高密度组装板的分板工艺与应力控制

admin · 发表于 2019-9-27 15:53

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摘要:电子装联（Electronic Assemble）技术，已由上世纪后期较为粗糙的设计和组装，演变成如今相对成熟的精细的高密度微电子组装；技术的进步不仅丰富了电子产品的功能，也令它实现了外形的微小型化。电子产品的微小型化，要求印制板双面多层和层间高密度互连，使得板面单位面积上的元器件数量大幅增加，令板边空隙裕度（Margin）变得更小。高密度组装与微型焊点、产品形状五花八门、拼板和板材复杂多样不一而足（见图1、图2、图3&图4），对于拼板（Multiple Printed Panel）设计和分板工艺提出了更高要求。组装板从简单分割到高精度分割的变化，使分板的可靠性面临诸多挑战，分板时的应力危害以及控制也日益受到业界关注；而正确的拼板设计和分板工艺则可以有效的降低或避免相关的危害和潜在失效问题。

图1高密度组装与微型焊点图2产品形状无规则

图3拼板复杂多样图4板材不一而足

分板设备多种多样，能达到高密度组装板分板工艺要求的却屈指可数；比如手持式便携产品组装板外形精巧器件致密，能满足其高精度低应力分板的设备更少。在对新产品评估分板设备以及工艺时，需依据产品特点有的放矢正确选择：常规直线V槽或邮票孔拼板的简单基板，可通过手工辅以夹具分板（Manual&Jig Split or Break）；较难切割的直线V槽拼板，可选用走刀式切割（Moving Cutter Separate）或铡刀气动剪切（Air Pressure Shear）分板；对于拼板复杂、曲线外型和断签式连接的高密度组装板，建议采用数控机床轨迹切板（NC Router mill cutting）；对于基板厚度0.8mm以下的硬性板、软板以及软硬接合板，则可以选择钢模冲压（Die Punching）、紫外线(ultraviolet)激光切割（UV Laser Depaneling）的分板方式。UV Laser分割技术，用于薄板或软板类似产品相比传统的机械分板方式具有较大优势，这种工艺精度高无机械应力，比如用于高精密相机模块组装板分割效果良好。概而言之，每一种分板方式在生产中都有一定的适用范围，技术人员应当依据组装板的拼板方式、基板厚度和精密程度以及材质等特性，选择正确的分板设备与工艺。
高密度组装板的内层线路、焊点与器件通常很脆弱，对制程过程中各种震动波和应力破坏很敏感，因而对分板应力的管理、控制与检测变得不可或缺。机械式切割分板过程中，产生的振动破坏（Shock Crack）和变形应力破坏（Strain Crack），可能造成产品的潜在失效。如果有条件，应当在分板机上安装数位应力检测器（Digital Strain Checkers），以便对分板过程实施动态检测或监控，这无疑是重要的也是必要的。如果不能实时在线检测，高精密新产品首次切板时应当测量分板的应力情况，以便掌握切板可能给产品带来的危害。同时，应力感测器（Strain Gage Sensor）的设置需妥当，试切速度需与正常作业一致，切刀需确认良好没有磨损，以便抓取的数据准确有效。
一般地，线路板分割被放在表面组装制程的最后工序，甚至是在ICT测试和主要检查站结束后进行的，所以分板制程造成的“内伤”通常很难被发现。组装板内层线路裂痕、器件或焊点龟裂等缺陷，可能只有到用户端使用时才能被发现，这无疑会降低产品的可靠度和用户的信赖满意度。为此，消除不良拼板互连设计，不折不扣地执行可制造性设计（DFM），结合正确的分板工艺和应力检测控制，可以使问题消灭在萌芽状态，从而降低故障的发生率。

关键词:高密度组装板（High-Density Assembly PCB），拼板（Multiple Printed Panel），紫外线激光切割（UV Laser Depaneling），数控轨迹切割（NC Router Mill Cutting），钢模冲压（Die Punching），手工夹具分板（Manual&Jig Split or Break），分板夹具（Separating Fixture），分板应力（Separating Strain），应力量测(Strain Gages)

1 高密度组装板的板材要求和拼板设计
自20世纪90年代初开始，高密度互连（HDI）的多层印制电路板(Mulitlayer Printed Circuit Board)，随着电子产品多功能化和小型化的潮流，在新一代电子产品上逐渐成为主流。第五代电子装联技术也就是微电子组装技术MPT（Micoelectronics Packaging Technology）的日臻成熟，尤其在手持便携式产品上得到了推广应用；而极小的0201和01005被动组件、微间距技术MPT(Micro Pitch Technology)的超窄间距UFPT(Ultra Fine Pitch)器件变得很普遍。电路板组装密度和集成度的骤然增高，以及电子产品严格的环保要求，不仅对于基板材质要求变得更为苛刻，也对拼板设计以及PCB可加工性设计（Design for Fabrication of the PCB）提出了更高的要求，使得板材的热性能、柔韧性和坚硬度较之往常大幅增加，于是在很大程度上给分板工艺增加了难度。
PCB的可制造性设计与表面组装利害尤关，设计的缺陷必然给生产制程带来困扰，比如增加工艺难度、降低生产良率和效率、增加材料损耗等问题。从技术整合管理的角度来看，拼板设计和分板工艺是必须在可制造性设计DFM（Design for Manufacture）评估阶段进行的。DFM主要研究产品本身的设计与制造系统各部分之间的相互关系，把它用于产品设计中以便将整个制造系统融合在一起进行总体优化；可以降低产品的开发周期和成本，使之顺利地投入生产。

1.1 高密度组装板的材质要求

高密度组装板表面元器件以及内层线路铜箔，距离板边或拼板连接桥（Tabs）的空隙和距离，随着产品微小型化而变得更小；为确保产品的作业安全与可靠性，有设计规范对此作了一些常规性的要求，参考图表5。不过，许多手持式便携产品往往受外形尺寸或设计的限制，难以满足安全距离不小于0.5 mm或1.0 mm规范要求；这对分板工艺和应力控制是一种挑战。

图表5线路及铜箔到分板边的安全距离

图表6有机类材质硬性基板PCB常见类型与特性

印制电路板的基板材料多种多样，比如常见的有机材质就有酚醛树脂纸质基板、复合材质基板和环氧玻璃布基板等（见图表6），而无机材质有金属基板和陶瓷基板等。从形态上说，PCB可分为硬性基板（Rigid PCB）、揉性软板（Flexible PCB）和软硬接合板（Rigid-Flex PCB）；基板材质的复杂多样使得分板工艺不能简单地搞一刀切，而是必须量体裁衣有的放矢。比如早期的纸基覆铜箔板或纸质芯复合材料CEM(Composite Epoxy Material)基板疏松脆弱易断，这类基材拼板采用常规的V-Cut槽和邮票孔方式，通过简单的手工夹具或电动走刀分板轻而易举。不过这类基材热性能和机械强度较差，不宜用于高密度组装板的无铅或高端产品上，否则易造成铜皮起泡和基板翘曲等不良现象。
高密度组装板通常采用玻璃布环氧树脂基板、玻纤BT/Epoxy树脂基板和PI聚酰亚胺等优质基材，玻璃布基板分为玻璃布－环氧树脂覆铜箔板(FR4)和耐热玻璃布-环氧树脂覆铜箔板（FR5），它们的性价比高热性能及机械强度优良，日前在无铅无卤要求的产品上被普遍采用。复合材料基板CEM-3以玻璃不织布为夹心，上下表面覆盖玻璃布+环氧树脂；它由FR-4改良而来具有很大的价格优势，并以玻璃无纺布取代大部份玻璃纤维布。它们的硬度和柔韧性俱佳，是当前高密度组装硬性组装板主流基材，不过这种基板分割应力通常较大。挠性覆铜箔板（FPC）分为聚酯树脂覆铜箔板和聚酰亚胺覆铜箔板，这类基板材质柔韧性佳。特殊材质基板比如说金属类基板、陶瓷类基板和耐热热塑性基板，其拼板互连接工艺复杂多样，其分板工艺需要仔细考虑，才能获得良好的分板效果。

1.2 高密度组装的拼板与互连方式
传统的电路板拼板互连，主要有断签式、邮票板式和双面对刻V槽三种，这些方式在同一组装板上有时可能被综合应用。早期的断签式拼板为了方便掰断或剪钳切割分板，对断签尺寸规定的较为严格（长度不大于宽2.54 mm，宽度不大于2 mm）。邮票板互连方式是在断签式的基础上演变而来的，为方便分板降低分板的强度以及应力，在断签长度方向上钻5～10个直径0.8 mm的小孔，因拼板连接桥类似邮票板分割的方式而得名。这种方式在早期的简单产品上应用较广，因其分板作业容易损坏产品，不可用于高密度组装板上，其形状参考图7。双面对刻V槽拼板互连方式，多半用于矩形或正方形的规则形状组装板，当元器件不突出板边或者突出板边的器件非V槽互连边，则采用这种方式颇为理想，见图8。

图7邮票孔连接拼板方式及结构图8双面对刻V槽拼板构造

图9精密产品连接桥拼板方式

断签式而今已演变为连桥拼板互连方式，成为高密度组装板的主要拼板方式，其分板工艺也由先前的掰断方式上升为自动Router曲线切割、Punch冲裁或UV Laser分割等先进工艺，见图9。而双面对刻V槽互连拼板方式，不仅在一般性组装板的最具主流应用最广，而且在基板厚度1.2 mm以上的高密度组装板上仍然主要采用这种方式，为此下边对其另作详细阐述。

1.3 V-Cut槽拼板互连与设计要求
常规的V-Cut槽拼板互连，即通过在拼板的两面按PCB的排列纵横开V形槽，槽深及残留的基板厚度各为三分之一，误差为+/-0.15 mm，角度要求为30°至（45±5）°较为理想。通常V型槽拼板互连要求必须是直线，不允许包含曲线与弧度；V槽的角度需控制在范围内，过大容易切到导线和组件，槽太深或太浅不利于分割。然而，在实际的生产中，V槽的形状却多种多样，研发人员（RD）经常会依据板材的不同或产品特点改变V槽形状，使其变得多种多样不一而足，见图10。甚至在一些高密度组装板上，为了靠近分板边的组件离V槽稍大一些的安全距离，故意使正反面V槽差位，见图11。这种非常规的做法无疑给分板制程增加了难度，因此要求正反面对刻V形槽错位（S）不能超过0.2 mm，否则分板时可能造成切刀变形（见图12），严重时甚至损坏切刀或造成产品报废。

图10 V-Cut槽的常种形状图11正反面对刻V形槽错位　

图12 V槽错位导致切刀变形

采用V槽互连拼板因成本较低，分板作业简单易行，于是这种方式往往成为设计人员的首选方案。因而RD为了降低研发成本，节省分板的治工具费用，常常令板厚仅0.8 mm的薄板，也设计为V-Cut槽互连拼板方式。为了避免制程中断板的问题，在设计上只能降低V槽的深度，这使的V槽变得名存实亡有时仅为划痕。在生产中，变形V槽已司空见惯，比如图10（E）和（F）的浅槽，以及图（D）单刃槽，等等。对于这类变形V槽，随着分板设备及工艺的进步，其分板也变得轻松简单，于是变形V槽互连拼板在高密度组装薄板上得到了更为广泛的应用。

1.4 拼板设计要点与不良互连
组装板的拼板设计需考虑全面，首先是拼板形状及大小便于加工强度足够，制程中不会产生断板问题以及回焊后没有明显变形，组装板便于切割分开。其次，需考虑基板材料的最大利用率以便降低材料损耗，确保电路板组装效率和产品品质。其次对于元器件的布局，需注意组件排列方向不同的影响，避免分割应力而造成组件损伤；通常最靠近拼板互连和分板连接桥的地方应力较大，因此拼板时脆弱的细小焊点元器件应当力求避开这些位置。同时，异形无规则单板的电路板拼成连板时，如果是采用V槽拼板应当尽可能设计成矩形（见图13）；拼板的外框（夹持边）建议采用闭环设计，确保PCB拼板固定在夹具上后不易产生翘曲变形；板长与板宽尺寸非特殊需求，不要大于300*240 mm，拼板的工艺夹持边一般为5～10 mm；对于高密组装的薄板或FPC，拼板尺寸还可以适当小一些。
在拼板互连设计中，采用双数拼板即正反各半的拼板方式——俗称阴阳板。这种拼板方式可以节省成本，比如模板、编程时间、产前准备和生产换线时间等，从而大幅提高生产效率。阴阳板在一个拼板的同一面既有TOP面又有BOTTOM面，在生产制程中生产完一面后，不需改动生产制程和程序即可翻转生产另一面。对于阴阳板，必需是双面贴装并且不需波峰焊接和通孔回流焊接（Pin In Hole Reflow）制程；TOP与BOT面采用相同制程；工艺边MARK点两面必须对称，便于用相同的程序进行印刷、贴装和自动设备在线检测。一般说来，阴阳板的拼板互连方式与正反面不同拼板，在分板工艺上大同小异。

图13 V槽的拼板互连图14邮票孔距线路太近

图15器件覆盖了分板边图16组件离V槽太近

在拼板互连设计时，必须避免以下问题：对于邮票板拼板设计，在分板折断时基板变形和内应力较大容易导致PCB内层线路、器件或焊点破损，所以邮票孔互连的就近不能有走线或精密细间距器件，见图14。对于断签式连接桥拼板互连方式，连板之间采用数控机床铣刀分切割板时，拼板间距不能小于铣刀直径，如果最小铣刀直径是1.0 mm，最小冲槽尺寸要大于1.0 mm。组件突出板边遮住拼板连接Tab或V槽，干扰到裁板的正常作业，见图15。对于V槽拼板互连方式，拼板外框与内部小板、小板与小板之间的连接点附近不能有大的器件或伸出的器件，元器件与PCB板的边缘应留有大于1.0 mm的距离，以保证切割刀具正常运行，不良拼板设计参考图16。此外，由于断签式TAB或V-CUT联接可以增强抗板弯的强度，所以在高密度组装板上主要采用这两种方式。

2 高密度组装板的分板暨常见的分板工艺比较

分板有时又称为切板，就是将PCB边上不用的工艺边去掉或是把多拼板的各小板分开。说起来虽然很简单，但它却是PCB组装过程中很重要的一个环节。目前组装板分割的设备及其工艺有多种，下面我将对其略作阐述并重点介绍用于高密度组装板的分割设备和工艺。
常见的分板设备或装置主要有，手工以及夹具折板，电动或手推走刀式切割，铡刀气动剪切，自动轨迹铣切，钢模冲压裁断和激光切割等等。其中电动或手推走刀式切割和铡刀气动剪切，通常主要用于V-Cut槽的拼板互连板分割，这两种方式在当前的生产中应用的相对较广；而高密度组装板较厚的硬板以及不规则拼板互连，则主要是采用自动轨迹切割；薄板、软板或软硬接合板和不规则拼板则采用钢模冲裁，或者采用紫外线激光切割较为合适。紫外线激光切割是一种新型技术，切割过程中不产生机械应力，用于高密度组装的薄板、软板或软硬接合板，相比传统机械方式分板较有优势。虽然这种方式由于机器昂贵，目前市场占有率不高但后续的潜力巨大。现在，我把常见的几种分板设备性能、工艺优劣作简略对比，以便供大家参考，见图表17。

图表17 常见分板方式的优劣对比

图表18 高密度组装板的几种分割精度对比

电子制造服务企业(EMS)为了产品安全可靠地投放市场，分板作为电子组装中的重要环节已越来越引起他们的注意。电子组装的早期，分板最初都是通过手工或夹具完成，很多任务厂至今仍保留这种方式；不过这种方式不适宜用于高密度组装板的分割，因为这种分板工艺造成的基板变形和内应力很大，通常会造成电子产品的损坏甚或报废。如何根据产品特点实际情况和具体工艺要求选择分板方式，需要根据组装板的拼连方式和板材特点分别对待。高密度组装板的分割精度要求相比较高，几种重要的分板装置和工艺的精度对比，参考图表18。
下面，我将对常见的几种分板设备和工艺分别介绍，并对高密度组装板微电子便携式产品的分板工艺重点地阐述。

2.1 简单的手工以及夹具分板方式
在SMT的早期，电子产品简单板面空隙较多、元器件离分板连接桥有足够的距离，兼之元器件较大焊点粗大结实，分板时产生的危害相对较小。因此，大家对分板的工艺不怎么讲究，对此较少引起业界的关注和重视。所以，无论是V-Cut槽、邮票孔和断签式拼板连接，常见的做法就是手工配合工作台或辅以简陋的夹具分板，更有甚者对尺寸较小的实装板直接采用纯粹的手工强力折断来完成分板作业，见图19A、19B 和 19C。

图19A 纯粹的手工分板图19B手工配合工作台分板

图19C手工辅以简单夹具分板

应该说随着电子组装工艺技术的进步，采用手工掰断的分板方式已经销声匿迹了；不过一些电子代工厂为降低成本，通过手工辅以简单夹具的分板方式，还时常能见到。在一些组装密度不高的较大器件的电子产品上，如果电路板没有对振动和冲击力敏感器件，以及基板内层线路、组装元器件以及焊点离拼板连接桥或标准V槽距离较大（10 mm以上），足以缓和分板折断时PCB变形的应力危害，利用手工分板的灵活性并提高效率，在新品试投时偶或使用这种方式也无可厚非。
不过，在正常的批量性生产中，应当避免这种过时的作业方式，这种分板方式的缺陷是明显的。它首先降低了人们对产品的信赖度，手工分板受作业员的作业手法影响较大，作业手法失当将损坏产品甚或造成产品报废，所以这种旧式的分板方法绝不是个好方案。与此同时，强力折断可能会使PCB受力过度，板面震动过大造成组件和焊点龟裂，导致报废率升高或潜在失效问题。其次这种作业方式速度慢成本高，同样是只能用于直线V槽的产品上，它相比走刀式或气动剪切分板效率低许多，且这种方式作业员劳动强度大容易疲劳。
2.2 走刀式分板和气动剪切分板方式
拼板连接的若干种方式中，对刻V槽无疑是应用最广的一种；由于这种拼板方式的连接强度较好以及分板工艺简便，对分板设备要求不高，日前在一般性的产品上多半采用这种方式。在高密度组装板上，只要拼板设计以及分板工艺控制得当，这种设计和工艺同样可以应用。V槽拼板的分板设备不一而足，以走刀式切割和气动剪切两种方式最受业界青睐。采用V槽方式拼板，理想的基板厚度（T）通常需不小于1.2 mm，否则对于V槽深度与残留厚度Z之间难以两全。为保证基板的强度，Z的厚度建议不低于0.4 mm（见图20A）；当板的厚度太薄时，V槽的深度就受到限制，V槽太浅无疑增加了走刀式分板的定位难度和切坏产品的风险。
板厚1.2 mm以上对刻V槽深度1/3板厚，角度30°～90°的常规V槽；元器件与分板边之间的距离（D）满足经验公式（D=027H+0.13T，H为临界分析边组件高度，T为PCBA板厚）的要求，采用电动的走刀式分板机并备以简单的夹具，可以较好的解决这类电路板的分板问题，见图20B。分板夹具可以采用简单的铰链开合方式，材质为铝合金、防静电的工程塑料或电木制作，组装板上有元器件的地方夹具相应位置需镂空避开，以免夹具压合时压坏产品。夹具对每个单板需要有良好的定位和固定，切板时组装板以及夹具应当尽量保持水平并与分板切刀垂直，才能确保分板品质并避免损坏切刀；分板后产品在夹具内需保持整齐避免零乱，分割后需检查板边不能有毛屑。为确保分板的品质，每班作业前需检查圆刀和定位直刀的状况，确认其刀刃锋利不能有明显的钝角或缺口。

图20A常规对刻V槽与对应分板机

图20B电动走刀分板和分板安全距离

高密度组装板采用V槽拼板方式，由于受板厚或板面器件与连接桥之间的距离限制，V槽的角度和深度很小很浅甚至正反面对刻错位（见图20C），对于这种组装板的分板工艺和设备要求更高。电动走刀分板的加速度对电子零件难免有较大应力冲击；这对于高密度组装板临近分板边的微型电子器件或薄膜高集成化器件存在很高的潜在风险。为此，针对异型V槽组装板需要采用切割更安全可靠的设备以及工艺，而手推式双刀或单刀分板机或者行程很短的气动剪切机，能较好的适应这种产品的高精度分板需求，见图20D和20E。据有关资料显示，手推式走刀分板产生的振动波变形应力仅为电动式的1/3～1/2，尤其是双走刀切割对于浅形V槽切割效果更好；而气动式剪切板机由于切割行程短，对切割异型V槽产品更为安全可靠。

图20C异型V槽拼板图20D手推式双圆刀和单圆刀分板机

图20E气动剪板机与分板

走刀式和气动剪切分板，要求顶部圆刀与底部直线刀对位准确，刀尖角度上下组合需综合复杂的V槽情况，基板厚度和残厚以及线路板材质硬度等，力求切刀与组装板特性良好匹配，使切割效率和品质兼而顾之。一般地，分板机的切刀上圆刀或铡刀角度通常为6°～30°而下直线刀尖为10°～50°，切刀的材质多半为高硬度耐磨的钛合金。高密度组装板切刀锐角应当越小越好，刀刃锋利不仅利于浅形V槽的定位，也有利于降低切割应力和基板变形问题。走刀式分板保持PCBA不动，刀片来回滑动进行切割；双刀切割分为预切割和主切割两段，预切割便于对不规则的V槽进行处理，之后通过主切割再轻轻切断。
走刀式和气动剪切分板仅用于直边的V槽基板，分板前需依据组装板大小调整好切板机的行程和速度；为提高裁切精准度，气动剪板上下刀距离与板厚需调整到适当，间隙太大容易切坏产品。然后，把PCBA顺着V槽放置于切板机的直刀上固定妥当，同时拼板较多时需要使用专用夹具；踩下脚踏开关启动分板机，圆刀画过或铡刀切过V槽即完成分板。电动走刀切割速度有多个档位可供选择，对高精密度组装板切割速度不宜选择高档位，采用中速切割更能确保产品的安全与品质。经验表明走刀式分板或气动剪板，可用于板厚0.8 mm以上的几乎所有V槽拼板的产品，不过零件突出板边则不能采用此种方式，最好是零件内缩板边1 mm以上。
V-Cut槽拼板和分板的特点是，对基板较厚的产品更有优势，分板效率高具有很高的灵活性，机器本身便宜。不足之处是，分板后的毛边不好控制；对薄板V槽的要求较高，V槽的深度不足既不利于上下切刀之间的对位，亦将增加切板负荷造成较大的分板应力；而V槽太深残留的厚度不足将导致组装板回焊时翘曲或断板的问题。另外，切刀与V槽的角度需力求相近，避免压契崩裂式分板，不然易造成线路板变形、分割时噪音增大，以及断面粗糙和产生灰尘等问题。

2.3钢模冲压分板在软板和薄板上的应用优势
众所周知，厚的硬性板采用V槽拼板，通过走刀或气动剪切分板较为方便；而对于较薄的硬板、软板以及软硬结合的高密度组装板，它对于生产订单稳定的大批量产品，采用钢模冲压分板（Die Punching）是一种不错的选择。尤其是对于板厚0. 8 mm以下的薄PCB、FPC以及Rigid-Flex，其拼板无法采用V槽只能通过连接桥（Tabs）拼板方式（见图21A）。Tabs连接拼板的高密度组装板，连接桥旁边不要有过高的零件，并且尽量远离连接桥（建议3 mm以上）；同时软板上使用加强板时，连接桥不要设计在加强板上。
钢模冲压裁板，需要有性能稳定压力足够的冲压机，常见的PCBA冲压机有液压和油气联动两种方式。液压机压力较大主要用于切割Rigid Board，而油气联动汽缸分板机压力相对较小主要用于切割FPC Board或Rigid-Flex Board，分板机压力达到10吨对于一般性的板材冲裁都无问题。分板机在外型上分为立式和卧式，立式分板机母模固定不动而卧式通常母模在水平方向可以滑动，因而后者取放产品更为方便；在刀模设计上，切割后产品多半保留在母模上需手工把它取出，板边或连接桥则掉入废料盒中，见图21B。

图21A连接桥（Tabs）拼板

图21B 立式和卧式冲床及钢模构造

装配精度和加工精度决定了冲裁钢模的精度，模具冲头与母模之间的配合间隙精度至关紧要，通常FPC要求1～2μm硬性薄板3～6μm，不然冲裁时可能使基板拉伤并产生较大应力损坏产品。钢模通常分为刀模母板、脱料板、冲头固定板和顶板（模具固定板），脱料板与冲头固定板之间对于切割FPC的刀模必需安装一定数量的弹力胶柱，其作用是减缓冲头与母模分离速度，避免冲头脱模损坏产品。模具冲头通常应当比拼板连接桥（Tabs）稍大一些，仅限于产品板边之外的空隙，如此既避免分板后产品上的毛边又可防止冲头太小容易损坏。
分板模具的制作是个很复杂的过程，模具以及冲头都是采用高硬度特种钢（SKD11），模具的制作需要经过数控铣切或电火花机成型、细孔放电钻孔，线切割处理和淬火等工艺。SKD 11是日本的钢材牌号即Cr12Mo1V1，它是一种耐磨性能优异的高碳高铬合金工具钢，其尺寸稳定淬火变形小具有很高的硬度、韧度以及耐磨特性，适宜制做高精度的冲头和切刀模具等。
刀模安装到冲床时，刀模母板与脱料板之间的距离要合理，立式冲床两者之间要适当大一些，以方便取放产品；同时冲头的行程也要足够，不然无法使产品裁断。新刀模或修改过的刀模在使用前需要检验，最简明的方法是采用A4纸试裁，被裁切的位置如果悉数裁断，则可以判定刀模冲头的配合精度符合要求，反之需退回模具厂修理。
冲压分板首要的优点是分板效率较高，每动作一次可把拼板的所有小板分离出来；其次是分板的精度较高，凹凸点一般可以控制在0～0.15 mm。不过，它的缺陷也是显而易见的，这种系统没有任何灵活性，每种产品都要有相应的模具；模具制作以及维护费用较高，为防止模具在维护时造成停机，一般每个产品需准备两副模具。由于冲压时对PCB有冲击，如果刀模制作不够精良对产品的震动和伤害很大，所以只有专为冲压设计的电路板才好用这种方法分板。

2.4 自动轨迹分割（Router）以及精密锯切（Die Saw）
自动轨迹切割机（NC Router Mill Cutting）主要用于硬性基板分割，这种分板方式切割应力较小震动冲击不大，分板时组装板保持固定不动，铣刀头可以做上下或水平移动进刀，走刀轨迹按照程序设置的进行。Router切割机通常由计算机智能控制系统，X、Y和Z轴AC伺服马达驱动系统，影像识别系统，高速定位系统和组装板夹持装置（双或单托盘），以及切割粉尘吸收装置等几部分构成。Router切板程序制作简单，分割轨迹路径设置快速，能很容易地处理形状复杂尺寸各异的线路板。当前的Router切板机，为提高效率通常都是双工作台配两治具，当一个取放板时另一个则可进行切割作业，Router切板机正面与作业状况，见图22A。

图22A Router切板机正面与作业

图22B Router切板夹具底座与压盖构造

自动轨迹分板需要制作精良的专用夹具，夹具由铝合金、防静电胶木或工程塑料制成。夹具分为底座与压盖两部分，在底座以及压盖的四边对应位置需镶嵌磁铁块（磁铁直径5～10 mm厚3～6 mm），磁铁的作用是使底座与压盖接合固定。在夹具底座的对角需要安装两个定位柱（直径5～12 mm），同时在压盖上需要有与之匹配良好的定位孔，参考图22B。组装板有元器件的位置夹具底座和压盖须镂空，空间位置与元器件需有足够裕度，治具压合时不许碰触到元器件；为了排尘夹具压盖和下底座，需力求上下通风对流，以便排除切板灰尘。
分板夹具的精密度要求很高，连板PCBA以及每个单板需要有适当的定位孔（或板边定位），以便切割时产品可靠的定位固定。压盖与底座间需要有足够的接合力，压盖单边的提取力度要求（1.5～4.0 kg），普通产品2Kg左右已然足够；接合力太大作业时费力不方便，反之压不住产品可能造成切板不良。基板突出治具底座要求不少于0.2 mm，便于压盖能有效压紧产品；尺寸较大较厚时接合力要偏上限，以免切割时板子拱起切坏产品，这对于确保分板的品质精度至关紧要。

图23A 铣刀的下刀位置宽度与刀头的模拟显示

图23B拼板连接位置金属化处理而损坏铣刀

高密度组装板是否适合Router分板，在作业之前先要进行评估。PCBA每个单板之间或单板与板边的链接点距离（Z）需要大于铣刀的最小直径，比如当间隔小于1.2 mm的组装板不适宜此分板方式。一般地，铣刀最小直径为1.2 mm，于是Z的距离需大于1.5 mm，才能有利于切割时进刀与提刀，见图23Ａ。如果PCBA有零件突出板边，分板点离突出组件边缘需不小于3 mm，避免分板时切割到组件。程序走刀路径，需要计算什么样的走刀线路方案最短，走刀路径选择恰当可提高效率和分割品质。Router切割机的速度范围为1～100 mm/s，通常板厚1.0 mm的FR4板材切割速度可设定为15～40 mm/s范围。切割的进刀速度，主要看组装板的板材与板厚，并考虑切刀的主轴转速和铣刀的磨损情况，如果主轴转速较高（60000 rpm）且刀刃良好，进刀速度可设定高一些反之不宜太快。如果基板较厚且板材韧度和硬度较高，切板进刀的速度也不宜太快，否则易造成断刀或过快损坏刀具，甚或造成产品损坏。另外，拼板互连桥禁止金属化处理，不然Router切割时容易损坏铣刀，见图23B。
新产品制作生产程序时，可通过PCBA光学基准点拼板互连所有接点，找到第一片单板的铣刀切割起点、终点和走刀路径座标。良好的切板程序，应该是使切割路径最短，根据PCBA板厚以及板材特点设定恰到好处的分段换刀长度与频率，使达到最好的分板效益。新程序试切前，需对每个切割位置逐个教导调整，并令铣刀空跑一次通过影像复核路径确保无误；试切时，先切一个unit让机器暂停，确认切割效果需符合产品的尺寸规格要求。然后，分切一个连板（Panel）让制程中的品质管制人员IPQC（In Process Quality Control）检验，确保每个单板切板断面良好且没有损坏器件，务必要实施首件品质保障FAA（First Article Assurance）制度。
Router切板优点很多，它不仅可以切割规则的矩形产品，通过调整Z轴补偿值还能进行圆弧曲线的切割；对于外形不规则的手持式便携产品基板，同样轻松自如毫不费力。日前市场上Router机的精度通常是±0.02 mm，分割后以板边为基准的凹凸点一般可以控制在±0.1 mm；可分割的基板厚度几乎适合当前所有的产品。正常情况下，铣切分板产生的应力极小，对精密器件以及微型焊点不会产生潜在失效效应问题，它是目前高密度组装钢性基板切板工艺中颇为理想的方式。不过，它的不足之处是分板过程中产生较多粉尘，对产品会产生一定的污染；对于影像器件产品通常不采用此种方式。另外，这种分板机价格较高，不同产品需要专用的夹具，其分板效率相比冲压分板更低。

图24金属化孔的切割分板方式

图25 Comparison CO2-Laser Cutting Vs.UV-Laser Cutting

在分板作业中，有时难免会碰到一些很棘手的特殊产品，比如金属基板以及金属化孔的组装板；对于这些产品作高精度的分割，则需要一种很特殊的设备——晶圆切割机（Die Saw Machine）。晶圆切割机，顾名思义这种设备主要是用于高精度的晶圆切割；不过，通过它来分割这些特殊的基板却差强人意，见图24。

2.5 新型的UV Laser切割分板技术
激光切割技术依据光束波长不同可分为多种类型，比如波长为10.6μm的红外线（Infrared）IR激光和波长0.355μm为紫外线（ultraviolet）UV激光切割技术，IR激光切割使用二氧化碳（CO2）辅助，所以又称为CO2切割技术。CO2激光切割是通过聚焦镜将CO2的激光束（Diameter of focused laser beam），聚焦在材料表面产生热效应使材料熔化，同时利用与激光束同轴的压缩气体吹走被熔化的材料，并使激光束与材料沿一定轨迹作相对运动，从而形成一定形状的切缝。
CO2激光热效应高更适合金属板材切割，日前SMT的印刷模板钢片就是主要采用这种工艺方式，作业时在切割口喷射氧气为提高切割速度并清洁切口。而UV激光切割技术，利用光斑直径20μm的激光束，通过光化学效应打断分子之间的结构，来实现产品的切割分离。UV激光切割利用紫外短波长激光束，使高能量的紫外光子直接破坏柔性材料表面的分子键，达到去除材料的目的。UV激光用于电路板切割方兴未艾，那么它相比传统的机械分板方法，都有哪些优势和特点呢？

图26 UV激光切割的板边平整光滑

图27 UV Laser Beam Cutting Machine & Process

首先，这种“冷”光切割热影响区域小、切口宽度窄至30～40μm，并有效地将热效应熔融和碳化降至最低；避免了CO2激光切割时板材碳化烧焦、切割边呈锯齿状参差不齐的问题。切割效率高速度快至150 mm/s，因而热量扩散更小；而碳化极低使切口边缘更为平整干净，切割轮廓线更为精细无毛刺无粉尘问题，见图25和图26。这对于HDI/BUM高密度组装精细的刚性薄板、柔性软板以及刚-挠性板，对应力、精度、粉尘等比较敏感的电路板，以及类似产品分无疑是较好的方案，UV Laser Incision Machine & Processing，见图27。
其次，UV激光切割的精度高，其加工精度可控制在+/-20 um内，其它方式的分割精度通常最好能做到±50μm，因而它对于高密度组装板的精细间距产品切割也没有问题。新型的激光分切板机不仅具有视觉对位系统，可以通过光学对位点确定光刀切割位置，还拥有内层靶标对位和捞边边缘无接触应对位的功能，对于高精度手机相机模块的分板切割，避免了传统方式因Holder盖位偏差切坏产品的问题。同时，设备具有自动聚焦功能，通过自动识别靶标确定电路板位置和尺寸，并以此为基础自动将切割过程调至最佳。
其三，紫外激光切割以光为刀，作业不产生任何机械应力，避免了传统机械分板的应力和振动波冲击对组装板的危害。切割时切刀无接触无拉扯，可保护高密度组装板基板和敏感元器件；因此元器件可以紧靠电路板边缘放置，从而可以使装配的基板更小，实现更高装配密度从而提高板材利用率。这无应力加工方式的另一优势在于，可以降低潜在失效效应及风险并大幅提升产品的合格率。
其四，UV激光切割可用于所有板材，比如阻燃（FR）系列、复合材质（CEM）系列、陶瓷（Ceramic）、聚酰亚胺PI（Polyimid）以及其它电路板基材，图28&图29A是常见的有机板材。不过陶瓷基板采用激光切割效率较低，所以多半情况下避免此工艺而是采用V槽折断方式。激光切割用来加工硬板、揉性软板以及软硬接合板，与传统切割设备相比，显示出了强大的优越性。

图28激光切割高密度组装薄板图29A分割影像产品组装板

图29B切割机真空吸咐工作台

其五，激光切割基板时产生的汽化物、蒸化物，被完全吸入与设备配套的吸尘器中，在电路板表面不留任何残留物，确保了作业环境和产品的清洁。设备工作台配有真空吸咐装置（见图29B），对于加工柔性线路板固定快捷方便，样品加工无需太过复杂的夹具。UV激光切割的程序编写简单容易，可以由CAD数据直接驱动任意图形成型，能以较高精度处理非常复杂外形的分割，即使是对于较厚的材料它也不会有任何工具磨损，可节省费用缩短生产周期。
日前，新型的激光切割系统可加工区域为610 mm x 457 mm (24'' x 18'')，便于多块电路板通过夹具固定进入机台内拼连切割。新系统还有一个重要的特色是，其激光头和加工产品的表面之间有30 mm的空隙，可以用来加工双面都进行了表面贴装的PCBA基板。其不足之处是，激光切割机非常昂贵，而且当板厚超过0.8 mm切割效率偏低。

3 分板应力的管理、控制与测量方法
组装板在分板过程中产生的形变应力和振动冲击波，释放时足够危害到电子产品的安全。分割应力危害程度通常受拼板互连方式、分板切割工艺、器件精密度和材质硬度等影响，而高密度组装板由于本身特点在分割时所面临的内应力危害更大，决不能掉以轻心。电路板内层线路、焊接点以及精密器件，因振动冲击波和变形应力破坏而造成的损伤，一般很难在目视检查或功能检测时被发现，可能只有到用户手上通电操作时才能暴露出来。况且线路板分割通常是在最后制造工序检查结束后进行的，所以在切板过程中的分板应力检测和管理控制变得不可或缺。
因而，在制程设计与制程管制的工艺流程中，需要注意实施潜在失效与效应分析FMEA（Failure Mode and Effects Analysis），在制程设计时落实拼板的可制造性设计DMF（Design for Manufacture）法则，并加强分板工艺的生产制程管制PMP（Process Management Plan）。在新产品导入初期，相关人员需熟练掌握产品关键的品质规格CTQ（Critical To Quality），使拼板设计、分板应力造成的潜在失效项目和分板规格尺寸，在相关工具表格中无一遗漏地得到实时管制。

3.1 对分板应力的管理和控制
我们知道，除了UV Laser 切割对电路板没有应力破坏之虞，其它机械方式分板都不同程度地存在这个问题，而手工治具折板、电动走刀分割和刀模冲裁等分板方式尤其明显，为此必需认真对待并加强检测与管控。应该说在以往的分板作业当中，经验丰富的技术人员常常通过“望闻问切”的方法，来检查、管理和控制分板切割中的异常情况，也是很有效的。比如刀具磨损造成的崩裂式切割，分板过程中可能出现基板弯曲变形量大、噪声增加、断面粗糙和灰尘较多等异常现象，技术人员可以通过这些现象进行分析判断，找出症结所在并排除故障。
高密度组装硬性板，基板材质致密韧性好硬度高，使得线路板分割的应力上升，也使得分割产生的振动波破坏问题不易发现，需要专业的应力检测装置才能探测到。可以说，应力检测器是管理基板切割的钥匙，它与人工的检查方法相辅相成，并各有千秋。自动的应力检测器，可以对分板中的应力实施动态跟踪实时管理；而人工方法作为首件品质保证也是必不可少的，在分板作业中工程或品管人员不仅需确保分板的尺寸符合规格要求，还需通过显微镜检查确认切板过程中没有损坏元器件，察看切断面是否光滑平整确保分板作业正常。在每天换班时，工程技术人员需检查分板的刀具有无损坏的痕迹，并察看有无异常现象，品管人员需做好首件确认。

3.2对分板应力的检验和测量
高密度组装应力敏感型产品分板，质量管理部门有时需要提供应力分析数据与图表报告，为此需要数位应力检测仪和形变检测器装置，进行专业的分板应力测量。为了提供实时的动态检测，当今少数的专业切板机生产厂家在其设备上自带有专用的应力测量仪器。不过，对于大部份的分板设备目前还没有安装这种仪器，这就需要定期地对这些设备进行分板应力的检测与校验，参考图30A和30B。

图30A电动走刀分板应力检测图30B铡刀剪切分板应力测量

图30C 冲裁分板应力测量波形

分板应力的检测与校验，需要高度灵敏的应力感应器（Strain Gage Sensor）和检测仪（Strain Measurement Equipment），感测器的探头必须牢固地焊接或粘附在需要测量的器件位置，其固定位置必需紧挨切割边缘或者需要测量的器件，见图30C。说到应力感测器，形状有点类似于回焊曲线（Reflow Profile）热电偶。由于测量分板时的应力，只有在分板切割时才能抓取到一次数据，每个感测器也就是只能测这么一次，所以测量的成本很高。为此，每次进行测量时准备工作一定要做好，测量点必须考虑周全确保探测头有效固定，同时量测仪参数需调整到最佳的待机（Standby）状态。须知偶或一次测量出来的数据通常只能用来作参考，如果用来作为改善的依据则需要反复多次测量，倘若要做成一份有效的测试报告需花费较大的成本。经验表明，不同板材分板方式和切割工艺不同，其应力显示的波形图往往大不相同，参考图30C、30D和30E。

图30C双走刀分板应力检测显示图30D某产品剪切分板应力显示

图30E某产品铣切分板应力波形图

高密度组装板的元器件与焊点都是非常脆弱的，如果分割应力控制不当将对产品造成隐性破坏，这种潜在的失效效应无疑降低了产品的可靠性与客户的信赖度。因此，对分板应力的检测与管理，应当成为生产制程中不可缺失的一部份。
鸣谢：本文参考了TST（Total systematic Technology）、科立电子设备（KeLi Electronic Equipment）和乐普科光电技术（LPKF Laser&Electronics）公司所提供的相关资料与图片，作者在此深表谢意！

4 总结
高密度组装板不仅元器件离分板连接桥的距离接近极限，板内线路、元器件与焊点都是非常脆弱的，兼之组装板的材质硬度和韧性高于一般性基板，分板时产生的变形应力和振动冲击波，如果不加管控或控制不当足以损坏它们。尤其是产品上的超薄膜高集成化器件，施加不均衡外力时其内部会产生内应力，内应力超出薄膜的断裂临界值就会破坏薄膜，致使器件和组件板失效。为此，高密度组装板的拼板互连设计颇有讲究，其分板工艺及其设备也需充分考虑到产品的特点，分板应力的控制是其制程中不可或缺的重要组成部份。
本文介绍了常见的几种分板工艺和设备，重点介绍了走刀式分板和铡刀剪切、钢模冲压、自动轨迹切割，以及UV激光切割先进的分板工艺技术。评估选择分板设备和工艺时，需考察产品的尺寸以及精密复杂程度，未必要选择最好的但求合适的，以经济实用和高效安全为宗旨。与此同时，本文还着重介绍了日前应用最广的V-Cut槽的拼板设计和切割工艺，以及常规形态V槽演变成不同形态后电动走刀切割所面临的分板问题。变形V槽在高密度组装的硬性薄板上，亦有其特有的应用价值，通过采用双圆刀手推式走刀分板机，能较好地解决其分板难的问题。
高密度组装板的分板制程，对于新产品或分板机切刀研磨后，分板的应力和振动波的检测是必要的；为确保测量的数据具有说服力，可能还需多次测量。良好的分板效果应当是，分板切割过程中力求形变应力与振动波最小，避免内层线路、电子器件和焊点免遭应力危害；分板后产品的精度高尺寸稳定重复性好，确保切断面整齐光滑，切割位置凹凸的误差相对板边需小于±0.1 mm；作业过程较少产生灰尘和噪音，等等。

END

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[可制造性] 高密度组装板的分板工艺与应力控制

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