在波峰焊接优化中的关键参数.doc

在波峰焊接優化中的關鍵參數By Martin Ingall， Gustavo Jimenez， Pete Michela， Monica Taylor and Nissim Sasson 本文介紹：“對駐留時間和浸錫深度的研究，揭示了波峰焊接的可重複性與缺陷減少的重大機遇。” 在過去幾年中，生產與工藝工程師對板與波峰的相互作用又有新的認識，導致了波峰焊接程式的戲劇性變化。 例如，已經採用直接測量PCB在波峰焊接中經歷的技術。得到了電路板品質的即時與顯著的改善，推動該技術的廣泛使用。 板與波相互作用的中心 製造波峰焊機的唯一目的是：讓板與焊錫波峰相互作用。你知道這個敍述是完全正確的，因為當你看看回流焊接爐裏面時你沒有看到波峰。在回流焊接爐中，當板經歷加熱溫度時，出現的是化學反應，不象在波峰焊接中。 在波峰焊機內，當把板送到焊錫波峰上時，化學反應與溫度是作用物。其結果，與表面貼裝的爐相比較，波峰焊機內溫度的工藝視窗是寬鬆的，並且板與波峰相互作用的精確控制產生很大好處。 引腳在焊錫波峰內只是幾秒鐘或更少。焊接應該可以在一次過中達到，不出現缺陷。由於這個過程是如此簡單，今天的板是如此複雜，使得電路板必須精確地通過波峰。有頭腦的工程師已經知道，似乎很小的板與波峰過程 的變化可以導致很大的品質變化。 溫度曲線的限制 那些堅持認為波峰焊接控制主要是溫度的人，通常選擇嚴格地依賴溫度粘結劑、高溫計或溫度曲線。雖然溫度是重要的，但它不能說明板與焊錫波峰的相互作用。 沒有板與波的精確資料的波峰焊接可能造成連續的缺陷、生產危機和停機時間。實際上，生產管理人員瞭解這樣的結果，看到工位元上需要修理工人，承受產量與品質的壓力。 儘管有溫度管理的Herculean效應、波峰焊機品質的驚奇進步、以及助焊劑與焊錫化學成分的不斷發展，波峰焊接還可能是有問題的。如果問一個製造工程師從哪里主要出現裝配缺陷，最常見，他或她會指向波峰焊機。 因此，返工人員每天、每班工作只是為了修整生產線上的缺陷。修理現在的水平不是看作對生產失效的一個補償性活動，可以去掉的一樣事情，而是經常看作生產線本身“可以接受的”部分。這個看法的直接結果就是允許生 產成本的大幅增加和波峰焊接嚴重的表現不佳。 例如，調節預熱器永遠不能消除由於太長駐留時間引起的錫橋或者由於浸錫深度太淺所引起的不焊 (skipping)。這裏所陳述的研究結果將表明，現有的波峰焊接缺陷的大多數只能通過對板與錫波相互作用的精確、 直接的測量與控制才能消除。 板與錫波的相互作用 假設板與波峰是平行的，板與波峰相互作用有三個清楚的同時發生的面，可以直接準確地測量： 1. 駐留時間(dwell time): 駐留時間是一個引腳在焊錫波內的時間數量，需要以0.10秒的遞增來控制。 2.浸錫深度(immersion depth): 浸錫深度是板浸在焊錫波內有多深。由於最好的波峰具有1020-mil 之間的波峰高度變化，這個參數最好是通過其穿過一個過程視窗的通道來測量。用於本研究的設備使用12-mil的遞增量。 3.接觸長度(contact length): 接觸長度是一個引腳通過波峰的距離。 圖一解釋了板的浸錫深度與接觸長度的相互關係，顯示浸錫深度直接決定接觸長度。接觸長度又直接影響駐留時間，因為： 駐留時間 = 接觸長度 傳送帶速度 傳送帶速度的設定將不能單獨控制在焊錫波峰上的駐留時間。必須有精確測量與控制浸錫深度的方法。 波峰形狀 我們許多人都有在兩台不同的波峰焊機上運行同一個裝配的經驗，看到的是兩個很不同的板的品質的出現。在兩台波峰焊機設定成相同的泵的速度、傳送帶速度、傳送帶角度、錫缸高度、預熱與焊接溫度；使用相同的化學品；相同的維護計畫；以及顯示相同的溫度曲線的時候，為什麼波峰焊機還會產生不同的結果？ 作為一個工業，我常常已經退而接受“不同的波峰焊機有不同的個性。”有些人責怪操作員。但是這個答案是簡單的，可測量的：所有波峰焊機產生的波峰是不同形狀的。 圖二顯示波峰形狀對接觸長度的影響。一個較寬的波意味著較長的接觸長度 - 因此，駐留時間較長 - 以相同的浸錫深度。 機器設定的限制 控制波峰焊接過程涉及直接測量板在波峰上實際所經歷的。波峰焊機永遠不能保證可重複性。板看不到傳送帶速度；但感受到駐留時間。同樣，板不知道泵的速度，但感受到浸錫深度。還有，波峰焊機的設定不顯示波峰焊機的可變化性。因此，波峰焊接的參數必須主要基於板與波峰的相互作用，而不是波峰焊機的設定。 裝配工廠沒有必要責怪它們的波峰焊機，助焊劑或操作人員，因為實際的挑戰是波峰焊接工藝過程本身。波峰焊機不能測量板與波的相互作用；好的設備不是用來補償一個不受控的工藝。 用於研究的駐留時間基線 一家主要的消費電子公司讓其北美的工廠完成為期一個月的研究，以評估駐留時間優化與可重複性的重要性。 選擇了最大批量的裝配來用作研究，它代表在該地生產的所有電路板的19%。 為了這個用途，使用一台電子設備和直接板與波峰接觸感測器。由於能夠進行每排四個運行，該設備可以在將資料卸載到PC之前記錄多個讀數。還有，該設備的LCD顯示器允許從波峰焊機出來時即時的資料讀數，並提供浸錫高度的直接測量。下面是進行的步驟： 1.測量與建立平行度。 2.測量現時板的駐留時間，以前是 1 秒。 3.測量現時板的浸錫深度，以前是 24-mil。 4.評估板的質量。得出 312 ppm(parts per million)的缺陷率，這個被認為在工廠內是正常的，按工業標準也是 很好的，儘管有一定量的返工數量。 5.步驟 1 3 對一排中的三個班次很容易地完成，每班兩次，因為所有資料都是在通過波峰焊機的設備一次運行中獲得的。步驟 4 是在每一班次結束時完成。 在運行裝配板之前，如果測量顯示不平行 - 或者駐留時間比 1 秒鐘超出 0.1 秒，或者浸錫深度不是 24-mil - 則對波峰焊機作出調整。另外作一些測量以證實發生所希望的板與波的相互作用。始終保持那些與板-波相互作用無關的地方，包括，如，助焊劑類型、預熱設定和焊錫溫度。 在每班結束時，作百萬缺陷(dpm， defects per million)記錄。這個板的 dpm 持續地在312範圍。因此，達到了電路板質量的可重複性。 駐留時間研究方法 下一個目標是決定是否板的缺陷率受到以不同駐留時間運行的影響。這個計畫涉及以不同的駐留時間運行相同類型的板，駐留時間以半秒的遞增幅度從0.5秒增加到5.0秒，並且涉及將每個駐留時間與其產生的缺陷率相聯繫。 對每個駐留時間進行上述的 15 步。 圖三的藍線顯示該結果。對這個特定的板產生最低缺陷 率的駐留時間是在 2.53 秒之間。然後進行這個板的進一步研究，在 2.8 秒時缺陷持續最低。因此該板現在只以 2.8 秒的駐留時間和 24-mil 的浸錫深度運行。波峰焊機的設定現在是非主要的，與使用的波峰焊機無關。駐留時間的優化已經完成，同樣達到在實際任何的波峰焊機上以可預計的品質裝配該板的靈活性。 對於該消費電子公司，這些結果就是對操作員的有意的波峰焊接工藝檔、更清晰的工作指示，更大的靈活性，因為該板可以可靠地通過任何波峰焊機。該公司也可以實現更少的程序控制圖表中的峰值，因為在板運行之前進行了測量；更少的停機時間；較高的產量，減少對工藝工程師的壓力；以及更愉快的管理。 其他觀察包括： 所發現的最佳駐留時間與以前發生的有很大的不同，但是那時沒有測量。 缺陷率隨駐留時間的不同而顯著變化。 控制浸錫深度對本研究是關鍵的，因為浸錫深度的變化意味著接觸長度的變化，結果，駐留時間不受控。 逐板的優化 正如每鍾板在表面貼裝爐中使用其自己的溫度曲線一樣，每種板也在波峰焊機中使用其自己的板與波峰的參數。因此，上述研究也對第二種板進行。 圖三把結果記錄成紅線。研究發現，對這種板的最佳駐留時間是 3.6 秒，與第一種板的 2.8 秒形成對比。注意兩種板的“駐留時間曲線”是不同的。雖然不太象第一種板所獲得的新基線那麼低，但該工藝過程得到所研究的第二種板的顯著更低的缺陷率，這種板以前也是以 1 秒運行。這些結果強烈地顯示諸如非最佳浸錫深度或設計問題等這些缺陷根源與駐留時間沒有關係。 浸錫深度 改變浸錫深度會改變接觸長度和駐留時間，這使得浸錫深度的直接和準確測量成為關鍵。泵速產生波峰高度，它隨著錫缸的焊錫變空而消失。可是，板的實際浸錫深度決定於幾個因素，包括錫缸高度、PCB怎樣座落在傳送帶的指爪上、彎曲、破裂或變鉤的指爪、傳送帶角度、以及是否使用託盤。 可是，控制浸錫深度 - 測量和把它保持持續不變 - 只是這個難題中的一小部分。另一個是決定在那個浸錫高度，板的品質是最佳的。在圖四中，注意由藍條形所代表的板的缺陷率，在不同範圍上比由黃色條形所代表的板更優化：48 mil 或甚至 3660 mil 分別比 2436 mil。因此，不同板的類型最受益於不同浸錫深度。 結論 板與波峰優化的好處是很大的，當決定波峰焊接工作指示時，需要進行逐個電路板地評估。對板實際所經歷的進行直接測量與管理是關鍵的。對所有的板使用相同的波峰焊機設定將永遠不會產生對各種裝配類型最佳的波峰焊接結果，對波峰焊機設定的依賴不包裝板與波峰相互作用的可重複性。 優化要求對板上實際缺陷有關的調整。只記錄機器設定和(或)注重板與波的資料將不會產生所希望的結果。波峰焊機不一定是可重複的。 要開始是簡單的。該過程只要花幾分鐘，並且將馬上產生對你有幫助的資訊： 1.象平時你對特定的板一樣設定波峰焊機。 2.一旦你已經建立板對波的平行度，記錄駐留時間和浸錫深度讀數。 3.處理其中一塊板，記錄其波峰焊接品質。 4.作為確定最佳駐留時間的第一步，將傳送帶速度減少到每分鐘0.75英尺，再運行設備，得到新的駐留時間讀數。 5.再運行相同板類型中的一個，記錄其波峰焊接品質。 如果板的質量已經改善，那麼你已經得到一個比你現在用於運行板的駐留時間更優越的駐留時間。你現在可以每天在每一次運行該類板之前記錄駐留時間讀數，以保證你的波峰焊機對你的板給予所希望的、更好的經驗。因此，你可用該資料來保證可重複性和最佳效果。 如果板的品質惡化，那麼增加傳送帶速度，重複相同的步驟。你將很快找到最佳的板與波相互作用參數。為了評估浸錫深度對波峰焊接品質的影響，改變泵的速度，另外進行相同的步驟。 要理解的另一個重要方面是工藝視窗(process window)。所有波峰焊機有其自己的資料變化和可重複性的正常範圍，這個只有通過在機器保持在使用的每個設定時，對駐留時間和浸錫深度的直接測量來確定。理解波峰焊機的對駐留時間、浸錫深度和平行度的工藝視窗，將幫助你優化對每個板的波峰焊接工藝。 如果你的工廠一個產品高度混合的工廠，那麼從最普通或最棘手的板開始。對於大批量、的混合的運作，你有機會來優化你運行的每一個板。對於兩類工廠，在不同的波峰焊機之間，甚至工廠位置之間可靠地移動一種特定板的靈活性也要增加。 許多工廠已經將可得到的技術與簡單的程式相結合，以優化其電路板的駐留時間、控制浸錫深度和得到其波峰焊接工藝的真正可重複性。對於那些想要迅速降低成本和與波峰焊接品質的工業規範保持步伐的工廠，這裏所敍述的技術與程式值得調查研究。 Martin Ingall， Peter Michela， Monica Taylor and Nissim Sasson， are with Technology Informatio