光模块PCB的板边插头尺寸公差控制研究.pdf

机械加工 Mechanical Processing印制电路信息 2024 No.3光模块PCB的板边插头尺寸公差控制研究纪成臣 袁斌 江旭（吉水中电科微波科技有限公司，江西 吉安 331600）摘要随着5G技术的高速发展，用作板件与结构件之间连接桥梁的印制电路板（PCB）板边插头部分，不仅要传输高速数据信号，还要承担引脚功能，因此对板边插头部分的厚度公差和外形公差要求十分严格。该位置外形尺寸偏大或偏小均会导致插头与卡槽线路连接错位，轻则电源引脚与信号引脚错位短路，烧坏板卡及设备，严重的可能引起火灾等不可预估的后果。对如何通过过程控制达到板边插头尺寸公差控制精度要求进行了探究。关键词印制电路板；板边插头；尺寸公差中图分类号：TN41文献标志码：A文章编号：10090096（2024）03001204Research on dimension tolerance control of edge-board contact in PCB for optical moduleJI Chengchen YUAN Bin JIANG Xu(Jishui CETC Microwave Technology Co.,Ltd.,Jian 331600,Jiangxi,China)AbstractWith the rapid development of 5G technology,the edge-board contact used for connecting the plate and the structural part not only needs to transmit high-speed data signals,but also undertakes the pin function.Therefore,the thickness tolerance and shape tolerance of the edge-board contact are very strict.The too large or too small size of this position will lead to the misplacement of the connection between the plug and the card slot line.This will further lead to the misplacement of the power supply pin and the signal pin,the short circuit will burn the board and equipment,and even fire and other unpredictable consequences may be caused in serious cases.This paper explores how to achieve the accuracy requirements of dimension tolerance control of edgeboard contact through process control.Key wordsprinted circuit board(PCB);edgeboard contact;dimension tolerance0引言目前，市场光模块的主流封装为双密度四通道小型可热插拔（quad small form-factor pluggable double density，QSFP-DD）和八通道小型可热插拔（octal small formfactor pluggable，OSFP），2种封装对印制电路板（printed circuit board，PCB）板边插头尺寸精度和厚度精度要求极其严格，板与卡槽对准精度的偏差将直接影响插头插入的连接效果，偏差过大将直接导致接触不良或者短路。作者简介：纪成臣（1986），工程师，硕士，主要研究方向为微波通信和光通信印制板的应用。-12印制电路信息 2024 No.3机械加工 Mechanical Processing因此0.05 mm成为行业首选的公差，与之前普通PCB控制的0.15 mm相比，制作的难度将显著增加。本文将从如何控制板边插头区域的板厚、插头卡槽的精度展开研究，并使之达到客户要求。1制造过程及影响因素分析针对板边插头模块的制造，主要管控参数分别为板厚公差0.05 mm和卡槽精度公差0.05 mm 2个项目。在PCB制造过程中，制前设计、流程设计、过程参数控制、物料的选择、设备的选择均会对以上2项公差造成较大的影响。（1）常规光模块PCB设计流程：资料获取叠 层 设 计 流 程 设 计 工 艺 流 程 编 制（manufacture indication，MI）输出计算机辅助制造（computer assisted manufacturing，CAM）输出工具输出。（2）常规光模块PCB制造流程：开料内层 自 动 光 学 检 验（automatic optical inspection，AOI）压合钻孔沉铜电镀线路酸性蚀刻阻焊制作字符制作选化油墨/干膜插头镀金去引线沉金测试成型斜边最终质量检验（final quality control，FQC）。目前常用的QSFP-DD和OSFP光模块、双重内嵌式内存模块（dual in-line memory module，DIMM）与 单 边 直 线 内 存 模 块（single inline memory module，SIMM）等储存模块均广泛使用拔插板边插头，对尺寸的要求如图1所示。PCB生产过程中，影响板边插头区域板厚的因素如下：基板厚度公差；半固化片的数量；压合厚度均匀性的控制；镀层厚度的控制；工艺流程的设定。尺寸精度的影响因素如下：钻孔精度；线路对位精度；铣机进度；铣带设计方式；测量误差。2关键过程及技术研究2.1产品设计针对此类型PCB的厚度公差及尺寸公差，在产品设计过程中进行如下产品规划：在板材的选用方面，选择 S1000H 板料，板料选用标准公差，确保厚度一致性；选用单张1080、3313、2116玻璃纤维布的黏结片，避免多张组合时的厚度误差变大；板边插头区域内层需要铺铜设计，避免此区域采用黏结片填胶造成误差变大；优化板边流胶窗口设计，控制压合过程中的流胶均匀度。2.2流程设计针对以上类别产品的特殊性，采用脉冲垂直连续电镀线（vertical conveyor plating，VCP）一次镀够孔铜厚度和面铜厚度，将整片板面的铜厚极差控制到5 m以内，然后使用负片蚀刻工艺方式来完成线路成像，可有效减少镀铜均匀性造成的板厚误差。2.3设备选择针对产品特性，在设备的选用方面，需要保证产品的高精度，对关键设备进行以下选型规划：对压机的均匀性、钻孔钻机的过程能力指数（complex process capability index，CPK）需要进行生产前的检测，确保产品精度。压机平整度检测结果见表 1。钻机偏摆检测数据如图 2 所示。选用脉冲式 VCP 连续电镀线，确保电镀均匀性。在线路制作过程中，使用激光直写曝光机（laser direct imaging，LDI）自动涨缩功能，自动匹配钻孔后涨缩，确保线路与孔的重合度在 15 m以内。在铣机的选用方面，使用电荷耦合器件（charge coupled device，CCD），采用粗铣+精修的走刀方式，确保铣带和板件实际涨缩匹配。成型机主轴偏摆测量和尺寸精度检测数据见图1插头尺寸公差要求-13机械加工 Mechanical Processing印制电路信息 2024 No.3表2和表3，其中表3判定标准为5 mm。2.4检测测量点确认通过上述工程设计、流程规划及设备选型，在如下位置设定产品参数监控点：压合后板厚测试；电镀后铜厚及板厚测试；成品板厚测试；成品插头卡槽测量；成品外形尺寸测量。3实验结果3.1板厚检测结果此板设计压合后厚度（1.360.05）mm，对压合后板件进行九点法测量，检测数据统计如图 3所示，均为合格。3.2外层铜厚检测结果此板设计外层铜厚度35 m，实际对电镀后的板件进行九点法测量，检测数据统计如图4所示，均为合格。3.3成品板厚检测结果取成品板件，用千分尺测量，收集批量数据，成品板厚要求（1.460.05）mm，数据分析见表4和图5。表4中，合格标准为0.05 mm。3.4成品板边插头卡槽宽度检测结果取成品板件，用三次元测量，收集批量数据，表1压机平整度检测结果单位：mm测量数据0.8770.8590.8880.9360.8790.9410.8540.8490.869最大值0.941最小值0.849平均值0.884R0.087注：R为极差，又称范围误差或全距（Range）。图2钻机偏摆检测数据表2成型主轴偏摆测量结果单位：m主轴1#主轴2#主轴3#主轴4#主轴转速37 kr/min6.610.312.39.847 kr/min6.810.312.310.253 kr/min7.910.512.510.5判定标准15结论合格合格合格合格表3成型尺寸公差测量结果单位：mm主轴1#2#3#4#要求值100.00100.00100.00100.00100.00100.00100.00100.00实测值99.99100.0299.98100.0299.9899.9899.9799.98100.03100.04100.04100.0499.99100.03100.03100.03100.04100.05100.06100.05100.00100.01100.03100.05100.05100.04100.05100.03100.02100.02100.02100.04结果合格合格合格合格合格合格合格合格图3测量压合后板厚数据（单位：mm）图4电镀后铜厚检测数据（单位：m）表4成品板厚检测结果单位：mm要求值1.46平均值实测值1.4701.4881.4501.4681.4581.4641.4401.4361.4451.4731.472最小值1.4841.4541.4761.4821.4771.4361.4511.4811.4641.4661.468最大值1.4431.4601.4761.4591.4621.488结果合格2.14-14印制电路信息 2024 No.3机械加工 Mechanical Processing成品要求（1.500.05）mm，数据分析见表 5 和 图6。表5中，合格标准为0.05 mm。3.5成品外形尺寸检测结果取成品板件，用三次元测量长与宽，收集批量数据。成品要求长边（133.930.05）mm，数据分析见表 6和图 7；要求短边（67.410.05）mm。数据分析见表7和图8。4结论（1）板边插头区域板厚0.05 mm，特殊公差产品需要对压合结构、工艺流程进行策划和过程控制，以控制插头板厚。（2）板边插头板的区域内层建议铺铜设计，减少填胶造成的板厚影响。（3）需要设计 VCP一次镀够+负片蚀刻工艺流程，确保电镀均匀性受控，从而控制板厚均匀性。图5成品板厚的CPK分析结果表5成品板边插头卡槽宽度检测结果单位：mm要求值1.50平均值实测值1.5251.5181.4971.5161.5221.5131.5191.5321.5061.5101.508最小值1.5111.4991.5151.5191.5141.4921.5201.5151.5091.5201.514最大值1.5101.4921.4951.5081.5201.532结果合格1.93图6板边插头卡槽的CPK分析结果表6成品长边尺寸检测结果单位：mm要求值133.93平均值实测值133.926133.945133.909133.921133.918133.920133.904133.931133.922133.934133.904最小值133.909133.921133.914133.904133.921133.904133.934133.918133.924133.914133.922最大值133.915133.936133.918133.928133.915133.945结果合格2.00图7外形长边尺寸的CPK分析结果表7成品短边尺寸检测结果单位：mm要求值67.41平均值实测值67.40267.41367.39267.41167.40967.40367.39267.42167.39467.38867.415最小值67.38267.40867.41567.40267.42267.37667.37667.38467.39267.42567.391最大值67.41267.40467.41667.39567.40767.425结果合格2.03图8外形短边尺寸的CPK分析结果-15