SMT無鉛工藝穩(wěn)健性開發(fā)

1、SMT無鉛工藝穩(wěn)健性開發(fā)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)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

2、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PCB相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(jī)主板這樣的產(chǎn)品，它在裝配上的溫度差別小 （小的 T）。ffWf4 *wKfl*EggMljiMhnii訓(xùn)2皿g嗨jIAh圖二、升溫-保溫-峰值

3、溫度曲線kJti3MVCTIiF*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?劑激化時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。 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 T。在升溫-保溫-峰

4、值溫度曲線的幾個區(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

5、噪音因素將幫助確定哪一種曲線對變量敏感性 最小，更加穩(wěn)定。評估工藝統(tǒng)計過程控制 （SPC,statisticalprocesscontrol） 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-rangechart） 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?。?用來監(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

6、 試驗所定義的 ） 受到 統(tǒng)計過程控制（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)?？墒牵词巩?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。 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。在一個回流焊接工藝中，SPC

7、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。 在一臺波峰焊 接機(jī)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PCE上的助焊劑數(shù)量。圖三、描述預(yù)熱溫度的x-bar-ra nge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(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

8、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)），因為我們知道，只 要測量的溫度在這個極限之內(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,processcapability) 值：這里Cp=X藝能力，s=標(biāo)準(zhǔn)偏差。|* I! * 直畤 If! JUP j JnHjrr- 品 魁禺a(chǎn) ”L 亠A ! - ! U H T 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; 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

9、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(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上的熱電偶測量， 或者熱風(fēng)的溫度可以在機(jī)器內(nèi)測量，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(jī))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

10、-鉛工藝的認(rèn)識和Taguchi試驗 的結(jié)果已經(jīng)知道了。我們開始計數(shù)和收集這些參數(shù)的數(shù)據(jù)。在SPC已 經(jīng)證明一個參數(shù)在較長時間內(nèi)受控(Cp1.66)的之后，測量的間隔可以減少。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(jī)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

11、。 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(jī)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(qiáng)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

12、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(jī)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(jī)器、或?qū)嶒炇一蜓菔臼业臋C(jī)器、或在停機(jī)其間的生產(chǎn)線機(jī)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(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

13、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?？蛻粢?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OCAP確定不