基于RBF的人工神经网络在PCB钻孔工艺中的应用优秀毕业论文.pdf

申请上海交通大学工程硕士专业学位论文 基于基于基于基于 rbfrbfrbfrbf 的人工神经网络在的人工神经网络在的人工神经网络在的人工神经网络在 pcbpcbpcbpcb 钻孔工艺中的应用钻孔工艺中的应用钻孔工艺中的应用钻孔工艺中的应用 学学学学校 校 校 校 上海交通大学 院院院院系 系 系 系 电子信息与电气工程学院 班班班班级 级 级 级 z0903222 学学学学号 号 号 号 1090322047 工程硕士生 工程硕士生 工程硕士生 工程硕士生 孙远明 工程领域 工程领域 工程领域 工程领域 控制工程 导导导导 师师师师 i i i i 朱兰娟 副教授 导导导导 师师师师 iiiiiiii 赵晔青 高级工程师 上海交通大学上海交通大学 2020202010101010 年年 10101010 月月 a a a adissertationdissertationdissertationdissertation submittedsubmittedsubmittedsubmitted toto toto shanghaishanghaishanghaishanghai jiaojiaojiaojiaotongtongtongtonguniversityuniversityuniversityuniversity forforforfor mastermastermastermaster degreedegreedegreedegreeofofofofengineeringengineeringengineeringengineering applicationapplicationapplicationapplication ofofofof rbfrbfrbfrbfneuralneuralneuralneural networknetworknetworknetwork inininin pcbpcbpcbpcb drillingdrillingdrillingdrilling processprocessprocessprocess shanghaishanghaishanghaishanghai jiaojiaojiaojiao tongtongtongtong universityuniversityuniversityuniversity author author author author sunyuanmingsunyuanmingsunyuanmingsunyuanming specialtyspecialtyspecialtyspecialty control engineering advisadvisadvisadvisorororor prof zhulanjuan adviadviadviadvisorsorsorsor prof zhaoyeqing shanghai jiaotonguniversity shanghai p r china october 28 2011 上海交通大学上海交通大学上海交通大学上海交通大学 学位论文原创性声明学位论文原创性声明学位论文原创性声明学位论文原创性声明 本人郑重声明 所呈交的学位论文 是本人在导师的指导下 独 立进行研究工作所取得的成果 除文中已经注明引用的内容外 本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果 对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体 均已在文中以明确方式标明 本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担 学位论文作者签名 日期 年月日 上海交通大学上海交通大学上海交通大学上海交通大学 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留 使用学位论文的规定 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版 允许论文被查阅和借阅 本人授权上海交通大学可以将本学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索 可以采用影印 缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文 保密保密 在年解密后适用本授权书 本学位论文属于 不保密不保密 请在以上方框内打 学位论文作者签名 指导教师签名 日期 年月日日期 年月日 上海交通大学工程硕士学位论文摘要 第 i 页i 基于基于 rbfrbf 的人工神经网络在的人工神经网络在 pcbpcb 钻孔工艺中的应用钻孔工艺中的应用 摘摘摘摘 要要要要 pcb printedcircuitboard 中文名称为印制电路板 又称印刷电路板 印 刷线路板 是重要的电子部件 是电子元器件的支撑体 是电子元器件电气连接 的提供者 由于它是采用电子印刷术制作的 故被称为 印刷 电路板 福斯莱特电子铝基板印制电路板的发明者是奥地利人保罗 爱斯勒 pauleisler 他于 1936 年在一个收音机装置内采用了印刷电路板 1943 年 美国人将该技术大量使用于军用收音机内 1948 年 美国正式认可这个发明用 于商业用途 自 20 世纪 50 年代中期起 印刷电路版技术才开始被广泛采用 在 印制电路板出现之前 电子元器件之间的互连都是依靠电线直接连接实现的 而 现在 电路面板只是作为有效的实验工具而存在 印刷电路板在电子工业中已经 占据了绝对统治的地位 21 pcb 是当今电子工业中最为关键和活跃的一环 其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 其年增长速 度一般要高于元器件行业 3 个百分点左右 在 2001 年 it 产业泡沫破灭后 至 2003 年全球 it 产业开始复苏 pcb 行业也出现了全面复苏 2003 年我国印制 电路板产值 501 亿元 同比增长 32 40 产值跃居全球第二位 至 2007 年我国 始终保持 30 以上的年均增长速度 2008 年和 2009 年 由于金融危机引起激烈 的价格竞争 pcb 行业产值出现明显下降 尤其是 2009 年甚至出现负增长 2010 年 电子行业出现反弹 但全球 pcb 行业仅增长 10 5 而中国得益于产业转 移 产值重回 30 的高速增长 而 2011年 众多的不确定因素仍然制约着 pcb 行业的发展 需求升级已成为推动 pcb 行业发展最大的动力 为了顺应电子产品的多功 能化 小型化 轻量化的发展趋势 下一代电子系统对 pcb 的要求是高密度 高集成 封装化 微细化 多层化 hdi 板 柔性板 ic 封装板 bga csp 等 pcb 品种将成为主要增长点 它们共同的特点就是密度大幅提高 对工艺而 言精度也必须随之大幅提高 而钻孔工艺的基本目的就是要实现层与层之间的互 联 因此其精度直接影响产品的质量 本文从介绍 pcb 的基本工艺开始 到逐步深入的分析了钻孔工艺 然后仔 细研究了孔偏的成因 并列出所有可能的因素 再运用统计方法筛选出关键因素 最后通过对比各种预测数学模型并确定了用 rbf 人工神经网络作为预测模型的 方案 本文重点介绍了如何运用 matlab 工具箱建立 rbf 神经网络模型及应用 rbf 网络进行钻孔偏移分析及改善的优化模型 网络训练过程等 根据近 3 个 上海交通大学工程硕士学位论文摘要 第 ii 页ii 月的钻孔数据 通过研究 rbf 神经网络理论并分析孔偏的各关键因素 确立了 以夹头扭力和主轴动态同心度为关键因素的模型输入向量 以最直接的 x 和 y 方向的孔偏量作为输出的单隐层 rbf 网络模型 根据仿真预测结果重新设定工 艺参数 并分别进行了 3 个 lot 的 doe 试验 试验结果表明由模型得到的新工艺 参数能够很好的控制钻孔偏移量 说明此模型能反映孔偏随关键因素变化而变化 的趋势 有较高的实用价值 关键词关键词关键词关键词 pcb rbf 神经网络 钻孔偏移 rbf 算法 matlab 上海交通大学工程硕士学位论文abstract 第 iii 页iii applicationapplicationapplicationapplication ofofofof rbfrbfrbfrbfneuralneuralneuralneural networknetworknetworknetworkin in in inpcbpcbpcbpcbdrillingdrillingdrillingdrilling processprocessprocessprocess abstractabstractabstractabstract pcb just printed circuit board it sveryimportant to semiconductor industrial sinceitprovides connection for electronic components pcb applied electronic print technologythat swhy itis so called printed circuit board pauleisler austrian theinventor of pcb heapplied printed circuit boardin aradio receiver devicein1936 american applied this technologyinradio receiver for military usein1943 and 1948 us officially ratified this inventioninbusiness use fromthe50s ofthe twentieth century pcb technology has been put to use widely before that connectionofelectronic components relies on wire directly nowadays pcb technology occupiesadominate positioninelectronic industrial pcb isthemost important and active linkinelectronic industrial itis thebiggest subsection ofthewhole industrial sinceit s output value take 1 4 ofit normally thegrowth of pcb is 3 higher than electronic component industrial after theburstofdot com bubblein2001 pcb industrial got completely recovery with globeitindustrialin2003 chinese pcb output valuehit 50billion rmbin2003 32 4 increasementover thepastyear and also leap to second placein theworld 上海交通大学工程硕士学位论文abstract 第iv页iv china keep 30 annual growthrate till2007 while pcb got considerably down trendin2008 and 2009 due to financial crisis semiconductor industrial reboundin2010 while pcb just got 10 5 increasement but chinese pcb backto 30 high speed growth own to industrial relocation 2011 lotofuncertain factorsstill limit thepcb upgrade requirements has beenthestrong impetus for pcb inorder to adaptthetrend of latest electronic productlikecompact lightness and multifunction requirements for next generationofpcb ishighdensity highintegration embedded and multi layer hdi subdued ic assembly productswillbethe newgrowth point their commonalityishigh density therefore accuracy has tobeimproved accordingly for pcb process thepurpose of drilling process is providing connection between layers sothedrilling accuracy determinethepcb accuracy this paper start with brief introductionofpcb process then analyze thedrilling processindepth andtheroot cause for hole shift afterthen list all thefactors for hole shift and findout the keyfactors by using statistical method and last decide to usetherbf neural network to solvetheproblem by comparison with other tools this paper specially focus on how to use matlab toolbox to buildup rbfneuralnetwork model and how to use rbf tools to analyzethehole shift and model optimization and network training according tothedrillingdataof last3 month and analysis for rbf theory andkeyfactors finally decide to 上海交通大学工程硕士学位论文abstract 第v页v builduptherbf model by using collet torque force and spindlerunout as input andx yaxis hole shift as output resettheprocess spec base on theresult and conduct doe for3lots result showsthat thenew parameters fromthemodel can controlthe holeshift well thatmeans this model has high practical value keywords keywords keywords keywords pcb rbf neural network rbf algorithm hole shift matlab 上海交通大学工程硕士学位论文目录 第vi页vi 目目目目录录录录 申请上海交通大学工程硕士专业学位论文 i 基于 rbf的人工神经网络在 pcb钻孔工艺中的应用 i 摘摘摘摘 要要要要 i i i i abstractabstractabstractabstract iiiiiiiiiiii 第一章第一章第一章第一章绪论绪论绪论绪论 1 1 1 1 1 1 pcb 工艺简介 1 1 2 pcb 制造工艺及行业现状 1 1 3 钻孔工艺之孔偏量控制的意义 3 1 4 本文的主要内容与章节安排 3 1 5 小结 4 第二章第二章第二章第二章 钻孔偏移的概念及关键因素分析钻孔偏移的概念及关键因素分析钻孔偏移的概念及关键因素分析钻孔偏移的概念及关键因素分析 5 5 5 5 2 1引言 5 2 2 钻孔工艺及设备介绍 5 2 3 钻孔偏移的关键因素分析 6 2 3 1 钻孔工艺的主要失效模式 6 2 3 1 1 钻孔工艺失效模式分析 7 2 3 2 钻孔偏移成因分析 8 2 3 2 1 钻孔工艺设备分析 9 2 3 2 2 钻孔工艺材料分析 10 2 3 3 钻孔偏移关键因素确定 11 2 4 小结 12 第三章第三章第三章第三章 孔偏量控制方法比较研究孔偏量控制方法比较研究孔偏量控制方法比较研究孔偏量控制方法比较研究 13131313 3 1引言 13 3 2 孔偏量控制的目的和作用 13 3 3 2整理分析 15 3 3 3 提出改进措施计划 15 3 4 孔偏量控制方法的选择 15 3 4 1 一元线性回归预测 17 3 4 2 bp人工神经网络预测模型 17 3 4 3 rbf人工神经网络预测模型 18 3 4 4 钻孔偏移量控制模型的比较 18 3 5 小结 18 第四章第四章第四章第四章 基于线性回归法的钻孔工艺孔偏控制模型设计基于线性回归法的钻孔工艺孔偏控制模型设计基于线性回归法的钻孔工艺孔偏控制模型设计基于线性回归法的钻孔工艺孔偏控制模型设计 19191919 4 1引言 19 4 2 一元线性回归模型 19 上海交通大学工程硕士学位论文目录 第 vii 页vii 4 3 钻孔偏移量控制模型输入输出量的确定 21 4 4 数据采集 22 4 5 模型建立及仿真实现 23 4 5 1 模型建立 23 4 5 2 matlab工具箱 24 4 5 3 仿真实现 25 4 6 小结 28 第五章第五章第五章第五章 rbfrbfrbfrbf 神经网络介绍神经网络介绍神经网络介绍神经网络介绍 29292929 5 1引言 29 5 2 人工神经网络理论 29 5 2 1 概述 29 5 2 2 人工神经网络的特点 30 5 2 3 人工神经网络的模型结构 31 5 2 4 人工神经网络的分类 33 5 2 5 人工神经网络的学习与训练 34 5 3 rbf 神经网络 36 5 3 1 概述 36 5 3 2 rbf网络模型与结构 37 5 3 3 rbf网络模型的基本算法 37 5 3 4 rbf网络存在的问题 38 5 4 小结 39 第六章第六章第六章第六章 基于基于基于基于 rbfrbfrbfrbf 的钻孔工艺孔偏控制模型和仿真验证的钻孔工艺孔偏控制模型和仿真验证的钻孔工艺孔偏控制模型和仿真验证的钻孔工艺孔偏控制模型和仿真验证 40404040 6 1引言 40 6 2 钻孔偏移量控制模型输入输出量的确定 40 6 3 数据预处理 40 6 4 matlab 与神经网络工具箱 nnt 41 6 5 网络设计 43 6 6 模型建立及仿真实现 45 6 6 rbf 与线性回归结果之比较 48 6 6 doe 验证 48 6 7 小结 52 第七章第七章第七章第七章 总结与展望总结与展望总结与展望总结与展望 53535353 参参参参 考考考考 文文文文 献献献献 54545454 附录附录附录附录 1 1 1 1 56565656 致致致致谢谢谢谢 64646464 攻读硕士学位期间已发表或录用的论文攻读硕士学位期间已发表或录用的论文攻读硕士学位期间已发表或录用的论文攻读硕士学位期间已发表或录用的论文 65656565 上海交通大学工程硕士学位论文第一章 绪论 第 1 页1 第一章第一章第一章第一章绪论绪论绪论绪论 1 11 11 11 1 pcbpcbpcbpcb工艺简介工艺简介工艺简介工艺简介 pcb 即印刷线路板 简单来说 它的作用就是为电子元器件提供物理支撑 及元器件之间的电气互联 相对于传统的电路板 由于用铜箔代替了导线 用贴 片元件代替了传统元件 它在密度 规模和布局上都有很大改进 电路板的性能 比普通电路板强很多 1 pcb 工艺主要是用化学蚀刻的方法在覆有铜箔的玻纤布上蚀刻出电路图 然后用绝缘的半固化片将这些玻纤布一层层叠加起来形成不同层数的电路板 层 与层之间通过镀铜的小孔连接起来实现不同的功能 1 1 1 1 2 2 2 2 pcbpcbpcbpcb制造工艺及行业现状制造工艺及行业现状制造工艺及行业现状制造工艺及行业现状 pcb 整套工艺相当复杂 从最初的影像开始 将原始电路设计图转化成菲 林片然后曝光蚀刻 再到层压将基板叠起来 切边框形成统一尺寸的基板 x 光 打靶 机械钻孔钻通孔或盲孔实现层间互连 黑化使板面形成黑色氧化物层接收 镭射能量 镭射钻极小的盲孔 镀铜在小孔里镀一层铜以实现电气通路 沉金沉 银使表面的触点不被氧化 绿油保护板面防止短路 成型割出出货板 电测检验 电气性能 目检作外观检查 包装等等 牵涉到数十道工序 工艺流程图如下 上海交通大学工程硕士学位论文第一章 绪论 第 2 页2 图 1 1 pcb 工艺流程 fig 1 1 pcb process chart 这套流程属于标准流程 业内各大企业基本都一致 只是有些细节方面可能 会有差异 例如化学线的药水 有氰化亚金钾 硫酸铜 高锰酸钾 甲醛 碳酸 钠等等 不尽相同 镭射有红外也有紫外 红外是利用热量烧掉铜箔 所以必须 先作黑化处理因为光亮的铜箔是无法吸收能量的 而紫外属于化学变化 并不需 要黑化 诸如此类 2 pcb 工艺不是停滞不前的 技术突破从未停止 新工艺层出不穷 相对于 目前刚性多层印刷线路板的玻纤布覆铜箔层叠法工艺 业界最新开发的基于导电 浆料与树脂层叠工艺 其中又延伸出全层间隙孔法 alivh 无源元件埋入法 等 由于 pcb 生产过程中需要用到大量的化学制剂 对环境有一定的污染 如 何解决污染问题成了当务之急 本着遵循循环经济的 3r 原则 减量化 再利 用 再循环 处理 三废 的方法 针对 pcb 行业的废水 目前主要的处理手 段有 1 废水特别是各级洗板废水的资源化利用 2 一些浓废液的再生循环回收 利用和资源回收利用 3 印制废板及边角料的综合利用等等 3 虽然可以从一定 程度上减轻对环境的污染 但无法从根本上解决问题 于是全新的无化学线工艺 提上了日程 目前最先进的是激光喷绘法和激光蚀刻法 激光喷绘法就是由电子 工程 cad 驱动一个喷绘装置 该装置上有一个非常精密的压电喷头 向已预涂 了感光抗蚀材料的覆铜箔板上喷绘我们所需要的印制图形 一种特殊的涂料 上海交通大学工程硕士学位论文第一章 绪论 第 3 页3 它的分辨率可高达 1000 2000dpi 或以上 所喷绘的图形质量精度 图形边缘陡 直 挺括 而激光蚀刻法更容易理解 直接用激光烧蚀掉铜箔上不需要的地方以 生成所需电路 它们共同的特点就是免除了化学蚀刻工艺 从根本上解决了污染 问题 同样 当下十分流行的沉金 化银和 osp工艺也是为了满足 96 年欧盟提 出的 rohs 无铅化要求而开发出的 4 需求是推动产业升级的源动力 1 1 1 1 3 3 3 3 钻孔工艺之孔偏量控制的意义钻孔工艺之孔偏量控制的意义钻孔工艺之孔偏量控制的意义钻孔工艺之孔偏量控制的意义 所谓钻孔偏移就是指实际钻孔位和预定位之间出现的偏差 如果此偏差超出 一定范围 就会造成层与层之间连接失效而报废 而在机械钻孔工艺中 钻孔偏移是主要的报废因素 贡献 了 60 以上的 ppm 在整个 pcb 行业利润率不高的情况下 普通板 10 高端板 15 以上 钻孔成本又占整个工艺 30 左右 所以问题就显得尤为突出 如果能很好的解决 孔偏问题 将极大的提高成品率 从而降低成本 1 1 1 1 4 4 4 4 本文的主要内容与章节安排本文的主要内容与章节安排本文的主要内容与章节安排本文的主要内容与章节安排 本文将主要研究 pcb 钻孔工艺中钻孔偏移量的控制问题 重点放在研究 孔偏量控制方法上 因为孔偏造成的报废高踞所有钻孔失效中的第一位 所以孔 偏控制是当务之急 孔偏控制的作用是按照设定的工艺参数进行生产 而产品的 偏移量应当在控制的范围内而不至于报废 因此本文要研究的重点就是如何得到 优化的工艺参数而使得偏移量在控制范围之内 论文主要包括两方面的内容 1 钻孔偏移量控制方法研究 2 rbf 神 经网络用于孔偏量控制的建模和仿真的研究 章节安排如下 第一章首先对 pcb 工艺进行整体概述 随后引出钻孔偏移量控制的重要 性 最后总结了全文的内容 第二章介绍了钻孔偏移的概念及目前行业现状 随后分析了孔偏的成因并 寻找关键因素 第三章首先阐述了孔偏控制的目的和作用 随后介绍了孔偏研究的原则和 具体工作程序 最后对各种控制方法进行比较研究并最终确定了采用 rbf 神经 网络作为建模工具 第四章在第三章的基础之上 本章引出了第二个重点研究内容 也就是用 上海交通大学工程硕士学位论文第一章 绪论 第 4 页4 神经网络进行孔偏量的控制 首先概述了人工神经网络理论 包括特点 分类以 及学习训练的过程 接着重点阐述了本文将要采用的 rbf 神经网络的结构 算 法以及优缺点 第五章在介绍了神经网络模型以后 本章具体讲解了如何利用 rbf 神经 网络建立孔偏量控制模型以及相关的仿真结果分析 具体内容包括介绍了数据采 集 参数确定 matlab 神经网络工具箱的使用与编程以及验证结论 第六章作为结束语 总结了本文的工作 指出了进一步研究的方向 1 51 51 51 5 小结小结小结小结 本章作为论文的第一部分 在对钻孔偏移量控制作了一个总的介绍后 进而 阐述了本文写作的目的和意义 同时也对本文主要结构和内容作了一个概括性的 介绍 为后面几章具体内容的引入作了铺垫 上海交通大学工程硕士学位论文第二章 钻孔偏移的概念及关键因素分析 第 5 页5 第二章第二章第二章第二章 钻孔偏移的概念及关键因素分析钻孔偏移的概念及关键因素分析钻孔偏移的概念及关键因素分析钻孔偏移的概念及关键因素分析 2 12 12 12 1引言引言引言引言 pcb 诞生已有 50 年历史了 从最初的加成法 减成法到多层板积层法 pcb 工艺发生了巨大的变化 2 基板材料也从酚醛树脂层压板到环氧树脂层压板 到 时下最常用的覆铜玻纤布基材 可以说每道工序都在变化 钻孔也不例外 从通 孔到盲孔 埋孔 从大孔径到微孔 对钻孔精度的要求已跨上微米级别 随之而 来的钻孔偏移也就不可避免了 得益于产业资本转移 大多数欧美日本等发达国 家的pcb产业都已转移至我国大陆 使得我国的pcb技术跨上了行业领先地位 换言之 针对很多工艺问题也就没有参考对象了 必须通过努力自己来解决 2 2 2 2 2 2 2 2 钻孔工艺及设备介绍钻孔工艺及设备介绍钻孔工艺及设备介绍钻孔工艺及设备介绍 钻孔工艺的重要性不言而喻 首先它提供了元器件的定位功能 通常是指 0 4mm 以上的大孔 其次实现了层与层之间的互联 通常是 0 4mm 以下的小孔 从工艺流程上来说 机械钻孔工艺安排在 x 光定位之后 化学镀铜之前 x 光 定位在板面上打出 3 个直径 5 11mm 的孔 钻机就利用这 3 个孔将待加工板牢牢 地固定在钻孔台面上 而化学镀铜生产线将钻机打出的孔的孔壁上镀上一层铜以 实现导通 然后继续下工序 图 2 1 钻孔流程 fig2 1 drilling process 钻孔工艺用到 4 大原材料 即 钻针 铝板 纸垫板 胶带 钻针作用当然 是在板面上钻孔 而铝板主要是保护板子不被压伤 划伤 保证加工中钻针的准 确定位 使钻针快速 均匀的散热 纸垫板是为了让钻针钻透板子而不伤及台面 胶带是为了固定铝板 防止其滑动 x x x x rayrayrayraymdmdmdmdcoppercoppercoppercopper 上海交通大学工程硕士学位论文第二章 钻孔偏移的概念及关键因素分析 第 6 页6 首先压力脚压住板子 然后钻针在主轴的推动下以每分钟 20 万转的转速钻 穿板子 最后退针继续加工下一个孔 为了加大产能 钻孔机通常都设计有 6 个台面和 6 支主轴 可独立工作 亦 可同时加工 6 手扳 图 2 2 钻孔设备 fig2 2 drilling equipment 2 2 2 2 3 3 3 3 钻孔偏移的关键因素分析钻孔偏移的关键因素分析钻孔偏移的关键因素分析钻孔偏移的关键因素分析 引起钻孔偏移的因素很多 有工艺问题 有材料问题 有人员问题 有 可控的 也有不可控的 如要进行全面管控显然是不切实际的 起码成本是无法 接受的 所以必须找到关键因素进行管控 根据 80 20 原则 即 80 的失效是由 20 的因素引起的 我们只要找到这 20 的关键因素进行管控就能得到很好的效 果 2 3 12 3 12 3 12 3 1 钻孔工艺的主要失效模式钻孔工艺的主要失效模式钻孔工艺的主要失效模式钻孔工艺的主要失效模式 钻孔工艺的失效模式是指由于生产过程工艺参数 设备 人员等问题造成产 品质量无法达到预定的目标 具体的失效模式很多 有破孔即孔型损坏 有钻孔 未穿即通孔变成盲孔 有孔偏即偏出预订位 有毛刺即孔边不平整 还有孔数不 对即多孔或少孔等等 上海交通大学工程硕士学位论文第二章 钻孔偏移的概念及关键因素分析 第 7 页7 图 2 3 钻孔失效模式 fig2 3 drilling failure mode 2 2 2 2 3 3 3 3 1 1 1 1 1 1 1 1 钻孔工艺失效模式分析钻孔工艺失效模式分析钻孔工艺失效模式分析钻孔工艺失效模式分析 由于失效种类较多 如要同时全面改善势必要投入极大的人力物力 可操作 性不大 根据 80 20 原则 80 的报废是由于 20 的问题造成的 所以我们因该 集中精力于那 20 的因素 根据近 3 个月的数据统计 划伤 层偏 孔偏分别为 总报废的前三位 本文将致力于解决孔偏的问题 上海交通大学工程硕士学位论文第二章 钻孔偏移的概念及关键因素分析 第 8 页8 图 2 4 失效分析 fig2 4 failure analysis 2 2 2 2 3 3 3 3 2 2 2 2 钻孔偏移成因分析钻孔偏移成因分析钻孔偏移成因分析钻孔偏移成因分析 钻孔偏移有单孔偏移和整体偏移 整体偏移是指所有的孔都朝一个方向偏 移 通常是板子的定位孔打偏 或是板子在台面上未固定牢 这类问题一般比较 容易解决 而单孔偏移情况就复杂的多 单孔偏移是指大多数的孔出现无规律的 散偏 即无确定的方向性 我们通常用均方差来对这种失效进行量化 如总体偏 差值超过 25 通常会引起报废 从测量机的图形结果来看 单孔偏移的视觉效 果非常明显 即散点图呈圆形 但并不居中 单孔偏移的因素较为复杂 主要牵 涉到设备性能 材料特性及工艺参数等 上海交通大学工程硕士学位论文第二章 钻孔偏移的概念及关键因素分析 第 9 页9 图 2 5 孔偏 fig2 5 hole shift 2 2 2 2 3 3 3 3 2 1 2 1 2 1 2 1 钻孔工艺设备分析钻孔工艺设备分析钻孔工艺设备分析钻孔工艺设备分析 目前公司采用德国产 schmoll 牌的机械钻孔机进行钻孔加工 该设备有 6 支 主轴和 6 个台面 可同时加工 6 手扳 这也是当前主流设计 该设备钻孔精度可 达 5 微米 速度可达每分钟 700 孔 下钻深度达到 30mm 就单孔偏移来说 影响最大的因素应该是主轴 从工作原理上来说 台面上 先放置垫板 然后在垫板上固定生产板 最后压上铝板 而主轴通过夹爪握住钻 针 然后高速旋转下钻 直至抵达垫板 此时生产板已被钻穿 上海交通大学工程硕士学位论文第二章 钻孔偏移的概念及关键因素分析 第 10 页10 图 2 6 钻孔原理 fig2 6 drilling elements 问题是主轴高速下钻时是否能保持垂直 这里牵涉到 2 个关键因素 夹持力 和动态同心度 夹持力即夹爪握紧钻针的扭力 当钻针高速下钻时会受到反向的 作用力 如果此作用力大于夹爪的扭力 那钻针就会在夹爪内打滑 继而转速下 降 钻针就很容易在下钻过程中发生弯曲而导致孔偏 而动态同心度即指主轴在 无负载的情况下打转速 测量其同心度 如果同心度超标 那打孔时肯定会发生 散偏 因为钻针无法准确的下钻 压力脚的作用很重要 也是保证钻孔质量的关键一环 在钻针接触板面之前 压力脚会先将板面压紧 然后钻针才会下钻 否则钻针会在铝箔上打滑而发生偏 移 转速控制卡 tuma 的主要功能是精确控制转速 如果转速达不到设定值也会 造成孔偏 2 2 2 2 3 3 3 3 2 2 2 2 2 2 2 2 钻孔工艺材料分析钻孔工艺材料分析钻孔工艺材料分析钻孔工艺材料分析 钻孔工艺用到的材料主要是生产板 钻针 铝箔 纸垫板及胶带等 这些材 料会对孔偏产生影响吗 答案是肯定的 上海交通大学工程硕士学位论文第二章 钻孔偏移的概念及关键因素分析 第 11 页11 首先是生产板 各料号的板厚及铜箔厚是不同的 板厚从0 25mm到2mm 铜 箔有 8 m 和 12 m 不同厚度对钻针的阻力也各不相同 而且不同料号的孔分 布是不同的 局部的疏密会对孔偏产生一定影响 孔数也从几十孔至数万孔不等 此外 为了提高产量 pcb 厂通产会叠板生产 既每次将数块板叠起一同生产 问题就出现了 如果叠的太厚将大大影响夹爪的扭力 而且如果板子没有压紧 钻针很容易发生弯曲从而产生孔偏 这也是为什么我们只检查最下面的那层板 因为通常孔偏都发生在这里 钻针的品质也有一定影响 但更多的是断针现象 因为从数据分析来看钻针 的批次和孔偏并没有很大的相关性 铝箔主要起散热和导向的作用 所以必须和板面压实 如果有空隙 不但起 不到散热的作用还会产生孔偏 胶带的作用就是固定铝箔 纸垫板是为了让钻针打穿板子而不伤及台面 和铝箔一样属易耗品 纸垫板 必须平整 如有翘曲钻针肯定打歪 2 2 2 2 3 3 3 3 3 3 3 3 钻孔偏移关键因素确定钻孔偏移关键因素确定钻孔偏移关键因素确定钻孔偏移关键因素确定 据以上分析基本确定了主要影响孔偏的因素 接下来需要确定关键因素 也 就是改进方向 这就需要对所有因素进行排序 根据优先级来确定关键因素 factorsfactorsimpactimpactcorrectivecorrective actionactionprioritypriority 夹爪夹持力4优化设定a 动态同心度5优化设定a 压力脚4定期检查b tuma 卡4定期检查b 料号3不可控n a 钻针1无n a 铝箔2加强培训c 纸垫板5加强培训c impact 5最大 1 最小 表 2 1 关键因素分析 table2 1 key factors analysis 优先级的确定综合了影响力和可控性 如纸垫板的影响力很大 不平整的垫 板肯定会产生孔偏报废 但我们已有很规范的检查流程 所以优先级别设定为 c 而料号 钻针基本属不可控 所以无优先级可言 综上所述 基本确定了夹爪夹持力和主轴动态同心度两大关键因素 上海交通大学工程硕士学位论文第二章 钻孔偏移的概念及关键因素分析 第 12 页12 2 2 2 2 4 4 4 4 小结小结小结小结 本章节从介绍 pcb 工艺及行业现状开始 逐步分析了 pcb 制程中的各种缺 陷及成因 重点分析了孔偏的现象和原因 从设备到材料 列出了主要的因素 在根据优先等级确立了夹爪夹持力和主轴动态同心度两大关键因素 上海交通大学工程硕士学位论文第三章 孔偏量控制方法比较研究 第 13 页13 第三章第三章第三章第三章 孔偏量控制方法比较研究孔偏量控制方法比较研究孔偏量控制方法比较研究孔偏量控制方法比较研究 3 13 13 13 1引言引言引言引言 既然我们已经找到了影响孔偏的关键因素 接下来就是寻找合适的方法对这 些因素进行控制 就数学方法来说 常规的当然是数理统计 如经典的线性回归 法等 简洁高效 同时本文也引入了当下十分热门的神经网络技术进行对比 期 望找到最佳的建模方案 本章节中 首先简要介绍了孔偏控制的目的和原理 继而介绍了数据采集及 统计的工作流程 最后分别对线性回归法 bp 神经网络法及 rbf 神经网络法进 行分析比较以确定最佳方案 3 23 23 23 2 孔偏量控制的目的和作用孔偏量控制的目的和作用孔偏量控制的目的和作用孔偏量控制的目的和作用 首先要先解释孔偏量的含义 孔偏通常分为单孔偏和整体偏 而单孔偏又分 为孔偏大于 5card 和 sigma 偏 整体偏即为所有的孔都呈一定方向的偏移 方向 和偏移量都是一致的 通常我们称为 mean 值偏移 而单孔偏中的孔偏大于 5 card 是什么含义呢 card 是最小的计数单位 也就是客户要求的具体产品 但实际生 产中我们通常把 4 个 card 拼成一个array 再将若干 array 拼成一个生产板 这 是为了提高利用率 一般的生产板多为 18 至 21 寸 上海交通大学工程硕士学位论文第三章 孔偏量控制方法比较研究 第 14 页14 card array panel 图 3 1 基板组成 fig3 1 panel layout 如果测量发现有连续 5 个 card 出现单孔偏移 且孔偏量大于 50 m 那此 片板必须报废 而 sigma 偏是指部分孔出现了偏移 且无确定方向性 偏移量也 各不相同 整块板的偏移量散点图呈现出有偏移的圆形图案 而 sigma 值即为整 块板的偏移量均方差值 有特定的控制标准 显然 孔偏一旦超过控制范围就会造成报废 而受限于制程能力消除孔偏是 也是不可能的 所以我们必须将孔偏量控制在设定范围之内以减少报废 上海交通大学工程硕士学位论文第三章 孔偏量控制方法比较研究 第 15 页15 3 3 孔偏控制的工作程序 3 3 1 数据采集 无论何种统计方法 数据都是最基本的元素 真实可靠的数据是解决问题的 第一步 数据采集通常要考虑的是 和目标向量的相关性 盲目的采集会浪费大量资源 采集周期要合理 过短的采集周期不一定能反映出与目标向量的相关性 而过长的采集周期则会使数据产生冗余而加大工作量 采集时还需注意数据特性 是模拟量还是数字量 向量还是矢量等 以 确保将来数据的可加工性 本案例中据孔偏形成的关键因素进行数据采集 分别对 5 个出货量最大的料 号进行 3 个月周期的采集 过长的采集周期没有意义 因为电子产品更新很快 一种料号的生命周期通常不过 1 年 3 3 23 3 23 3 23 3 2整理分析整理分析整理分析整理分析 在收集了大量的信息资料后 要对其进行整理分析 做到去伪存真 去粗取 精 并在此基础上对这些资料进行系统地分析 研究 组织 以便作出符合客观 规律的判断 3 3 33 3 33 3 33 3 3 提出改进措施计划提出改进措施计划提出改进措施计划提出改进措施计划 根据整理分析后的资料 提出孔偏控制的改进措施计划 对预测时期的孔偏 量做出估计 为模型的确立奠定基础 3 43 43 43 4 孔偏量控制方法的选择孔偏量控制方法的选择孔偏量控制方法的选择孔偏量控制方法的选择 本文所研究的孔偏量控制方法即给定一定的偏移量 要求得到各关键因素的 控制参数 然后以优化后的参数作为 spec 设定值进行生产 得到的孔偏量应该 在规定范围内 此过程其实是预测过程 预测的前提是事物发展的规律性 借助 事物发展的历史规律就可以预测事物的未来发展趋势 因此 掌握一定数据和参 数选择后 选择哪种预测模型并不是主观随意决定的 而必须依据事物的发展规 律来决定 在选择预测模型前 必须对历史数据进行识别 研究数据的模式 并 据此选择预测模型 当然 未来并不是过去的简单映照和重复 历史的数据是受 上海交通大学工程硕士学位论文第三章 孔偏量控制方法比较研究 第 16 页16 原 始 数 据 模 式 识 别 选 择 模 型 原 始 数 据 原 始 数 据 有 效 性 检 验 选 择 最 佳 参 数 预 测 预 测 结 果 无 效 图 3 2 模型预测过程 fig 3 2 model build up 随机因素干扰的 因而用于预测模型的数据应是经过处理 筛出异常值的数据 用什么样的方法才能找出比较合适的预测模型呢 原则上讲 要经过三个步骤才 能找出比较适合的模型 第一步数据模式的识别 当数据的基本特征 就是它的平稳性 趋势 季节 性 交变性和随机性 即数据模式被识别出来以后 就可以应用相应的几种方法 从中选择相应的模型 第二步寻找模型的最佳参数 当选定了某一种预测模型以后 就要用最小二 乘法的原则来估计最佳参数值 目的是要使总的误差水平之和达到最小 一般来 说 这种原则如果靠人工计算几乎难以实现 而要借助于电子计算机实现 第三步模型的有效性检验 经过了前两个步骤 模型的种类己经选出 它具 体的参数值也己经被估计出来 那么这个模型的具体表达形式就被确定下来了 但这个模型还不能立即用于实际预测 还需要检验这个模型是否有效 图 3 2 是 建立预测模型的过程 只有经过上述三个步骤以后 才可以用这个模型进行实际预测 在预测的时 候 要根据模型的特点和数据的性质 考虑预测的最远期限 每一种预测方法都 有一定的局限性 都不是完全灵验的 预测的结果也不会是百分之百的准确 总 上海交通大学工程硕士学位论文第三章 孔偏量控制方法比较研究 第 17 页17 会存在着一定的偏差 本文选用如下几种预测方法 5 3 3 3 3 4 4 4 4 1 1 1 1 一元线性回归预测一元线性回归预测一元线性回归预测一元线性回归预测 回归预测是以相关原理为基础的预测方法 它的基本思路是 分析预测对象 与有关因素的相关联系 用适当的回归预测模型表达出来 然后再根据数学模型 预测其未来状况 常用统计指标如平均数 增减量 平均增减量 6 回归预测对数据量的要求比较大 而且有些重要的解释变量的数据难以获 得 使得有时难以实施回归预测 在收集数据方面 预测者要面对现实 积极克 服各种困难 努力采取调查法或实验法等各种有效的方法来获取预测量和解释变 量的数据 而且一般要求数据的组数要在 30 组以上 样本容量 n 30 一元线性回归预测模型的建立分如下步骤 1 选取一元线性回归模型的变量 2 绘制计算表和拟合散点图 3 计算变量间的回归系数及其相关的显著性 4 回归分析结果的应用 之后进行统计检验 预测计算 综合判断等 3 3 3 3 4 4 4 4 2 2 2 2 bpbpbpbp人工神经网络预测模型人工神经网络预测模型人工神经网络预测模型人工神经网络预测模型 作为人工神经网络的一种 bp 算法的核心是利用分析输出层的误差来估计 直接前导层的误差 再依此层层向前估计前一层的误差 这种将输出端的误差沿 着与输入信号传送相反的方向逐层向网络的输入端传递的过程被人们称为向后 传播算法 back propagation 简称 bp 算法 由于其具有广泛的适应性 已成 为目前应用最为普及人工神经网络训练算法 虽然 bp 网络得