一、前言

關(guān)于分板工藝振動(dòng)失效問(wèn)題，筆者十?dāng)?shù)年來(lái)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(wèn)題，報(bào)廢成本之高（少則幾萬(wàn)元多則近千萬(wàn)元），解決問(wèn)題歷時(shí)之長(zhǎng)（少則幾個(gè)月多則兩三年），問(wèn)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(lái)還會(huì)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(wèn)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(duì)應(yīng)元件圖片和引腳，圖六為圖三和圖四對(duì)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(guò)大多歷時(shí)較長(zhǎng)，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(lái)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(lái)分析。

2.4 振動(dòng)如何測(cè)量

以下為用于振動(dòng)測(cè)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(cè)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(guó)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(guò)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(guò)程由于高速旋轉(zhuǎn)（可達(dá)50000轉(zhuǎn)/分），銑刀刀刃會(huì)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(guò)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(huì)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(huì)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(duì)銑刀的夾持的是否牢固也會(huì)造成銑刀在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中的擺動(dòng)（如圖十一）。當(dāng)然，主軸對(duì)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(huì)造成無(wú)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(wú)法把夾頭拉緊；

5）分板夾具：分板過(guò)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(duì)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(lái)表示)。

7）元器件的組裝方式：元器件如何組裝在電路板上會(huì)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(shuō)接下來(lái)均以頻域圖譜來(lái)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(duì)應(yīng)元器件共振頻繁為6000Hz和10000Hz，相對(duì)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(duì)產(chǎn)品質(zhì)量來(lái)說(shuō)這是最安全的控制方法。

注意：此案相對(duì)工藝控制來(lái)說(shuō)，難度相當(dāng)大，成本也相當(dāng)高，部門或工廠需要評(píng)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(duì)圖十四來(lái)講，圖十四會(huì)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(duì)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(guò)程的跳動(dòng)，靠近相鄰段位（如下圖“4”）容易漂移過(guò)去造成振動(dòng)問(wèn)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(duì)安全。

3）設(shè)定相對(duì)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(huì)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(duì)會(huì)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(huì)引起成本的增加，也會(huì)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(lái)評(píng)估，取一個(gè)平衡點(diǎn)。

4）設(shè)定相對(duì)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(huì)造成夾頭不能固定在正確位置，夾頭得不到主軸的固定無(wú)法形成很好地對(duì)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(wàn)元左右，頻繁的更換主軸會(huì)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(wú)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(wèn)題。

常用的方法有三種：

1）通過(guò)改變對(duì)產(chǎn)品的夾持來(lái)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(guò)實(shí)踐，效果并不好，往往會(huì)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(guò)在產(chǎn)品下面增加軟性材料（如下圖紅色線條部分）來(lái)吸收振動(dòng)帶來(lái)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(wèn)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(guò)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(wèn)題。只改變旋轉(zhuǎn)速度不影響產(chǎn)品周期時(shí)間（Cycle Time）,無(wú)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(lái)看，行進(jìn)速度和旋轉(zhuǎn)速度與振動(dòng)加速度沒(méi)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(lái)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(duì)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(lái)減少銑刀振動(dòng)對(duì)元器件的影響，這無(wú)疑是個(gè)不錯(cuò)的選擇?？梢酝ㄟ^(guò)產(chǎn)品設(shè)計(jì)來(lái)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(guò)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(duì)產(chǎn)品加膠水來(lái)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(guò)采用更牢固的元器件來(lái)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(shuō)屬于“非振動(dòng)敏感元器件”。

3）可以通過(guò)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(lái)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(duì)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(duì)較高的方案，效果也相當(dāng)好且穩(wěn)定。

審核編輯：劉清