本文將研究確定什么參數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量和可重復性受控的無鉛工藝...

開發一套穩健的方法

檢驗一個焊接工藝是否穩健，就是要看其對于各種輸入仍維持一個穩定輸出(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)進入回流爐之前，一些因素將在一個表面貼裝裝配內變化。

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，考慮到不同的供應商和不同的存儲特性；和元件。其次，變化可能發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域的室內條件 - 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

我們可以區分那些關鍵的和接近回流焊接現實極限的工藝和那些較不關鍵的工藝。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主板這樣的產品，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點。例如，如果錫膏針對無鉛三角形溫度曲線適當配方，將得到更光亮的焊點和改善的可焊性。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。其結果是焊接期間PCB材料內的應力較小。與傳統的升溫-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ΔT。

在升溫-保溫-峰值溫度曲線的幾個區域，如果不適當控制，可能造成材料中太大的應力。首先，預熱速度應該限制到4°C/秒，或更少，取決于規格。錫膏中的助焊劑元素應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；在氧化特別嚴重的峰值區必須保留足夠的活性劑。第二個溫度上升斜率出現在峰值區的入口，典型的極限為3°C/秒。

溫度曲線的第三個部分是冷卻區，應該特別注意減小應力。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構也受到影響。

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線對變量敏感性最小，更加穩定。

評估工藝

統計過程控制(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。典型地，X-Y坐標圖(x-bar-range chart)和性能分析是用于這個目的的。X-Y坐標圖是對測量變量進行統計計算的圖形表示，這里每個分組的平均值與幅度(最大-最小)用來監測平均值或者范圍的變化；該幅度用作變量的度量。統計上大的改變可能表示工藝漂移、趨勢、循環模式或由于特殊原因造成的失控情況。

當焊接工藝的最具影響的參數(如Taguchi試驗所定義的)受到統計過程控制(SPC)，工藝的穩定性和性能的改進可以容易達到。例如，在一臺焊接設備中，硬件和軟件設計用來保持重要的參數在設定點的規定范圍內。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，或者顯示一個由于歷史數據而意想不到的狀態。

只購買硬件和軟件不一定會得到成功的SPC。一個關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的典型參數包括傳送帶速度、氣體或加熱器溫度、液相線以上的時間和最高的峰值溫度。在一臺波峰焊接機器中，典型的參數包括傳送帶速度、接觸時間、預熱溫度(PCB或加熱器)和作用于PCB上的助焊劑數量。

圖三、描述預熱溫度的x-bar-range圖 圖四、樣品工藝能力(Cp)圖

一個X-Y坐標圖的例子顯示在一個波峰焊接工藝中的預熱區的熱空氣溫度(圖三)。在一整天中，取樣讀數每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，設定點也為120°C。該數據來自于安裝在預熱模塊中的熱電偶。記錄了來自工藝、設定和測量值的所有機器數據。管理信息文件可以導入SPC軟件，它將產生象圖三的X-Y坐標圖和性能分析圖。

我們接受120°C±2°C的預熱溫度(熱風)，因為我們知道，只要測量的溫度在這個極限之內，板的溫度將不會波動和保持在助焊劑規格內。該數據，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 = 標準偏差。

在圖四中的 Cp 圖顯示，對于預熱溫度，工藝是有能力的。我們發現Cp=3.55；一個穩定的工藝要求大于1.66的Cp值。

穩定性

一旦我們用無鉛焊錫運行第一批產品，我們需要量化工藝的穩定性。這些響應因素可以在產品上測量，就象計數缺陷或從機器設定收集的數據。例如，一塊板的溫度可以用安裝在PCB上的熱電偶測量，或者熱風的溫度可以在機器內測量，這個溫度與PCB上的溫度是相關的。

另一種測量穩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。使用這些工具的優點是它們非常穩定，一次運行可以測量幾個不同的參數。在多數生產線中，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。板會開始出現脫層和翹曲，熱電偶可能從表面脫落。

影響品質最多的參數從我們對錫-鉛工藝的認識和Taguchi試驗的結果已經知道了。我們開始計數和收集這些參數的數據。在SPC已經證明一個參數在較長時間內受控(Cp > 1.66)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上。Pareto圖也將幫助定義這些要測量的參數，以保持工藝穩定。

X-Y坐標圖顯示工藝的漂移、趨勢、循環模式或由于特殊原因的失控條件。在一些情況中，在失控條件實際發生之前可以采取預防性措施。

排氣與溫度條件

整個工藝已經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升高了。對于回流焊接，得到的是更高的溫區和峰值溫度。對于冷卻區，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，機器溫度應該驗證。

無鉛錫膏具有和傳統錫-鉛配方不同的化學成分。因此，我們不得不處理其它的以不同和更高溫度蒸發的殘留物。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。需要一個充分的助焊劑管理系統來控制所有殘留物的清除。另外，在把該工藝實施到生產環境之前，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產品的壽命周期和與錫-鉛工藝的標準比較數據。剪切、拉力和溫度循環試驗得到有關無鉛焊接點強度的更多結論。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的。

工藝發放用以實施

現在我們已經到達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果：

工藝是穩定的和可重復的
機器情況是受控的
焊接點品質和可靠性是在規格之內的
成本還是可以接受的。

因此，該工藝可以發放用于實施。到目前為止，試驗已經在獨立的機器、或實驗室或演示室的機器、或在停機其間的生產線機器上進行。下一個步驟是將該技術轉移到生產線。可是，在開始生產之前，許多工作還要去做。這些工作包括：工程時間計劃表、品質問題、失控行動計劃(OCAP)、和操作員培訓。

工程時間計劃表

為所有實施行動創建一個時間表。這個時間表將結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整、寫出規程和OCAP、以及培訓操作員和工程師。

品質問題

(波峰焊接)錫鍋中的焊錫在較長期生產之后會污染。試著建立合金最大允許污染的規格。客戶規格或來自研究機構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坐標圖上顯現出來。多數操作員都訓練有素，很快看出這種不穩定。當操作員控制工藝的穩定性時，快速反饋是可能的。迅速反饋對盡可能減小對產品的影響是必須的。為了保持工藝穩定，需要采取以下步驟：

定期測量參數

在每次測量后驗證工藝是否還是穩定的
如果工藝是穩定的，則可繼續無須行動；如果不是，則按照OCAP確定不穩定的原因。

操作員培訓

生產線操作員應該為新的工藝作準備。他們的培訓應該包括對新機器選項的工作指示、不同的參數設定(來自Taguchi試驗的經驗)、焊接點形狀的改變、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實驗的分析與數據，我們能夠設計一個穩定的、無鉛焊接工藝。在產品的第一批焊接之后，如果產品品質可以接受，工藝穩定的話，可以將該工藝發放用于實施。

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.