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量和可重復性受控的無鉛工藝...。
開發(fā)一套有效的方法
既然生產線中的無鉛焊接即將來臨，那么我們應該開發(fā)出一套有效的方法，來決定正確的工藝設定。無鉛焊接不僅僅是以另一種合金來取代一種合金，不存在“插入式”的取代。一種新材料的引入影響著整個工藝，因此，所有機器設定都必須再檢查。
在回流焊接中，目標是要滿足或再現(xiàn)錫膏的正確設定，保持在元件和電路板材料的規(guī)格之內。我們面臨的挑戰(zhàn)是使用現(xiàn)在生產中使用的機器并保持現(xiàn)有的產量，來達到這個目標。
為了實現(xiàn)這個目標，機器應該具有良好的熱傳導特性和均勻性(板上的溫度差別小)。大多數(shù)今天的熱風/氮氣對流爐能夠焊接無鉛合金?？墒?，紅外燈的爐子將很可能需要取代，因為板上的加熱均勻性能差和溫度差別大。
對于波峰焊接工藝，轉變到無鉛也將影響大多數(shù)機器參數(shù)。對于這個工藝，目標是在與無揮發(fā)性有機化合物(VOC, volatile organic compound)的水基助焊劑的結合中實施無鉛合金(消除鹵化阻燃劑)，而不減低生產率或產量。
我們必須設計一個適當?shù)脑囼瀬頉Q定是否計劃中的生產設備可以接納轉換到無鉛焊接的目標。DOE(Design of experiment, 試驗設計方法)，特別是Taguchi方法，提供一個調查設備能力的有效方法。通過學習和使用該技術，可以大大減少試驗研究所要求的時間。 設計一個有效的試驗Taguchi試驗優(yōu)化產品/設備的設計，以最經濟的方式使得性能對變量的不同原因敏感性最小，而不實際上消除這些原因。包括了研究開發(fā)、制造和運作的成本。Taguchi試驗是基于正態(tài)陣列，它減少試驗運行的次數(shù)。
一個Taguchi試驗的設計是非常重要的，因為結果的質量取決于一個適當?shù)臏蕚?。這個準備要求仔細的計劃、審慎的試驗布局和輸出數(shù)據(jù)的專家分析。試驗以一個集思廣益的會議開始，邀請來自不同部門(設計、運作、品質和制造)的雇員參加。所有個人都應該對焊接有第一手資料。每個成員在所有必須由這個小組所作的選擇中都有一個投票權。因此，小組成員數(shù)量應該是奇數(shù)。
小組的工作是列出問題。目標是要通過確定設計因素的最佳結合，以盡可能最高的品質和可能獲得的最好性能實現(xiàn)無鉛焊接。
第一步是要列出控制因素，或者那些將對焊接品質有主要影響的參數(shù)，或者可以控制的輸入。對于波峰焊接，控制因素的例子包括助焊劑數(shù)量、預熱設定、傳送帶速度和焊錫溫度。在回流焊接中，控制因素可能包括氮氣的使用、傳送帶速度和保溫與峰值區(qū)的溫度設定。助焊劑類型和板的表面涂層是受控的輸入因素的例子。
如果在這些因素的有些之間出現(xiàn)相互影響，那么它們也應該列出。每個小組成員分別按照其對于影響輸出品質的重要性的次序排列這些因素。
噪音因素是那些影響變化、但又或者不可能控制或者控制成本太高的工藝或產品因素。例子有板的質量、空氣溫度和濕度。當必須量化一個設計的穩(wěn)定性時，這些因素可以集中到一個試驗中，以一個所謂的外部陣列。
現(xiàn)在，必須選擇試驗的方式。Taguchi方法使用正交陣列，這些是可以用同時變化的因素填充的嚴格定義的矩陣。每個因素的每個級別按照每個因素級別的每個級別測試相同的次數(shù)。正交陣列和將選作試驗的重復次數(shù)取決于成本、時間和現(xiàn)有的材料。有許多矩陣可用；例如，L4(23)，它代表4(次運行)、2(個級別)和3(個因素)；L8(27)、L9(34)、L12(211)和幾個L18變量。
現(xiàn)在選擇運行次數(shù)(有正交陣列決定)和重復次數(shù)，變化因素的級別也必須定義。小組在這一步應該大膽一點，因為在這類試驗中的主要目的是要看到變化。如果品質差別沒有看到，那么該小組還不夠大膽，或者甚至更差，所選擇的控制因素不能影響品質。
品質特征和方法
輸出特征(反應數(shù)據(jù))允許試驗運行的結果被量化。這些特征將表示是否該產品按照品質規(guī)格焊接的，或者是否焊點質量差。對來自該工藝的焊接缺陷的Pareto分析可以提供在輸出特征選擇中的良好輸入?？墒?，應該清楚，無鉛焊接將有一些特殊的品質問題，如焊角升起、空洞和錫球。因為無鉛焊接溫度比錫/鉛更接近于熔點，孔的填充和可靠性也必須量化。
無鉛焊接試驗
做一個實際的試驗來顯示Taguchi分析法可以怎樣應用。對于這個試驗，小組決定在一個基本的波峰焊接機上做這個焊接，使用一個L8陣列，重復三次運行(圖一)。在外部陣列中，測試了兩種助焊劑。這個試驗結果總共48次運行：八次對L8運行，三次重復和兩次對外部陣列(表一)。
表一、試驗方案
L8 正交矩陣
因素單位級別1
級別2
A
錫鍋溫度°C255
265
B
氮氣-開
關
C
接觸時間秒2.3
4.3
D
Smart波-開
關
E
預熱溫度°C最小
最大
F
助焊劑數(shù)量-低
高
G
板面涂層-OSP
NiAu
選擇錫/銀/銅(SnAgCu)合金來焊接。使用了兩種無VOC的水基助焊劑，預熱溫度由助焊劑規(guī)格決定。波峰焊機裝備有一個主波和一個"Smart"波。Smart波有一根六角形軸在波中轉動，因此產生波上的紊流。其結果是較高的焊錫垂直力，提供更好的通孔滲透。
圖一、在波峰焊機內的測試PCB使用了1.6mm的FR-4板?？偣玻b配了14個插針連接器(280個插針，等于280個潛在的錫橋)。輸出特性
在這個試驗中，研究了通孔滲透和插針之間的橋接問題。因為使用無鉛合金的通孔填錫更加困難(圖二)，應該將那些可以幫助焊錫流動到通孔頂部的變量進行量化?？赡軒椭@個響應因子的變量是接觸時間、氮氣、助焊劑、板面涂層和焊錫溫度。焊錫溫度限制到265°C，以防止板的彎曲。
圖二、部分充滿的通孔例子較早的試驗顯示，在橋接、助焊劑和預熱設定之間的關系中，預熱起主要的作用。太高的預熱設定可能使助焊劑活性劑不穩(wěn)定，因而造成在波峰出口處缺乏助焊劑，使得氧化物產生橋接。為了避免這種情況，不能超過如助焊劑供應商所規(guī)定的板頂面最高溫度。 分析數(shù)據(jù)在表二中列出了填充差的通孔數(shù)量。使用助焊劑A的第七次運行得出最好的結果，4,000多個通孔中只有四個對SnAgCu焊錫的填充效果差。
表二、通孔滲透結果
因素
外部矩陣
運行A
B
C
D
E
F
G
助焊劑A
助焊劑B
錫鍋溫度
氮氣
接觸時間
Smart波
預熱溫度
助焊劑數(shù)量
板面涂層
A
B
C
A
B
C
11
1
1
1
1
1
1
26
23
2
0
22
71
21
1
1
2
2
2
2
5
18
28
38
60
71
31
2
2
1
1
2
2
9
10
30
4
1
0
41
2
2
2
2
1
1
87
58
51
36
29
38
52
1
2
1
2
1
2
5
8
0
33
80
26
62
1
2
2
1
2
1
7
0
11
8
3
6
72
2
1
1
2
2
1
4
0
0
5
14
17
82
2
1
2
1
1
2
72
86
77
61
79
79
表三、錫橋的結果
因素
外部矩陣
運行A
B
C
D
E
F
G
助焊劑A
助焊劑B
錫鍋溫度
氮氣
接觸時間
Smart波
預熱溫度
助焊劑數(shù)量
板面涂層
A
B
C
A
B
C
11
1
1
1
1
1
1
0
0
0
0
6
0
21
1
1
2
2
2
2
0
0
0
0
0
0
31
2
2
1
1
2
2
0
0
0
5
8
8
41
2
2
2
2
1
1
0
2
3
52
106
120
52
1
2
1
2
1
2
0
0
0
0
0
0
62
1
2
2
1
2
1
0
0
0
0
0
0
72
2
1
1
2
2
1
0
0
0
0
12
4
82
2
1
2
1
1
2
8
4
0
0
70
0
表三列出錫橋的數(shù)量。幾次運行沒有錫橋，而用助焊劑B的第四次運行顯示278個插針有錫橋。通孔填充是用Anova軟件進行評估的(表四)；ρ 列顯示各因素對通孔填充影響的百分比，ρ 是根源貢獻收益率(ρ 等于根源純變量 S' 除以標準偏差)。表四、通孔滲透的Anova分析結果
根源DF 根源自由度 fS 根源偏差V 根源變量1F 根源變化率2S'根源純變量3ρ (%)A錫鍋溫度1444411400.1B氮氣11,7041,7044171,7004.3C接觸時間12,2412,2415492,2375.7DSmart波17,7017,7011,8867,69719.6E預熱溫度144合并F助焊劑量110,50210,5022,57210,49826.8G板面涂層12,5812,5816322,5776.6B助焊劑類型14944941214901.3e1主要錯誤76,6219462326,59216.8e2次要錯誤327,301228567,17118.3(e)合并1441920.5總計4739,1958341. V = S/f, 2. F = V/Ve, Ve是合并變量, 3. S' = S - Ve x f表五、錫橋的Anova分析結果
根源DF 根源自由度 fS 根源偏差V 根源變量1F 根源變化率2S'根源純變量3ρ (%)A錫鍋溫度11,6571,657201,5726.0B氮氣12,2142,214262,1298.1C接觸時間11,5191,519181,4345.4DSmart波11,3231,323161,2384.7E預熱溫度11,4081,408171,3235.0F助焊劑量11,4521,452171,3675.2G板面涂層11,5411,541181,4565.5B助焊劑類型11,9251,925231,8407.0e1主要錯誤710,6421,5201810,04738.1e2次要錯誤322,72085合并(e)合并12,720853,99515.1總計4726,4025621. V = S/f, 2. F = V/Ve, Ve是合并變量, 3. S' = S - Ve x f助焊劑量對通孔填充有最大的影響。這個結論是有意義的，因為如果沒有助焊劑在孔內，焊錫不會流進去。另一個有趣的結果是Smart波的影響幾乎達到20%。焊錫溫度沒有影響，可能由于差別太小(10°C，不夠大膽)。Anova軟件也用于評估錫橋(表五)。ρ 列的值顯示所有因素都或多或少對錫橋有影響。正如所預計的，氮氣和助焊劑是主要因素。如果沒有強助焊劑出現(xiàn)，錫橋將出現(xiàn)在焊接表面氧化的地方。圖三描述對通孔滲透的分析；數(shù)值越小越好。得到良好的通孔充錫的最佳設定是：A1/A2 - 焊錫溫度：沒有最好，選擇最經濟的值B1 - 氮氣，開C2 - 接觸時間：4.3 秒D1 - Smart 波，開E1/E2 - 預熱溫度：沒有最好，選擇最經濟的值F2 - 助焊劑量：較多助焊劑G1 - 板面涂層：有機可焊性保護(OSP)N1 - 助焊劑類型A圖四描述了錫橋分析；同樣，越小越好。沒有錫橋發(fā)生的最佳設定是：A2 - 焊錫溫度：265°CB1 - 氮氣，開C1 - 接觸時間：2.3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
結論試驗結果揭示，265°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量。預熱溫度是不太重要的，只要跟隨規(guī)定。這個結果是一個優(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。可是，數(shù)據(jù)進一步證實有關氮氣、Smart波和接觸時間的理論，以及其它有關工藝問題。還可以進行驗證運行。這次另外的運行使用最佳的參數(shù)設定，它將揭示最終結果的質量。驗證運行應該與軟件預測進行比較，以決定是否該試驗設定正確。如果驗證運行不符合預測，應該考慮產生差別的原因；這些原因可能是相互影響，或者不是本試驗中的因素。
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