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无铅焊接：开发一个稳健的工艺

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本文将研究确定什么参数对无铅焊接有最大和最小影响的方法。目的是要建立一个质量和可重复性受控的无铅工艺...

开发一套稳健的方法

检验一个焊接工艺是否稳健，就是要看其对于各种输入仍维持一个稳定输出(合格率)的能力。输入的变化是由“噪音”因素所造成的。甚至在印刷电路板(PCB)进入回流炉之前，一些因素将在一个表面贴装装配内变化。

首先，在工艺中使用的材料中存在变化。这些变化存在于锡膏特性如成分、润滑剂、粉末和氧化物；板的材料，考虑到不同的供应商和不同的存储特性；和元件。其次，变化可能发生在表面贴装工艺的第一部分：锡膏印刷与塌落和元件贴装。第三，噪音因素可来自制造区域的室内条件 - 温度与湿度。这些输入变量要求最佳的加热曲线，它必须对所有变量都敏感性最小，和一个量化工艺能力的方法。

回流曲线

就回流焊接而言，无铅合金的使用直接影响过程温度，因此影响到加热曲线。提高熔化温度缩小了工艺窗口，因为液相线以上的时间和允许的最高温度250°C(为了防止元件损坏和板的脱层)没有改变。

三角形(升温到形成峰值)曲线

我们可以区分那些关键的和接近回流焊接现实极限的工艺和那些较不关键的工艺。对于PCB相对容易加热和元件与板材料有彼此接近温度的工艺，可以使用三角形温度曲线(图一)。三角形温度曲线建议用于诸如计算机主板这样的产品，它在装配上的温度差别小(小的ΔT)。

图一、三角形回流温度曲线图二、升温-保温-峰值温度曲线

三角形温度曲线有一些优点。例如，如果锡膏针对无铅三角形温度曲线适当配方，将得到更光亮的焊点和改善的可焊性。可是，助焊剂激化时间和温度必须符合无铅温度曲线的较高温度。三角形曲线的升温速度是整个控制的，在该工艺中保持或多或少是相同的。其结果是焊接期间PCB材料内的应力较小。与传统的升温-保温-峰值曲线比较，能量成本也较低。

升温-保温-峰值温度曲线

较小的元件比较大的元件和散热片上升温度快。因此，为了满足所有元件的液相线以上时间的要求，对这些工艺宁可使用升温-保温-峰值温度曲线(图二)。保温的目的是要减小ΔT。

在升温-保温-峰值温度曲线的几个区域，如果不适当控制，可能造成材料中太大的应力。首先，预热速度应该限制到4°C/秒，或更少，取决于规格。锡膏中的助焊剂元素应该针对这个曲线配方，因为太高的保温温度可损坏锡膏的性能；在氧化特别严重的峰值区必须保留足够的活性剂。第二个温度上升斜率出现在峰值区的入口，典型的极限为3°C/秒。

温度曲线的第三个部分是冷却区，应该特别注意减小应力。例如，一个陶瓷片状电容的最大冷却速度为-2~-4°C/秒。因此，要求一个受控的冷却过程，因为特殊材料的可靠性和焊接点的结构也受到影响。

对于任何一个工艺，最佳的温度曲线可以通过一个Taguchi试验来确定。在试验中使用噪音因素将帮助确定哪一种曲线对变量敏感性最小，更加稳定。

评估工艺

统计过程控制(SPC, statistical process control)用来将工艺稳定和保持在控制之中。在焊接中，SPC用来减少可变性和提供工艺能力。典型地，X-Y坐标图(x-bar-range chart)和性能分析是用于这个目的的。X-Y坐标图是对测量变量进行统计计算的图形表示，这里每个分组的平均值与幅度(最大-最小)用来监测平均值或者范围的变化；该幅度用作变量的度量。统计上大的改变可能表示工艺漂移、趋势、循环模式或由于特殊原因造成的失控情况。

当焊接工艺的最具影响的参数(如Taguchi试验所定义的)受到统计过程控制(SPC)，工艺的稳定性和性能的改进可以容易达到。例如，在一台焊接设备中，硬件和软件设计用来保持重要的参数在设定点的规定范围内。可是，即使当一个参数在起偏差极限之内时(没有报警发生)，它可能已经在统计上失控，或者显示一个由于历史数据而意想不到的状态。

只购买硬件和软件不一定会得到成功的SPC。一个关键的考虑是可变性的减少，在特殊原因变量和普通原因变量之间有一个区别。控制图用来消除特殊原因变量，即任何可能与可归属原因有联系的变量。性能图用来减少普通原因变量，即任何工艺固有的和只能通过工艺变化减少的变量。

在一个回流焊接工艺中，SPC的典型参数包括传送带速度、气体或加热器温度、液相线以上的时间和最高的峰值温度。在一台波峰焊接机器中，典型的参数包括传送带速度、接触时间、预热温度(PCB或加热器)和作用于PCB上的助焊剂数量。

图三、描述预热温度的x-bar-range图图四、样品工艺能力(Cp)图

一个X-Y坐标图的例子显示在一个波峰焊接工艺中的预热区的热空气温度(图三)。在一整天中，取样读数每10秒一次并分成分组，每组五个样品。平均值与幅度在图三中显示。平均温度为120.0°C，设定点也为120°C。该数据来自于安装在预热模块中的热电偶。记录了来自工艺、设定和测量值的所有机器数据。管理信息文件可以导入SPC软件，它将产生象图三的X-Y坐标图和性能分析图。

我们接受120°C±2°C的预热温度(热风)，因为我们知道，只要测量的温度在这个极限之内，板的温度将不会波动和保持在助焊剂规格内。该数据，与上控制极限(UCL=122°C)和下控制极限(LCL=118°C)将返回一个工艺性能(Cp, process capability)值：这里Cp = 工艺能力，S = 标准偏差。

在图四中的 Cp 图显示，对于预热温度，工艺是有能力的。我们发现Cp=3.55；一个稳定的工艺要求大于1.66的Cp值。

稳定性

一旦我们用无铅焊锡运行第一批产品，我们需要量化工艺的稳定性。这些响应因素可以在产品上测量，就象计数缺陷或从机器设定收集的数据。例如，一块板的温度可以用安装在PCB上的热电偶测量，或者热风的温度可以在机器内测量，这个温度与PCB上的温度是相关的。

另一种测量稳定性的方法是用专门的校正工具，该工具将仪表骑在传送带上通过炉子。使用这些工具的优点是它们非常稳定，一次运行可以测量几个不同的参数。在多数生产线中，操作员有自己的测试板，热电偶已安装在上面。将板在炉(或者波峰焊机)中运行将很快损坏测试板因为无铅焊接的温度高。板会开始出现脱层和翘曲，热电偶可能从表面脱落。

影响品质最多的参数从我们对锡-铅工艺的认识和Taguchi试验的结果已经知道了。我们开始计数和收集这些参数的数据。在SPC已经证明一个参数在较长时间内受控(Cp > 1.66)的之后，测量的间隔可以减少。使用SPC，我们只集中在一些最重要的参数上。Pareto图也将帮助定义这些要测量的参数，以保持工艺稳定。

X-Y坐标图显示工艺的漂移、趋势、循环模式或由于特殊原因的失控条件。在一些情况中，在失控条件实际发生之前可以采取预防性措施。

排气与温度条件

整个工艺已经随着无铅合金的引入而改变。在机器的所有模块中温度已经升高了。对于回流焊接，得到的是更高的温区和峰值温度。对于冷却区，要求比正常更有效的冷却方法，因为峰值温度更高了。炉子要设计满足这些更高的温度，但是，在实施的这个阶段，机器温度应该验证。

无铅锡膏具有和传统锡-铅配方不同的化学成分。因此，我们不得不处理其它的以不同和更高温度蒸发的残留物。热比重分析可以帮助定义在哪里和以什么温度材料可以蒸发。需要一个充分的助焊剂管理系统来控制所有残留物的清除。另外，在把该工艺实施到生产环境之前，排气与排气设定应该验证。

评估可靠性

应该进行可靠性试验来预测产品的寿命周期和与锡-铅工艺的标准比较数据。剪切、拉力和温度循环试验得到有关无铅焊接点强度的更多结论。截面图将显示金属间化合层与增长的厚度，这也是与可靠性有关的。

工艺发放用以实施

现在我们已经到达实施阶段的下一个里程碑。一旦所有条件都已满足，我们可以得到如下结果：

工艺是稳定的和可重复的
机器情况是受控的
焊接点品质和可靠性是在规格之内的
成本还是可以接受的。

因此，该工艺可以发放用于实施。到目前为止，试验已经在独立的机器、或实验室或演示室的机器、或在停机其间的生产线机器上进行。下一个步骤是将该技术转移到生产线。可是，在开始生产之前，许多工作还要去做。这些工作包括：工程时间计划表、品质问题、失控行动计划(OCAP)、和操作员培训。

工程时间计划表

为所有实施行动创建一个时间表。这个时间表将结合考虑采购材料和必要的机器配件、组织人员和材料以作调整、写出规程和OCAP、以及培训操作员和工程师。

品质问题

(波峰焊接)锡锅中的焊锡在较长期生产之后会污染。试着建立合金最大允许污染的规格。客户规格或来自研究机构的指引可帮助定义在你的工艺中最大允许的合金元素百分比。在一些无铅工艺中，这些限制在20,000块板之后就超出了，这样一来就要换锡了，造成成本很高。

失控行动计划(OCAP)

由于特殊原因变量干扰的一个工艺将在X-Y坐标图上显现出来。多数操作员都训练有素，很快看出这种不稳定。当操作员控制工艺的稳定性时，快速反馈是可能的。迅速反馈对尽可能减小对产品的影响是必须的。为了保持工艺稳定，需要采取以下步骤：

定期测量参数

在每次测量后验证工艺是否还是稳定的
如果工艺是稳定的，则可继续无须行动；如果不是，则按照OCAP确定不稳定的原因。

操作员培训

生产线操作员应该为新的工艺作准备。他们的培训应该包括对新机器选项的工作指示、不同的参数设定(来自Taguchi试验的经验)、焊接点形状的改变、色泽与其它品质问题。操作员应该培训怎样使用SPC图表和怎样处理OCAP。

结论

有了Taguchi实验的分析与数据，我们能够设计一个稳定的、无铅焊接工艺。在产品的第一批焊接之后，如果产品品质可以接受，工艺稳定的话，可以将该工艺发放用于实施。

Bibliography
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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. AIM.(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (12/24/2004)


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