工藝技術(shù)_電子組件的波峰焊接工藝技術(shù)

電子組件的波峰焊接工藝 在電子組件的組裝過程中，焊接起到了相當(dāng)重要的作用。它涉及到產(chǎn)品的性能、可靠性和質(zhì)量等，甚至影響到其后的每一工藝步驟。此外，由于電子組件朝著輕、薄、小的方向快速發(fā)展，為焊接工藝提出了一系列的難題，為此，電子制造業(yè)的各個廠家圍繞SMT的焊接工藝展開了激烈的競爭，旨在進(jìn)一步提高焊接質(zhì)量，克服焊接中存在的短路、橋接、焊球和漏焊等缺陷，從而提高產(chǎn)品質(zhì)量，滿足市場需求。 目前，最廣泛使用的焊接工藝主要有波峰焊接和再流焊接。波峰焊接工藝主要是用于通孔和各種不同類型元件的焊接，是一種關(guān)鍵的群焊工藝。盡管波峰焊接工藝已有多年的歷史，而且還將繼續(xù)沿用下去，然而，我們要是能夠用上切實(shí)可行的、有生命力的波峰焊接工藝需持時日。因?yàn)檫@種工藝必須達(dá)到快速、生產(chǎn)率高和成本合理等要求。換言之，這種工藝與焊接前的每一工藝步驟密切相關(guān)，其中包括資金投入、 PCB設(shè)計、元件可焊性、組裝操作、焊劑選擇、溫度/時間的控制、焊料及晶體結(jié)構(gòu)等。1 焊料 目前，波峰焊接最常用的焊料是共晶錫鉛合金：錫63；鉛37，應(yīng)時刻掌握焊錫鍋中的焊料溫度，其溫度應(yīng)高于合金液體溫度183，并使溫度均勻。過去，250的焊錫鍋溫度被視為“標(biāo)準(zhǔn)”。隨著焊劑技術(shù)的革新，整個焊錫鍋中的焊料溫度的均勻性得到了控制，并增設(shè)了預(yù)熱器，發(fā)展趨勢是使用溫度較低的焊錫鍋。在230240的范圍內(nèi)設(shè)置焊錫鍋溫度是很普遍的。 通常，組件沒有均勻的熱質(zhì)量,要保證所有的焊點(diǎn)達(dá)到足夠的溫度，以便形成合格的焊點(diǎn)是必要的。重要的問題是要提供足夠的熱量，提高所有引線和焊盤的溫度，從而確保焊料的流動性，濕潤焊點(diǎn)的兩面。焊料的溫度較低就會降低對元件和基板的熱沖擊，有助于減少浮渣的形成，在較低的強(qiáng)度下，進(jìn)行焊劑涂覆操作和焊劑化合物的共同作用下，可使波峰出口具有足夠的焊劑，這樣就可減少毛刺和焊球的產(chǎn)生。 焊錫鍋中的焊料成份與時間有密切關(guān)系，即隨著時間而變化，這樣就導(dǎo)致了浮渣的形成，這就是要從焊接的組件上去除殘余物和其它金屬雜質(zhì)的原因及在焊接工藝中錫損耗的原因。以上這些因素可降低焊料的流動性。在采購中，要規(guī)定的金屬微量浮渣和焊料的錫含量的最高極限，在各個標(biāo)準(zhǔn)中，(如象IPC/J-STD-006都有明確的規(guī)定)。在焊接過程中，對焊料純度的要求在ANSI/J-STD-001B標(biāo)準(zhǔn)中也有規(guī)定。除了對浮渣的限制外，對63錫；37鉛合金中規(guī)定錫含量最低不得低于61.5。 波峰焊接組件上的金和有機(jī)泳層銅濃度聚集比過去更快。這種聚集，加上明顯的錫損耗，可使焊料喪失流動性，并產(chǎn)生焊接問題。外表粗糙、呈顆粒狀的焊點(diǎn)常常是由于焊料中的浮渣所致。由于焊錫鍋中的集聚的浮渣或組件自身固有的殘余物暗淡、粗糙的粒狀焊點(diǎn)也可能是錫含量低的征兆，不是局部的特種焊點(diǎn)，就是錫鍋中錫損耗的結(jié)果。這種外觀也可能是在凝固過程中，由于振動或沖擊所造成的。 焊點(diǎn)的外觀就能直接體現(xiàn)出工藝問題或材料問題。為保持焊料“滿鍋”狀態(tài)和按照工藝控制方案對檢查焊錫鍋分析是很重要的。由于焊錫鍋中有浮渣而“倒掉”焊錫鍋中的焊劑，通常來說是不必要的，由于在常規(guī)的應(yīng)用中要求往錫鍋中添加焊料，使錫鍋中的焊料始終是滿的。在損耗錫的情況下，添加純錫有助于保持所需的濃度。為了監(jiān)控錫鍋中的化合物，應(yīng)進(jìn)行常規(guī)分析。如果添加了錫，就應(yīng)采樣分析，以確保焊料成份比例正確。 浮渣過多又是一個令人棘手的問題。毫無疑問，焊錫鍋中始終有浮渣存在，在大氣中進(jìn)行焊接時尤其是這樣。使用“芯片波峰”這對焊接高密度組件很有幫助，由于暴露于大氣的焊料表面太大，而使焊料氧化，所以會產(chǎn)生更多的浮渣。焊錫鍋中焊料表面有了浮渣層的覆蓋，氧化速度就放慢了。在焊接中，由于錫鍋中波峰的湍流和流動而會產(chǎn)生更多的浮渣。 推薦使用的常規(guī)方法是將浮渣撇去，要是經(jīng)常進(jìn)行撇削的話，就會產(chǎn)生更多的浮渣，而且耗用的焊料更多。浮渣還可能夾雜于波峰中，導(dǎo)致波峰的不穩(wěn)定或湍流，因此要求對焊錫鍋中的液體成份給予更多的維護(hù)。如果允許減少錫鍋中焊料量的話，焊料表面的浮渣會進(jìn)入泵中，這種現(xiàn)象很可能發(fā)生。有時，顆粒狀焊點(diǎn)會夾雜浮渣。最初發(fā)現(xiàn)的浮渣，可能是由粗糙波峰所致，而且有可能堵塞泵。錫鍋上應(yīng)配備可調(diào)節(jié)的低容量焊料傳感器和報警裝置。 2 波峰 在波峰焊接工藝中，波峰是核心?？蓪㈩A(yù)熱的、涂有焊劑、無污物的金屬通過傳送帶送到焊接工作站，接觸具有一定溫度的焊料，而后加熱，這樣焊劑就會產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，焊料合金通過波峰動力形成互連，這是最關(guān)鍵的一步。目前，常用的對稱波峰被稱為主波峰，設(shè)定泵速度、波峰高度、浸潤深度、傳送角度及傳送速度，為達(dá)到良好的焊接特性提供全方位的條件。應(yīng)該對數(shù)據(jù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，在離開波峰的后面(出口端)就應(yīng)使焊料運(yùn)行降速，并慢慢地停止運(yùn)行。PCB隨著波峰運(yùn)行最終要將焊料推至出口。在最掛的情況下，焊料的表面張力和最佳化的板的波峰運(yùn)行，在組件和出口端的波峰之間可實(shí)現(xiàn)零相對運(yùn)動。這一脫殼區(qū)域就是實(shí)現(xiàn)了去除板上的焊料。應(yīng)提供充分的傾角，不產(chǎn)生橋接、毛刺、拉絲和焊球等缺陷。 有時，波峰出口需具有熱風(fēng)流，以確保排除可能形成的橋接。在板的底部裝上表面貼裝元件后，有時，補(bǔ)償焊劑或在后面形成的“苛刻的波峰”區(qū)域的氣泡，而進(jìn)行的波峰整平之前，使用湍流芯片波峰。湍流波峰的高豎直速度有助于保證焊料與引線或焊盤的接觸。在整平的層流波峰后面的振動部分也可用來消除氣泡，保證焊料實(shí)現(xiàn)滿意的接觸組件。 焊接工作站基本上應(yīng)做到：高純度焊料(按標(biāo)準(zhǔn))、波峰溫度(230250)、接觸波峰的總時間(35秒鐘)、印制板浸入波峰中的深度(5080)，實(shí)現(xiàn)平行的傳送軌道和在波峰與軌道平行狀態(tài)下錫鍋中焊劑含量。 3 波峰焊接后的冷卻 通常在波峰焊機(jī)的尾部增設(shè)冷卻工作站。為的是限制銅錫金屬間化合物形成焊點(diǎn)的趨勢，另一個原因是加速組件的冷卻，在焊料沒有完全固化時，避免板子移位?？焖倮鋮s組件，以限制敏感元件暴露于高溫下。然而，應(yīng)考慮到侵蝕性冷卻系統(tǒng)對元件和焊點(diǎn)的熱沖擊的危害性。 一個控制良好的“柔和穩(wěn)定的”、強(qiáng)制氣體冷卻系統(tǒng)應(yīng)不會損壞多數(shù)組件。使用這個系統(tǒng)的原因有兩個：能夠快速處理板，而不用手夾持，并且可保證組件溫度比清洗溶液的溫度低。人們所關(guān)心的是后一個原因，其可能是造成某些焊劑殘渣起泡的原因。另一種現(xiàn)象是有時會出現(xiàn)與某些焊劑浮渣產(chǎn)生反應(yīng)的現(xiàn)象，這樣，使得殘余物“清洗不掉”。 在保證焊接工作站設(shè)置的數(shù)據(jù)滿足所有的機(jī)器、所有的設(shè)計、采用的所有材料及工藝材料條件和要求方面沒有哪個定式能夠達(dá)到這些要求。必須了解整個工藝過程中的每一步操作。 4 結(jié)論 總之，要獲得最佳的焊接質(zhì)量，滿足用戶的需求，必須控制焊接前、焊接中的每一工藝步驟，因?yàn)镾MT的整個組裝工藝的每一步驟都互相關(guān)聯(lián)、互相作用，任一步有問題都會影內(nèi)到整體的可靠性和質(zhì)量。焊接操作也是如此，所以應(yīng)嚴(yán)格控制所有的參數(shù)、時間/溫度、焊料量、焊劑成分及傳送速度等等。對焊接中產(chǎn)生的缺陷，應(yīng)及早查明起因，進(jìn)行分析，采取相應(yīng)的措施，將影響質(zhì)量的各種缺陷消滅在萌芽狀態(tài)之中。這樣，才能保證生產(chǎn)出的產(chǎn)品都符合技術(shù)規(guī)范。 線路板裝配中的無鉛工藝應(yīng)用原則過去5年間，電子裝配業(yè)一直在測試各種合金，希望能找到幾種無鉛方案替代常規(guī)63Sn/37Pb共晶系統(tǒng)。有很多方案雖然從技術(shù)的角度來看是可行的，但卻沒考慮成本、供貨性和工藝性等其它方面的因素。本文旨在為業(yè)界提供一個實(shí)際可行的無鉛工藝選用原則，內(nèi)容包括工藝要求、根據(jù)要求得出的結(jié)論以及在實(shí)際條件下的試用情況等，今后如需對其他更為復(fù)雜的系統(tǒng)進(jìn)行判斷比較，這里提供的方法也可作為評估參考。 電子裝配對無鉛焊料的基本要求 無鉛焊接裝配的基本工藝包括：a. 無鉛PCB制造工藝；b. 在焊錫膏中應(yīng)用的96.5Sn/3.5Ag和95.5Sn/4.0Ag/0.5Cu共晶和近似共晶合金系統(tǒng)；c. 用于波峰焊應(yīng)用的99.3Sn/0.7Cu共晶合金系統(tǒng)；d. 用于手工焊接的99.3Sn/0.7Cu合金系統(tǒng)。盡管這些都是可行工藝，但具體實(shí)施起來還存在幾個大問題，如原料成本仍然高于標(biāo)準(zhǔn)Sn/Pb工藝、對濕潤度的限制有所增加、要求在波峰焊工藝中保持惰性空氣狀態(tài)(要有足量氮?dú)?以及可能將回流焊溫度升到極限溫度范圍(235245之間)而提高了對各種元件的熱性要求等等。 就無鉛替代物而言，現(xiàn)在并沒有一套獲得普遍認(rèn)可的規(guī)范，經(jīng)過與該領(lǐng)域眾多專業(yè)人士的多次討論，我們得出下面一些技術(shù)和應(yīng)用要求： 金屬價格 許多裝配廠商都要求無鉛合金的價格不能高于63Sn/37Pb，但不幸的是現(xiàn)有的所有無鉛替代物成本都比63Sn/37Pb高出至少35%以上。在選擇無鉛焊條和焊錫絲時，金屬成本是其中最重要的因素；而在制作焊錫膏時，由于技術(shù)成本在總體制造成本中所占比例相對較高，所以對金屬的價格還不那么敏感。 熔點(diǎn) 大多數(shù)裝配廠家(不是所有)都要求固相溫度最小為150，以便滿足電子設(shè)備的工作溫度要求,最高液相溫度則視具體應(yīng)用而定。 波峰焊用焊條：為了成功實(shí)施波峰焊，液相溫度應(yīng)低于爐溫260。 手工/機(jī)器焊接用焊錫絲：液相溫度應(yīng)低于烙鐵頭工作溫度345。 焊錫膏：液相溫度應(yīng)低于回流焊溫度250。對現(xiàn)有許多回流焊爐而言，該溫度是實(shí)用溫度的極限值。許多工程師要求最高回流焊溫度應(yīng)低于225230，然而現(xiàn)在沒有一種可行的方案來滿足這種要求。人們普遍認(rèn)為合金回流焊溫度越接近220效果越好，能避免出現(xiàn)較高回流焊溫度是最理想不過的，因?yàn)檫@樣能使元件的受損程度降到最低，最大限度減小對特殊元件的要求，同時還能將電路板變色和發(fā)生翹曲的程度降到最低，并避免焊盤和導(dǎo)線過度氧化。 導(dǎo)電性好 這是電子連接的基本要求。 導(dǎo)熱性好 為了能散發(fā)熱能，合金必須具備快速傳熱能力。 較小固液共存溫度范圍 非共晶合金會在介于液相溫度和固相溫度之間的某一溫度范圍內(nèi)凝固，大多數(shù)冶金專家建議將此溫度范圍控制在10以內(nèi)，以便形成良好的焊點(diǎn)，減少缺陷。如果合金凝固溫度范圍較寬，則有可能會發(fā)生焊點(diǎn)開裂，使設(shè)備過早損壞。 低毒性 合金及其成分必須無毒，所以此項要求將鎘、鉈和汞排除在考慮范圍之外；有些人也要求不能采用有毒物質(zhì)所提煉的副產(chǎn)品，因而又將鉍排除在外，因?yàn)殂G主要來源于鉛提煉的副產(chǎn)品。 具有良好的可焊性 在現(xiàn)有設(shè)備和免清洗型助焊劑條件下該合金應(yīng)具備充分的潤濕度，能夠與常規(guī)免清洗焊劑一起使用。由于對波峰進(jìn)行惰性處理的成本不太高，因此可以接受波峰焊加惰性環(huán)境的使用條件要求；但就SMT回流焊而言，合金最好要具備在空氣下進(jìn)行回流焊的能力，因?yàn)閷亓骱笭t進(jìn)行惰性處理成本較高。 良好的物理特性(強(qiáng)度、拉伸度、疲勞度等) 合金必須能夠提供63Sn/37Pb所能達(dá)到的機(jī)械強(qiáng)度和可靠性，而且不會在通孔器件上出現(xiàn)突起的角焊縫(特別是對固液共存溫度范圍較大的合金)。 生產(chǎn)可重復(fù)性/熔點(diǎn)一致性 電子裝配工藝是一種大批量制造工藝，要求其重復(fù)性和一致性都保持較高的水平，如果某些合金的成分不能在大批量條件下重復(fù)制造，或者其熔點(diǎn)在批量生產(chǎn)時由于成分變化而發(fā)生較大變化，便不能給予考慮。3種以上成分構(gòu)成的合金往往會發(fā)生分離或成分變化，使得熔點(diǎn)不能保持穩(wěn)定，合金的復(fù)雜程度越高，其發(fā)生變化的可能性就越大。 焊點(diǎn)外觀 焊點(diǎn)的外觀應(yīng)與錫/鉛焊料接近，雖然這并非技術(shù)性要求，但卻是接受和實(shí)施替代方案的實(shí)際需要。 供貨能力 當(dāng)試圖為業(yè)界找出某種解決方案時，一定要考慮材料是否有充足的供貨能力。從技術(shù)的角度而言，銦是一種相當(dāng)特別的材料，但是如果考慮全球范圍內(nèi)銦的供貨能力，人們很快就會將它徹底排除在考慮范圍之外。 另外業(yè)界可能更青睞標(biāo)準(zhǔn)合金系統(tǒng)而不愿選專用系統(tǒng)，標(biāo)準(zhǔn)合金的獲取渠道比較寬，這樣價格會比較有競爭性，而專用合金的供應(yīng)渠道則可能受到限制，因此材料價格會大幅提高。 與鉛的兼容性 由于短期之內(nèi)不會立刻全面轉(zhuǎn)型為無鉛系統(tǒng)，所以鉛可能仍會用在某些元件的端子或印刷電路板焊盤上。有些含鉛合金熔點(diǎn)非常低，會降低連接的強(qiáng)度，如某種鉍/錫/鉛合金的熔點(diǎn)只有96，使得焊接強(qiáng)度大為降低。 金屬及合金選擇 在各種候選無鉛合金中，錫(Sn)都被用作基底金屬，因?yàn)樗杀竞艿?，貨源充足，并具備理想的物理特性，如?dǎo)電/導(dǎo)熱性和潤濕性，同時它也是63Sn/37Pb合金的基底金屬。通常與錫配合使用的其它金屬包括銀(Ag)、銦(In)、鋅(Zn)、銻(Sb)、銅(Cu)以及鉍(Bi)。 p 之所以選擇這些材料是因?yàn)樗鼈兣c錫組成合金時一般會降低熔點(diǎn)，得到理想的機(jī)械、電氣和熱性能。表1列出了各種金屬的成本、密度、年生產(chǎn)能力和供貨方面的情況，另外在考察材料的供貨能力時，將用量因素加在一起作綜合考慮得出的結(jié)果會更加清晰，例如現(xiàn)在電子業(yè)界每年63Sn/37Pb的消耗量在4.5萬噸左右，其中北美地區(qū)用量約為1.6萬噸，此時只要北美有3%的裝配工廠采用含銦20%的錫/銦無鉛合金，其銦消耗量就將超過該金屬的全球生產(chǎn)能力。 近5年來業(yè)界推出了一系列合金成分建議，幷且對這些無鉛替代方案進(jìn)行了評估。備選方案總數(shù)超過75個，但是主要方案則可以歸納為不到15個。面對所有候選合金，我們采用一些技術(shù)規(guī)范將選擇縮到一個較小的范圍內(nèi)便于進(jìn)行挑選。 銦 銦可能是降低錫合金熔點(diǎn)的最有效成分，同時它還具有非常良好的物理和潤濕性質(zhì)，但是銦非常稀有，因此大規(guī)模應(yīng)用太過昂貴?；谶@些原因，含銦合金將被排除在進(jìn)一步考慮范圍之外。雖然銦合金可能在某些特定場合是一個比較好的選擇，但就整個業(yè)界范圍而言則不太合適，另外差分掃描熱量測定也顯示77.2Sn/20In/2.8Ag合金的熔點(diǎn)很低，只有114，所以也不太適合某些應(yīng)用。 鋅 鋅非常便宜，幾乎與鉛的價格相同，并且隨時可以得到，同時它在降低錫合金的熔點(diǎn)方面也具有非常高的效率。就鋅而言，其主要缺點(diǎn)在于它會與氧氣迅速發(fā)生反應(yīng)，形成穩(wěn)定的氧化物，在波峰焊過程中，這種反應(yīng)的結(jié)果是產(chǎn)生大量錫渣，而更嚴(yán)重的是所形成的穩(wěn)定氧化物將導(dǎo)致潤濕性變得非常差。也許通過惰性化或特種焊劑配方可以克服這些技術(shù)障礙，但現(xiàn)在人們要求在更大的工藝范圍內(nèi)對含鋅方案進(jìn)行論證，因此鋅合金在今后考慮過程中也會被排除在外。 鉍 鉍在降低錫合金固相溫度方面作用比較明顯，但對液相溫度卻沒有這樣的效果，因此可能會造成較大的固液共存溫度范圍，而凝固溫度范圍太大將導(dǎo)致焊腳提升。鉍具有非常好的潤濕性質(zhì)和較好的物理性質(zhì)，但鉍的主要問題是錫/鉍合金遇到鉛以后其形成的合金熔點(diǎn)會比較低，而在元件引腳或印刷電路板的焊盤上都會有鉛存在，錫/鉛/鉍的熔點(diǎn)只有96，很容易造成焊點(diǎn)斷裂。另外鉍的供貨能力可能會因鉛產(chǎn)量受到限制而下降，因?yàn)楝F(xiàn)在鉍主要還是從鉛的副產(chǎn)品中提煉出來，如果限制使用鉛，則鉍的產(chǎn)量將會大大減少。盡管我們也能通過直接開采獲取鉍，但這樣成本會比較高?；谶@些原因，鉍合金也被排除在外。 四種和五種成分合金 由四種或五種金屬構(gòu)成的合金為我們提供了一系列合金成分組合形式，各種可能性不勝枚舉。與雙金屬合金系統(tǒng)相比，大多數(shù)四或五金屬合金可以大幅降低固相溫度，但對降低液相溫度卻可能無所作為，因?yàn)榇蟛糠炙幕蛭褰饘俸辖鸲疾皇枪簿Р牧?，這意味著在不同的溫度下會形成不同的金相形式，其結(jié)果就是回流焊溫度不可能比簡單雙金屬系統(tǒng)所需的低。 另外一個問題是合金成分時常會發(fā)生變動，因此熔點(diǎn)也會變，這在四或五金屬合金中會經(jīng)常遇到。由三種金屬組成的合金很難在焊錫膏內(nèi)的錫粉中實(shí)現(xiàn)“同批”和“逐批”一致，在四種和五種金屬組成的合金中實(shí)現(xiàn)同樣的一致性其復(fù)雜和困難程度更大。 所以多元合金將被排除在進(jìn)一步考慮范圍之外，除非某種多元合金成分具有比二元系統(tǒng)更好的特性。但就目前來看，業(yè)界還沒有找到哪種四或五金屬合金比二元或三元替代方案更好(無論在成本上還是性能上)。 表2列出一些主要無鉛替代方案，以及最終選用或不選用的原因，表中包括了單位重量價格、單位體積價格(對焊錫膏而言單位體積價格更具成本意義)以及熔點(diǎn)等信息，這些合金按照其液相溫度遞增順序排列?，F(xiàn)根據(jù)每種焊接應(yīng)用的特殊要求分別選出合適的合金。 先考慮焊條(波峰焊)和焊線(手工和機(jī)器焊接)。 對波峰焊用焊條的要求包括：a. 能在最高260錫爐溫度下進(jìn)行連續(xù)焊接；b. 焊接缺陷(漏焊、橋接等)少；c. 成本盡可能低；d. 不會產(chǎn)生過多焊渣。 結(jié)果所有選中的合金都符合波峰焊要求，但99.3Sn/0.7Cu和95Sn/5Sb合金與其它替代方案相比能夠節(jié)省更多成本。比較而言，99.3Sn/0.7Cu的液相溫度比Sn/Sb合金低13，因此99.3Sn/0.7Cu成為波峰焊最佳候選方案。 手工焊用錫線的要求與上面焊條應(yīng)用非常相似，成本考慮仍然居于優(yōu)先地位，同時也要求能夠提供較好的潤濕和焊接能力。焊線用合金必須能夠很容易地拉成絲線，而且能用345370的烙鐵頭進(jìn)行焊接，99.3Sn/0.7Cu合金可以滿足這些要求。 與焊條和焊線相比，焊錫膏較少考慮合金成本，因?yàn)榻饘俪杀驹谑褂煤稿a膏的制造流程總成本中所占比重較少，選擇焊錫膏合金的主要要求是盡量降低回流焊溫度?？疾毂碇兴泻辖?，可以發(fā)現(xiàn)液相溫度最低的是95.5Sn/4.0Ag/0.5Cu(熔點(diǎn)217218)和96.5Sn/3.5Ag(熔點(diǎn)221)。 這兩種合金都是較為合適的選擇并各具特點(diǎn)，相比之下Sn/Ag/Cu合金的液相溫度更低(雖然只有4)，而Sn/Ag合金則表現(xiàn)出更強(qiáng)的一致性和可重復(fù)制造性，并已在電子業(yè)界應(yīng)用多年，一直保持很好的可靠性。有些主要跨國公司已經(jīng)選擇共晶Sn/Ag合金進(jìn)行評估作為無鉛替代方案，大多數(shù)大型跨國公司也開始對Sn/Ag/Cu合金作初步高級測試。 實(shí)測評估結(jié)果 波峰焊評測 將99.3Sn/0.7Cu合金裝入標(biāo)準(zhǔn)Electrovert Econopak Plus波峰焊機(jī)進(jìn)行測試，這種波峰焊機(jī)配備有USI超聲波助焊劑噴涂系統(tǒng)、Vectaheat對流式預(yù)熱和“A”波CoN2tour惰性系統(tǒng)。測試在兩種無鉛印刷電路板上進(jìn)行：帶OSP涂層的裸銅板和采用浸銀拋光的裸銅板(Alpha標(biāo)準(zhǔn))，兩種電路板都采用固態(tài)含量2%且不含VOC的免清洗助焊劑(NR300A2)。另外作為對照，將同樣的電路板在相同設(shè)備上采用相同條件進(jìn)行焊接，只是焊料用傳統(tǒng)63Sn/37Pb合金。 通過實(shí)驗(yàn)可得出以下結(jié)論： 如果采用99.3Sn/0.7Cu合金，則有必要對波峰焊機(jī)進(jìn)行惰性處理以確保得到適當(dāng)?shù)臐櫇穸?，但不需要對波峰焊機(jī)或風(fēng)道進(jìn)行完全惰性處理，用CoN2tour公司的邊界惰性焊接系統(tǒng)即已足夠。 使用99.3Sn/0.7Cu焊接的電路板外觀與用63Sn/37Pb合金焊接的電路板沒有區(qū)別，焊點(diǎn)的光亮程度、焊點(diǎn)成型、焊盤潤濕和通孔上端上錫情況也基本一樣。 與Sn/Pb合金相比，Sn/Cu合金的橋接現(xiàn)象較少，但由于測試的條件有限，因此對這一點(diǎn)還需要作更進(jìn)一步的研究。 99.3Sn/0.7Cu合金在260溫度條件下焊接非常成功，在245條件下也沒有問題。 采用Sn/Cu合金的幾個星期內(nèi)銅的含量沒有發(fā)生變化，之所以關(guān)注這一問題，是因?yàn)殂~在錫中的溶解度很低，而且與溫度有很大關(guān)系。在大批量生產(chǎn)中，電路板的銅吸收情況與用Sn/Pb合金時相同。 印制和回流焊評測 針對Sn/Ag和Sn/Ag/Cu合金開發(fā)了一種新的助焊劑，以便在更高回流焊溫度下得到較好的潤濕效果，因?yàn)榛亓骱笢囟容^高時(比常規(guī)回流焊溫度高20)要求助焊劑中的活性劑應(yīng)具備更高的熱穩(wěn)定性。另外如果在空氣中工作，回流焊溫度較高還可能使普通免清洗助焊劑變色，所以這種助焊劑對高溫要有很強(qiáng)的承受能力。在95.5Sn/4.0Ag/0.5Cu合金中使用UP系列焊錫膏時，即使空氣溫度達(dá)到240，它也不會變?yōu)樽厣蜱晟?UP系列焊錫膏在印刷測試中表現(xiàn)非常好，測試時采用的是MPM UP2000印刷機(jī)，印刷條件包括6mil厚激光切割網(wǎng)板、印刷速度25mm/秒、網(wǎng)板開口間距1650mil以及接觸式印刷，焊膏印出的輪廓非常清晰且表現(xiàn)出良好的脫模性能。另外這種焊錫膏在中止印刷后(停放超過一小時)再開始使用時無需進(jìn)行攪拌，其網(wǎng)板使用壽命在8小時以上，粘性也可保持8小時。 回流焊采用Electrovert Omniflo七溫區(qū)回焊爐，在空氣環(huán)境下進(jìn)行焊接。回焊曲線如圖1，從圖中可看出溫度在200秒時間里以近似線性的速率上升到240，溫度高于熔點(diǎn)(221)的時間為45秒。 得出結(jié)論如下： UP系列焊錫膏95.5Sn/4.0Ag/0.5Cu 88-3-M13表現(xiàn)出良好的印刷性。 無鉛焊錫膏能提供良好的粘力且能保持足夠的時間。 對測試板而言，95.5Sn/4.0Ag/0.5Cu合金所需的240最高溫度是可以接受的。 回流焊無需氮?dú)庖材苋〉煤芎眯Ч?焊點(diǎn)光亮度好，與標(biāo)準(zhǔn)Sn/Pb合金相同。 助焊劑殘留物外觀(顏色及透明度)比采用Sn/Pb合金及普通助焊劑在標(biāo)準(zhǔn)熱風(fēng)回流焊(峰值溫度220，高于183的時間為45秒)后的情形好得多。 潤濕和擴(kuò)散特性與Sn/Pb標(biāo)準(zhǔn)合金相同。 當(dāng)使用沒有阻焊膜的裸FR-4板子時，過高的回流焊溫度會使線路板出現(xiàn)嚴(yán)重變色(變深)，淺綠色阻焊膜會使變色看起來較輕，中/深綠色阻焊膜則使變色基本上看不出來。 有些元件經(jīng)高溫回流焊后會出現(xiàn)變色和氧化跡象，將這種無鉛焊料用于兩面都有表面安裝器件的電路板上時，建議在回流焊后再安裝需作波峰焊接的底面SMD器件，以免過度受熱影響可焊性。 用UP系列96.5Sn/3.5Ag合金進(jìn)行的測試所獲結(jié)果相似，只是回流溫度提高了35。 其它特性 選擇一種簡單普通二元合金的最大好處在于它已經(jīng)完成了大量測試且已被廣泛接受，如96.5Sn/3.5Ag合金已在某些電子領(lǐng)域應(yīng)用了很長的時間。95.5Sn/4.0Ag/0.5Cu現(xiàn)正接受同樣嚴(yán)格的測試，并在一些地方顯示出非常相似的性能和優(yōu)點(diǎn)。 福特汽車公司對使用Sn/Ag合金的測試板和實(shí)際電子組件進(jìn)行了熱循環(huán)試驗(yàn)(-40140)，已完成全面熱疲勞測試研究，另外他們還將無鉛組件用于整車中，測試結(jié)果顯示Sn/Ag合金的可靠性與Sn/Pb合金相差無幾甚至更好。摩托羅拉公司也已經(jīng)完成了Sn/Ag和Sn/Pb合金的熱循環(huán)和振動研究，測試表明Sn/Ag合金完全合格，其它OEM廠商在各自的Sn/Ag和Sn/Ag/Cu合金研究中也得到了類似的結(jié)論。 根據(jù)研究結(jié)果，Sn/Ag和Sn/Pb在導(dǎo)電性、表面張力、導(dǎo)熱性和熱膨脹系數(shù)等各方面所取得結(jié)果大致相當(dāng)(見表3)。 本文結(jié)論 通過上述討論，我們可以得到一個實(shí)際可行的標(biāo)準(zhǔn)無鉛焊接工藝，其基本內(nèi)容包括： 對焊錫膏應(yīng)用而言，可將95.5Sn/4.0Ag/0.5Cu或96.5Sn/3.5Ag合金與UP系列助焊劑配合使用。 對波峰焊應(yīng)用而言，焊錫條可使用99.3Sn/0.7Cu合金。 對手工/機(jī)器焊接而言，焊錫線可使用99.3Sn/0.7Cu合金。 雖然上述方案還未能達(dá)到研究無鉛替代方案工程師們所確定的每項目標(biāo)，但基本上能令人滿意，該方案最大限制在于96.5Sn/3.5Ag合金所要求的回流焊溫度比Sn/Pb合金的要高2030，因此回流焊對元件的要求也有所提高。元器件供應(yīng)商應(yīng)與電子裝配廠密切合作以解決高溫回流焊帶來的種種問題。 隨著新技術(shù)的發(fā)展，將來還會有更多更好的替代方案推出，這里討論的系統(tǒng)最大價值在于其它復(fù)雜系統(tǒng)可以根據(jù)它提供的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行參照比較。在考察更加復(fù)雜的系統(tǒng)之前，應(yīng)多問下面一些可以定量回答的問題： 焊錫膏 1. 新的合金系統(tǒng)是否能將回流焊溫度降至與Sn/Ag合金差不多的程度(Sn/Ag合金最低回流焊溫度為240，而95.5Sn/4.0Ag/0.5Cu合金的最低回流焊溫度則為235)？ 2. 與Sn/Ag或Sn/Ag/Cu合金相比，金屬和焊錫膏的成本如何？ 3. 合金中各材料有沒有技術(shù)參數(shù)限制？各材料在技術(shù)參數(shù)范圍內(nèi)變化時其固相和液相溫度的變化情況如何？ 焊條 1. 合金的成本如何？與Sn/Cu合金比較哪一個更貴？ 2. 合金是否具有Sn/Cu合金所沒有的優(yōu)點(diǎn)？ 為什么要采用無鉛方案？ 在談?wù)摻】岛桶踩珕栴}時，人們一般考慮兩個因素危害和危險。危害是指某物質(zhì)存在毒性以及食入、吸入或吸收后對人體的影響，危險更多是指采取正確預(yù)防措施后材料的安全性或者危害發(fā)生的可能性。 鉛是一種有毒物質(zhì)，人體吸收了過量的鉛會引起鉛中毒，攝入低劑量的鉛則可能對人的智力、神經(jīng)系統(tǒng)和生殖系統(tǒng)造成影響。在評定鉛的危險性時，通常是通過調(diào)查飲食或呼吸攝入的可能性。就電子業(yè)而言，一般正常條件下鉛不會達(dá)到使其氣化的溫度，因此這方面的危險無法定量測出，只能通過監(jiān)測確定。 可以采用一些簡單的預(yù)防措施，包括在保養(yǎng)波峰焊錫爐和清理殘渣時戴上面罩，在有鉛區(qū)域禁止抽煙，盡可能減少在工作區(qū)攝入鉛的可能性。另外當(dāng)接觸焊錫膏、焊條、焊線等含鉛物體后，務(wù)必在吃飯、飲水和抽煙之前清洗雙手，徹底消除攝入鉛的可能途徑。 一般地說，從鉛吸收來源來看食入鉛的危險要高于呼吸吸入，所以應(yīng)強(qiáng)調(diào)養(yǎng)成良好衛(wèi)生習(xí)慣的重要性，在含鉛的區(qū)域嚴(yán)禁飲食和抽煙以將危險降到最低。事實(shí)證明，只要采取了正確的預(yù)防措施，在工作場所使用鉛還是相對較為安全的。 既然在電子工業(yè)中使用鉛的危險如此之小，那么人們?yōu)槭裁催€在考慮徹底消除鉛的使用呢？其實(shí)主要的擔(dān)心是含鉛材料的處置問題，如印刷線路板等。之所以有這種擔(dān)心，是因?yàn)槟切┍蛔鳛槔幚淼膹U印刷電路板在埋入地下后，其中所含的鉛可能會從電路板滲出進(jìn)入地下水，繼而流入我們的飲用水之中。 目前存在一些技術(shù)爭論，主要圍繞鉛從PCB滲出的可能性以及飲用水可接受的含鉛量(如果確實(shí)含鉛)應(yīng)該低于多少。 無鉛立法是否即將出臺？ 立法過程的政策性很強(qiáng)，因此很難預(yù)知，例如目前美國國會就尚未采取積極的立法措施來限制在電子工業(yè)中使用鉛。由于電子業(yè)所用的鉛在人類鉛使用總量中僅占非常小的份額，而且電子業(yè)在國民生產(chǎn)總值中所占比例非常重要并呈增長趨勢，因此對電子工業(yè)限制用鉛會遇到很大阻力。此外所有無鉛焊料的替代品都會增加電子制造成本，一些地區(qū)關(guān)于無鉛焊料的研究還沒有開始，所以從某種意義上說對此的立法可能會削弱本國電子制造業(yè)的競爭力。 歐洲則在推動無鉛立法上采取了更為積極的態(tài)度，歐盟計劃進(jìn)行一項投票表決，要求2004年1月之前在除車用和某些特殊場合之外的所有電子產(chǎn)品中禁止用鉛，荷蘭和瑞士則早已實(shí)施了有關(guān)電子廢料的法令。 亞洲方面已有國家就電子廢料的回收利用問題發(fā)表聲明。日本電子產(chǎn)業(yè)開發(fā)協(xié)會和日本電子封裝研究所在1998年1月制定了無鉛方案的研究原則與計劃，有些OEM廠商已經(jīng)成功開發(fā)出回收利用方法，索尼、東芝、松下、日立和NEC等大公司也已承諾將遵守日本的法律，于2001年在某些電子產(chǎn)品中實(shí)現(xiàn)無鉛化。 電子業(yè)是否正在實(shí)施無鉛工藝？ 許多跨國電子公司已經(jīng)開始啟動無鉛技術(shù)項目，對無鉛替代方案進(jìn)行評估，以做好準(zhǔn)備在限制性法律生效后實(shí)施無鉛系統(tǒng)方案。 也有許多公司將實(shí)施無鉛工藝作為一種營銷戰(zhàn)略，他們希望在營銷過程中將其電子產(chǎn)品作為無鉛和環(huán)保產(chǎn)品進(jìn)行宣傳。 片狀元件波峰焊接的難題By Brian Lynch 本文介紹，較新的助焊劑技術(shù)可幫助戰(zhàn)勝片狀元件波峰焊接的缺陷。 在過去十年里，電子裝配制造商已經(jīng)迅速地采用了免洗助焊劑技術(shù)。今天，在北美，超過60%的所有電子裝配都是使用免洗助焊劑工藝生產(chǎn)的。隨著低固體、免洗助焊劑技術(shù)的采用，出現(xiàn)了幾個明顯的挑戰(zhàn)。要克服的最新的困難是兩種麻煩的缺陷的發(fā)生：錫球和錫橋。這兩種缺陷的頻率經(jīng)常伴隨片狀元件波峰焊接(wave solder)的使用而大大增加。這個問題已經(jīng)刺激了在助焊劑技術(shù)中的最新發(fā)展。 片狀元件波峰焊接的難題是什么？使用傳統(tǒng)的 或“A”型焊接波峰來焊接底面的表面貼裝元件(SMD)，經(jīng)常產(chǎn)生不滿意的焊接結(jié)果。這兩種波峰類型設(shè)計更適合焊接傳統(tǒng)的通孔(through-hole)元件。因此，在許多情況下，這兩種波型不具有適當(dāng)?shù)慕佑|作用或動力，來打破在底面SMD的元件引腳與焊盤界面之間焊錫的表面張力。如果焊錫的表面張力不打破，那么焊錫不能適當(dāng)?shù)厝蹪?wet)界面，并形成焊接點(diǎn)。這個現(xiàn)象有時叫做“陰影(shadowing)”，是那些通常叫做“漏焊(skip)”的缺陷的主要原因。為了解決這個問題，大多數(shù)波峰焊接設(shè)備制造商已經(jīng)開發(fā)，并且現(xiàn)在提供裝備有“紊流(turbulent)”或者“適于片狀元件的(chip)”波峰的機(jī)器。在這種波峰焊接機(jī)器類型中，片狀波峰(chip wave)后面跟著傳統(tǒng)的焊接波峰，構(gòu)成雙波峰焊接工藝。片狀波峰是專門設(shè)計的發(fā)出消除底面SMD經(jīng)歷的陰影效果所要求的適當(dāng)作用或動力。這種作用允許焊錫的表面張力更容易地打破，保證焊錫適當(dāng)?shù)娜蹪窈副P與元件的界面，形成焊接點(diǎn)。因此，片狀波峰的使用是減少漏焊缺陷發(fā)生所需要的?？墒牵?dāng)片狀波峰要求用于底面SMD的適當(dāng)焊接和與傳統(tǒng)低固(low-solids)、免洗(no-clean)助焊劑一起使用時，其它的焊接問題是常見的。一種傳統(tǒng)的低固、免洗助焊劑通常含有大約2%的活性劑(activator)，或固體，但可以高達(dá)4%的固體。在雙波峰工藝中經(jīng)常與這些助焊劑的使用有關(guān)的缺陷是錫球(solder ball)和錫橋(solder bridge)。因此，將這類助焊劑用于含有底面SMD裝配的電子裝配制造商面對片狀波峰的難題： 如果不使用片狀波峰，在底面SMD焊盤上出現(xiàn)漏焊。 如果使用片狀波峰，會出現(xiàn)過多的焊錫球和錫橋。 哪一種方法都會造成缺陷。 注意，在這種情況下遇到的錫球通常叫做非隨機(jī)錫球。非隨機(jī)錫球在一塊板的底面上相同的位置上找到，一塊板接著一塊板都有，通常在突出引腳的托尾邊。它們的發(fā)生和焊錫與阻焊層之間的表面張力有關(guān)?；旧希绻@個表面張力足夠大的話，錫球與PCB之間的粘力將大于重力向下的力。結(jié)果形成錫球。 傳統(tǒng)助焊劑與片狀波峰 傳統(tǒng)的低固、免洗助焊劑經(jīng)常在單波峰焊接工藝中表現(xiàn)滿意。當(dāng)使用雙波峰工藝時，表現(xiàn)差是常見的，因?yàn)槠瑺畈ǚ宕蟠蟮卦黾恿薖CB與熔化的焊錫之間的接觸時間。事實(shí)上，當(dāng)使用片狀波峰(chip wave)時，PCB花在與460500F熔化的焊錫接觸的時間增加了，比單波峰工藝增加2540%。圖一說明PCB與焊錫波峰接觸時間是對不同波峰類型的傳送帶速度的函數(shù)。例如，對于 5 ft/min.的傳送帶速度，“A”波比“A”波加片狀波峰的接觸時間是1.5秒比2.1秒。這個數(shù)據(jù)表示板與熔化的焊錫接觸的時間增加40%。傳統(tǒng)的低固、免洗助焊劑不是設(shè)計忍耐這么長的溫度暴露。它們不能經(jīng)受得住在使用片狀波峰時所遇到的延長的駐留時間，傾向于在板到達(dá)第二波峰出處的剝離區(qū)域之前就蒸發(fā)了。這里，助焊劑發(fā)揮其在焊接工藝中最好的和關(guān)鍵的作用。剩下的助焊劑必須減少焊錫與阻焊層折舊的表面張力，以減少錫球頻率。另外，剩余的助焊劑必須幫助焊錫從元件引腳排放掉，以減少錫橋的頻率。如果當(dāng)板從波峰出來時助焊劑完全沒有了，這些缺陷可能會戲劇性地增加。 解決片狀波峰的難題有幾種選擇來解決片狀波峰的難題。電路板設(shè)計的改變，如虛設(shè)焊盤(dummy pad)的使用，可幫助減少一排引腳端的錫橋。在多個研究中，與平滑的阻焊層相比較，不光滑表面的阻焊層的使用顯示5090%的錫球數(shù)量的大大減少。增加了助焊劑沉積、加快傳送帶速度、或降低錫缸的溫度也可幫助減少錫球或錫橋1040%，這是基于工業(yè)的經(jīng)驗(yàn)?？墒?，這些 方法不總是可以辦到的，有時可能產(chǎn)生其它焊接問題。在低固、免洗助焊劑技術(shù)中的最新進(jìn)步提供了一個解決這類問題的方法。不象傳統(tǒng)的不能忍耐焊接中駐留時間延長的低固免洗助焊劑，已經(jīng)開發(fā)出更新的助焊劑技術(shù)，提供溫度更穩(wěn)定的活性劑系統(tǒng)。溫度更穩(wěn)定允許助焊劑忍受在雙波峰工藝中所遇到的溫度暴露時間的增加。這個能力保證助焊劑將在波峰出來時還有，以減少焊錫的表面張力，大大地減少非隨機(jī)錫球與錫橋的發(fā)生。溫度重力分析(TGA, thermo-gravimetric analysis)在檢查溫度穩(wěn)定性時是有幫助的。圖二比較一種傳統(tǒng)的低固免洗助焊劑與一種較新的更溫度穩(wěn)定的基于溶劑的低固免洗助焊劑的TGA圖。溫度重力分析(TGA)是對一種材料在溫度與時間上怎樣揮發(fā)的定量測量。TGA測試從樣品的已知數(shù)量開始，用圖繪出隨著溫度與時間的增加樣品質(zhì)量的損失。其結(jié)果對一種助焊劑在波峰焊接工藝中所經(jīng)歷的溫度暴露是相似的，可幫助預(yù)測一種助焊劑在這兩個缺陷區(qū)域的表現(xiàn)。在圖二中比較的兩種助焊劑的情況中，每一個都是以急下坡開始，這表示每個助焊劑樣品的大多數(shù)已經(jīng)揮發(fā)。這個急下坡對波峰焊接工藝中預(yù)熱區(qū)期間助焊劑載體的揮發(fā)是類似的。畫圈的區(qū)域是比較的更關(guān)鍵區(qū)域。該圖的每一部分都類似于在與焊錫波峰接觸期間助焊劑對焊接熱量的暴露。在這個溫度范圍助焊劑溫度穩(wěn)定性的差別幫助預(yù)測助焊劑性能的差別。正如所顯示的，含有一個更溫度穩(wěn)定活性劑系統(tǒng)的助焊劑比傳統(tǒng)的助焊劑揮發(fā)較慢。因?yàn)閾]發(fā)較慢，在焊錫波峰的剝離區(qū)域或出口還有助焊劑，來減少焊錫的表面張力，結(jié)果減少非隨機(jī)錫球和錫橋。 結(jié)論片狀元件焊接波峰(chip wave)要求用來提供在底面SMD的元件引腳與焊盤界面處的適當(dāng)熔濕(wetting)。非隨機(jī)錫球與錫橋的發(fā)生經(jīng)常隨著片狀波峰的使用而大大增加。較新的助焊劑技術(shù)，結(jié)合了更溫度穩(wěn)定的活性劑系統(tǒng)，可用來大量減少這些缺陷。 波峰焊接的持續(xù)改進(jìn)方法By Joe Chu and Tony Huang 如果能夠使用適當(dāng)?shù)臏?zhǔn)備和支持來實(shí)施有效的過程控制系統(tǒng)，那么，波峰焊接過程中出現(xiàn)的大部分問題可以得到解決，或者至少減少到一個可以接受的水平。 波峰焊接是一項成熟的技術(shù)，保持一種有效的大規(guī)模焊接工藝過程，特別是對通孔和第三類SMT裝配?？墒?，波峰焊接也由于其不連續(xù)的性能和復(fù)雜性，被人們不接受。波峰焊接的復(fù)雜是由于其過程運(yùn)作變量，例如，傳送帶速度、預(yù)熱溫度、波峰的焊接問題，板與波的交互作用、助焊劑化學(xué)成分、機(jī)器維護(hù)、板的設(shè)計、元件的可行性和操作員的培訓(xùn)。 近來，有些制造商企圖嘗試撇開波峰焊接，來做其PCB裝配流水線工藝流程，由于有許多涌現(xiàn)的技術(shù)和“更小、更快、更 便宜”的需求。如果可以掌握到波峰焊接的復(fù)雜性，以達(dá)到可重復(fù)的良好的焊接性能，一些專家相信，它將保持其適當(dāng)?shù)奈恢煤褪蛊溥m應(yīng)新的挑戰(zhàn)。 波峰焊接改進(jìn)的目的是在第一時間生產(chǎn)出完美的波峰焊接點(diǎn)。每個與波峰焊接改進(jìn)有關(guān)的人都必須認(rèn)識到，焊接缺陷的修補(bǔ)是不必要的和十分花費(fèi)的。除此之外，修補(bǔ)也將不會改進(jìn)原來的焊接點(diǎn)。事實(shí)上，焊接點(diǎn)將會降級，因?yàn)樗鼈円?jīng)歷另一次溫度周期，增加金屬間化合物的厚度。 一個波峰焊接改進(jìn)小組在Adaptec的Proto Assembly Center成立。不是嘗試去尋找一個一次性修正方案，而是采用了連續(xù)的問題解決方法。小組采用Deming的計劃、干、研究和行動循環(huán)(PDSA, Plan, Do, Study, Act)，這是問題解決的連續(xù)的逼近途徑。 因?yàn)槿耸侨魏胃倪M(jìn)行動的基礎(chǔ)，日本的Kaizen哲學(xué)首先關(guān)心的是人的素質(zhì)。如果人的素質(zhì)得到改進(jìn)，那么過程改進(jìn)隨之而來。對每一個涉及波峰焊接過程的人需要做定期的正式和適當(dāng)?shù)呐嘤?xùn)。從波峰焊接改進(jìn)的前景，到每一件和焊接過程有關(guān)的事都可以改進(jìn)。不管改進(jìn)是多小，或改進(jìn)行動是什么，都降提 高整個的焊接性能。 連續(xù)改進(jìn)策略 改進(jìn)過程包括四個主要階段：定義目標(biāo)、建立和培訓(xùn)集中小組、采用Deming的PDSA循環(huán)、和評估由于改進(jìn)效果的所發(fā)生的變化。由于管理層的支持，工程目標(biāo)清楚地定義如下：“團(tuán)結(jié)組織內(nèi)所有有關(guān)人員，一起工作以達(dá)到?jīng)]有大的固定資產(chǎn)投入的情況下，連續(xù)地改進(jìn)現(xiàn)有的波峰焊接工藝。” 由于人是任何改進(jìn)行動的基礎(chǔ)，“人員素質(zhì)”的改進(jìn)結(jié)果將是過程的改進(jìn)。對與波峰焊接過程有關(guān)的每個人必須定期接受正式的和適當(dāng)?shù)呐嘤?xùn)。把“人員素質(zhì)”哲學(xué)應(yīng)用到波峰焊接改進(jìn)的計劃中，必須對小組成 員進(jìn)行兩個正式的培訓(xùn)階段。 第一個階段包括兩個全天的由外面專家進(jìn)行的技術(shù)培訓(xùn)。覆蓋的主題諸如波峰焊接理論、焊接缺陷分析、和波峰焊機(jī)的操作與維護(hù)。在第二培訓(xùn)階段，公司的高級品質(zhì)經(jīng)理講的主題如問題解 決和過程改進(jìn)技術(shù)。小組不斷進(jìn)展，識別和排除所有的波峰焊接缺陷的可控制的根源，找出波峰焊接缺陷的不可控制根源，并把不可控制根源轉(zhuǎn)換成可控制的。有些不可控制根源(例如，PCB設(shè)計、元件選擇、設(shè)備限制等)可變成可控制的。 Deming的PDSA循環(huán)的應(yīng)用 Deming的PDSA循環(huán)可應(yīng)用于過程改進(jìn)的不同級別，對本應(yīng)用，計劃(Plan)階段的組成為監(jiān)測現(xiàn)有過程、收集焊接缺陷數(shù)據(jù)、找出根本原因和實(shí)行改進(jìn)計劃。在做(Do)的階段，實(shí)施每個行動計劃，在研究(Study)階段評估結(jié)果，看是否計劃如預(yù)期的執(zhí)行。也在研究(Study)階段，進(jìn)一步的問題或機(jī)會得到檢驗(yàn)。在Deming循環(huán)的最后階段，行動(Act)階段，在評估從研究階段得出結(jié)果的基礎(chǔ)上采取適當(dāng)行動，采用或放棄這些改進(jìn)。 如果改進(jìn)計劃如預(yù)期實(shí)施，改進(jìn)將標(biāo)準(zhǔn)化成為有關(guān)的規(guī)范，以確保日常地得到實(shí)施?？墒?，如果改進(jìn)計劃沒有滿足預(yù)期目標(biāo)，那么，要建立新的改進(jìn)計劃，把Deming的PDSA循環(huán)帶回開始階段。不管改進(jìn)采用或放棄，Deming循環(huán)要從新開始，直到可以排除所有的根源。 改進(jìn)工具的應(yīng)用 在早期階段，幾種問題解決工具被廣泛使用。Pareto圖表用于以圖形表示波峰焊接缺陷和原因的影響，幫助小組區(qū)分優(yōu)先次序，指引問題解決的努力 因果圖(魚骨圖Fishbone)也大量地使用，在集體討論的氣氛中建立。通過圖形表示因果鏈，因果圖幫助小組分類出波峰焊接缺陷的潛在原因，把原因分成定義的類別。 基于波峰焊接監(jiān)測的結(jié)果和焊接缺陷的因果分析，小組訂立一個由各種子計劃組成的全面計劃。然后每個子計劃采用Deming循環(huán)來執(zhí)行計劃。 在Deming循環(huán)的研究階段，焊接性能被測量和繪成一種統(tǒng)計控制圖，以監(jiān)測改進(jìn)和發(fā)現(xiàn)過程的變化。比較是相對于以前所作的測量，而不是標(biāo)準(zhǔn)或可接受水平。 波峰焊接的優(yōu)化 基本上，波峰焊接由三個子過程組成：過助焊劑、預(yù)熱和焊接。優(yōu)化波峰焊接過程意味著優(yōu)化這三個子過程。 助焊劑選擇。焊接助焊劑是該過程的必要部分。它除去氧化物，清潔金屬表面，以幫助熔濕。它也在加熱過程中保護(hù)金屬表面，防止金屬再氧化。為了改進(jìn)波峰焊接質(zhì)量，第一步是找到一種可替換的助焊劑，它將提高焊錫的可熔濕性，和適合于免清洗過程。由于免洗助焊劑的表面絕緣阻抗(SIR, surface insulation resistance)污染水平要求，助焊劑的選擇局限 在那些低固體含量。 開始，選擇用于評估來自不同助焊劑供應(yīng)商的九種助焊劑 六種乙醇基和三種水基。所有助焊劑都施加在光板上，板再通過波峰焊機(jī)。五種助焊劑被排除，因?yàn)樗鼈冊谶^程后產(chǎn)生要不更多的助焊劑殘留，要不更多的污染在板上。通過目視殘留物評估的剩下四種助焊劑放到通過SIR和離子色譜分離法測試。SIR測試按照ANSI/J-STD-001A標(biāo)準(zhǔn)，在85C和85%濕度下進(jìn)行七日，而離子色譜分離法測試按照IPC-TM-650方法2.3.28完成。四種助焊劑中，一種實(shí)際上沒通過離子色譜分離法測試，因?yàn)榘迕嫔?，其離子污染水平高于每平方英寸1m g的氯化物、溴化物和硫酸鹽。 助焊劑評估的最后一步是波峰缺陷分析。選擇一塊由頭、連接器、和許多底部片狀電容和電阻組成的板，來測試剩下的三種助焊劑。每一種助焊劑使用5塊板來作評估運(yùn)行。產(chǎn)生的缺陷是錫橋、錫量過多、不熔濕、焊錫遺漏和錫球。最后 的選擇是基于缺陷的計數(shù)。選擇了一種只有三個缺陷的、乙醇基、2.5%固體含量的助焊劑。 助焊劑沉積分析。施于PCB的助焊劑數(shù)量和沉積物的均勻度是良好焊點(diǎn)的關(guān)鍵。為了保證助焊劑均勻地施加到PCB，助焊劑處理器必須正確地設(shè)定。使用的波峰焊機(jī)裝備有內(nèi)部噴霧助焊劑處理器，通過一個外部獨(dú)立的氣電柜來控制。小組采取用來保證噴霧助焊劑處理器設(shè)定正確的第一個步驟是，優(yōu)化助焊劑控制單元的設(shè)定：助焊劑速度、空氣刀壓力和助焊劑的量。 一個有四個因素的兩級工廠試驗(yàn)用來決定助焊劑覆蓋和它們之間的交互作用的主要影響。助焊劑覆蓋是用來決定助焊劑沉積物的均勻性的響應(yīng)。用來決定助焊劑覆蓋的方法是，將一張化學(xué)敏感的傳真紙附著在一塊無細(xì)孔的板上。當(dāng)板通過助焊劑處理器上時，助焊劑噴霧在紙上，引起紙變顏色。紙上改變顏色的百分比計算和記錄為每個板的助焊劑覆蓋百分比。 基于標(biāo)準(zhǔn)的Pareto圖，助焊劑的量和空氣刀壓力是最重要的因素。助焊劑覆蓋區(qū)域是隨著助焊劑的速度和量的增加以及空氣刀壓力的減少而增加的。傳送帶速度比較其它三個因素是不太重要的因素。為了決定這些因素的設(shè)定，另外做了一個級別改變的24-1的部分工廠試驗(yàn)。在這個試驗(yàn)中，助焊劑 速度和量的低級數(shù)值減少到40psi，空氣刀壓力的高級數(shù)值增加到30psi。包括五個中點(diǎn)的試驗(yàn)作來收集其它有關(guān)主要影響和交互作用的信息。試驗(yàn)結(jié)果幫助建立如下優(yōu)化的助焊劑設(shè)定： 助焊劑速度：45psi助焊劑的量：45psi空氣刀壓力：25psi 優(yōu)化曲線。波峰焊助焊劑處理器設(shè)定和助焊劑選擇完成后，下一個改進(jìn)區(qū)域是控制波峰焊變量和建立電路板產(chǎn)品的溫度曲線。關(guān)鍵變量是傳送帶速度、預(yù)熱溫度和焊錫溫度。因?yàn)榈玫綔?zhǔn)確溫度曲線的最直接的方法是從經(jīng)過波峰焊機(jī)的裝配板上獲得數(shù)據(jù)，所以重要的是為每塊PCB建立各自的溫度曲線。由于在Proto Assembly Center使用的PCB有類似和一致的特征，如，尺寸、厚度、層數(shù)和元件貼裝，所以它 們可以分成類族，以使溫度曲線的數(shù)量減到最少，并達(dá)到相同的焊接結(jié)果。最后，根據(jù)特征建立了六個不同的PCB類族。 PCB 4.5 x 7, 單面PCB 4.5 x 13, 單面PCB 4.5 x 7, 雙面，沒有選擇性波峰夾具PCB 4.5 x 7, 雙面，有選擇性