光模塊PCB的板邊插頭尺寸公差控制研究

紀(jì)成臣 袁斌 江旭

（吉水中電科微波科技有限公司，江西 吉安 331600）

0 引言

目前，市場(chǎng)光模塊的主流封裝為雙密度四通道小型可熱插拔（quad small form-factor pluggable double density，QSFP-DD）和八通道小型可熱插拔（octal small form-factor pluggable，OSFP），2種封裝對(duì)印制電路板（printed circuit board，PCB）板邊插頭尺寸精度和厚度精度要求極其嚴(yán)格，板與卡槽對(duì)準(zhǔn)精度的偏差將直接影響插頭插入的連接效果，偏差過大將直接導(dǎo)致接觸不良或者短路。因此±0.05 mm 成為行業(yè)首選的公差，與之前普通PCB 控制的±0.15 mm 相比，制作的難度將顯著增加。本文將從如何控制板邊插頭區(qū)域的板厚、插頭卡槽的精度展開研究，并使之達(dá)到客戶要求。

1 制造過程及影響因素分析

針對(duì)板邊插頭模塊的制造，主要管控參數(shù)分別為板厚公差±0.05 mm 和卡槽精度公差±0.05 mm 2 個(gè)項(xiàng)目。在PCB 制造過程中，制前設(shè)計(jì)、流程設(shè)計(jì)、過程參數(shù)控制、物料的選擇、設(shè)備的選擇均會(huì)對(duì)以上2項(xiàng)公差造成較大的影響。

（1）常規(guī)光模塊PCB 設(shè)計(jì)流程：資料獲取→疊層設(shè)計(jì)→流程設(shè)計(jì)→工藝流程編制（manufacture indication，MI）輸出→計(jì)算機(jī)輔助制造（computer assisted manufacturing，CAM）輸出→工具輸出。

（2）常規(guī)光模塊PCB 制造流程：開料→內(nèi)層→自動(dòng)光學(xué)檢驗(yàn)（automatic optical inspection，AOI）→壓合→鉆孔→沉銅電鍍→線路→酸性蝕刻→阻焊制作→字符制作→選化油墨/干膜→插頭鍍金→去引線→沉金→測(cè)試→成型→斜邊→最終質(zhì)量檢驗(yàn)（final quality control，F(xiàn)QC）。

目前常用的QSFP-DD 和OSFP 光模塊、雙重內(nèi)嵌式內(nèi)存模塊（dual in-line memory module，DIMM）與單邊直線內(nèi)存模塊（single inline memory module，SIMM）等儲(chǔ)存模塊均廣泛使用拔插板邊插頭，對(duì)尺寸的要求如圖1所示。

圖1 插頭尺寸公差要求

PCB 生產(chǎn)過程中，影響板邊插頭區(qū)域板厚的因素如下：①基板厚度公差；② 半固化片的數(shù)量；③壓合厚度均勻性的控制；④ 鍍層厚度的控制；⑤ 工藝流程的設(shè)定。

尺寸精度的影響因素如下：①鉆孔精度；② 線路對(duì)位精度；③銑機(jī)進(jìn)度；④ 銑帶設(shè)計(jì)方式；⑤ 測(cè)量誤差。

2 關(guān)鍵過程及技術(shù)研究

2.1 產(chǎn)品設(shè)計(jì)

針對(duì)此類型PCB 的厚度公差及尺寸公差，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中進(jìn)行如下產(chǎn)品規(guī)劃：①在板材的選用方面，選擇S1000H 板料，板料選用標(biāo)準(zhǔn)公差，確保厚度一致性；② 選用單張1080、3313、2116 玻璃纖維布的黏結(jié)片，避免多張組合時(shí)的厚度誤差變大；③板邊插頭區(qū)域內(nèi)層需要鋪銅設(shè)計(jì)，避免此區(qū)域采用黏結(jié)片填膠造成誤差變大；④ 優(yōu)化板邊流膠窗口設(shè)計(jì)，控制壓合過程中的流膠均勻度。

2.2 流程設(shè)計(jì)

針對(duì)以上類別產(chǎn)品的特殊性，采用脈沖垂直連續(xù)電鍍線（vertical conveyor plating，VCP）一次鍍夠孔銅厚度和面銅厚度，將整片板面的銅厚極差控制到5 μm 以內(nèi)，然后使用負(fù)片蝕刻工藝方式來完成線路成像，可有效減少鍍銅均勻性造成的板厚誤差。

2.3 設(shè)備選擇

針對(duì)產(chǎn)品特性，在設(shè)備的選用方面，需要保證產(chǎn)品的高精度，對(duì)關(guān)鍵設(shè)備進(jìn)行以下選型規(guī)劃：①對(duì)壓機(jī)的均勻性、鉆孔鉆機(jī)的過程能力指數(shù)（complex process capability index，CPK）需要進(jìn)行生產(chǎn)前的檢測(cè)，確保產(chǎn)品精度。壓機(jī)平整度檢測(cè)結(jié)果見表1。鉆機(jī)偏擺檢測(cè)數(shù)據(jù)如圖2 所示。② 選用脈沖式VCP 連續(xù)電鍍線，確保電鍍均勻性。③在線路制作過程中，使用激光直寫曝光機(jī)（laser direct imaging，LDI）自動(dòng)漲縮功能，自動(dòng)匹配鉆孔后漲縮，確保線路與孔的重合度在 15 μm 以內(nèi)。④ 在銑機(jī)的選用方面，使用電荷耦合器件（charge coupled device，CCD），采用粗銑+精修的走刀方式，確保銑帶和板件實(shí)際漲縮匹配。成型機(jī)主軸偏擺測(cè)量和尺寸精度檢測(cè)數(shù)據(jù)見表2和表3，其中表3判定標(biāo)準(zhǔn)為±5 mm。

表1 壓機(jī)平整度檢測(cè)結(jié)果

表2 成型主軸偏擺測(cè)量結(jié)果

表3 成型尺寸公差測(cè)量結(jié)果

圖2 鉆機(jī)偏擺檢測(cè)數(shù)據(jù)

2.4 檢測(cè)測(cè)量點(diǎn)確認(rèn)

通過上述工程設(shè)計(jì)、流程規(guī)劃及設(shè)備選型，在如下位置設(shè)定產(chǎn)品參數(shù)監(jiān)控點(diǎn)：①壓合后板厚測(cè)試；② 電鍍后銅厚及板厚測(cè)試；③成品板厚測(cè)試；④ 成品插頭卡槽測(cè)量；⑤ 成品外形尺寸測(cè)量。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1 板厚檢測(cè)結(jié)果

此板設(shè)計(jì)壓合后厚度（1.36±0.05）mm，對(duì)壓合后板件進(jìn)行九點(diǎn)法測(cè)量，檢測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)如圖3所示，均為合格。

圖3 測(cè)量壓合后板厚數(shù)據(jù)（單位：mm）

3.2 外層銅厚檢測(cè)結(jié)果

此板設(shè)計(jì)外層銅厚度≥35 μm，實(shí)際對(duì)電鍍后的板件進(jìn)行九點(diǎn)法測(cè)量，檢測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)如圖4 所示，均為合格。

圖4 電鍍后銅厚檢測(cè)數(shù)據(jù)（單位：μm）

3.3 成品板厚檢測(cè)結(jié)果

取成品板件，用千分尺測(cè)量，收集批量數(shù)據(jù)，成品板厚要求（1.46±0.05）mm，數(shù)據(jù)分析見表4和圖5。表4中，合格標(biāo)準(zhǔn)為±0.05 mm。

表4 成品板厚檢測(cè)結(jié)果

圖5 成品板厚的CPK分析結(jié)果

3.4 成品板邊插頭卡槽寬度檢測(cè)結(jié)果

取成品板件，用三次元測(cè)量，收集批量數(shù)據(jù)，成品要求（1.50±0.05）mm，數(shù)據(jù)分析見表5 和 圖6。表5中，合格標(biāo)準(zhǔn)為±0.05 mm。

表5 成品板邊插頭卡槽寬度檢測(cè)結(jié)果

圖6 板邊插頭卡槽的CPK分析結(jié)果

3.5 成品外形尺寸檢測(cè)結(jié)果

取成品板件，用三次元測(cè)量長(zhǎng)與寬，收集批量數(shù)據(jù)。成品要求長(zhǎng)邊（133.93±0.05）mm，數(shù)據(jù)分析見表6 和圖7；要求短邊（67.41±0.05）mm。數(shù)據(jù)分析見表7和圖8。

表6 成品長(zhǎng)邊尺寸檢測(cè)結(jié)果

表7 成品短邊尺寸檢測(cè)結(jié)果

圖7 外形長(zhǎng)邊尺寸的CPK分析結(jié)果

圖8 外形短邊尺寸的CPK分析結(jié)果

4 結(jié)論

（1）板邊插頭區(qū)域板厚±0.05 mm，特殊公差產(chǎn)品需要對(duì)壓合結(jié)構(gòu)、工藝流程進(jìn)行策劃和過程控制，以控制插頭板厚。

（2）板邊插頭板的區(qū)域內(nèi)層建議鋪銅設(shè)計(jì)，減少填膠造成的板厚影響。

（3）需要設(shè)計(jì)VCP 一次鍍夠+負(fù)片蝕刻工藝流程，確保電鍍均勻性受控，從而控制板厚均勻性。