基于正交表对PCB钻孔工艺参数的分析与优化

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摘要：在印制电路板（pcb）上加工微孔的数量越来越多，孔径比越来越小（目前孔径比已达1：20），加工精度要求也越来越高。对钻孔加工中影响钻孔质量的各种工艺参数进行了分析，应用正交试验的设计方法，找出影响PCB孔质量的主要因素；方差分析和极差分析的结果表明转速、进刀速和孔限是最显著的三个因素；最后确定一组最佳的钻孔工艺参数用于指导工艺参数的优化设计。

关键词：印制电路板（PCB）正交表因素水平参数优化

0 引言

目前，全球PCB产业产值占电子元件产业总产值的四分之一以上，是各个电子元件细分产业中比重最大的产业，产业规模达400亿美元。PCB钻孔技术发展迅速，逐步向微孔、盲孔、高密度孔发展，目前PCB成孔方式主要是采用数控机械钻孔[1]。随着电子科技的高速发展，对于PCB孔的要求也越来越高，现在国内外PCB钻孔技术仍然存在一些问题，如多层板高密度的孔很难控制孔径圆度，孔位精度值会偏低，且会出现残胶、披锋、孔壁粗糙等现象。孔位精度是评价钻孔质量的一个重要指标，影响孔位精度的因素有许多，如对主轴转速、进刀速度、退刀速度、下钻深度、孔限、叠板数、钻头研磨次数等。这些因素之间存在相互作用，故实际生产中很难把握各个因素的参数。实际生产中，工程师根据自己的经验来确定工艺参数的，一方面试验次数要比较多，另一方面也难以确定PCB最佳的参数组合。本文采用了正交试验设计方法，应用数理统计方法分析试验数据，得到影响PCB钻孔各因素的敏感程度及最佳钻孔工艺参数。

1 钻孔的工艺参数分析

根据专业知识和实践经验，找出对指标有影响的一切可能的因素，然后分类。一类因素的值是固定的，实验当中就取这个定值；另一类因素是变化的，用水平来表示因素的变动范围。对于非连续性的水平，只能取几个值；对于连续性的水平，可在范围内取几个水平，这里对钻孔每个因素取2水平进行分析，具体取值见表1。

2 正交试验的设计及方差分析

2.1 正交表的设计 在多因素试验中，不仅各个因素的水平改变时对试验指标有影响，而且各因素的联合搭配对试验指标也有影响，后一种影响叫做因素的交互作用。建立正交表之前要进行表头设计，在试验中，因为要考虑各因素间的交互作用，所以因素不能随便入列[2]。本试验考虑7因素，交互作用考虑8个，总共有15个，每因素取2水平，所以选用L16(215)的正交表。交互作用列表所占的列是一定的，表头设计如表2所示。

2.2 正交试验的结果分析 试验结果用CPK（Complex Process Capability index，制程能力指数）来表示钻孔的质量，CPK值越大钻孔质量就越好，CPK值由专业检测机器测出。根据表头设计、影响钻孔因素列出正交表L16(215)，根据这个表的16个方案执行试验，得到的CPK值分别为：0.994、1.128、1.030、0.984、1.249、1.437、1.589、0.918、1.241、1.957、1.261、1.334、2.022、1.306、1.615及1.877，将这16个值填入到L16(215)表格中进行偏差、方差及显著性分析，结果表明各因素对PCB钻孔参数影响主次的顺序为：

由此可得出影响PCB钻孔工艺参数的显著因素为A-转速，D-孔限，B-进刀速。

3 主要因素的参数优化

根据前面分析结果，将主轴转速、进刀速、孔限这3个因素作为主要影响因素，并把它作为实验因素，将其它因素设为固定条件，以便确定主要影响因素的最佳参数。为了更准确的分析，采用三水平的正交表L9(34)，考虑到现实的一些情况及钻孔成本，各因素的水平数值设定见表3，根据这个表做9次试验得到的结果填入表3。

3.1 参数的确定 为了直观分析因素与指标的关系，采用绘制趋势图，用因素的水平作横坐标，指标的CPK值作纵坐标，画出因素与指标的关系（趋势图），如图1，从图中可以看出：

3.1.1 主轴转速以A2为最佳，A2水平过后指标值呈下降趋势，所以取水平160krpm。

3.1.2 进刀速呈上升趋势，可取B3=24um/r，水平也可适当调高一点。

3.1.3 孔限水平在D1、D2时，效果都一样，并考虑到孔限极差小，应取D2=1500。因此，可以确定主要工艺参数的最佳水平组合为A2B3D2。

3.2 效果验证 根据正交表试验分析结果和实际情况的分析，确定出最佳PCB工艺钻孔参数：转速160krpm，进刀速24um/r，孔限1500，退刀速1000mm/min，研磨次数3次，上拉高度4mm，钻头型号选用P0353。将这一组工艺参数应用于某客户的实际生产中进行验证，其中的5次操作结果CPK值分别是2.025、2.124、2.011、2.357和2.184 ，均值达到2.14。可以看得出采用这一组工艺参数操作的稳定性很好，改善的效果也很明显。

4 结语

应用本文得到的工艺参数，钻孔质量中的孔位精度得到明显改善，表明此试验设计对实际生产具有重要的指导意义，不仅提高了钻孔质量，而且缩短工艺参数优化的时间。

参考文献：

[1]王健石.印制电路板技术标准手册[M].中国标准出版社，2007.4.

[2]翟颖妮.基于正交试验的作业车间瓶颈识别方法[J].计算机集成制造系统.2010年9月，第16卷第9期：1945-1952.

[3]应杏娟.基于正交试验设计的Ω焊缝焊接工艺参数的确定[J].数理统计与管理.2006年5月，第25卷第3期：283-286.

作者简介：管超军（1983―），男，助教，硕士，研究领域：工业工程、生产计划与控制、生产系统仿真、数字化制造等。