波峰焊DOE.pdf

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1、波峰焊DOE某公司焊接 DOE案例：重要性分级指标定义指标（技术要求）调整方法监控方法说明指标名称测量方法 A1 焊接时间秒表实测（注?）3,4 s调整链条速度秒表/ 基准确定、维护控制重点A2 预热温度从 PCB 表面用点温计采样（注?）80, 90 ?调整加热功率温度计 1 次/2hr,X-R 控制图A3 助焊剂比重用比重计测定 0. 82, 0. 845 g/cm?更换助焊剂 1次/2hr,X-MR控制图Bl焊锡温度 250?5 ?温度计/实时监测注？ B2波峰高度 10, 14 mm直尺/定 期抽检 B3压锡深度 PCB厚度的 1/2, 3/4目测/抽检/每次工作前 B4焊剂发泡高 度

2、 PCB厚度的 3/4 U测/抽检/每次工作前注?焊接时间也要用秒表实测，不能通过 链条速度换算出来，因为波峰宽度不固定。？方法是:在一块空 PCB板上打一小洞深 至铜箔，点温讣探头固定、接触在洞内 PCB铜箔上，把 PCB放在转动的链条上，至 IJ预 热结束时读出点温计计数即为预热温度。？焊锡温度按锡炉最佳值，事先用平均法 确定。Process能否做 DOE 的关键是:输入可控，输出可测量.具体到波峰焊工艺，有不少因子是噪音，而且无法知道其具体值,实际做 DOE时 可选的因子有：1.预热温度（直接用设备上显示的值,下同）2. 松香流量（发泡制程则用松香比重）3. 锡缸温度4. 波峰马达转速或

3、频率5. 输送速度6. 波峰高度（没有显示可转换一下，用测量到的浸锡时间）可操作的 DOE大致流程：A.因子水平确认:根据经验值定一个范围，可以大一些，否则响应（如PPM）可能不敬感.B.生成实验表格，做实验.C. 筛选，根据结果将有重要影响的因子找出来.D. 确认实验（全因子），对找到的因子重做全因子实验来验证结果.E. 参数优化，找到最佳参数设置和最佳组合.F. 将结果文件化.经上是本人的一点经验，不当之处请高手们指正.无铅焊接:如何确定工艺By Gerjan Diepstraten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。U 的是要建立 一个质量和可重复性受控的无铅工艺。开

4、发一套有效的方法既然生产线中的无铅焊接即将来临，那么我们应该开发出一套有效的方法，来 决定正确的工艺设定。无铅焊接不仅仅是以另一种合金来取代一种合金，不存在 “插入式”的取代。一种新材料的引入影响着整个工艺，因此，所有机器设定都必 须再检查。在回流焊接中，LI标是要满足或再现锡膏的正确设定，保持在元件和电路板材 料的规格之内。我们面临的挑战是使用现在生产中使用的机器并保持现有的产量， 来达到这个 LI标。为了实现这个 U标， 机器应该具有良好的热传导特性和均匀性 （板上的温度差 别小） 。大多数今天的热风/氮气对流炉能够焊接无铅合金。可是，红外灯的炉子将 很可能需要取代，因为板上的加热均匀性能

5、差和温度差别大。对于波峰焊接工艺，转变到无铅也将影响大多数机器参数。对于这个工艺， U 标是在与无挥发性冇机化合物（VOC, volatile organiccompound）的水基助焊剂的结合中实施无铅合金（消除卤化阻燃剂），而不减低 生产率或产量。我们必须设讣一个适当的试验来决定是否计划中的生产设备可以接纳转换到无 铅焊接的目标。DOE （Design of experiment,试验设计方法）,特别是 Taguchi方 法，提供一个调查设备能力的有效方法。通过学习和使用该技术，可以大大减少试 验研究所要求的时间。设计一个有效的试验Taguchi试验优化产品/设备的设计，以最经济的方式使得

6、性能对变量的不同原 因墩感性最小，而不实际上消除这些原因。包括了研究开发、制造和运作的成本。 Taguchi试验是基于正态阵列，它减少试验运行的次数。一个 Taguchi试验的设计是非常重要的，因为结果的质量取决于一个适当的准 备。这个准备要求仔细的计划、审慎的试验布局和输出数据的专家分析。试验以一 个集思广益的会议开始，邀请来自不同部门（设计、运作、品质和制造）的雇员参 加。所有个人都应该对焊接有第一手资料。每个成员在所有必须曲这个小组所作的 选择中都有一个投票权。因此，小组成员数量应该是奇数。小组的丄作是列出问题。LI标是要通过确定设讣因素的最佳结合，以尽可能最 高的品质和可能获得的最好性

7、能实现无铅焊接。第一步是要列出控制因素，或者那些将对焊接品质有主要影响的参数，或者可 以控制的输入。对于波峰焊接，控制因素的例子包括助焊剂数量、预热设定、传送 带速度和焊锡温度。在回流焊接中，控制因素可能包括氮气的使用、传送带速度和保温与峰值区的温度设定。助焊剂类型和板 的表面涂层是受控的输入因素的例子。如果在这些因素的有些之间出现相互影响，那么它们也应该列出。每个小组成 员分别按照其对于影响输出品质的重要性的次序排列这些因素。噪音因素是那些影响变化、但乂或者不可能控制或者控制成本太高的I:艺或产 品因素。例子有板的质量、空气温度和湿度。当必须量化一个设计的稳定性时，这 些因素可以集中到一个试

8、验中，以一个所谓的外部阵列。现在，必须选择试验的方式。Taguchi方法使用正交阵列，这些是可以用同时变化的因素填充的严格定义的矩阵。每个因素的每个级别按照每个因素级别的每个 级别测试相同的次数。正交阵列和将选作试验的重复次数取决于成本、时间和现有 的材料。有许多矩阵可用;例如，37411L4 （2）,它代表 4（次运行）、2（个级别）和 3（个因素）;L8、L9、L12（2）和几个 L18变量。现在选择运行次数（有正交阵列决定）和重复次数，变化因素的级别也必须定 义。小组在这一步应该大胆一点，因为在这类试验中的主要的是要看到变化。如 果品质差别没有看到，那么该小组还不够大胆，或者其至更差，所

9、选择的控制因素 不能影响品质。品质特征和方法输出特征（反应数据）允许试验运行的结果被量化。这些特征将表示是否该产品 按照品质规格焊接的，或者是否焊点质量差。对来自该工艺的焊接缺陷的Pareto 分析可以提供在输出特征选择中的良好输入。可是，应该清楚，无铅焊接将有一些 特殊的品质问题，如焊角升起、空洞和锡球。因为无铅焊接温度比锡/铅更接近于 熔点，孔的填充和可黑性也必须量化。无铅焊接试验做一个实际的试验来显示 Taguchi分析法可以怎样应用。对于这个试验，小组 决定在一个基本的波峰焊接机上做这个焊接，使用一个 L8阵列，重复三次运行（图 一）。在外部阵列中，测试了两种助焊剂。这个试验结果总共4

10、8次运行:八次对 L8运行，三次重复和两次对外部阵列（表一）。表一、试验方案L8正交矩阵因素单位级别 1级别 2A 锡锅温度?C 255 265B氮气-开关C接触时间秒 2. 3 4. 3D Smart波-开关E预热温度？C最小最大F助焊剂数量-低高G 板面涂层- OSP NiAu选择锡/银/铜（SnAgCu）合金来焊接。 使用了两种无 VOC的水基助焊剂， 预热温 度由助焊剂规格决定。波峰焊机装备有一个主波和一个Smart波。Smart波有一 根六角形轴在波中转动，因此产生波上的紊流。其结果是较高的焊锡垂直力，提供 更好的通孔渗透。图一、在波峰焊机内的测试 PCB使用了 1.6mm的 FR-

11、4板。总共，装配了 14个插针连接器（280个插针，等于 280个潜在的锡桥）。输出特性在这个试验中，研究了通孔渗透和插针之间的桥接问题。因为使用无铅合金的 通孔填锡更加困难（图二），应该将那些可以帮助焊锡流动到通孔顶部的变量进行量 化。可能帮助这个响应因子的变量是接触时间、氮气、助焊剂、板面涂层和焊锡温 度。焊锡温度限制到 265?C,以防止板的弯曲。图二、部分充满的通孔例子较早的试验显示，在桥接、助焊剂和预热设定之间的关系中，预热起主要的作 用。太高的预热设定可能使助焊剂活性剂不稳定，因而造成在波峰出口处缺乏助焊 剂，使得氧化物产生桥接。为了避免这种情况，不能超过如助焊剂供应商所规定的 板

12、顶面最高温度。分析数据在表二中列出了填充差的通孔数量。使用助焊剂 A 的笫七次运行得出最好的结 果，4,000 多个通孔中只有四个对 SnAgCu焊锡的填充效果差。表二、通孔渗透结果因素外部矩阵运行 A B C D E F G助焊剂 A 助焊剂 B锡锅温度氮气接触时间 Smart波预热温度助焊剂数量板面涂层 A B C AB C 1 1 1 1 1 1 1 1 26 23 2 0 22 71 2 1 1 1 2 2 2 2 5 18 28 38 60 71 3 12 2 1 1 2 2 9 10 30 4 1 0 4 1 2 2 2 2 1 1 87 58 51 36 29 38 5 2 1

13、2 1 2 12580 33 80 26 621221217011 8367 2 2 1 1 2 2 1 4 0 0 5 14 17 8 2 2 1 2 1 1 2 72 86 77 61 79 79表三、锡桥的结果因素外部矩阵运行 A B C D E F G助焊剂 A 助焊剂 B锡锅温度氮气接触时间Smart波预热温度助焊剂数量板面涂层 A B C A12222000000312211 52 106 120 5 2 1 2 1 2 12 0 0 0 0 112210000 12 482212170 0表三列岀锡桥的数量。儿次运行没有锡桥，而用助焊剂 B的第四次运行显示278个插针有锡桥。通孔

14、填充是用 Anova 软件进行评佔的（表四）；P列显示各因素 对通孔填充影响的白分比，P是根源贡献收益率（P等于根源纯变量 S除以标 准偏差）。表四、通孔渗透的 Anova分析结果根 DF 根源自山度 S根源偏 V 根源变量 F根源变化率 S根源纯变量 P （%）123源 f差A 锡锅温度 1 44 44 11 40 0. 1 B 氮气 1 1,704 1,704 417 1,700 4. 3 C 接 触时间 1 2, 2412, 241 549 2, 237 5. 7 D Smart波 1 7,701 7, 701 1,886 7, 697 19. 6 E预热温度 1 4 4合并 F 助焊剂

15、量 1 10, 502 10, 502 2, 572 10, 498 26. 8 G 板面涂层 1 2, 581 2, 581 632 2, 577 6.6助焊剂类 B 1 494 494 121 490 1. 3 型el 主要错误 7 6, 621 946 232 6, 592 16. 8 e2 次要错误 32 7, 301 228 56 7, 171 18. 3 (e)合并 1 4 4 192 0. 5 总 47 39, 195 834 计1. V = S/f, 2. F = V/Ve, Ve 是合并变量，3. S = S - Ve x f表五、锡桥的 Anova分析结果根DF根源自山度S

16、根源偏V根源变量F根源变化率S根源纯变量P (%) 123源 f差 A锡锅温度 1 1,657 1,657 20 1,572 6. 0 B氮气 1 2,214 2,214 26 2, 129 8. 1 C接触时间 1 1,5191,519 18 1,434 5. 4 D Smart波 1 1,323 1,323 16 1,238 4. 7 E预热温度 1 1,408 1,408 17 1,3235. 0 F 助焊剂量 1 1,452 1,452 17 1,367 5. 2 G 板面涂层 1 1,541 1,541 18 1,456 5.5助焊剂类 B 1 1,925 1,925 23 1,84

17、0 7. 0 型el 主要错误 1 10, 642 1, 520 18 10, 047 38. 1 e2次要错误 32 2, 720 85 合 并(e)合并 1 2,720 85 3, 995 15. 1 总 47 26, 402 562 计1. V = S/f, 2. F = V/Ve, Ve 是合并变量，3. S = S - Ve x f助焊剂量对通孔填充有最大的影响。这个结论是有意义的，因为如果没有助焊 剂在孔内，焊锡不会流进去。另一个有趣的结果是 Smart波的影响儿乎达到 20%。 焊锡温度没有影响，可能由于差别太小(10?C,不够大胆)。Anova 软件也用于评佔锡桥(表五)。P列

18、的值显示所有因素都或多或少对锡桥 有影响。正如所预计的，氮气和助焊剂是主要因素。如果没有强助焊剂出现，锡桥 将出现在焊接表面氧化的地方。图三描述对通孔渗透的分析；数值越小越好。得到良好的通孔充锡的最佳设定 是：,A1/A2 -焊锡温度:没有最好，选择最经济的值,B1 -氮气，开,C2 -接触时间:4. 3秒,D1 - Smart 波，开,E1/E2 -预热温度:没有最好，选择最经济的值,F2 -助焊剂量:较多助焊剂,G1 -板面涂层:有机可焊性保护(OSP),N1 -助焊剂类型 A图四描述了锡桥分析；同样，越小越好。没有锡桥发生的最佳设定是:,A2 -焊锡温度:265?C,Bl -氮气，开,C

19、1 -接触时间：2. 3 秒,D1 - Smart 波，开,E1 -预热温度:低,F2 -助焊剂量:较多,G2 -板面涂层:鎳/金(NiAu),N1 -助焊剂类型 A图四、锡桥的均值分析图三、通孔渗透的均值分析结论试验结果揭示，265?C 是首选的焊锡温度。对 SnAgCu使用氮气是有意义的，因 为 rti nr ci c? a rti nr ci c? a i i：uu wu w2 2它减少锡磴的形成，也减少焊接失效。最佳的结果在接触时间较长时得到。这 样，通孔小AJAJ八HIHI叫MMPcCrC? D10?1 ?J1 Frf GPcCrC? D10?1 ?J1 Frf G： G?N14?

20、G?N14?rtrt填充更好，除非板上的助焊剂不够，否则不发生锡桥。WW4 .ft4 .ftX.X. SASA该试验也证明，Smart波可以达到较好的焊接质量。预热温度是不太重要的，只要跟随规定。这个结果是一个优点，因为板上较大的温度差别不会对通孔充锡和 锡桥造成太大的影响。也使用了较小的助焊剂数量，但是试验显示这个方法不可 行。板面涂层也可以讨论，从成本的角度，OSP 最佳。该数据不可能正好适合于每一个波峰焊接工艺。可是，数据进一步证实有关氮 气、Smart波和接触时间的理论，以及其它有关工艺问题。还可以进行验证运行。这次列外的运行使用最佳的参数设定，它将揭示最终结 果的质量。验证运行应该与软件预测进行比较，以决定是否该试验设定正确。如果 验证运行不符合预测，应该考虑产生差别的原因;这些原因可能是相互影响，或者 不是本试验中的因素。