開發(fā)一個穩(wěn)健的無鉛焊接工藝

1、開發(fā)一個穩(wěn)健的無鉛焊接工藝本文將研究確定什么參數(shù)對無鉛焊接有最大和最小影響的方法。目的是要建立一個質(zhì)量 和可重復(fù)性受控的無鉛工藝.。開發(fā)一套穩(wěn)健的方法檢驗一個焊接工藝是否穩(wěn)健，就是要看其對于各種輸入仍維持一個穩(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)

2、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，它必須對所有變量都敏 感性最小，和一個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，因為液相線以上的時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)實極限的工藝和那些較不關(guān)鍵的工藝。對于 PCBf目對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算機主板這樣的產(chǎn)品， 它在裝配上的溫度差別?。ㄐ〉腁T）0ckdns

3、iuL圖二、升溫-保溫-峰值溫度曲線圖一、三角形回流溫度曲線三角形溫度曲線有一些優(yōu)點。例如，如果錫膏針對無鉛三角形溫度曲線適當(dāng)配方，將得 到更光亮的焊點和改善的可焊性?？墒牵竸┘せ瘯r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控制的，在該工藝中保持或多或少是相同的。具結(jié)果 是焊接期間PCBH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 時間的要求，對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A T在升溫-保溫-峰值溫度曲

4、線的幾個區(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)該針對這 個曲線配方，因為太高的保溫溫度可損壞錫膏的性能；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。溫度曲線的第三個部分是冷卻區(qū)，應(yīng)該特別注意減小應(yīng)力。例如，一個陶瓷片狀電容的 最大冷卻速度為-2-4。C/秒。因此，要求一個受控的冷卻過程，因為特殊材料的可靠性和焊 接點的結(jié)構(gòu)也受到影響。對于任何一個工藝，最佳的溫度曲線可以通過一個 Taguchi試驗來確定。在試驗中使用 噪音因素將幫助確定哪一種曲

5、線對變量敏感性最小，更加穩(wěn)定。評估工藝統(tǒng)計過程控制（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目的的。X-Y坐標(biāo)圖是對測量變量進(jìn)行統(tǒng)計計算的圖形表示，這里每 個分組的平均值與幅度（最大-最?。┯脕肀O(jiān)測平均值或者范圍的變化；該幅度用作變量的度量。 統(tǒng)計上大的改變可能表示工藝漂移、趨勢、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試驗所定義的）受到統(tǒng)計過程控制（SPC）,工藝 的穩(wěn)定

6、性和性能的改進(jìn)可以容易達(dá)到。例如，在一臺焊接設(shè)備中，硬件和軟件設(shè)計用來保持 重要的參數(shù)在設(shè)定點的規(guī)定范圍內(nèi)。 可是，即使當(dāng)一個參數(shù)在起偏差極限之內(nèi)時（沒有報警發(fā) 生），它可能已經(jīng)在統(tǒng)計上失控，或者顯示一個由于歷史數(shù)據(jù)而意想不到的狀態(tài)。只購買硬件和軟件不一定會得到成功的SPC 一個關(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區(qū)別?？刂茍D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。在一個回流焊接工藝中，SPC勺典型參數(shù)包括傳送帶速度、氣體或加熱器溫度、液相線 以上的時間和最高的峰值溫度。

7、在一臺波峰焊接機器中，典型的參數(shù)包括傳送帶速度、接觸 時間、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圖一個X-Y坐標(biāo)圖的例子顯示在一個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)定和測量值的所有機器數(shù)據(jù)。管理信息文件可以導(dǎo)入SPCa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。的預(yù)熱溫度(熱風(fēng))，因為我們知道，只要測量的溫度在這個極

8、限之內(nèi)，板的溫度將不會波動和保持在助焊劑規(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)將返回一個工藝性能(Cp, process capability) 值：這里Cp=工藝能力，S =標(biāo)準(zhǔn)偏差。圖四、樣品工藝能力(Cp)圖在圖四中的Cp圖顯示，對于預(yù)熱溫度，工藝是有能力的。我們發(fā)現(xiàn) Cp=3.55; 一個穩(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)品上測量，就象計數(shù)缺陷或從機器設(shè)定收集的數(shù)據(jù)。例如，一塊板的溫度可以用安裝在 PCB上的熱電偶測量，或者熱風(fēng)的溫度可以在機器內(nèi)測量

9、，這個溫度與PCB上的溫度是相關(guān)的。另一種測量穩(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)點是它們非常穩(wěn)定，一次運行可以測量幾個不同的參數(shù)。在多數(shù)生產(chǎn)線中，操作員有自己的測試板，熱電偶已安裝在上面。將板在爐 (或者波峰焊機)中運行將很快損壞 測試板因為無鉛焊接的溫度高。板會開始出現(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)從我們對錫開始計數(shù)和收集這些參數(shù)的數(shù)據(jù)。在的之后，測量的間隔可以減少。使用-鉛工藝的認(rèn)識和Taguchi試驗的結(jié)果已經(jīng)知道了。我們SPC已經(jīng)證明一個參數(shù)在較長時間內(nèi)受控(Cp 1.66)SPC我們只集中在一些最重要的參數(shù)上。Pa

10、reto圖也將幫助定義這些要測量的參數(shù)，以保持工藝穩(wěn)定X-Y坐標(biāo)圖顯示工藝的漂移、趨勢、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工藝已經(jīng)隨著無鉛合金的引入而改變。在機器的所有模塊中溫度已經(jīng)升高了。對于 回流焊接，得到的是更高的溫區(qū)和峰值溫度。對于冷卻區(qū)，要求比正常更有效的冷卻方法， 因為峰值溫度更高了。爐子要設(shè)計滿足這些更高的溫度，但是，在實施的這個階段，機器溫 度應(yīng)該驗證。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

11、發(fā)。需要 一個充分的助焊劑管理系統(tǒng)來控制所有殘留物的清除。另外，在把該工藝實施到生產(chǎn)環(huán)境之 前，排氣與排氣設(shè)定應(yīng)該驗證。評估可靠性應(yīng)該進(jìn)行可靠性試驗來預(yù)測產(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)試驗得到有關(guān)無鉛焊接點強度的更多結(jié)論。截面圖將顯示金屬間化合層與增長的 厚度，這也是與可靠性有關(guān)的。工藝發(fā)放用以實施現(xiàn)在我們已經(jīng)到達(dá)實施階段的下一個里程碑。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?機器情況是受控的?焊接點品質(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)放用于實施。到目前為止，試驗已經(jīng)在獨立的機器、或?qū)嶒炇一蜓?示

12、室的機器、或在停機具間的生產(chǎn)線機器上進(jìn)行。下一個步驟是將該技術(shù)轉(zhuǎn)移到生產(chǎn)線?？墒?，在開始生產(chǎn)之前，許多工作還要去做。這些工作包括：工程時間計劃表、品質(zhì)問題、失 控行動計劃（OCAP和操作員培訓(xùn)。工程時間計劃表為所有實施行動創(chuàng)建一個時間表。這個時間表將結(jié)合考慮采購材料和必要的機器配件、 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期生產(chǎn)之后會污染。 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。失控行動計劃（OCAP）由于特殊原因變量干擾的一個工藝將在 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，快速反饋是可能的。迅速反饋對盡可 能減小對產(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：?定期測量參數(shù)?在每次測量后驗證工藝是否還是穩(wěn)定的?如果工藝是穩(wěn)定的，則可繼續(xù)無須行動；如果不是，則按照OCA驪定不穩(wěn)定的