本文將研究確定什么參數(shù)對(duì)無鉛焊接有最大和最小影響的方法。目的是要建立一個(gè)質(zhì)量和可重復(fù)性受控的無鉛工藝...
開發(fā)一套穩(wěn)健的方法
檢驗(yàn)一個(gè)焊接工藝是否穩(wěn)健，就是要看其對(duì)于各種輸入仍維持一個(gè)穩(wěn)定輸出(合格率)的能力。輸入的變化是由“噪音”因素所造成的。甚至在印刷電路板(PCB)進(jìn)入回流爐之前，一些因素將在一個(gè)表面貼裝裝配內(nèi)變化。
首先，在工藝中使用的材料中存在變化。這些變化存在于錫膏特性如成分、潤(rùn)滑劑、粉末和氧化物；板的材料，考慮到不同的供應(yīng)商和不同的存儲(chǔ)特性；和元件。其次，變化可能發(fā)生在表面貼裝工藝的第一部分：錫膏印刷與塌落和元件貼裝。第三，噪音因素可來自制造區(qū)域的室內(nèi)條件 - 溫度與濕度。這些輸入變量要求最佳的加熱曲線，它必須對(duì)所有變量都敏感性最小，和一個(gè)量化工藝能力的方法。
回流曲線
就回流焊接而言，無鉛合金的使用直接影響過程溫度，因此影響到加熱曲線。提高熔化溫度縮小了工藝窗口，因?yàn)橐合嗑€以上的時(shí)間和允許的最高溫度250°C(為了防止元件損壞和板的脫層)沒有改變。
三角形(升溫到形成峰值)曲線
我們可以區(qū)分那些關(guān)鍵的和接近回流焊接現(xiàn)實(shí)極限的工藝和那些較不關(guān)鍵的工藝。對(duì)于PCB相對(duì)容易加熱和元件與板材料有彼此接近溫度的工藝，可以使用三角形溫度曲線(圖一)。三角形溫度曲線建議用于諸如計(jì)算機(jī)主板這樣的產(chǎn)品，它在裝配上的溫度差別小(小的ΔT)。
圖一、三角形回流溫度曲線 圖二、升溫-保溫-峰值溫度曲線
三角形溫度曲線有一些優(yōu)點(diǎn)。例如，如果錫膏針對(duì)無鉛三角形溫度曲線適當(dāng)配方，將得到更光亮的焊點(diǎn)和改善的可焊性。可是，助焊劑激化時(shí)間和溫度必須符合無鉛溫度曲線的較高溫度。三角形曲線的升溫速度是整個(gè)控制的，在該工藝中保持或多或少是相同的。其結(jié)果是焊接期間PCB材料內(nèi)的應(yīng)力較小。與傳統(tǒng)的升溫-保溫-峰值曲線比較，能量成本也較低。
升溫-保溫-峰值溫度曲線
較小的元件比較大的元件和
散熱片上升溫度快。因此，為了滿足所有元件的液相線以上時(shí)間的要求，對(duì)這些工藝寧可使用升溫-保溫-峰值溫度曲線(圖二)。保溫的目的是要減小ΔT。
在升溫-保溫-峰值溫度曲線的幾個(gè)區(qū)域，如果不適當(dāng)控制，可能造成材料中太大的應(yīng)力。首先，預(yù)熱速度應(yīng)該限制到4°C/秒，或更少，取決于規(guī)格。錫膏中的助焊劑元素應(yīng)該針對(duì)這個(gè)曲線配方，因?yàn)樘叩谋販囟瓤蓳p壞錫膏的性能；在氧化特別嚴(yán)重的峰值區(qū)必須保留足夠的活性劑。第二個(gè)溫度上升斜率出現(xiàn)在峰值區(qū)的入口，典型的極限為3°C/秒。
溫度曲線的第三個(gè)部分是冷卻區(qū)，應(yīng)該特別注意減小應(yīng)力。例如，一個(gè)陶瓷片狀電容的最大冷卻速度為-2~-4°C/秒。因此，要求一個(gè)受控的冷卻過程，因?yàn)樘厥獠牧系目煽啃院秃附狱c(diǎn)的結(jié)構(gòu)也受到影響。
對(duì)于任何一個(gè)工藝，最佳的溫度曲線可以通過一個(gè)Taguchi試驗(yàn)來確定。在試驗(yàn)中使用噪音因素將幫助確定哪一種曲線對(duì)變量敏感性最小，更加穩(wěn)定。
評(píng)估工藝
統(tǒng)計(jì)過程控制(SPC, statistical process control)用來將工藝穩(wěn)定和保持在控制之中。在焊接中，SPC用來減少可變性和提供工藝能力。典型地，X-Y坐標(biāo)圖(x-bar-range chart)和性能分析是用于這個(gè)目的的。X-Y坐標(biāo)圖是對(duì)測(cè)量變量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算的圖形表示，這里每個(gè)分組的平均值與幅度(最大-最小)用來監(jiān)測(cè)平均值或者范圍的變化；該幅度用作變量的度量。統(tǒng)計(jì)上大的改變可能表示工藝漂移、趨勢(shì)、循環(huán)模式或由于特殊原因造成的失控情況。
當(dāng)焊接工藝的最具影響的參數(shù)(如Taguchi試驗(yàn)所定義的)受到統(tǒng)計(jì)過程控制(SPC)，工藝的穩(wěn)定性和性能的改進(jìn)可以容易達(dá)到。例如，在一臺(tái)焊接設(shè)備中，硬件和軟件設(shè)計(jì)用來保持重要的參數(shù)在設(shè)定點(diǎn)的規(guī)定范圍內(nèi)。可是，即使當(dāng)一個(gè)參數(shù)在起偏差極限之內(nèi)時(shí)(沒有報(bào)警發(fā)生)，它可能已經(jīng)在統(tǒng)計(jì)上失控，或者顯示一個(gè)由于歷史數(shù)據(jù)而意想不到的狀態(tài)。
只購(gòu)買硬件和軟件不一定會(huì)得到成功的SPC。一個(gè)關(guān)鍵的考慮是可變性的減少，在特殊原因變量和普通原因變量之間有一個(gè)區(qū)別。控制圖用來消除特殊原因變量，即任何可能與可歸屬原因有聯(lián)系的變量。性能圖用來減少普通原因變量，即任何工藝固有的和只能通過工藝變化減少的變量。
在一個(gè)回流焊接工藝中，SPC的典型參數(shù)包括傳送帶速度、氣體或
加熱器溫度、液相線以上的時(shí)間和最高的峰值溫度。在一臺(tái)波峰焊接機(jī)器中，典型的參數(shù)包括傳送帶速度、接觸時(shí)間、預(yù)熱溫度(PCB或加熱器)和作用于PCB上的助焊劑數(shù)量。
圖三、描述預(yù)熱溫度的x-bar-range圖 圖四、樣品工藝能力(Cp)圖
一個(gè)X-Y坐標(biāo)圖的例子顯示在一個(gè)波峰焊接工藝中的預(yù)熱區(qū)的熱空氣溫度(圖三)。在一整天中，取樣讀數(shù)每10秒一次并分成分組，每組五個(gè)樣品。平均值與幅度在圖三中顯示。平均溫度為120.0°C，設(shè)定點(diǎn)也為120°C。該數(shù)據(jù)來自于安裝在預(yù)熱模塊中的熱電偶。記錄了來自工藝、設(shè)定和測(cè)量值的所有機(jī)器數(shù)據(jù)。管理信息文件可以導(dǎo)入SPC軟件，它將產(chǎn)生象圖三的X-Y坐標(biāo)圖和性能分析圖。
我們接受120°C±2°C的預(yù)熱溫度(熱風(fēng))，因?yàn)槲覀冎溃灰獪y(cè)量的溫度在這個(gè)極限之內(nèi)，板的溫度將不會(huì)波動(dòng)和保持在助焊劑規(guī)格內(nèi)。該數(shù)據(jù)，與上控制極限(UCL=122°C)和下控制極限(LCL=118°C)將返回一個(gè)工藝性能(Cp, process capability)值：這里Cp = 工藝能力，S = 標(biāo)準(zhǔn)偏差。
在圖四中的 Cp 圖顯示，對(duì)于預(yù)熱溫度，工藝是有能力的。我們發(fā)現(xiàn)Cp=3.55；一個(gè)穩(wěn)定的工藝要求大于1.66的Cp值。
穩(wěn)定性
一旦我們用無鉛焊錫運(yùn)行第一批產(chǎn)品，我們需要量化工藝的穩(wěn)定性。這些響應(yīng)因素可以在產(chǎn)品上測(cè)量，就象計(jì)數(shù)缺陷或從機(jī)器設(shè)定收集的數(shù)據(jù)。例如，一塊板的溫度可以用安裝在PCB上的熱電偶測(cè)量，或者熱風(fēng)的溫度可以在機(jī)器內(nèi)測(cè)量，這個(gè)溫度與PCB上的溫度是相關(guān)的。
另一種測(cè)量穩(wěn)定性的方法是用專門的校正工具，該工具將儀表騎在傳送帶上通過爐子。使用這些工具的優(yōu)點(diǎn)是它們非常穩(wěn)定，一次運(yùn)行可以測(cè)量幾個(gè)不同的參數(shù)。在多數(shù)生產(chǎn)線中，操作員有自己的測(cè)試板，熱電偶已安裝在上面。將板在爐(或者波峰焊機(jī))中運(yùn)行將很快損壞測(cè)試板因?yàn)闊o鉛焊接的溫度高。板會(huì)開始出現(xiàn)脫層和翹曲，熱電偶可能從表面脫落。
影響品質(zhì)最多的參數(shù)從我們對(duì)錫-鉛工藝的認(rèn)識(shí)和Taguchi試驗(yàn)的結(jié)果已經(jīng)知道了。我們開始計(jì)數(shù)和收集這些參數(shù)的數(shù)據(jù)。在SPC已經(jīng)證明一個(gè)參數(shù)在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)受控(Cp > 1.66)的之后，測(cè)量的間隔可以減少。使用SPC，我們只集中在一些最重要的參數(shù)上。Pareto圖也將幫助定義這些要測(cè)量的參數(shù)，以保持工藝穩(wěn)定。
X-Y坐標(biāo)圖顯示工藝的漂移、趨勢(shì)、循環(huán)模式或由于特殊原因的失控條件。在一些情況中，在失控條件實(shí)際發(fā)生之前可以采取預(yù)防性措施。
排氣與溫度條件
整個(gè)工藝已經(jīng)隨著無鉛合金的引入而改變。在機(jī)器的所有模塊中溫度已經(jīng)升高了。對(duì)于回流焊接，得到的是更高的溫區(qū)和峰值溫度。對(duì)于冷卻區(qū)，要求比正常更有效的冷卻方法，因?yàn)榉逯禍囟雀吡恕t子要設(shè)計(jì)滿足這些更高的溫度，但是，在實(shí)施的這個(gè)階段，機(jī)器溫度應(yīng)該驗(yàn)證。
無鉛錫膏具有和傳統(tǒng)錫-鉛配方不同的化學(xué)成分。因此，我們不得不處理其它的以不同和更高溫度蒸發(fā)的殘留物。熱比重分析可以幫助定義在哪里和以什么溫度材料可以蒸發(fā)。需要一個(gè)充分的助焊劑管理系統(tǒng)來控制所有殘留物的清除。另外，在把該工藝實(shí)施到生產(chǎn)環(huán)境之前，排氣與排氣設(shè)定應(yīng)該驗(yàn)證。
評(píng)估可靠性
應(yīng)該進(jìn)行可靠性試驗(yàn)來預(yù)測(cè)產(chǎn)品的壽命周期和與錫-鉛工藝的標(biāo)準(zhǔn)比較數(shù)據(jù)。剪切、拉力和溫度循環(huán)試驗(yàn)得到有關(guān)無鉛焊接點(diǎn)強(qiáng)度的更多結(jié)論。截面圖將顯示金屬間化合層與增長(zhǎng)的厚度，這也是與可靠性有關(guān)的。
工藝發(fā)放用以實(shí)施
現(xiàn)在我們已經(jīng)到達(dá)實(shí)施階段的下一個(gè)里程碑。一旦所有條件都已滿足，我們可以得到如下結(jié)果：
工藝是穩(wěn)定的和可重復(fù)的
機(jī)器情況是受控的
焊接點(diǎn)品質(zhì)和可靠性是在規(guī)格之內(nèi)的
成本還是可以接受的。
因此，該工藝可以發(fā)放用于實(shí)施。到目前為止，試驗(yàn)已經(jīng)在獨(dú)立的機(jī)器、或?qū)嶒?yàn)室或演示室的機(jī)器、或在停機(jī)其間的生產(chǎn)線機(jī)器上進(jìn)行。下一個(gè)步驟是將該技術(shù)轉(zhuǎn)移到生產(chǎn)線。可是，在開始生產(chǎn)之前，許多工作還要去做。這些工作包括：工程時(shí)間計(jì)劃表、品質(zhì)問題、失控行動(dòng)計(jì)劃(OCAP)、和操作員培訓(xùn)。
工程時(shí)間計(jì)劃表
為所有實(shí)施行動(dòng)創(chuàng)建一個(gè)時(shí)間表。這個(gè)時(shí)間表將結(jié)合考慮采購(gòu)材料和必要的機(jī)器配件、組織人員和材料以作調(diào)整、寫出規(guī)程和OCAP、以及培訓(xùn)操作員和工程師。
品質(zhì)問題
(波峰焊接)錫鍋中的焊錫在較長(zhǎng)期生產(chǎn)之后會(huì)污染。試著建立合金最大允許污染的規(guī)格。客戶規(guī)格或來自研究機(jī)構(gòu)的指引可幫助定義在你的工藝中最大允許的合金元素百分比。在一些無鉛工藝中，這些限制在20,000塊板之后就超出了，這樣一來就要換錫了，造成成本很高。
失控行動(dòng)計(jì)劃(OCAP)
由于特殊原因變量干擾的一個(gè)工藝將在X-Y坐標(biāo)圖上顯現(xiàn)出來。多數(shù)操作員都訓(xùn)練有素，很快看出這種不穩(wěn)定。當(dāng)操作員控制工藝的穩(wěn)定性時(shí)，快速反饋是可能的。迅速反饋對(duì)盡可能減小對(duì)產(chǎn)品的影響是必須的。為了保持工藝穩(wěn)定，需要采取以下步驟：
定期測(cè)量參數(shù)
在每次測(cè)量后驗(yàn)證工藝是否還是穩(wěn)定的
如果工藝是穩(wěn)定的，則可繼續(xù)無須行動(dòng)；如果不是，則按照OCAP確定不穩(wěn)定的原因。
操作員培訓(xùn)
生產(chǎn)線操作員應(yīng)該為新的工藝作準(zhǔn)備。他們的培訓(xùn)應(yīng)該包括對(duì)新機(jī)器選項(xiàng)的工作指示、不同的參數(shù)設(shè)定(來自Taguchi試驗(yàn)的經(jīng)驗(yàn))、焊接點(diǎn)形狀的改變、色澤與其它品質(zhì)問題。操作員應(yīng)該培訓(xùn)怎樣使用SPC圖表和怎樣處理OCAP。
結(jié)論
有了Taguchi實(shí)驗(yàn)的分析與數(shù)據(jù)，我們能夠設(shè)計(jì)一個(gè)穩(wěn)定的、無鉛焊接工藝。在產(chǎn)品的第一批焊接之后，如果產(chǎn)品品質(zhì)可以接受，工藝穩(wěn)定的話，可以將該工藝發(fā)放用于實(shí)施。
Bibliography
DeKlein, F.J. (1998). Statistical Process Control for Soldering. Oosterhout, The Netherlands: Vitronics Soltec.
Hall, W.J. (2000). Cooling Parameters in Reflow Soldering. Stratham, NH; Vitronics Soltec Corp.
Kelly, B., and Weigerber, J. (2000). Step-by-Step SMT Process Control. SMT 2000
Rooks, B. (2000). Robust Reflow Profile Design
Suraski, D. Reflow Profiling, The Benefits of Implementing a Ramp-to-Spike Profile.
