分析無鉛波峰焊接缺陷
一個(gè)歐洲協(xié)會(huì)和其它的協(xié)會(huì)已經(jīng)得出結(jié)論，無鉛(Pb-free)焊接在技術(shù)上是可能的，但首先必須解決實(shí)施的問題，包括無揮發(fā)性有機(jī)化合物(VOC-free)的助焊劑技術(shù)和是否必須修改工藝來接納所要求的更高焊接溫度。 達(dá)柯(Taguchi)試驗(yàn)設(shè)計(jì)(DOE, design-of-experiment)方法和統(tǒng)計(jì)過程控制(SPC, statistical process control)是評(píng)估波峰焊接中無鉛工藝的有效方法。其目的是要為特定應(yīng)用的****設(shè)置確定基本的控制參數(shù)。
達(dá)柯方法(Taguchi method)尋求將創(chuàng)新的品質(zhì)方法與傳統(tǒng)的試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法結(jié)合起來。研究出一系列相關(guān)的技術(shù)來****限度的減少不想要的可變性，減少生產(chǎn)損耗和提供更大的顧客滿意。例如，達(dá)柯方法用于減少生產(chǎn)變量有兩個(gè)步驟： 制造產(chǎn)品，以“****的”方式達(dá)到與目標(biāo)的最小背離。 盡可能同樣地生產(chǎn)所有產(chǎn)品，達(dá)到產(chǎn)品之間的最小背離。
達(dá)柯試驗(yàn)使用一個(gè)專門構(gòu)造的表格或“正交陣列”來影響設(shè)計(jì)過程，因此品質(zhì)在其設(shè)計(jì)階段就嵌入產(chǎn)品內(nèi)部。正交陣列是一項(xiàng)允許對(duì)影響試驗(yàn)的因素進(jìn)行獨(dú)立地?cái)?shù)學(xué)評(píng)估的試驗(yàn)設(shè)計(jì)。
試驗(yàn)準(zhǔn)備 達(dá)柯試驗(yàn)準(zhǔn)備從一個(gè)集思廣益的會(huì)議開始，在這里一個(gè)結(jié)合不同學(xué)科的小組建立清楚的報(bào)告書，為設(shè)計(jì)合理的試驗(yàn)，列出問題、目標(biāo)、所希望的輸出特性和測(cè)量方法。然后，確定所有的過程參數(shù)和定義影響結(jié)果的有關(guān)因素： 1.可控制因素：C1 = 對(duì)過程作用很大的并可直接控制的因素；C2 = 如果C1因素改變，需要停止過程的因素 這個(gè)試驗(yàn)中， 選擇了三個(gè)C1因素： B = 接觸時(shí)間 C = 預(yù)熱溫度 D = 助焊劑數(shù)量 錫溫度是一個(gè)C2因素， 由于需要用來增加/減少溫度的時(shí)間。 2.噪音因素是影響偏差的變量，但是不可能控制或控制成本效率低的。例如在生產(chǎn)/試驗(yàn)期間，室內(nèi)溫度、濕度、灰塵等的變化。由于實(shí)際原因，沒有把“噪音”成分列入試驗(yàn)的因素。相反，主要目標(biāo)是評(píng)估單個(gè)品質(zhì)影響因素的所起的作用。必須作其它的試驗(yàn)來量化它們對(duì)過程噪音的反應(yīng)。 最后，要求選擇需要測(cè)量的輸出特性。 ****兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)：沒有錫橋的引腳數(shù)和通孔充滿的合格性。
試驗(yàn)規(guī)劃與設(shè)計(jì)
與其它方法比較(通常使用每次一個(gè)因素的研究，以確定可控制參數(shù))，這個(gè)試驗(yàn)使用了一個(gè)L9正交陣列。在只有九個(gè)試驗(yàn)運(yùn)行中，調(diào)查了三個(gè)級(jí)別的四個(gè)因素，如表一所示
（圖片1）輸出特性。適當(dāng)?shù)脑囼?yàn)設(shè)定可得到最可靠的數(shù)據(jù)。例如，控制參數(shù)范圍必須象實(shí)際一樣趨于極端，以使問題明顯化 —； 在這個(gè)情況下，錫橋與通孔滲透不良(圖一)。為了量化錫橋的影響，對(duì)沒有錫橋的上錫引腳計(jì)數(shù)。(每個(gè)板有200個(gè)引腳，因此最高分是200。) 對(duì)通孔滲透的影響，每個(gè)充滿焊錫的孔如圖二所示標(biāo)記。每個(gè)板****總數(shù)為4662個(gè)點(diǎn)。
（圖片2）輸出特性。適當(dāng)?shù)脑囼?yàn)設(shè)定可得到最可靠的數(shù)據(jù)。例如，控制參數(shù)范圍必須象實(shí)際一樣趨于極端，以使問題明顯化 —； 在這個(gè)情況下，錫橋與通孔滲透不良(圖一)。為了量化錫橋的影響，對(duì)沒有錫橋的上錫引腳計(jì)數(shù)。(每個(gè)板有200個(gè)引腳，因此最高分是200。) 對(duì)通孔滲透的影響，每個(gè)充滿焊錫的孔如圖二所示標(biāo)記。每個(gè)板****總數(shù)為4662個(gè)點(diǎn)。 試驗(yàn)中的材料 無鉛合金。最常用的波峰焊接無鉛合金是Sn/Cu和Sn/Ag/Cu。Sn/Cu, 最廉價(jià)的無鉛合金之一，具有高熔點(diǎn)(227°C)，除此之外比其它無鉛合金的機(jī)械性能差。Sn/Ag/Cu是在Sn/Ag基礎(chǔ)上的改進(jìn)。Sn/Ag3.8/Cu0.7焊錫形成較高可靠性的焊接點(diǎn)，而且可焊性比Sn/Ag和Sn/Cu都好。銻的加入(0.25~0.50% Sb)，通過銻與銀和銻與銅的金屬間結(jié)構(gòu)，提供更高的溫度阻抗�？墒牵袑�(duì)銻的毒性的關(guān)注，盡管有毒的氧化銻只是在600°C以上的溫度才產(chǎn)生。Sn/Ag3.8/Cu0.7/Sb0.25(SACS)，熔點(diǎn)溫度217°C，在試驗(yàn)中使用過(表二)。 板的表面情況。
試驗(yàn)板選擇了有機(jī)可焊性保護(hù)層（OSP, organic solderability preservative)，一種高性能的銅板涂層，它保護(hù)和維持通孔的可焊性。(較早的研究表明，Sn/Ag/Cu與OSP表面是兼容的。)OSP是熱氣焊錫均涂(HASL, hot-air solder leveling)與其它金屬印刷電路板(PCB)表面處理的替代方法。由于更高的預(yù)熱設(shè)定，這薄薄的有機(jī)涂層(0.2 ~ 0.5 µm厚度)失去活性。由于OSP與水溶性助焊劑兼容，包含在助焊劑中的酸和溶劑迅速溶解OSP涂層，變成助焊劑的一部分，當(dāng)熔化的焊錫接觸到板時(shí)揮發(fā)掉。
（表二） 助焊劑。 對(duì)這個(gè)試驗(yàn)，選擇了固體含量少于2%的合成無揮發(fā)性有機(jī)化合物(VOC-free)的助焊劑396-RX(表三)。選擇一種無鹵化物的低殘留助焊劑，由于其在銅表面的良好可焊性加上其防止錫橋的作用。從板的頂面測(cè)量的助焊劑預(yù)熱范圍是100 ~ 112°C，示裝配的結(jié)構(gòu)而定。
助焊劑應(yīng)用。在可利用的助焊劑應(yīng)用技術(shù)之中，找到一種噴嘴噴霧的助焊劑處理器最適合對(duì)電路板施用適當(dāng)?shù)闹竸⿲�。用無揮發(fā)性的有機(jī)化合物助焊劑，盡可能達(dá)到最精細(xì)的顆粒是達(dá)到良好的通孔滲透和成功的水膜揮發(fā)的關(guān)鍵。因此，水基助焊劑應(yīng)該仔細(xì)地配制表面特性，以得到一個(gè)與金屬和非金屬表面的流暢的接觸面。 噴嘴助焊劑處理器允許對(duì)施用的助焊劑的精確控制 —； 從大約300 ~ 750 mg/dm2 (濕的助焊劑)。****為750 mg/dm2 因?yàn)樵俣嗟闹竸╅_始從板上滴落下來。 測(cè)試板的設(shè)計(jì)和材料。測(cè)試板的尺寸為160 x 100 x 1.6 mm。材料為FR-4，通孔雙面鍍銅。連接器特征為10針、雙排、&0.2micro; Au/Ni 表面處理。 試驗(yàn)結(jié)果 運(yùn)行了十八塊板(九塊九塊重復(fù)一次)，得到需要用來作正交陣列分析的數(shù)據(jù)，達(dá)到如下目標(biāo)： ·評(píng)估單個(gè)品質(zhì)影響因素的影響 ·得到對(duì)無鉛(Pb-free)工藝的****條件 ·逼近****條件下的控制參數(shù)響應(yīng) 變異分析(ANOVA, analysis of variance)，一種統(tǒng)計(jì)處理方法，評(píng)估正交陣列的結(jié)果和確認(rèn)每個(gè)因素的影響有多大。表四顯示有關(guān)從試驗(yàn)中獲得的焊錫橋的數(shù)據(jù)。
圖三解釋了相對(duì)于過程因素的錫橋的影響范圍，即，數(shù)量越多，品質(zhì)越高(200 = 無錫橋)。它顯示，就錫橋來說，接觸時(shí)間和預(yù)熱溫度是影響輸出數(shù)據(jù)****，即，改變其中一個(gè)設(shè)定將對(duì)錫橋數(shù)量具有最戲劇性的影響。
基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)，得到對(duì)于錫橋****的設(shè)定是A2、B1、C1和D2。雖然A2與A3之間的差別很小，選擇A2是因?yàn)檩^低的能量損耗的要求而選擇260°C的焊錫溫度。加上，在這個(gè)水平，元件和電路板材料經(jīng)受的溫度沖擊小。圖四顯示對(duì)錫橋來說，每個(gè)控制參數(shù)影響的百分比；表五列出有關(guān)通孔熔濕的試驗(yàn)結(jié)果。
圖五，再一次，數(shù)量越高，結(jié)果越大(4662 = 100%的“良好焊接”板)。 預(yù)熱溫度(130°C)影響過程****，當(dāng)其它因素的影響大約相等的時(shí)候。而且，試驗(yàn)重復(fù)誤差對(duì)通孔滲透很小。(圖六顯示有關(guān)通孔滲透的每個(gè)控制參數(shù)影響的百分比。)基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)，為最好的通孔焊錫滲透所建立的****設(shè)定是A3、B1、C2和D合。圖七顯示試驗(yàn)中使用的測(cè)試板的SACS焊接點(diǎn)的截面顯微照片。 試驗(yàn)結(jié)果 焊錫溫度的影響相對(duì)于其在錫橋上的影響是不大的。對(duì)通孔滲透，更高的溫度更好�？墒�，這種選擇可能受到限制，因?yàn)闈撛诘脑�、助焊劑活性劑和電路板材料的損害。 對(duì)這個(gè)試驗(yàn)，較短的接觸時(shí)間產(chǎn)生較好的結(jié)果，可能因?yàn)橹竸┗钚詣┫到y(tǒng)在更高的預(yù)熱和錫爐溫度設(shè)定時(shí)得到兼顧。在這些過程條件下，對(duì)這個(gè)助焊劑類型其結(jié)果是典型的。其它的試驗(yàn)顯示，如果助焊劑活性系統(tǒng)強(qiáng)度足夠忍受較高的溫度，較長(zhǎng)的接觸時(shí)間可能是有益的。否則，推薦接觸時(shí)間為2.5 ~ 4 秒。 按照預(yù)熱器溫度，110°C的設(shè)定對(duì)這個(gè)過程是“急促一點(diǎn)”。在較高設(shè)定(130°C)，過程窗口縮窄了許多(OSP涂層和助焊劑可能失去活性)。預(yù)熱水基無揮發(fā)性有機(jī)化合物(VOC-free)的助焊劑，要求特別的考慮。一旦施用了助焊劑，就必須改進(jìn)助焊劑與板表面之間的化學(xué)綁接，可通過加熱助焊劑來達(dá)到。因此，在第一個(gè)過程區(qū)(600mm)的末尾，板頂面的溫度應(yīng)該為大約70 ~ 80°C。對(duì)這個(gè)試驗(yàn)，選擇了中波Calrod紅外(IR)發(fā)生器單元。該單元提供適當(dāng)?shù)腎R能量和波長(zhǎng)，來啟動(dòng)活性，而不會(huì)在開始時(shí)使水分從材料中汽化出去。強(qiáng)制式對(duì)流加熱使用在第二和第三區(qū)，在進(jìn)入焊錫波峰之前，消除過多的水分�！ ∫粋�(gè)連續(xù)的、均勻的對(duì)整個(gè)板的助焊劑噴霧是必須的。用盡可能最低的氣壓來施用盡可能最細(xì)的顆粒，將給予最好的結(jié)果。較高的設(shè)定可能引起顆粒的反彈作用，因而不會(huì)改善板表面的濕潤(rùn)。D2設(shè)定是本試驗(yàn)的“Paper leader”。
對(duì)本試驗(yàn)整體“最好的”設(shè)定如下列出：A3、B1、C2和D2： A — 焊錫溫度 = 275°C；為了防止溫度損壞，在265~270°C之間。 B — 接觸時(shí)間 = 1.8 秒。 C — 預(yù)熱時(shí)間(頂面) = 110°C。 D — 濕的助焊劑量 = 474 mg/dm2
結(jié)論 在生產(chǎn)中，為了成功地實(shí)施無鉛(Pb-free)波峰焊接，整個(gè)過程必須再考察，即，這不是一個(gè)將新的化學(xué)品和材料投入到過程的簡(jiǎn)單事情。通過進(jìn)行達(dá)柯分析(Taguchi analysis)與適當(dāng)設(shè)計(jì)的試驗(yàn)，這個(gè)考察可以更容易，過程開發(fā)也會(huì)加速。它使工藝工程師(process engineer)只運(yùn)行少量的試驗(yàn)，就可實(shí)際的理解在他自己的專門應(yīng)用中要求什么。雖然新的無鉛波峰焊接工藝的過程窗口較小，因?yàn)檩^高的溫度和其它材料，但是SPC可能是一個(gè)有價(jià)值的工具，幫助工程師維持正確的參數(shù)規(guī)格，和在這個(gè)新開發(fā)的工藝過程達(dá)到最小的變化。
用于本試驗(yàn)的測(cè)試板是在一個(gè)裝備有噴霧器助焊劑處理器、三區(qū)預(yù)熱器和氮?dú)庠O(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)波峰焊接機(jī)器上運(yùn)行，以2m/min傳送帶速度可得到無鉛工藝的可重復(fù)性的結(jié)果，而沒有問題。這說明通常不需要特別的或?qū)ｉT的設(shè)備(或配件)來轉(zhuǎn)變到無鉛工藝。使用的噴霧助焊劑處理器可傳送足夠的助焊劑到通孔內(nèi)，鼓勵(lì)使用這種，因?yàn)榘l(fā)泡助焊劑處理器通常不能對(duì)大多數(shù)水基無揮發(fā)性有機(jī)化合物(VOC-free)助焊劑正常工作(要求特別的、新的配制助焊劑)。
