量問題的各種原因和主次原因的,都可用因果圖;控制圖和工序能力指數的計算則需要根據生產的實際情況進行修改后使用。

新七種工具中的矩陣數據分析法、流程圖、網絡圖等方法,則更多地是從系統的角度對企業在生產、質量、成本等各方面可能存在的問題進行分析,如樹圖通常用于表示某一主題與其組成要素之間的關系,從而進行策劃和解決等[10]。這些工具對數據的依賴性較小,應用范圍更廣;所有這些質量管理工具之間還可以相互組合,從而實現對過程更有效的控制,進而提高產品質量。

5 結語

隨著軍用電子設備朝著“短、小、輕、薄”的方向發展,而實際使用中環境條件又是多種多樣的,如何在各種惡劣條件下保證電子設備中PCB模塊的可靠性,逐漸成為軍用電子設備生產單位的一個重要研究課題。作為PCB模塊的生產部門,必須合理利用各種質量管理的技術和方法,對生產過程進行全面、系統地監控,提高工藝水平,改善過程能力,才能適應新形勢下的軍工產品質量要求。

[1] 陳正浩.軍工行業電路設備電路可制造性設計[M].北京:中程在線科技有限公司,2010.

[2] 顧靄云.表面組裝技術基礎與可制造性設計[M].北京:電子工業出版社,2008.

[3] 姜培安.印制電路板的可制造性設計[M].北京:中國電力出版社,2007.

[4] 王勝利,閆衛紅.SMT工藝中的PCB設計[J].電子工藝技術,2010,31(5):286-289.

[5] 曲亮.軍用電子產品三防技術的發展和工藝改進[J].航空精密制造技術,2008,44(1):52-55.

[6] GJB 9001B-2009 質量管理體系要求[S].2009.

[7] 張公緒,孫靜.質量工程師手冊[M].北京:企業管理出版社,2002.

[8] 尤建新,邵魯寧,武小軍,等.質量管理——理論與方法[M].大連:東北財經大學出版社,2009.

[9] 刑文英.QC小組基礎教材[M].北京:中國社會出版社,2008.

[10] GJB/Z 127A-2006 裝備質量管理統計方法應用指南[S].2006.

Method of Quality Control for Manufacture of Printed Circuit Board Assembly

JIAN Jie XIE Chennan

(Wuhan Digital Engineering Institute, Wuhan 430205)

Printed circuit board assembly(PCBA) is a basic part of the military electronic equipment. The quality of PCBA has a great influence on dependability of the equipment. The important factors affecting the quality of the PCBA are analyzed systematically from perspectives of design and production. And combined with the actual situation, the feasible method of quality control of the production mode which is small batch and multi varieties is proposed.

printed circuit board assembly, design for manufacturing, special process, quality control

2014年9月7日,

2014年10月26日

簡潔,女,研究方向:印制板模塊及計算機部件裝聯。

TM393

10.3969/j.issn1672-9730.2015.03.033