一、前言

關(guān)于分板工藝振動(dòng)失效問題，筆者十?dāng)?shù)年來一直想寫些什么，但苦于經(jīng)驗(yàn)不足，唯恐誤導(dǎo)讀者，因此一直不敢動(dòng)筆。但是期間筆者親身幾次大的因分板工藝振動(dòng)產(chǎn)生的批量報(bào)廢問題，報(bào)廢成本之高（少則幾萬元多則近千萬元），解決問題歷時(shí)之長（少則幾個(gè)月多則兩三年），問題波及面之廠（少則涉及一個(gè)工廠多則波及生產(chǎn)同一系列產(chǎn)品的多個(gè)工廠），情況之嚴(yán)重（輕則涉及工廠內(nèi)部重則涉及終端客戶甚至面臨召回）實(shí)在令人咂舌，回想往事歷歷在目！

想想可能未來還會有更多的不希望發(fā)生的分板振動(dòng)事故，實(shí)在于心不忍，感到自己有義務(wù)有責(zé)任把自己所感所悟分享給同行朋友，于是大膽地執(zhí)起了筆，管中窺豹，不敢自詡，權(quán)當(dāng)是拋磚引玉吧。筆者希望能借著本文的章節(jié)內(nèi)容，為讀者打開一扇，一探分板工藝振動(dòng)失效現(xiàn)象如何？元器件失效問題產(chǎn)生的原因如何？以及如何減少、避免由此產(chǎn)生的失效？

二、分板工藝因振動(dòng)產(chǎn)生的元器件失效現(xiàn)象如何判定

2.1 元器件失效現(xiàn)象

以下是常見的元器件失效圖片，圖一為引腳受機(jī)械沖擊而頭部變尖。圖二為引腳受到振動(dòng)而頭部變得粗糙不平，圖三為音叉其中的一引腳被振斷，即圖二到圖四為振動(dòng)產(chǎn)生的失效。

小結(jié)：

以上振動(dòng)產(chǎn)生的失效都有個(gè)共同特點(diǎn)，就是斷裂面粗糙不平，有一定的褶皺， 這是金屬疲勞典型體現(xiàn)。

2.2 常見失效元器件類型

以下圖五是圖一和圖二對應(yīng)元件圖片和引腳，圖六為圖三和圖四對應(yīng)的元件圖片和引腳。這類元器件的封裝都有兩個(gè)共同特點(diǎn)，一是引腳細(xì)小或平薄，二是引腳有一定的懸空并非完全固定壓實(shí)。這在元器件受到振動(dòng)時(shí)，很容易引發(fā)共振而失效，因此這類元器件也可以稱為“振動(dòng)敏感元器件”。

左邊為圖五，右邊為圖六

2.3 振動(dòng)圖譜類型

振動(dòng)圖譜分為時(shí)域（Time Zone）(如圖七)和頻域（Frequency Zone）(如圖八)，通常分析工藝引起元器件振動(dòng)失效分析時(shí)常用后者，下文分別詳細(xì)下這兩種圖譜。

時(shí)域振動(dòng)圖譜：橫軸系列為時(shí)間（單位：秒s），縱軸坐標(biāo)為振幅或叫加速度（單位為重力加速度g=9.8 m/s^2），例圖中顯示X、Y、Z三方向的振動(dòng)圖譜。表示在不同的時(shí)間點(diǎn)產(chǎn)生的加速度，此圖譜常用于純粹的因機(jī)械疲勞產(chǎn)生的振動(dòng)，不過大多歷時(shí)較長，如數(shù)小時(shí)。

頻域振動(dòng)圖譜：橫軸系列為頻率（單位：Hz赫茲），縱軸坐標(biāo)為振幅或叫加速度（單位為重力加速度g=9.8 m/s^2），例圖中顯示X、Y、Z三方向的振動(dòng)圖譜。

表示在不同頻率點(diǎn)產(chǎn)生的加速度，此圖譜常用于因?yàn)楣舱瘢ㄏ鄳?yīng)元器件部件共振頻率與傳導(dǎo)來的振動(dòng)頻率相等）而產(chǎn)生的瞬間或短時(shí)間機(jī)械疲勞，一般歷時(shí)較短，數(shù)秒內(nèi)至數(shù)分鐘內(nèi)即可導(dǎo)致元器件損壞，而且破壞力嚴(yán)重。筆者經(jīng)歷或聽聞的因分板工藝振動(dòng)造成的元器件損壞都與共振相關(guān)，因此該圖譜常用于分析振動(dòng)造成的失效，下文也均以此圖譜來分析。

2.4 振動(dòng)如何測量

以下為用于振動(dòng)測試的準(zhǔn)備材料，把振動(dòng)傳感器粘在失效的元器件位置進(jìn)行測量。

備注：1）常用丹麥B&K公司數(shù)據(jù)采集器和傳感器（也可用美國Dytran傳感器,如下圖）。2）開啟數(shù)據(jù)采集器記錄需要分析的分板全過程，保存后再回放數(shù)據(jù)進(jìn)行分析得到時(shí)域或頻域圖譜，如圖七、圖八。

三、分板工藝振動(dòng)產(chǎn)生的原因和主要因素

3.1 分板工藝振動(dòng)產(chǎn)生的原因

本文均以離線式分板機(jī)（半自動(dòng)分板機(jī)）為例,以下是分板工藝振動(dòng)產(chǎn)生的示意圖。銑刀在切割過程由于高速旋轉(zhuǎn)（可達(dá)50000轉(zhuǎn)/分），銑刀刀刃會讓電路板產(chǎn)生劇烈振動(dòng)并傳導(dǎo)到各個(gè)元器件，甚至?xí)挂恍┰骷Y(jié)構(gòu)中的部件產(chǎn)生共振而損壞。

為了解釋銑刀分板過程中產(chǎn)生的振動(dòng)，左邊示意圖顯示銑刀分割電路板的施力圖，以其中一個(gè)刀刃受力方向?yàn)槔?。銑刀刀刃施力方向和銑刀旋轉(zhuǎn)方向不一致，會產(chǎn)生一個(gè)撥動(dòng)電路板向右的力。每個(gè)刀刃不停地高速撥動(dòng)電路板就會電路板產(chǎn)生劇烈振動(dòng)，并傳導(dǎo)給電路板上的元器件。

考慮到銑刀是由主軸驅(qū)動(dòng)的，同時(shí)主軸（下圖十綠色線體部分）與銑刀之前有個(gè)媒介-“夾頭”（如下圖十的青色填充部分），因此夾頭對銑刀的夾持的是否牢固也會造成銑刀在旋轉(zhuǎn)過程中的擺動(dòng)（如圖十一）。當(dāng)然，主軸對夾頭的固定情況也決定了夾頭的穩(wěn)定性。

3.2 分板工藝振動(dòng)產(chǎn)生的主要因素

根據(jù)上文的論述，分板工藝振動(dòng)產(chǎn)生的主要因素有：

1）銑刀：刀刃幾何形狀設(shè)計(jì)；

2）銑刀的使用壽命設(shè)定；

3）夾頭使用壽命及保養(yǎng)：夾持力異?；蚶锩嬗蟹蹓m等會造成無法夾緊銑刀；

4）主軸使用壽命：主軸異常（通常是拉桿螺牙滑絲）造成無法把夾頭拉緊；

5）分板夾具：分板過程中電路板的固定（通常是夾具）改變了振動(dòng)的傳導(dǎo)率。一般對電路板的夾持越緊，振動(dòng)傳導(dǎo)率越高，電路板上元器件的振動(dòng)越強(qiáng)。反之，振動(dòng)傳導(dǎo)率越低，電路板上元器件的振動(dòng)越弱。

6）工藝參數(shù)：銑刀行進(jìn)速度(英文：“forward speed”或“routing speed”)及旋轉(zhuǎn)速度(英文：“rotation speed”,常用“RPM: Revolutions Per Minute轉(zhuǎn)/分”來表示)。

7）元器件的組裝方式：元器件如何組裝在電路板上會影響其振動(dòng)。

8）原材料：元器件本身的結(jié)構(gòu)影響振動(dòng)產(chǎn)生的影響程度。

四、如何減少分板工藝振動(dòng)產(chǎn)生的元器件失效

減少分板工藝振動(dòng)產(chǎn)生的元器件失效，可以從兩個(gè)方面入手，一是減少頻譜（如上文2.3所說接下來均以頻域圖譜來分析闡述）的整體振動(dòng)振幅峰值；二是避開（或減少）共振頻率的振幅峰值而非控制整體振幅峰值。

4.1減少整體振動(dòng)振幅峰值

如下面圖十二，對應(yīng)元器件共振頻繁為6000Hz和10000Hz，相對圖八整體振幅峰值都低了，但是共振點(diǎn)峰值并未變化。由于圖譜整體峰值下降了，就算是有頻率振動(dòng)峰值的漂移仍安全，相對產(chǎn)品質(zhì)量來說這是最安全的控制方法。

注意：此案相對工藝控制來說，難度相當(dāng)大，成本也相當(dāng)高，部門或工廠需要評估是否劃算。

常用的工藝控制方法有：

1）改善銑刀刀刃的幾何形狀:由于銑刀的振動(dòng)主要是由于刀刃與銑刀旋轉(zhuǎn)角度不同造成的，因此可以優(yōu)化銑刀的后角使刀刃與旋轉(zhuǎn)角度最小或一致。其中圖十三相對圖十四來講，圖十四會更穩(wěn)定些，銑刀不容易崩刃，也是常用的方案。

2）設(shè)定合理的銑刀壽命：銑刀磨損達(dá)到一定程度，刀刃的切削力變差，銑刀和電路板的接觸力變大，振動(dòng)變大。另外，對于分段使用銑刀，靠近刀柄的那一段刀刃（如下圖“5”），由于銑刀的制造工藝，刀刃處于不完整的狀態(tài)，銑切振動(dòng)相當(dāng)大，不可使用。由于電路板在分板過程的跳動(dòng)，靠近相鄰段位（如下圖“4”）容易漂移過去造成振動(dòng)問題。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，靠近刀柄的的刀刃要空出2個(gè)電路板的厚度相對安全。

3）設(shè)定相對低使用壽命的夾頭：常用夾頭使用壽命一般在3個(gè)月到6個(gè)月左右，但是隨著使用壽命的增加，夾頭的夾持力會減少，因此短的使用壽命可以更好的夾持銑刀，振動(dòng)也相對會小。但是分板夾頭價(jià)格一般在近2千元左右，頻繁的更換會引起成本的增加，也會增加夾頭安裝不好的機(jī)率，需要根據(jù)質(zhì)量要求與成本控制來評估，取一個(gè)平衡點(diǎn)。

4）設(shè)定相對低使用壽命的主軸，可以使用專業(yè)維修并校準(zhǔn)后的主軸：一般主軸使用壽命在6個(gè)月至1年左右，但是隨著主軸密封環(huán)、轉(zhuǎn)子被粉塵或邊角料的沖擊，主軸的動(dòng)平衡被破壞，振動(dòng)增強(qiáng)。另外，主軸中固定夾頭的拉桿螺牙的磨損也會造成夾頭不能固定在正確位置，夾頭得不到主軸的固定無法形成很好地對銑刀的夾持，造成振動(dòng)增強(qiáng)。由于主軸價(jià)格一般在4到5萬元左右，頻繁的更換主軸會導(dǎo)致成本大幅上升，需要謹(jǐn)慎考量。

4.2 錯(cuò)開共振頻率的振幅峰值

以下面兩個(gè)圖譜為例，整體振幅峰值并無太大下降，但共振頻率的峰值右移，同樣也可以達(dá)到解決元器件振動(dòng)失效問題。

常用的方法有三種：

1）通過改變對產(chǎn)品的夾持來改變振動(dòng)頻率,如在電路板上增加固定部分（如下圖紅色夾持器，可以是壓針也可以是上蓋板等），但通過實(shí)踐，效果并不好，往往會因定夾持得牢固而提高了振動(dòng)的傳導(dǎo)率，振幅加速度增加，而且穩(wěn)定性差，因此不推薦此方案。

2）通過在產(chǎn)品下面增加軟性材料（如下圖紅色線條部分）來吸收振動(dòng)帶來的影響，一般是安裝在定位銷或支撐銷上。實(shí)踐中此方法問題頗多，首先實(shí)施難度高，不容易找到能安裝到夾具上的相關(guān)軟性材料，其次是容易損壞，最后減振效果有限，穩(wěn)定性差，此方案也不足取。

3）通過設(shè)定合理的銑刀行進(jìn)速度和旋轉(zhuǎn)速度是常用的而且可靠的方法，大多優(yōu)化旋轉(zhuǎn)速度即可解決問題。只改變旋轉(zhuǎn)速度不影響產(chǎn)品周期時(shí)間（Cycle Time）,無額外成本，工藝管控容易，解決效果而且穩(wěn)定性良好，是一種推薦的方案。由于此方案應(yīng)用較多，因此在這里需要展開一下。

關(guān)于行進(jìn)速度和旋轉(zhuǎn)速度，以下表格中是本人做的一個(gè)實(shí)驗(yàn),規(guī)律不是特別明顯，但也有個(gè)大致的規(guī)律，可以為實(shí)際運(yùn)用指引一個(gè)方向作為參考。

備注與小結(jié)：

1)fs:為forward speed行進(jìn)速度，單位：毫米/分。RPM: Revolution per minute旋轉(zhuǎn)速度，單位：轉(zhuǎn)/分。Acceleration:加速度，單位:g。實(shí)驗(yàn)是在一個(gè)離線式分板機(jī)進(jìn)行，銑刀為一個(gè)直徑2.4毫米的進(jìn)口低振動(dòng)版本銑刀。

2)從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看，行進(jìn)速度和旋轉(zhuǎn)速度與振動(dòng)加速度沒有線性關(guān)系，也有規(guī)律也不是特別明顯。但是為了應(yīng)用，也可以總結(jié)一下大概的方向。因此使用中只是起一個(gè)方向指引的作用，非可以直接采用的規(guī)律。在運(yùn)用中可以根據(jù)此規(guī)律來設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，并需要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)試。

4.3減少振動(dòng)對元器件的影響

實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中，如果有條件的話可以從設(shè)計(jì)端入手來減少銑刀振動(dòng)對元器件的影響，這無疑是個(gè)不錯(cuò)的選擇?？梢酝ㄟ^產(chǎn)品設(shè)計(jì)來使產(chǎn)品或元器件可以兼容在不同的機(jī)器，這樣生產(chǎn)的靈活性強(qiáng)，工藝控制容易，質(zhì)量可靠性高。

1）可以通過工藝端的設(shè)計(jì)，減少元器件受到振動(dòng)的沖擊。常見的是對產(chǎn)品加膠水來減振，一是元件底部加粘（如下圖），二是元件周圍加粘。

2）可以通過采用更牢固的元器件來抵抗分板振動(dòng)造成的影響，如更粗、更厚的引線，或者改變引線結(jié)構(gòu)避免直接振動(dòng)，IC中芯片焊線貼近內(nèi)部部件平面等（如下圖）。

備注：此引線隱藏在元件本體中，與本體融為一體，與“2.2 常見失效元器件類型”中振動(dòng)敏感元器件的兩個(gè)共同特點(diǎn)都不符合，因此不屬于振動(dòng)敏感元器件的范疇，或者說屬于“非振動(dòng)敏感元器件”。

3）可以通過使用產(chǎn)品預(yù)切割，把離振動(dòng)敏感元器件近的切割區(qū)域在PCB來料時(shí)進(jìn)行預(yù)切割，這樣在振動(dòng)敏感元器件組裝后此區(qū)域就不需要分板了，對振動(dòng)敏感元器件的振動(dòng)沖擊就可以大大減少了,這是一個(gè)可行性相對較高的方案，效果也相當(dāng)好且穩(wěn)定。

審核編輯：劉清