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1、KISS the DOE 实验设计基础简介 编制：宋教授时间：2019.9.9 常规PCB工艺流程总图 C A D 数 据 或 原 图 光 绘 或 照 相 底 板 内 层 覆 铜 板 下 料 冲、钻 定 位 孔 清 洗、干 燥 制 内 层 导 电 图 形 蚀 刻 去 膜 清 洗、干 燥 电 路 检 验（A O I）导 电 图 形 氧 化 处 理 定 位、叠 层 层 压 C N C 钻 孔 去 毛 刺、清 洗 去 钻 污（凹 陷）金 属 化 孔 制 外 层 导 电 图 形 图 形 电 镀 退 除 保 护 蚀 刻 插 头 镀 金/镍 印 阻 焊、字 符 热 风 整 平（喷 纯 锡）防 氧 化 处

2、理 铣 切 外 形 检 验、检 测 包 装 成 品 外 层 覆 铜 箔 板 或 铜 箔 及 粘 结 片 下 料 加 工 定 位 孔 表 面 化 学 镀 镍 金 PCB流程中的参数从何而来n 在PCB生产过程中，DG、RG、PRES、PTH、TL、ETCH、ENING、DF、WF等工序中都有各种工艺参数，这些参数是怎么来的？n 生产流程中的参数是通过DOE得出的目录n 一、DOE的概念n 二、DOE的作用和意义n 三、DOE的术语n 四、DOE的步骤n 五、DOE的方法n 六、低分子量聚丙烯酸钠的合成n 七、讨论一、DOE的概念资源n DOEDOE（D Design esign O Of f E

3、 Experimentxperiment）的定义：通过主动控）的定义：通过主动控制影响因素的变化，观察响应变量的变化，并研究制影响因素的变化，观察响应变量的变化，并研究其中的影响。其中的影响。生产过程F(X)产品(响应变量Y)可控制因素X不可控制因素U二、DOE的作用和意义阶段一阶段一:筛选试验筛选试验阶段二阶段二:优化试验优化试验确定出关键x最佳取值寻找到所有可能影响y的关键x利用SPC 控制这些关键的X二、DOE的作用和意义n DOEDOE的意义：的意义：n 应用数理统计学的基本知识，讨论如何合理地安应用数理统计学的基本知识，讨论如何合理地安排排试验试验、取得、取得数据数据，然后进行综合科

4、学，然后进行综合科学分析分析，从，从而尽快获得而尽快获得最优组合最优组合方案。方案。n DOEDOE的作用：的作用：n 1 1、提高产量；、提高产量；n 2 2、减少变异性，与额定值或目标值更为一致；、减少变异性，与额定值或目标值更为一致；n 3 3、减少开发时间；、减少开发时间；n 4 4、减少总成本。、减少总成本。三、DOE中的术语n 1 1、响应（、响应（ResponseResponse）：）：n 实验结果中，实验结果中，y1y1、y2y2、y3y3、是我们关心的输出变、是我们关心的输出变量，通常称之为响应。量，通常称之为响应。过程u1u2y1y2y3y1y2y3x1x2x3x1x2x3

5、三、DOE中的术语n 2 2、可控因子（、可控因子（FactorFactor）：）：n 将实验过程中人为可以控制影响响应不同的输入将实验过程中人为可以控制影响响应不同的输入变量变量x1x1、x2x2、x3x3称为可控因子。称为可控因子。过程u1u2y1y2y3y1y2y3x1x2x3x1x2x3三、DOE中的术语n 3 3、不可控因子（、不可控因子（Uncontrolled FactorUncontrolled Factor）：）：n 在影响过程和结果的因子中，除了可控因子，还在影响过程和结果的因子中，除了可控因子，还包括有不可控因子包括有不可控因子u1u1、u2u2，对这些影响我们通常，对这

6、些影响我们通常很难把它控制在某个精度上。不可控因子通常也很难把它控制在某个精度上。不可控因子通常也称为称为干扰（干扰（NoiseNoise）。过程u1u2y1y2y3y1y2y3x1x2x3x1x2x3三、DOE中的术语n 4 4、水平（、水平（LevelLevel）：）：n 实验中对可控因子不同的设定值。如温度可以选实验中对可控因子不同的设定值。如温度可以选用用1010、2020、3030。n 5 5、主要影响（、主要影响（Main EffectMain Effect）：）：n 对单个因子而言，从一个水平到另一个水平的变对单个因子而言，从一个水平到另一个水平的变化对输出的平均影响。化对输出的

7、平均影响。n 6 6、交互作用（、交互作用（InteractionInteraction）：）：n 两个因子合起来对总输出的影响将高于两个单独两个因子合起来对总输出的影响将高于两个单独的因子所造成的影响。的因子所造成的影响。三、DOE中的术语n 7 7、计量特性：、计量特性：n 望大：目标值为无限大（愈大愈好）望大：目标值为无限大（愈大愈好）n 望目：目标具有一特定的目标值（愈接近愈好）望目：目标具有一特定的目标值（愈接近愈好）n 望小：目标是极端值（愈小愈好）望小：目标是极端值（愈小愈好）n 8 8、标准差（、标准差（Standard DeviationStandard Deviation）

8、：）：n 各个数据偏离平均数距离的平均数，能反应一个各个数据偏离平均数距离的平均数，能反应一个数据集的离散程度。数据集的离散程度。四、DOE的步骤为何进行试验为何进行试验确定起显著作用的因子确定起显著作用的因子X确认分析阶段所假想的确认分析阶段所假想的X量化因子量化因子X对响应对响应Y的影的影响响改进程序的系统方法改进程序的系统方法为何检验多个为何检验多个X多个改进机会多个改进机会试验设计的效率试验设计的效率估计因子间交互作用估计因子间交互作用考虑因素考虑因素试验的分辨率试验的分辨率样本数、功效和样本数、功效和Power重复和复制重复和复制划分区组划分区组试验实施的随机性试验实施的随机性叙述叙

9、述试验试验目的目的确定确定响应响应变量变量研究研究影响影响因子因子定义定义X X水平水平试验试验设计设计收集收集数据数据图形图形分析分析分析分析模型模型简化简化模型模型残差残差分析分析反应反应优化优化验证验证试验试验分析种类分析种类效应：效应：-正态检验图、正态检验图、Pareto图图析因：析因：-主要效果图、交互作用主要效果图、交互作用图图、立方图立方图-ANOVA、回归分析、回归分析优化：优化：-等值线图等值线图-反应优化反应优化器器五、DOE的方法n 一次一因素试验设计一次一因素试验设计n 全阶乘因子试验设计（全因子实验设计）全阶乘因子试验设计（全因子实验设计）n 分数阶因子试验设计（部

10、分实施因子实验设计）分数阶因子试验设计（部分实施因子实验设计）n 响应曲面设计响应曲面设计n 分步试验设计分步试验设计n 正交实验设计正交实验设计五、DOE的方法n 1、一、一次一因素试验设计（次一因素试验设计（OFAT）n OFAT：One Factor At a Timen 先固定一种组合，而其它因子保持固定，然后每次改变一先固定一种组合，而其它因子保持固定，然后每次改变一个条件，将相邻的两次实验结果进行比较，以估计两个条个条件，将相邻的两次实验结果进行比较，以估计两个条件效果的差异。件效果的差异。n OFAT实验虽简单，但对实验的实验虽简单，但对实验的效率效率造成了影响：造成了影响：n

11、可能进行了不必要的实验可能进行了不必要的实验n 找出原因因素的时间较长找出原因因素的时间较长n 不知道改变一个因素而其它因素也改变带来的影响不知道改变一个因素而其它因素也改变带来的影响n 不能发现和了解各因素的交互作用。不能发现和了解各因素的交互作用。五、DOE的方法n 2 2、全阶乘因子实验（全因子实验）：、全阶乘因子实验（全因子实验）：n 所有的组合都至少进行一次实验所有的组合都至少进行一次实验nFactorsFactorsn3n2nLevLeveleln243n81n27n9n32n16n8n4n5n4n3n2全阶乘试验的次数：全阶乘试验的次数：Runs=X Runs=X k kX-水平

12、；水平；k-因子数因子数增加一个水平要大幅度增加实验次数！增加一个水平要大幅度增加实验次数！一般因一般因子数子数4时，才时，才用全阶用全阶乘实验乘实验设计设计五、DOE的方法n 当因子水平超过当因子水平超过2 2时，实验次数呈指数增长，故时，实验次数呈指数增长，故通常只做通常只做2 2水平设计水平设计n 一般来讲：因子的高、低水平部分和中心点的水平设置，一般来讲：因子的高、低水平部分和中心点的水平设置，相当大程度上可以代替相当大程度上可以代替3 3水平设计，但试验次数大幅度减水平设计，但试验次数大幅度减少，故最常用。少，故最常用。2 2表示因子均为表示因子均为2 2水平；水平；K K表示因子数

13、量；表示因子数量；试验所需的运行次数试验所需的运行次数=2=2k k五、DOE的方法n 全因子实验的优势：全因子实验的优势：n 包含所有主要结果的信息包含所有主要结果的信息n 包含所有交互作用的信息包含所有交互作用的信息n 量化量化Y=F(X)Y=F(X)n 全因子实验的局限性：全因子实验的局限性：n 资源分配过多资源分配过多n 时间过长时间过长五、DOE的方法n 3 3、正交实验、正交实验n 通过应用正交表，它的构建，允许每一个因素的效果通过应用正交表，它的构建，允许每一个因素的效果，在数学上，独立予以的评估。，在数学上，独立予以的评估。n 可以有效的降低实验次数，进而节省时间、金钱，又可以

14、有效的降低实验次数，进而节省时间、金钱，又能得到较好的结果。能得到较好的结果。五、DOE的方法五、DOE的方法8行表示不同因子水平的组合7列表示最多7个因子1、2表示各因子的两种水平每个因子出现机会均等任意2列间组合数字各出现2次，其搭配是均等的五、DOE的方法五、DOE的方法五、DOE的方法五、DOE的方法五、DOE的方法五、DOE的方法六、低分子量聚丙烯酸的合成DOEDOE实验步骤：实验步骤：n 1 1、叙述实验目的：、叙述实验目的：n 寻找到合成低分子量聚丙烯酸钠的简易方法；寻找到合成低分子量聚丙烯酸钠的简易方法；n 分子量低于分子量低于10001000（800800左右为最佳）；左右为

15、最佳）；n 研究单体浓度、引发剂浓度、链转移剂浓度、温研究单体浓度、引发剂浓度、链转移剂浓度、温度对产物分子量的影响。度对产物分子量的影响。六、低分子量聚丙烯酸的合成n 2 2、确定响应变量：、确定响应变量：n 产物的分子量产物的分子量n 3 3、研究影响因子：、研究影响因子：n 在合成中对产物分子量有影响的因素包括：单体在合成中对产物分子量有影响的因素包括：单体浓度、引发剂浓度、链转移剂浓度、温度、碳酸浓度、引发剂浓度、链转移剂浓度、温度、碳酸钠浓度、氢氧化钠的浓度等。钠浓度、氢氧化钠的浓度等。n 本实验中，只讨论单体浓度、引发剂浓度、链转本实验中，只讨论单体浓度、引发剂浓度、链转移剂浓度、

16、温度对产物分子量的影响。移剂浓度、温度对产物分子量的影响。六、低分子量聚丙烯酸的合成n 4 4、定义、定义X X的水平：的水平：n 通过查阅相关资料，确定因子和水平如下：通过查阅相关资料，确定因子和水平如下：六、低分子量聚丙烯酸的合成n 参照参照L9L9（3434）直交表。选择）直交表。选择4 4因素、因素、3 3水平进行实水平进行实验。验。六、低分子量聚丙烯酸的合成n 5 5、实验设计部分：、实验设计部分：n（1 1）运用）运用MINITABMINITAB软件进行实验部分的设计软件进行实验部分的设计六、低分子量聚丙烯酸的合成n（2）设置各项参数）设置各项参数六、低分子量聚丙烯酸的合成n（3

17、3）生成正交实验）生成正交实验六、低分子量聚丙烯酸的合成n 6 6、收集实验数据：、收集实验数据：六、低分子量聚丙烯酸的合成n 7 7、分析实验结果：、分析实验结果：六、低分子量聚丙烯酸的合成六、低分子量聚丙烯酸的合成n 8 8、计算最佳解的预期值：、计算最佳解的预期值：n 什么是最佳解？什么是最佳解？n 在本实验中，通过图形和数据分析，取值要求信在本实验中，通过图形和数据分析，取值要求信噪比大、分子量和预期值接近、标准差小的因子噪比大、分子量和预期值接近、标准差小的因子水平作为最佳解：水平作为最佳解：n 单体浓度：单体浓度：25%25%n 引发剂浓度：引发剂浓度：5%5%n 链转移剂浓度：链

18、转移剂浓度：6%6%n 温度：温度：5555六、低分子量聚丙烯酸的合成六、低分子量聚丙烯酸的合成n 得到最佳解预测值得到最佳解预测值六、低分子量聚丙烯酸的合成n 9 9、计算验证实验的结果：、计算验证实验的结果：n 将验证实验的结果替换掉实验中的一组数据将验证实验的结果替换掉实验中的一组数据n 得到验证实验的信噪比、标准差和平均数得到验证实验的信噪比、标准差和平均数六、低分子量聚丙烯酸的合成六、低分子量聚丙烯酸的合成n 1010、实验结论、实验结论n 制备低分子量聚丙烯酸钠最优的条件是：单体浓制备低分子量聚丙烯酸钠最优的条件是：单体浓度为度为25%25%、引发剂浓度、引发剂浓度5%5%、链转移

19、剂浓度、链转移剂浓度6%6%、温度、温度为为5555。n 影响产物分子量因素中最大的是单体浓度、其次影响产物分子量因素中最大的是单体浓度、其次是引发剂浓度、然后是链转移剂浓度、最后是反是引发剂浓度、然后是链转移剂浓度、最后是反应温度应温度n 产物分子量随单体浓度和温度的增加而增大，随产物分子量随单体浓度和温度的增加而增大，随引发剂、链转移剂浓度的增加而减小。引发剂、链转移剂浓度的增加而减小。七、讨论n 不同的实验目的，采用不同的实验设计方法不同的实验目的，采用不同的实验设计方法n 1、一次一因素实验设计、一次一因素实验设计n 探讨单因素对产物分子量的影响探讨单因素对产物分子量的影响n 如固定引

20、发剂浓度、链转移剂浓度、温度，改变单体如固定引发剂浓度、链转移剂浓度、温度，改变单体浓度来研究单体浓度对产物分子量的影响。一般做浓度来研究单体浓度对产物分子量的影响。一般做5次实验，线性拟合直线，研究单体浓度对产物分子量次实验，线性拟合直线，研究单体浓度对产物分子量的影响程度。的影响程度。七、讨论n 例如：探究电镀铜过程中电流密度对铜厚的影响。例如：探究电镀铜过程中电流密度对铜厚的影响。（实验目的）实验目的）n 影响电铜厚度的因素有：电流密度、时间、温度、药影响电铜厚度的因素有：电流密度、时间、温度、药水浓度等等。水浓度等等。（确定因子）（确定因子）n 现在固定其它因素对铜厚的影响（通过选择一

21、固定程现在固定其它因素对铜厚的影响（通过选择一固定程式来实现）。探究电流密度与铜厚的关系。式来实现）。探究电流密度与铜厚的关系。（实验设（实验设计）计）七、讨论n 通过查阅电流纸，在电镀时间为通过查阅电流纸，在电镀时间为55min情况下选定如情况下选定如下一组数据：下一组数据：n 其中其中A为铜厚（为铜厚（um），），B为电流密度（为电流密度（A/dm2）七、讨论n 通过线性拟合，得到通过线性拟合，得到A和和B的关系直线，并得出直线的关系直线，并得出直线的方程为：的方程为：Y=0.1X+0.4。（数据分析）（数据分析）七、讨论n 通过电流密度与铜厚的方程通过电流密度与铜厚的方程Y=0.1X+0

22、.4,可以通过要可以通过要求的铜厚来计算电流密度的大小。求的铜厚来计算电流密度的大小。（预期结论）（预期结论）n 例如，要求计算铜厚为例如，要求计算铜厚为13um下的电流密度下的电流密度,把把X=13带入方程得到带入方程得到Y=1.7。这与前面在电流纸上看到的数。这与前面在电流纸上看到的数据一致。据一致。n 其它的数据带入方程，也与电流纸上的数据比较接近其它的数据带入方程，也与电流纸上的数据比较接近或者一致。或者一致。（验证结论）（验证结论）n 电流密度与电铜厚度的关系为：电流密度与电铜厚度的关系为：Y=0.1X+0.4。（得（得到结论）到结论）七、讨论n 2、全阶乘因子实验设计、全阶乘因子实

23、验设计n 实验信息全面，但是实验次数较多。一般只有实验信息全面，但是实验次数较多。一般只有4因子因子、2水平以下采用全因子实验。水平以下采用全因子实验。n 例如：曝光尺度和曝光时间对干膜的影响：例如：曝光尺度和曝光时间对干膜的影响：n 选用选用2因子、因子、2水平实验：水平实验：n 因子：曝光尺度（因子：曝光尺度（A）、曝光时间（）、曝光时间（B）。）。n 水平：水平：A1：6-7级，级，A2：7-9级。级。n 时间：时间：B1：25s，B2：45s。七、讨论七、讨论n 数据分析：数据分析：n 6-7级曝光时，级曝光时，UV光能量不能使引发引发剂分解，故不能光能量不能使引发引发剂分解，故不能引

24、发抗蚀剂聚合，导致显影过度。此曝光尺度下的曝光时引发抗蚀剂聚合，导致显影过度。此曝光尺度下的曝光时间没有影响。间没有影响。n 7-9级曝光时，级曝光时，UV光能量能使引发剂分解，使得抗蚀剂发光能量能使引发剂分解，使得抗蚀剂发生聚合，当曝光时间太长时，会导致抗蚀剂聚合过度，导生聚合，当曝光时间太长时，会导致抗蚀剂聚合过度，导致显影不良。可以推导出，当曝光尺度大于致显影不良。可以推导出，当曝光尺度大于9级时，也会级时，也会导致类似情况。也可以推出，当曝光时间小于导致类似情况。也可以推出，当曝光时间小于25s时，抗时，抗蚀剂聚合不足，会出现显影过度。蚀剂聚合不足，会出现显影过度。n 实验结论：实验结

25、论：n 曝光参数：曝光尺度：曝光参数：曝光尺度：7-9级，曝光时间：级，曝光时间：25s七、讨论n 3 3、正交实验设计、正交实验设计n 可以有效的降低实验次数，进而节省时间、金钱，可以有效的降低实验次数，进而节省时间、金钱，又能得到较好的结果。又能得到较好的结果。n 选择最佳的参数组合使产品选择最佳的参数组合使产品对杂音最不敏感对杂音最不敏感n 应用直交表应用直交表进行原因检测和平均值的处理进行原因检测和平均值的处理n 应用直交表使变异最小应用直交表使变异最小n 最低成本最低成本KISS the DOEn KISS:KISS:K Keep eep I It t S Simple,imple,S Stupidtupidn DOE:DOE:D Design esign O Of f E Experimentxperimentn KISS the DOEKISS the DOEn 让实验设计变得简单让实验设计变得简单结束结束 谢谢谢谢