无铅焊接开发一个稳健的工艺模板.doc

無鉛焊接：開發一個穩健工藝 本文將研究確定什麽參數對無鉛焊接有最大和最小影響方法。目标是要建立一個質量和可重復性受控無鉛工藝.。開發一套穩健方法檢驗一個焊接工藝是否穩健，就是要看其對於各種輸入仍維持一個穩定輸出(合格率)能力。輸入變化是由“噪音”原因所造成。甚至在印刷電路板(PCB)進入回流爐之前，部分原因將在一個表面貼裝裝配內變化。首先，在工藝中使用材料中存在變化。這些變化存在於錫膏特征如成份、潤滑劑、粉末和氧化物；板材料，考慮到不一样供應商和不一样存儲特征；和元件。其次，變化可能發生在表面貼裝工藝第一部分：錫膏印刷與塌落和元件貼裝。第三，噪音原因可來自製造區域室內條件 - 溫度與濕度。這些輸入變數要求最好加熱曲線，它必須對全部變數全部敏感性最小，和一個量化工藝能力方法。回流曲線就回流焊接而言，無鉛合金使用直接影響過程溫度，所以影響到加熱曲線。提升熔化溫度縮小了工藝視窗，因爲液相線以上時間和允許最高溫度250C(爲了预防元件損壞和板脫層)沒有改變。三角形(升溫到形成峰值)曲線我們能够區分那些關鍵和靠近回流焊接現實極限工藝和那些較不關鍵工藝。對於PCB相對轻易加熱和元件與板材料有相互靠近溫度工藝，能够使用三角形溫度曲線(圖一)。三角形溫度曲線建議用於諸如電腦主板這樣産品，它在裝配上溫度差別小(小T)。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部分優點。比如，假如錫膏針對無鉛三角形溫度曲線適當配方，將得到更光亮焊點和改善可焊性。可是，助焊劑激化時間和溫度必須符合無鉛溫度曲線較高溫度。三角形曲線升溫速度是整個控制，在該工藝中保持或多或少是相同。其結果是焊接期間PCB材料內應力較小。與傳統升溫-保溫-峰值曲線比較，能量成本也較低。升溫-保溫-峰值溫度曲線較小元件比較大元件和散熱片上升溫度快。所以，爲了滿足全部元件液相線以上時間要求，對這些工藝寧可使用升溫-保溫-峰值溫度曲線(圖二)。保溫目标是要減小T。在升溫-保溫-峰值溫度曲線幾個區域，假如不適當控制，可能造成材料中太大應力。首先，預熱速度應該限制到4C/秒，或更少，取決於規格。錫膏中助焊劑元素應該針對這個曲線配方，因爲太高保溫溫度可損壞錫膏性能；在氧化特別嚴重峰值區必須保留足夠活性劑。第二個溫度上升斜率出現在峰值區入口，经典極限爲3C/秒。溫度曲線第三個部分是冷卻區，應該特別注意減小應力。比如，一個陶瓷片狀電容最大冷卻速度爲-2-4C/秒。所以，要求一個受控冷卻過程，因爲特殊材料可靠性和焊接點結構也受到影響。對於任何一個工藝，最好溫度曲線能够通過一個Taguchi試驗來確定。在試驗中使用噪音原因將幫助確定哪一種曲線對變數敏感性最小，愈加穩定。評估工藝統計程序控制(SPC, statistical process control)用來將工藝穩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。经典地，X-Y座標圖(x-bar-range chart)和性能分析是用於這個目标。X-Y座標圖是對測量變數進行統計計算圖形表示，這裏每個分組平均值與幅度(最大-最小)用來監測平均值或範圍變化；該幅度用作變數度量。統計上大改變可能表示工藝漂移、趨勢、迴圈模式或由於特殊原因造成失控情況。當焊接工藝最具影響參數(如Taguchi試驗所定義)受到統計程序控制(SPC)，工藝穩定性和性能改進能够轻易達到。比如，在一台焊接設備中，硬體和軟體設計用來保持关键參數在設定點規定範圍內。可是，即使當一個參數在起偏差極限之內時(沒有報警發生)，它可能已經在統計上失控，或顯示一個由於歷史資料而意想不到狀態。只購買硬體和軟體不一定會得到成功SPC。一個關鍵考慮是可變性減少，在特殊原因變數和一般原因變數之間有一個區別。控制圖用來消除特殊原因變數，即任何可能與可歸屬原因有聯繫變數。性能圖用來減少一般原因變數，即任何工藝固有和只能通過工藝變化減少變數。在一個回流焊接工藝中，SPC经典參數包含傳送帶速度、氣體或加熱器溫度、液相線以上時間和最高峰值溫度。在一台波峰焊接機器中，经典參數包含傳送帶速度、接觸時間、預熱溫度(PCB或加熱器)和作用於PCB上助焊劑數量。圖三、描述預熱溫度x-bar-range圖一個X-Y座標圖例子顯示在一個波峰焊接工藝中預熱區熱空氣溫度(圖三)。在一整天中，取樣讀數每10秒一次並分成份組，每組五個樣品。平均值與幅度在圖三中顯示。平均溫度爲120.0C，設定點也爲120C。該資料來自於安裝在預熱模組中熱電偶。記錄了來自工藝、設定和測量值全部機器資料。管理資訊文件能够導入SPC軟體，它將産生象圖三X-Y座標圖和性能分析圖。我們接收120C2C預熱溫度(熱風)，因爲我們知道，只要測量溫度在這個極限之內，板溫度將不會波動和保持在助焊劑規格內。該資料，與上控制極限(UCL=122C)和下控制極限(LCL=118C)將返回一個工藝性能(Cp, process capability)值：這裏Cp = 工藝能力，S = 標準偏差。圖四、樣品工藝能力(Cp)圖在圖四中 Cp 圖顯示，對於預熱溫度，工藝是有能力。我們發現Cp=3.55；一個穩定工藝要求大於1.66Cp值。穩定性一旦我們用無鉛焊錫運行第一批産品，我們需要量化工藝穩定性。這些回應原因能够在産品上測量，就象計數缺点或從機器設定搜集資料。比如，一塊板溫度能够用安裝在PCB上熱電偶測量，或熱風溫度能够在機器內測量，這個溫度與PCB上溫度是相關。另一種測量穩定性方法是用專門校正工具，該工具將儀錶騎在傳送帶上通過爐子。使用這些工具優點是它們很穩定，一次運行能够測量幾個不一样參數。在多數生產線中，操作員有自己測試板，熱電偶已安裝在上面。將板在爐(或波峰焊機)中運行將很快損壞測試板因爲無鉛焊接溫度高。板會開始出現脫層和翹曲，熱電偶可能從表面脫落。影響品質最多參數從我們對錫-鉛工藝認識和Taguchi試驗結果已經知道了。我們開始計數和搜集這些參數資料。在SPC已經證明一個參數在較長時間內受控(Cp 1.66)之後，測量間隔能够減少。使用SPC，我們只集中在部分最关键參數上。Pareto圖也將幫助定義這些要測量參數，以保持工藝穩定。X-Y座標圖顯示工藝漂移、趨勢、迴圈模式或由於特殊原因失控條件。在部分情況中，在失控條件實際發生之前能够採取預防性方法。排氣與溫度條件整個工藝已經隨著無鉛合金引入而改變。在機器全部模組中溫度已經升高了。對於回流焊接，得到是更高溫區和峰值溫度。對於冷卻區，要求比正常更有效冷卻方法，因爲峰值溫度更高了。爐子要設計滿足這些更高溫度，不过，在實施這個階段，機器溫度應該驗證。無鉛錫膏含有和傳統錫-鉛配方不一样化學成份。所以，我們不得不處理其它以不一样和更高溫度蒸發殘留物。熱比重分析能够幫助定義在哪里和以什麽溫度材料能够蒸發。需要一個充足助焊劑管理系統來控制全部殘留物清除。另外，在把該工藝實施到生産環境之前，排氣與排氣設定應該驗證。評估可靠性應該進行可靠性試驗來預測産品壽命周期和與錫-鉛工藝標準比較資料。剪切、拉力和溫度迴圈試驗得到有關無鉛焊接點強度更多結論。截面圖將顯示金屬間化合層與增長厚度，這也是與可靠性有關。工藝發放用以實施現在我們已經到達實施階段下一個里程碑。一旦全部條件全部已滿足，我們能够得到以下結果： 工藝是穩定和可重復 機器情況是受控 焊接點品質和可靠性是在規格之內 成本還是能够接收。 所以，該工藝能够發放用於實施。到现在爲止，試驗已經在獨立機器、或實驗室或演示室機器、或在停機其間生產線機器上進行。下一個步驟是將該技術轉移到生產線。可是，在開始生産之前，許多工作還要去做。這些工作包含：工程時間計劃表、品質問題、失控行動計劃(OCAP)、和操作員培訓。工程時間計劃表爲全部實施行動創建一個時間表。這個時間表將結合考慮採購材料和必需機器配件、組織人員和材料以作調整、寫出規程和OCAP、和培訓操作員和工程師。品質問題(波峰焊接)錫鍋中焊錫在較長期生産之後會污染。試著建立合金最大允許污染規格。客戶規格或來自研究機構指导可幫助定義在你工藝中最大允許合金元素百分比。在部分無鉛工藝中，這些限制在20,000塊板之後就超出了，這樣一來就要換錫了，造成成本很高。失控行動計劃(OCAP)由於特殊原因變數干擾一個工藝將在X-Y座標圖上顯現出來。多數操作員全部訓練有素，很快看出這種不穩定。當操作員控制工藝穩定性時，快速反饋是可能。快速反饋對盡可能減小對産品影響是必須。爲了保持工藝穩定，需要採取以下步驟： 定时測量參數 在每次測量後驗證工藝是否還是穩定 假如工藝是穩定，則可繼續無須行動；假如不是，則根据OCAP確定不穩定原因。 操作員培訓生產線操作員應該爲新工藝作準備。她們培訓應該包含對新機器選項工作指示、不一样參數設定(來自Taguchi試驗經驗)、焊接點形狀改變、色澤與其它品質問題。操作員應該培訓怎樣使用SPC圖表和怎樣處理OCAP。結論有了Taguchi實驗分析與資料，我們能夠設計一個穩定、無鉛焊接工藝。在産品第一批焊接之後，假如産品品質能够接收，工藝穩定話，能够將該工藝發放用於實施。