Taguchi正交陣列在封裝設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

本文將研究確定什么參數(shù)對(duì)無鉛焊接有最大和最小影響的方法。目的是要建立一個(gè)質(zhì)量和可重復(fù)性受控的無鉛工藝...。

開發(fā)一套有效的方法

既然生產(chǎn)線中的無鉛焊接即將來臨，那么我們應(yīng)該開發(fā)出一套有效的方法，來決定正確的工藝設(shè)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(gè)工藝，因此，所有機(jī)器設(shè)定都必須再檢查。

在回流焊接中，目標(biāo)是要滿足或再現(xiàn)錫膏的正確設(shè)定，保持在元件和電路板材料的規(guī)格之內(nèi)。我們面臨的挑戰(zhàn)是使用現(xiàn)在生產(chǎn)中使用的機(jī)器并保持現(xiàn)有的產(chǎn)量，來達(dá)到這個(gè)目標(biāo)。

為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)，機(jī)器應(yīng)該具有良好的熱傳導(dǎo)特性和均勻性(板上的溫度差別小)。大多數(shù)今天的熱風(fēng)/氮?dú)鈱?duì)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?yàn)榘迳系募訜峋鶆蛐阅懿詈蜏囟炔顒e大。

對(duì)于波峰焊接工藝，轉(zhuǎn)變到無鉛也將影響大多數(shù)機(jī)器參數(shù)。對(duì)于這個(gè)工藝，目標(biāo)是在與無揮發(fā)性有機(jī)化合物(VOC, volatile organic compound)的水基助焊劑的結(jié)合中實(shí)施無鉛合金(消除鹵化阻燃劑)，而不減低生產(chǎn)率或產(chǎn)量。

我們必須設(shè)計(jì)一個(gè)適當(dāng)?shù)脑囼?yàn)來決定是否計(jì)劃中的生產(chǎn)設(shè)備可以接納轉(zhuǎn)換到無鉛焊接的目標(biāo)。DOE(Design of experiment, 試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法)，特別是Taguchi方法，提供一個(gè)調(diào)查設(shè)備能力的有效方法。通過學(xué)習(xí)和使用該技術(shù)，可以大大減少試驗(yàn)研究所要求的時(shí)間。 設(shè)計(jì)一個(gè)有效的試驗(yàn)Taguchi試驗(yàn)優(yōu)化產(chǎn)品/設(shè)備的設(shè)計(jì)，以最經(jīng)濟(jì)的方式使得性能對(duì)變量的不同原因敏感性最小，而不實(shí)際上消除這些原因。包括了研究開發(fā)、制造和運(yùn)作的成本。Taguchi試驗(yàn)是基于正態(tài)陣列，它減少試驗(yàn)運(yùn)行的次數(shù)。

一個(gè)Taguchi試驗(yàn)的設(shè)計(jì)是非常重要的，因?yàn)榻Y(jié)果的質(zhì)量取決于一個(gè)適當(dāng)?shù)臏?zhǔn)備。這個(gè)準(zhǔn)備要求仔細(xì)的計(jì)劃、審慎的試驗(yàn)布局和輸出數(shù)據(jù)的專家分析。試驗(yàn)以一個(gè)集思廣益的會(huì)議開始，邀請(qǐng)來自不同部門(設(shè)計(jì)、運(yùn)作、品質(zhì)和制造)的雇員參加。所有個(gè)人都應(yīng)該對(duì)焊接有第一手資料。每個(gè)成員在所有必須由這個(gè)小組所作的選擇中都有一個(gè)投票權(quán)。因此，小組成員數(shù)量應(yīng)該是奇數(shù)。

小組的工作是列出問題。目標(biāo)是要通過確定設(shè)計(jì)因素的最佳結(jié)合，以盡可能最高的品質(zhì)和可能獲得的最好性能實(shí)現(xiàn)無鉛焊接。

第一步是要列出控制因素，或者那些將對(duì)焊接品質(zhì)有主要影響的參數(shù)，或者可以控制的輸入。對(duì)于波峰焊接，控制因素的例子包括助焊劑數(shù)量、預(yù)熱設(shè)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?dú)獾氖褂谩魉蛶俣群捅嘏c峰值區(qū)的溫度設(shè)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(yīng)該列出。每個(gè)小組成員分別按照其對(duì)于影響輸出品質(zhì)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(chǎn)品因素。例子有板的質(zhì)量、空氣溫度和濕度。當(dāng)必須量化一個(gè)設(shè)計(jì)的穩(wěn)定性時(shí)，這些因素可以集中到一個(gè)試驗(yàn)中，以一個(gè)所謂的外部陣列。

現(xiàn)在，必須選擇試驗(yàn)的方式。Taguchi方法使用正交陣列，這些是可以用同時(shí)變化的因素填充的嚴(yán)格定義的矩陣。每個(gè)因素的每個(gè)級(jí)別按照每個(gè)因素級(jí)別的每個(gè)級(jí)別測(cè)試相同的次數(shù)。正交陣列和將選作試驗(yàn)的重復(fù)次數(shù)取決于成本、時(shí)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(yùn)行)、2(個(gè)級(jí)別)和3(個(gè)因素)；L8(27)、L9(34)、L12(211)和幾個(gè)L18變量。

現(xiàn)在選擇運(yùn)行次數(shù)(有正交陣列決定)和重復(fù)次數(shù)，變化因素的級(jí)別也必須定義。小組在這一步應(yīng)該大膽一點(diǎn)，因?yàn)樵谶@類試驗(yàn)中的主要目的是要看到變化。如果品質(zhì)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(zhì)。

品質(zhì)特征和方法

輸出特征(反應(yīng)數(shù)據(jù))允許試驗(yàn)運(yùn)行的結(jié)果被量化。這些特征將表示是否該產(chǎn)品按照品質(zhì)規(guī)格焊接的，或者是否焊點(diǎn)質(zhì)量差。對(duì)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(yīng)該清楚，無鉛焊接將有一些特殊的品質(zhì)問題，如焊角升起、空洞和錫球。因?yàn)闊o鉛焊接溫度比錫/鉛更接近于熔點(diǎn)，孔的填充和可靠性也必須量化。

無鉛焊接試驗(yàn)

做一個(gè)實(shí)際的試驗(yàn)來顯示Taguchi分析法可以怎樣應(yīng)用。對(duì)于這個(gè)試驗(yàn)，小組決定在一個(gè)基本的波峰焊接機(jī)上做這個(gè)焊接，使用一個(gè)L8陣列，重復(fù)三次運(yùn)行(圖一)。在外部陣列中，測(cè)試了兩種助焊劑。這個(gè)試驗(yàn)結(jié)果總共48次運(yùn)行：八次對(duì)L8運(yùn)行，三次重復(fù)和兩次對(duì)外部陣列(表一)。

表一、試驗(yàn)方案

L8 正交矩陣

因素單位

級(jí)別1

級(jí)別2

A

錫鍋溫度°C

255

265

B

氮?dú)?

開

關(guān)

C

接觸時(shí)間秒

2.3

4.3

D

Smart波-

開

關(guān)

E

預(yù)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(yù)熱溫度由助焊劑規(guī)格決定。波峰焊機(jī)裝備有一個(gè)主波和一個(gè)"Smart"波。Smart波有一根六角形軸在波中轉(zhuǎn)動(dòng)，因此產(chǎn)生波上的紊流。其結(jié)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(jī)內(nèi)的測(cè)試PCB使用了1.6mm的FR-4板。總共，裝配了14個(gè)插針連接器(280個(gè)插針，等于280個(gè)潛在的錫橋)。輸出特性
在這個(gè)試驗(yàn)中，研究了通孔滲透和插針之間的橋接問題。因?yàn)槭褂脽o鉛合金的通孔填錫更加困難(圖二)，應(yīng)該將那些可以幫助焊錫流動(dòng)到通孔頂部的變量進(jìn)行量化?？赡軒椭@個(gè)響應(yīng)因子的變量是接觸時(shí)間、氮?dú)?、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(yàn)顯示，在橋接、助焊劑和預(yù)熱設(shè)定之間的關(guān)系中，預(yù)熱起主要的作用。太高的預(yù)熱設(shè)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(chǎn)生橋接。為了避免這種情況，不能超過如助焊劑供應(yīng)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(yùn)行得出最好的結(jié)果，4,000多個(gè)通孔中只有四個(gè)對(duì)SnAgCu焊錫的填充效果差。

表二、通孔滲透結(jié)果

因素

外部矩陣

運(yùn)行

A

B

C

D

E

F

G

助焊劑A

助焊劑B

錫鍋溫度

氮?dú)?

接觸時(shí)間

Smart波

預(yù)熱溫度

助焊劑數(shù)量

板面涂層

A

B

C

A

B

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

1

2

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

2

1

2

1

2

5

8

0

33

80

26

6

2

1

2

2

1

2

1

7

0

11

8

3

6

7

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、錫橋的結(jié)果

因素

外部矩陣

運(yùn)行

A

B

C

D

E

F

G

助焊劑A

助焊劑B

錫鍋溫度

氮?dú)?

接觸時(shí)間

Smart波

預(yù)熱溫度

助焊劑數(shù)量

板面涂層

A

B

C

A

B

C

1

1

1

1

1

1

1

1

0

0

0

0

6

0

2

1

1

1

2

2

2

2

0

0

0

0

0

0

3

1

2

2

1

1

2

2

0

0

0

5

8

8

4

1

2

2

2

2

1

1

0

2

3

52

106

120

5

2

1

2

1

2

1

2

0

0

0

0

0

0

6

2

1

2

2

1

2

1

0

0

0

0

0

0

7

2

2

1

1

2

2

1

0

0

0

0

12

4

8

2

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(yùn)行沒有錫橋，而用助焊劑B的第四次運(yùn)行顯示278個(gè)插針有錫橋。通孔填充是用Anova軟件進(jìn)行評(píng)估的(表四)；ρ 列顯示各因素對(duì)通孔填充影響的百分比，ρ 是根源貢獻(xiàn)收益率(ρ 等于根源純變量 S' 除以標(biāo)準(zhǔn)偏差)。

表四、通孔滲透的Anova分析結(jié)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?dú)?1,7041,7044171,7004.3C接觸時(shí)間12,2412,2415492,2375.7DSmart波17,7017,7011,8867,69719.6E預(yù)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(cuò)誤76,6219462326,59216.8e2次要錯(cuò)誤327,301228567,17118.3(e)合并1441920.5總計(jì)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(jié)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?dú)?2,2142,214262,1298.1C接觸時(shí)間11,5191,519181,4345.4DSmart波11,3231,323161,2384.7E預(yù)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(cuò)誤710,6421,5201810,04738.1e2次要錯(cuò)誤322,72085合并(e)合并12,720853,99515.1總計(jì)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(duì)通孔填充有最大的影響。這個(gè)結(jié)論是有意義的，因?yàn)槿绻麤]有助焊劑在孔內(nèi)，焊錫不會(huì)流進(jìn)去。另一個(gè)有趣的結(jié)果是Smart波的影響幾乎達(dá)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(píng)估錫橋(表五)。ρ 列的值顯示所有因素都或多或少對(duì)錫橋有影響。正如所預(yù)計(jì)的，氮?dú)夂椭竸┦侵饕蛩?。如果沒有強(qiáng)助焊劑出現(xiàn)，錫橋?qū)⒊霈F(xiàn)在焊接表面氧化的地方。圖三描述對(duì)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(shè)定是：A1/A2 - 焊錫溫度：沒有最好，選擇最經(jīng)濟(jì)的值B1 - 氮?dú)猓_C2 - 接觸時(shí)間：4.3 秒D1 - Smart 波，開E1/E2 - 預(yù)熱溫度：沒有最好，選擇最經(jīng)濟(jì)的值F2 - 助焊劑量：較多助焊劑G1 - 板面涂層：有機(jī)可焊性保護(hù)(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(shè)定是：A2 - 焊錫溫度：265°CB1 - 氮?dú)猓_C1 - 接觸時(shí)間：2.3秒D1 - Smart波，開E1 - 預(yù)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(yàn)結(jié)果揭示，265°C是首選的焊錫溫度。對(duì)SnAgCu使用氮?dú)馐怯幸饬x的，因?yàn)樗鼫p少錫碴的形成，也減少焊接失效。最佳的結(jié)果在接觸時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)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(yàn)也證明，Smart波可以達(dá)到較好的焊接質(zhì)量。預(yù)熱溫度是不太重要的，只要跟隨規(guī)定。這個(gè)結(jié)果是一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，因?yàn)榘迳陷^大的溫度差別不會(huì)對(duì)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(yàn)顯示這個(gè)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(gè)波峰焊接工藝?？墒?，數(shù)據(jù)進(jìn)一步證實(shí)有關(guān)氮?dú)?、Smart波和接觸時(shí)間的理論，以及其它有關(guān)工藝問題。還可以進(jìn)行驗(yàn)證運(yùn)行。這次另外的運(yùn)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(yàn)證運(yùn)行應(yīng)該與軟件預(yù)測(cè)進(jìn)行比較，以決定是否該試驗(yàn)設(shè)定正確。如果驗(yàn)證運(yùn)行不符合預(yù)測(cè)，應(yīng)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(yàn)中的因素。

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