一类汽车用PCB产品翘/扭曲性能的改善

宋军勤（奥托立夫（中国）电子有限公司质量部，上海，201401）

一类汽车用PCB产品翘/扭曲性能的改善

宋军勤
（奥托立夫（中国）电子有限公司质量部，上海，201401）

随着汽车电子技术的发展和应用,雷达类产品已经在汽车电子产品中得到广泛的应用。与普通的电子产品不同。雷达类电子产品需要高频材料作为雷达型号接受和发送的介质。因此，汽车电子产品中的PCB多用FR4材料和RF材料的混压方法制造雷达用PCB。

但是两种不同材料的混压会产生PCB的翘曲并影响电子产品的组装和雷达产品的可靠性。因此，怎么样控制此类PCB的翘曲成为PCB制造和SMT制造的一个难题。

为解决翘曲的质量问题，我们和PCB产品的供应商一起研究和分析了问题产生的原因，并通过DOE（试验设计）以及试验设计分析找到了优化PCB翘曲的方案。通过优化PCB Dummy Pad的设计、优化PCB叠构的方法降低了PCB产品翘/扭曲。优化后的PCB产品经过小批量生产，翘曲性能稳定，能够达到公司产品设计和生产的需求。同时成功的改善翘曲对公司提升产品良率、提高公司竞争力都有积极的贡献。对国内类似的产品生产也有借鉴价值。

PCB（印刷线路板）；翘/扭曲；汽车

0 引言

随着中国经济发展、人民生活水平的改善，汽车越来越成为人们生活当中的必须品，而与此同时，随着近几十年来电子技术的突飞猛进，汽车生产中也引入了大量的电子控制产品，这些产品的引入对汽车的安全性和舒适性带来了非常大的提高。其中车载雷达就是一个非常实用的汽车电子产品。汽车雷达产品可以帮助驾驶人员轻松舒适的驾乘汽车，也可以帮助驾驶人员识别障碍、判断距离、减少盲区，从而大大地降低汽车安全风险。而且，随着汽车无人驾驶技术的进一步发展，汽车用雷达产品将越来越受到欢迎，并且呈高速增长的态势。

目前中国能够制造生产汽车雷达产品的电子类公司也为数不多。而且公司雷达类产品用PCB是一种FR4材料和RF材料的混压产品。由于使用不同的材料混压，该类PCB比普通PCB有更高的翘/扭曲特性。增加了雷达产品生产的难度。

在生产初期，质量部门就发现雷达产品的PCB卡板、元器件贴装位置偏差以及测试不通等等质量问题远远高于其他类型的产品。就不良率生产指标而言，公司目标是5%，实际是12%左右。其它相似的产品线不良率目标可以达到0.4%。即便是考虑到新项目和新工艺的因素。这么高的不良率也是不能接受的。

于是对比了现存类似雷达产品的生产过程和原材料。对比发现，两种类似产品的原材料PCB有明显的翘曲差异。目测也能发现明显的翘曲差别。测量几组周期产品的翘/扭曲后，数据显示翘/扭曲的差别明显。并且所有板子均朝向数字面弯曲。

周期雷达 PCB普通PCB DC Bow Twist Bow Twist 1621 38 79 0 13 1621 23 66 0 11 1621 32 109 11 16 1637 17 33 0 0 1631 38 49 0 0 1621 38 93 11 0

测试方法采用IPC TM 650 2.4.22.[1]

而PCB的翘/扭曲是表面贴装产品良率的主要影响因素之一。从数据看，雷达类PCB产品的翘/扭曲明显高于普通PCB。因此后续问题的改善主要集中在如何减小此类PCB的翘扭曲上。

1 PCB板翘曲产生原因的分析

PCB板翘曲的产生有很多种原因。按照4M1E的分析方法。各个方面都有产生PCB翘曲的可能性。一般而言有以下这些方面都有可能影响PCB的翘曲。

人，员工不正确的Handling，错误的放板方式可能会引起PCB翘曲。

机，压力系统故障，温度循环系统故障，造成压力不够、过大或者升降温速率超出设定值都有可能引起PCB翘曲。

料，原材料玻璃丝布搭配不合理，材料吸潮均有可能为使PCB翘曲的原因。

法，电镀不合适夹具，错误的磨板速度以及不正确的磨板方向都有可能产生PCB翘曲。

环境，不合理的环境温湿度控制也有可能是翘曲的影响因素。

除了上面可能的翘曲影响因素之外。PCB板的设计也是一个主要的翘曲产生因素。不对称的叠构。不对称得图形。Dummy盘的形状和分布。半固化片增强材料的选择等等也是非常重要的翘曲影响因素。

具体到该款的PCB上面，我们对比同周期普通PCB和雷达PCB的翘曲数值。我们发现两者的差异明显。生产时间和设备相同，人员差异不明显，环境无明显区别。所以我们将翘曲的可能原因放在了产品的设计上面。

通过评估两种产品的设计和叠构，我们发现。普通的PCB使用的是同一种FR4 环氧树脂材料。板子两边结构对称。残铜率相当。而雷达PCB的设计则有明显的区别。雷达用PCB的设计使用不同的材料的非对称叠构设计。板子的顶面和底面分别承担不同的功能。一面是天线面，用来接受雷达信号，一面是数字处理面。主要是用来处理信号。两面使用了不同的原材料。数字处理面是FR4环氧树脂材料，天线面是Rogers 高频材料。虽然在当初设计PCB是已经考虑到了材料的差异。并且尽可能的挑选了热膨胀系数相近的材料搭配。但还是无法和普通PCB一样做到材料完全一致。另外，由于雷达PCB两面有明显的功能差异，所以，底面和顶面的线路图形有很大的差异，残铜率明显不同。

所以，针对以上设计的特点。我们将改善点放在了优化产品叠构设计。尽可能的平衡残铜，减少PCB翘曲这个思路上。由于这种混合设计虽然有PCB 翘曲的问题，但是这种设计有明显的成本优势，且能使产品功能结构简单、性能稳定而倍受客户欢迎。整个PCB的混合材料设计不能变更。要做的工作就是在现有设计基层上进行优化并满足生产的要求。所以后面的改善还是以现有设计为基础。

2 翘曲改善试验设计和验证

2.1 翘曲改善试验设计

基于以上的分析，我们把改善方案分为两个大的因素。一个是叠构因素，一个是board design因素。设想在叠构上增加刚性较强的材料以抵消应力，降低翘曲。另一个是优化PCB大板加工的Dummy pad设计，改善应力分布，优化残铜率。

图1 两种Stack-up示意图

因素2 Board design有五个水平，图示和描述如下。水平1，每层的set之间和大板采用铜块设计

图2 Level 1 copper block

水平 2 整板和母板均用Dummy盘设计

图3 Level 2 Dummy pad

水平3 大板使用铜块设计，set之间使用铜条设计

图4 Level 3 Solid bar

水平 4 Rogers层用铜条，FR4层用dummy盘

图5 level 4 Rogers Bar

水平 5 Rogers层用Dummy盘 FR4层用铜条

图6 Level 5 Rogers pad

用两次回流焊后set 的翘曲值作为响应因子。每个组合有7块大板，42set小板。采用Minitab 软件做实验结果分析。我们Half Normal Plot 和ANOVA分析考察模型和因子的显著性影响。用Interaction 分析因子的交互作用并寻找最优改善方案。

2.2 实验结果的分析

本研究42例疑似乳腺病变患者相关数据应用SPSS 19.0软件对比分析，2种检查灵敏度、特异度、准确性情况行χ2检验，采用（n%）表示。以P＜0.05为校验水准，对本研究结果统计学意义情况予以检验。

2.2.1 设计实验的基本汇总，按照设计，本试验共有2个因子。每组42个观测值。总420个测值。

图7 各组原始数据箱线图

2.2.2 Half- Normal plot 分析显示，这两个因素对板的翘曲是的影响的因素。

图8 影响因素表

2.2.3 实验结果的 ANOVA分析

DOE模型的F值8.03显示这个模型对改善翘曲是有意义的。仅仅有0.01的机会是由于噪音造成的该值变大。P值小于0.05意味着两个因子Stack-up和Boarder design 对于改善翘曲有意义。

Pred R-Squared 和Adj R-Squared 两者差异小于0.2，有着良好的一致性。Adeq Precision 值9.317大于4 意味着该模型噪音较低。模型可以用于降低翘曲。

2.2.4 Interaction的结果

Interaction结果显示，相比较于目前的Stack-up设计，新的设计能够显著的降低翘曲值。Solid bar 设计是翘曲最低的。

图9 Interaction的结果

2.2.5 设计优化

实验优化的结果显示新的Stack-up 结合Solid Bar的设计能够得到最优的翘曲降低效果。64%的期望值认为翘曲的优化结构可以达到平均35.1mil的结果。这可以很好的满足翘曲小于80mil的新设计要求。

图10 设计优化结果

3 结束语

DOE实验显示，模型和模型的两个因素对于改善此类PCB板的翘曲是由效果的。改善后的翘曲结果能够很好的满足新的设计标准的要求。推荐的最优方法是结合叠构的优化和板子图形的设号，来区分哪个数据块需要读取。

时钟：接收时钟频率为25MHz，与发送时钟成倍数关系，能够保证在lbit数据的时间中点采集数据，增加采样准确度；块号：表示接收到的块号，判断接收到的块号是否和本模块一致，若一致更新RX_BYTE2"30的数据，反之则丢弃。

3 通信信号处理系统的设计

3.1 物理层

常见的通信方式有光纤、CAN总线、R5485。其中R5485差分通信，成本低，且能满足通信距离、速率要求。

图1 板间接线图

485通信分2线制（半双工）和4线制（全双工）两种接线方式，为了提高通信速率采用4线制（全双工）连接方式接线。

3.2 通信协议

DSP主要实现子模块的控制算法，采用MODBUS软件协议，将大大增加DSP资源负担，为保证控制算法的实时性，通信控制由FPGA实现，设计了精简有效的自定义通信协议，DSP和FPGA之间通过数据总线交互数据，构成了完整的数据通路。

3.3 硬件设计

控制硬件架构采用DSP+FPGA+ARM组合，其中DSP负责完成系统控制算法，ARM完成人机界面交互及以太网等接口，FPGA负责完成模块与中央的通信。

4 结束语

综上所述，基于FPGA技术的通信信号处理设计具有灵活性强、集成度高、开发成本低等优势，且利用FPGA对通信信号进行处理后，使得信号具有较强的移植性和扩展性，在诸多领域内均可得以广泛应用。

[1]李辉，杨挺，王晖.基于FPGA的通用传感器信号处理系统设计[J].传感器与微系统，2016（03）：105-107.

[2]李晓，李芮，王志斌，等.基于DSP和FPGA的CAN总线通信系统设计[J].计算机测量与控制，2015（01）：284-286.

Improvement of winding / twisting performance of a class of automotive PCB products

Song Junqin
（Otto Arif (China) Electronics Co.,Ltd.,Shanghai,201401）

With the development of auto electronic technology and applications, radar products have been widely used in automotive electronic products. Difference with general electronic products. As radar type radar electronics need high frequency materials

and sent on the signal. Therefore, using hybrid FR4 and RF material build radar PCB.

Due to this is hybrid PCB, it always have high warpage then general PCB will impact production assembly process and reliability. Therefore, how to control this kind of warpage of PCB will be problem for PCB and SMT process.

For improving this issue, we research and analysis the causes of the problems with supplier and do DOE to find optimization plan. Change stack-up and dummy pad design can improve warpage effectively. These improvements bring benefits to the company at the same time provides some useful lessonsfor similar production.

PCB (printed wiring board); warped / twisted; automobile