SMT無(wú)鉛工藝穩(wěn)健性開(kāi)發(fā)

1、SMT無(wú)鉛工藝穩(wěn)健性開(kāi)發(fā)開(kāi)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(lái)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)

2、量化工藝能力的方法。 回流曲線就回流焊接而言， 無(wú)鉛合金的使用直接影響過(guò)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(méi)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 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(diǎn)。例如，如果錫膏針對(duì)無(wú)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?？墒?，助焊 劑激化時(shí)間和溫度必須符合無(wú)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 T。在升溫-保溫-峰

4、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)?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(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(guò)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(guò)一個(gè) Taguchi 試驗(yàn) 來(lái)確定。在試驗(yàn)中使用

5、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(guò)程控制 （SPC,statisticalprocesscontrol） 用來(lái)將工藝穩(wěn) 定和保持在控制之中。在焊接中，SPC用來(lái)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(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?。?用來(lái)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

6、 試驗(yàn)所定義的 ） 受到 統(tǒng)計(jì)過(guò)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(lái)保持重要的參數(shù)在設(shè)定 點(diǎn)的規(guī)定范圍內(nèi)?？墒牵词巩?dāng)一個(gè)參數(shù)在起偏差極限之內(nèi)時(shí) （沒(méi)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(lái)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(lái)減少普通原因變量，即任何工藝固有的和只能通過(guò)工藝變 化減少的變量。在一個(gè)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(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(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(lái)自于安裝在預(yù)熱模塊中的熱電偶。記 錄了來(lái)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

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?yàn)槲覀冎?，?要測(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,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(duì)于預(yù)熱溫度，工藝是有能力的。我們 發(fā)現(xiàn)Cp=3.55; 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(wú)

9、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(guò)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(wú)鉛焊接的溫度高。 板會(huì)開(kāi)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

10、-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(kāi)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(Cp1.66)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(wú)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?/p>

11、。 爐子要設(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(wú)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(lái)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(lái)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(wú)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

12、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?？墒?，在開(kāi)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(wèn)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

13、程師。品質(zhì)問(wèn)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?？蛻粢?guī)格或來(lái)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(wú)鉛工藝中，這些 限制在20,000塊板之后就超出了，這樣一來(lái)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(lái)。 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(wú)須行動(dòng)；如果不是，則按照OCAP確定不