【導讀】無鉛焊接已經(jīng)引入了，因此無數(shù)的問題也提出來了。但是，實驗繼續(xù)在新的無鉛合金的可靠性上提供好的數(shù)字。識在將來會改進的。一個標準改進模式，比如德明循環(huán)，可用來。維護無鉛焊接工藝的控制，作出調(diào)整和改進，并在可能的時候?qū)崿F(xiàn)成本的節(jié)約。作為一個例子，某種焊接機的錫鍋含有大約760公斤的錫鉛合金。SnPb來填滿錫鍋將花大約$3,960美元。結(jié)果是焊錫成本增加28%或$5,063美元。135%)和錫銀銅對焊錫成本的影響甚至更大?？紤]到焊接點和將SnPb與無鉛進行比較，我們可以作下列計算。相同，那么無鉛合金的質(zhì)量將較少，由于其密度較大。特別是對于板上的殘留物和可焊性，它們是較好的。甚至更少，因為用于焊接的總數(shù)量將減少。助焊劑數(shù)量減少也將造成維護減少。清潔機器的零部件將較容易，可以用熱水而不是化學品和儀器來完成。可是，錫球的數(shù)量隨著無VOC助焊劑的使用而增加。SnAg與SnAgCu錫球?qū)τ贐GA似乎是SnPb的一個可接受的替代。線，滿足較便宜元件的規(guī)格。

　　

【正文】 橋分析；同樣，越小越好。沒有錫橋發(fā)生的最佳設(shè)定是： ? A2 焊錫溫度： 265176。C ? B1 氮氣，開 ? C1 接觸時間： 秒 ? D1 Smart 波，開 ? E1 預熱溫度：低 ? F2 助焊劑量：較多 ? G2 板面涂層：鎳 /金 (NiAu) ? N1 助焊劑類型 A 圖三、通孔滲透的均值分析 圖四、錫橋的均值分析 結(jié)論 試驗結(jié)果揭示， 265176。C 是首選的焊錫溫度。對 SnAgCu 使用氮氣是有意義的，因為它減少錫碴的形成，也減少焊接失效。最佳的結(jié)果在接觸時間較長時得到。這樣，通孔填充更好，除非板上的助焊劑不夠，否則不發(fā)生錫橋。 該試驗也證明， Smart 波可以達到較好的焊接質(zhì)量。預熱溫度是不太重要的，只要跟隨規(guī)定。這個結(jié)果是一個優(yōu)點，因為板上較大的溫度差別不會對通孔充錫和錫橋造成太大的影響。也使用了較小的助焊劑數(shù)量，但是試驗顯示這個方法不可行。板面涂層也可以討論 ，從成本的角度， OSP 最佳。 該數(shù)據(jù)不可能正好適合于每一個波峰焊接工藝?？墒?，數(shù)據(jù)進一步證實有關(guān)氮氣、 Smart 波和接觸時間的理論，以及其它有關(guān)工藝問題。 還可以進行驗證運行。這次另外的運行使用最佳的參數(shù)設(shè)定，它將揭示最終結(jié)果的質(zhì)量。驗證運行應該與軟件預測進行比較，以決定是否該試驗設(shè)定正確。如果驗證運行不符合預測，應該考慮產(chǎn)生差別的原因；這些原因可能是相互影響，或者不是本試驗中的因素。 無鉛焊接：開發(fā)一個穩(wěn)健的工藝 By Gerjan Diepstraten 本文將研究確定什么參數(shù)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(zhì)量和可重復性受控的無鉛工藝 ...。 開發(fā)一套穩(wěn)健的方法 檢驗一個焊接工藝是否穩(wěn)健，就是要看其對于各種輸入仍維持一個穩(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)進入回流爐之前，一些因素將在一個表面貼裝裝配內(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(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250176。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(qū)分那些關(guān)鍵的和接近回流焊接現(xiàn)實極限的工藝和那些較不關(guān)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(chǎn)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(yōu)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(jié)果是焊接期間 PCB 材料內(nèi)的應力較小。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(qū)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 4176。C/ 秒，或更少，取決于規(guī)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(qū)必須保留足夠的活性劑。第二個溫度上升斜率出現(xiàn)在峰值區(qū)的入口，典型的極限為 3176。C/ 秒。 溫度曲線的第三個部分是冷卻區(qū)，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 2~4176。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(jié)構(gòu)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(wěn)定。 評估工藝 統(tǒng)計過程控制 (SPC, statistical process control)用來將工藝穩(wěn)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， XY坐標圖 (xbarrange chart)和性能分析是用于這個目的的。 XY坐標圖是對測量變量進行統(tǒng)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(jiān)測平均值或者范圍的變化；該幅度用作變量的度量。統(tǒng)計上大的改變可能表示工藝漂移、趨勢、循環(huán)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(shù) (如 Taguchi 試驗所定義的 )受到統(tǒng)計過程控制 (SPC)，工藝的穩(wěn)定性和性能的改進可以容易達到。例如，在一臺焊接設(shè)備中，硬件和軟件設(shè)計用來保持重要的參數(shù)在設(shè)定點的規(guī)定范圍內(nèi)?？墒?，即使當一個參數(shù)在起偏差極限之內(nèi)時 (沒有報警發(fā)生 )，它可能已經(jīng)在統(tǒng)計上失控，或者顯示一個由于歷史數(shù)據(jù)而意想不到的狀態(tài)。 只購買硬件和軟件不一定 會得到成功的 SPC。一個關(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區(qū)別?？刂茍D用來消除特殊原因變量，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(shù)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(shù)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(shù)量。 圖三、描述預熱溫度的 xbarrange 圖 一 個 XY 坐標圖的例子顯示在一個波峰焊接工藝中的預熱區(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，每組五個樣品。平均值與幅度在圖三中顯示。平均溫度為 176。C ，設(shè)定點也為 120176。C 。該數(shù)據(jù)來自于安裝在預熱模塊中的熱電偶。記錄了來自工藝、設(shè)定和測量值的所有機器數(shù)據(jù)。管理信息文件可以導入 SPC軟件，它將產(chǎn)生象圖三的 XY 坐標圖和性能分析圖。 我們接受 120176。C177。2176。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(nèi)，板的溫度將不會波動和保持在助焊劑規(guī)格內(nèi)。該數(shù)據(jù)，與上控 制極限 (UCL=122176。C) 和下控制極限 (LCL=118176。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。 圖四、樣品工藝能力 (Cp)圖 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(fā)現(xiàn) Cp=；一個穩(wěn)定的工藝要求大于 的 Cp值。 穩(wěn)定性 一旦我們用無鉛焊錫運行第一批產(chǎn)品，我們需要量化工藝的穩(wěn)定性。這些響應因素可以在產(chǎn)品上測量，就象計數(shù)缺陷或從機器設(shè)定收集的數(shù)據(jù)。例如，一塊板的溫度可以用安裝在 PCB 上的熱電偶測量，或者熱風的溫度可以在機器內(nèi)測量，這個溫度與 PCB 上的溫度是相關(guān)的。 另一種測量穩(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爐子。 使用這些工具的優(yōu)點是它們非常穩(wěn)定，一次運行可以測量幾個不同的參數(shù)。在多數(shù)生產(chǎn)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(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)從我們對錫 鉛工藝的認識和 Taguchi 試驗的結(jié)果已經(jīng)知道了。我們開始計數(shù)和收集這些參數(shù)的數(shù)據(jù)。在 SPC 已經(jīng)證明一個參數(shù)在較長時間內(nèi)受控 (Cp )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(shù)上。 Pareto 圖也將幫 助定義這些要測量的參數(shù)，以保持工藝穩(wěn)定。 XY 坐標圖顯示工藝的漂移、趨勢、循環(huán)模式或由于特殊原因的失控條件。在一些情況中，在失控條件實際發(fā)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(jīng)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(jīng)升高了。對于回流焊接，得到的是更高的溫區(qū)和峰值溫度。對于冷卻區(qū)，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(shè)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(tǒng)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(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)。需要一個充分的助焊劑管理系統(tǒng)來控制所有殘留物的清除。另外，在把該工藝實施到生產(chǎn)環(huán)境之前，排氣與排氣設(shè)定應該驗證。 評估可靠性 應該進行可靠性試驗來預測產(chǎn)品的壽命周期和與錫 鉛工藝的標準比較數(shù)據(jù)。剪切、拉力和溫度循環(huán)試驗得到有關(guān)無鉛焊接點強度的更多結(jié)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(guān)的。 工藝發(fā)放用以實施 現(xiàn)在我們已經(jīng)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(jié)果： ? 工藝是穩(wěn)定的和可重復的 ? 機器情況是受控的 ? 焊接點品質(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)放用于實施。到目前為止，試驗已經(jīng)在獨立的機器、或?qū)嶒炇一蜓菔臼业臋C器、或在停機其間的生產(chǎn)線機器上進行。下一個步驟是將該技術(shù)轉(zhuǎn)移到生產(chǎn)線?？墒?，在開始生產(chǎn)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(zhì)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(chuàng)建一個時間表。這個時間表將結(jié)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(diào)整、 寫出規(guī)程和 OCAP、以及培訓操作員和工程師。 品質(zhì)問題 (波峰焊接 )錫鍋中的焊錫在較長期生產(chǎn)之后會污染。試著建立合金最大允許污染的規(guī)格?？蛻粢?guī)格或來自研究機構(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 XY坐標圖上顯現(xiàn)出來。多數(shù)操作員都訓練有素，很快看出這種不穩(wěn)定。當操作員控制工藝的穩(wěn)定性時，快速反饋是可能的。迅速反饋對盡可能減 小對產(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： ? 定期測量參數(shù) ? 在每次測量后驗證工藝是否還是穩(wěn)定的 ? 如果工藝是穩(wěn)定的，則可繼續(xù)無須行動；如果不是，則按照 OCAP 確定不穩(wěn)定的原因。 操作員培訓 生產(chǎn)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(shù)設(shè)定 (來自 Taguchi 試驗的經(jīng)驗 )、焊接點形狀的改變、色澤與其它品質(zhì)問題。操作員應該培訓怎樣使用 SPC圖表和怎樣處理 OCAP。 結(jié)論 有了 Taguchi 實驗的分析與數(shù)據(jù)，我們能夠設(shè)計一個穩(wěn)定的、無鉛焊接 工藝。在產(chǎn)品的第一批焊接之后，如果產(chǎn)品品質(zhì)可以接受，工藝穩(wěn)定的話，可以將該工藝發(fā)放用于實施。 元件豎立的問題 By Les Hymes 你已經(jīng)檢查了爐子、爐子的溫度設(shè)定、錫膏和氮氣濃度 為什么你還會遇到元件豎立 (TOMBSTONING)的問題呢？ 問題 ：我遇到一個元件豎立的問題。板是組合板， (四合一 )表面涂層是熱風均涂的。通常，元件豎立發(fā)生在第一、第二或第四塊板上。我是使用對流式爐子，裝備有氮氣氣氛的能力，我檢查了錫膏印刷、元件貼裝和回流溫度曲線 每一個看上去都可以。我嘗試過關(guān)閉氮氣 ，豎立現(xiàn)象消失了。當我在打開氮氣時，最初幾塊板還可以，隨后，大部分板都有元件豎立現(xiàn)象。我做錯了什么嗎？ 解答 ：雖然采用氮氣強化的焊接氣氛對焊接期間的濕潤特性有好處，但是小元件的豎立現(xiàn)象經(jīng)常與低氧水平有關(guān)。可是，溫度曲線的其他特性、爐子的設(shè)定、傳送帶運作或裝配特性都可能造成元件豎立。 檢查爐子、氮氣和氧氣 在強制對流爐中的氣流控制是非常重要的。如果從車間環(huán)境和 /或爐子的擋簾損壞不小心帶來了不希望的紊流，可能會給一些小元件增加豎立的可能性。取決于爐子的設(shè)計和氣流的控制，整個其流速度可能太快。但是， 更可能的是維護或爐子設(shè)定問題正造成一種不希望的爐子氣流對裝配的直接沖擊。 為了獲得氮氣增強濕潤力的充分好處，經(jīng)常把最大 2020ppm 或 500ppm 一種所希望的氧氣最高水平。可是，一些設(shè)備使用氮氣將氧氣的濃度降低到 100ppm 這是一個沒有必要的工藝。上面的問題是元件豎立只發(fā)生在使用氮氣時，并且只是在特定的板上。這個事實說明濕潤速度可