回流炉温曲线模块化研究及其应用

1、内部公开 工艺工程部2005年技术交流会论文/华为机密未经许可不得扩散 回流炉温曲线模块化研究回流炉温曲线模块化研究及其应用及其应用生产工艺部生产工艺部内部公开 工艺工程部2005年技术交流会论文/华为机密未经许可不得扩散 目目 录录一一 引言引言二二 合理的合理的profile工艺设置窗口工艺设置窗口 三三 炉温曲线的主要影响因素分析（单因子试验）炉温曲线的主要影响因素分析（单因子试验）四四 通过通过DOE试验试验,找出设置炉温曲线的规律找出设置炉温曲线的规律 五五 炉温曲线模块化运用解决方案炉温曲线模块化运用解决方案六六 炉温曲线模块化推广应用及效益分析炉温曲线模块化推广应用及效益分析 七

2、七 总结总结内部公开 工艺工程部2005年技术交流会论文/华为机密未经许可不得扩散 引 言u 如何设置合理的回流炉温曲线呢？目前业界的通用做法是通过实物测温的方法，每次新单板试制，都要报废一块实物单板。通过实物测温，来判定一个炉温曲线是否合理。该方法投入大、效率低、成本高，同时也带来profile的管理难度。u公司产品众多，对单板进行分门别类，寻找设置炉温曲线的规律，避免1万种单板1万个profile的现象，我们做了以下细致的分析和研究，并针对不同回流设备，建立了一套标准炉温曲线库与分门别类的单板对应。内部公开 工艺工程部2005年技术交流会论文/华为机密未经许可不得扩散 目 录一一 引言引言

3、二二 合理的合理的profile工艺设置窗口工艺设置窗口 三三 炉温曲线的主要影响因素分析（单因子试验）炉温曲线的主要影响因素分析（单因子试验）四四 通过通过DOE试验试验,找出设置炉温曲线的规律找出设置炉温曲线的规律 五五 炉温曲线模块化运用解决方案炉温曲线模块化运用解决方案六六 炉温曲线模块化推广应用及效益分析炉温曲线模块化推广应用及效益分析 七七 总结总结内部公开 工艺工程部2005年技术交流会论文/华为机密未经许可不得扩散 合理的合理的profile工艺设置工艺设置 profile工艺设置的一般要求：Time (s)Cooling -5/sec1.0/secRamp 1 8 3 40-

4、80sec183Temp (C)PeakPeak 210-235内部公开 工艺工程部2005年技术交流会论文/华为机密未经许可不得扩散 合理的合理的profile工艺设置工艺设置回流温度曲线的主要工艺参数峰值温度（Peak）：回流焊接中测试点的最高温度。回流时间（Reflow time）：回流焊中焊料液相线以上的时间。均热时间（Soak time）：回流焊中使溶剂挥发且活化助焊剂温度段的时间。升温斜率（Preheat ramp） ：回流焊中温度上升的斜率（有预热阶段和回流阶段两种升温斜率）。降温斜率(Cooling ramp) ：回流焊中冷却阶段温度下降的斜率。内部公开 工艺工程部2005年技

5、术交流会论文/华为机密未经许可不得扩散 目目 录录一一 引言引言二二 合理的合理的profile工艺设置窗口工艺设置窗口 三三 炉温曲线的主要影响因素分析（单因子试验）炉温曲线的主要影响因素分析（单因子试验）四四 通过通过DOE试验试验,找出设置炉温曲线的规律找出设置炉温曲线的规律 五五 炉温曲线模块化运用解决方案炉温曲线模块化运用解决方案六六 炉温曲线模块化推广应用及效益分析炉温曲线模块化推广应用及效益分析 七七 总结总结内部公开 工艺工程部2005年技术交流会论文/华为机密未经许可不得扩散 炉温曲线的主要影响因素分析炉温曲线的主要影响因素分析 各影响因数分析(C&E Materix

6、) 将主要影响因素分类：l PCBl 器件l 设备工装等内部公开 工艺工程部2005年技术交流会论文/华为机密未经许可不得扩散 主要影响因子主要影响因子单因子试验一单因子试验一 不同厚度不同厚度PCB的影响试验（面积相同）的影响试验（面积相同）小结：从上图可以看出，小结：从上图可以看出，PCB厚度变化对炉温影响很大，且厚度变化对炉温影响很大，且PCB厚度越大，板上温差越大。厚度越大，板上温差越大。PCBA尺寸：尺寸：A 367*340*1.95B 367*340*2.40C 367*340*2.95D 367*340*3.15内部公开 工艺工程部2005年技术交流会论文/华为机密未经许可不得扩

7、散 不同面积不同面积PCB的 影 响 试 验的 影 响 试 验（厚度相同）（厚度相同）小结：从上图可以小结：从上图可以看出，看出，PCB面积的变化对炉温有一定影响影响。当面积由1200cm2-600cm2-300cm2 -150cm2递减时，峰值温度逐步递增,最大增幅在6左右。主要影响因子主要影响因子单因子试验二单因子试验二 内部公开 工艺工程部2005年技术交流会论文/华为机密未经许可不得扩散 焊盘接地焊盘接地2层、层、3层、层、4层、层、5层的炉温影响试验层的炉温影响试验 小结：从右图可以看，小结：从右图可以看，接地层数的变化对炉温影响很小，只有1左右，小于KIC2000仪器和回流炉允许的

8、误差，在设置回流曲线时可以不考虑。主要影响因子主要影响因子单因子试验三单因子试验三 内部公开 工艺工程部2005年技术交流会论文/华为机密未经许可不得扩散 器件分布密度对回流曲线的影响试验器件分布密度对回流曲线的影响试验 214216218220222224226228230位置2位置3位置5位置6位置7焊点8温度43个BGA33个BGA23个BGA13个BGA小结：从上图可以看出，小结：从上图可以看出，相同焊点温度差在1左右，对厚度为2.4mmPCB，器件分布数量的变化对炉温没有显著影响。对于薄板，器件布局密度可能对炉温有影响。 主要影响因子主要影响因子单因子试验四单因子试验四 内部公开 工

9、艺工程部2005年技术交流会论文/华为机密未经许可不得扩散 器件（器件（BGA）对回流曲线的影响试验）对回流曲线的影响试验 22.520.816.411.811.4 9.5 6.0205195185175BGA重量平 均 值Multi-Vari Chart for 平均值 by BGA重量323539?40434445175185195205BGA长宽平 均 值Multi-Vari Chart for 平均值 by BGA长宽4.103.203.002.552.351.601.31205195185175BGA厚度平均值Multi-Vari Chart for 平均值 by BGA厚度小结：从

10、上图可以看出，小结：从上图可以看出，BGA的厚度对炉温曲线的影响有显著的规律性，即测得炉温曲线随BGA的厚度增加而显著下降。而BGA的重量和面积对炉温曲线的影响没有显著规律性。主要影响因子主要影响因子单因子试验五单因子试验五测试器件BGA重量BGA长宽BGA厚度第1次测温第2次测温第3次测温第4次测温平均值备注BAG111.845451.31206206.12052052052mmpcb上BGA26.039392.35195.3196.31981981972mmpcb上BGA39.540401.6203.5204.82072062052mmpcb上BGA416.444442.55193.119

11、3.41981881932mmpcb上BGA511.432323.0185.41851871861862mmpcb上BGA620.843433.2188.3187.91821831852mmpcb上BGA722.535354.1177.21771751761762mmpcb上内部公开 工艺工程部2005年技术交流会论文/华为机密未经许可不得扩散 目目 录录一一 引言引言二二 合理的合理的profile工艺设置窗口工艺设置窗口 三三 炉温曲线的主要影响因素分析（单因子试验）炉温曲线的主要影响因素分析（单因子试验）四四 通过通过DOE试验试验,找出设置炉温曲线的规律找出设置炉温曲线的规律 五五 炉

12、温曲线模块化运用解决方案炉温曲线模块化运用解决方案六六 炉温曲线模块化推广应用及效益分析炉温曲线模块化推广应用及效益分析 七七 总结总结内部公开 工艺工程部2005年技术交流会论文/华为机密未经许可不得扩散 试验方案设计试验方案设计确定确定DOE因子和水平：因子和水平：因子水平1水平2水平3水平4水平5PCB厚度2.0mm2.5mm3.0mm-PCB面积650cm21250cm2-BGA厚度1.6mm2.0mm2.6mm3.0mm4.3mmresponse是：是：A.Peak温度B.183以上回流时间DOE筛选试验筛选试验,找出影响炉温曲线的主要因素找出影响炉温曲线的主要因素 实验最冷点工艺窗

13、口（炉温曲线标准）实验最冷点工艺窗口（炉温曲线标准）:l 升温斜率: 1-3, (50120时,要求2 )l 降温斜率: -4- -1 l 浸润时间:150-180, 30-45Secl 峰值温度:210-215l 回流时间:40-60Sec内部公开 工艺工程部2005年技术交流会论文/华为机密未经许可不得扩散 试验方案试验方案:l 每种厚度BGA两个,且均为带金属封装. 为取得BGA在PCB上不同分布对回流温度影响的数据,取得具有更广泛代表性的数据,对BGA进行如右图布局： l 试验重复次数为三次。试验数据：试验数据：（数据量大，仅以试验的平均数据列（数据量大，仅以试验的平均数据列于下表）于

14、下表）DOE筛选试验筛选试验,找出影响炉温曲线的主要因素找出影响炉温曲线的主要因素 试验方案设计试验方案设计内部公开 工艺工程部2005年技术交流会论文/华为机密未经许可不得扩散 各次取平均值的 DOE 测试数据表： StdOrder RunOrder Blocks PCB-S PCB-th BGA-th temp time 12 1 1 6.5 3 2 207.6 39.7 2 2 1 6.5 2 2 211.7 44.8 16 3 1 12.5 2 1.6 215.3 50.2 21 4 1 12.5 2.5 1.6 210.2 54 5 5 1 6.5 2 4.3 194.3 28.6

15、13 6 1 6.5 3 2.6 203.7 48.5 4 7 1 6.5 2 3 202.9 42.4 26 8 1 12.5 3 1.6 206 45.6 25 9 1 12.5 2.5 4.3 192.5 27.7 30 10 1 12.5 3 4.3 187.5 16.9 8 11 1 6.5 2.5 2.6 206 48.5 15 12 1 6.5 3 4.3 190.8 23.4 23 13 1 12.5 2.5 2.6 204.5 50.2 7 14 1 6.5 2.5 2 208.5 42.1 6 15 1 6.5 2.5 1.6 212.5 52.8 9 16 1 6.5 2

16、.5 3 201.5 41.4 22 17 1 12.5 2.5 2 209 43.7 17 18 1 12.5 2 2 212 39.7 20 19 1 12.5 2 4.3 196 23.4 19 20 1 12.5 2 3 202.5 35.6 24 21 1 12.5 2.5 3 200.2 43.4 1 22 1 6.5 2 1.6 216 56.2 3 23 1 6.5 2 2.6 208 51.2 14 24 1 6.5 3 3 197.9 35.6 11 25 1 6.5 3 1.6 211.6 50.2 18 26 1 12.5 2 2.6 208 45.2 29 27 1

17、12.5 3 3 196 33.3 28 28 1 12.5 3 2.6 200.6 42.1 27 29 1 12.5 3 2 204 36.6 10 30 1 6.5 2.5 4.3 192.1 25 DOE筛选试验筛选试验,找出影响炉温曲线的主要因素找出影响炉温曲线的主要因素 内部公开 工艺工程部2005年技术交流会论文/华为机密未经许可不得扩散 DOE筛选试验筛选试验,找出影响炉温曲线的主要因素找出影响炉温曲线的主要因素 峰值温度（峰值温度（peak）的试验结果）的试验结果Regression Analysis: TEMP versus PCB A, PCB T, BGA TThe r

18、egression equation isTEMP = 242 - 0.216 PCB A（面积）（面积） - 6.29 PCB T（厚度）（厚度） - 7.58 BGA T（厚度）（厚度）内部公开 工艺工程部2005年技术交流会论文/华为机密未经许可不得扩散 DOE筛选试验筛选试验,找出影响炉温曲线的主要因素找出影响炉温曲线的主要因素 峰值温度（峰值温度（peak）的试验结果）的试验结果 小结：从小结：从mintab分析数据中可以看出，分析数据中可以看出，BGA厚度、PCB厚度、PCB面积都是影响峰值温度的显著因子，但以BGA厚度、PCB厚度的影响为主，是关键因素。其中回归数学模型中的变量部

19、分可以用热当量的概念进行利用。热当量热当量Q 0.22 PCB A 6.3PCB T7.6 BGA T因此，在标准测试曲线下的不同单板的峰值温度可以是：TEMP = 242-QPredictor Coef SE Coef T PConstant 242.204 0.906 267.31 0.000PCB A -0.21648 0.04004 -5.41 0.000PCB T -6.2900 0.2943 -21.38 0.000BGA T -7.5817 0.1286 -58.93 0.000S = 1.612 R-Sq = 95.7% R-Sq(adj) = 95.7%内部公开 工艺工程部2

20、005年技术交流会论文/华为机密未经许可不得扩散 DOE筛选试验筛选试验,找出影响炉温曲线的主要因素找出影响炉温曲线的主要因素回流时间回流时间(time)的试验结果的试验结果 Regression Analysis: TIME versus PCB A, PCB T, BGA TThe regression equation isTIME = 89.1 - 0.088 PCB A （面积）（面积）- 9.20 PCB T （厚度）（厚度）- 8.82 BGA T（厚度）（厚度）小结：从小结：从mintab分析数据中可以看出，分析数据中可以看出，BGA厚度，PCB厚度是影响回流时间的显著因子。P

21、CB的面积对回流时间的影响不大。从整个回流工艺窗口考虑，回流时间在40-80秒都符合要求，工艺窗口较大，因此对回流时间要求作为模块化运用的参考条件。内部公开 工艺工程部2005年技术交流会论文/华为机密未经许可不得扩散 试验结果验证：试验结果验证： 为验证DOE试验得出的回归公式对实际生产的符合度，从生产单板中选取了多种BGA及单板组合，计算出其理论的峰值回流温度，并与实际的温度测试结果进行比较分析：BGA 33*33*3.142.5*42.5*2.223*23*2.225*25*1.8实际峰值温度211.8212.4220.8220.9理论峰值温度210.4215.5217.5220.6差值

22、1.4-3.13.30.3 小结：从表可以看出，小结：从表可以看出，理论值与实际值相差很小，认为DOE试验结果是可靠的。DOE筛选试验筛选试验,找出影响炉温曲线的主要因素找出影响炉温曲线的主要因素内部公开 工艺工程部2005年技术交流会论文/华为机密未经许可不得扩散 目目 录录一一 引言引言二二 合理的合理的profile工艺设置窗口工艺设置窗口 三三 炉温曲线的主要影响因素分析（单因子试验）炉温曲线的主要影响因素分析（单因子试验）四四 通过通过DOE试验试验,找出设置炉温曲线的规律找出设置炉温曲线的规律 五五 炉温曲线模块化运用解决方案炉温曲线模块化运用解决方案六六 炉温曲线模块化推广应用及

23、效益分析炉温曲线模块化推广应用及效益分析 七七 总结总结内部公开 工艺工程部2005年技术交流会论文/华为机密未经许可不得扩散 炉温曲线模块化运用解决方案炉温曲线模块化运用解决方案 u炉温曲线模块化的建立炉温曲线模块化的建立 将公司的主要产品以PCB的面积、厚度，BGA的厚度进行分类组合。公司主要产品的范围如下：l PCB最小的长宽厚为：50*50*1.6； l PCB最大的长宽厚为：450*500*3.2l BGA最小的厚度为：1.3mm l BGA最大的厚度为：4.3mm按热当量概念（热当量Q 0.22 PCB A 6.3PCB T7.6 BGA T）， 公司公司PCBA的热当量的范围主要

24、集中在：的热当量的范围主要集中在：21-55.5。 内部公开 工艺工程部2005年技术交流会论文/华为机密未经许可不得扩散 炉温曲线模块化运用解决方案炉温曲线模块化运用解决方案根据公司产品特征，将热当量分成根据公司产品特征，将热当量分成15个等级，并在公司个等级，并在公司SMT08进行实际温度测进行实际温度测试，通过试验、优化、验证、小批量试用等手段，得出相应的回流程序库。试，通过试验、优化、验证、小批量试用等手段，得出相应的回流程序库。内部公开 工艺工程部2005年技术交流会论文/华为机密未经许可不得扩散 炉温曲线模块化运用解决方案炉温曲线模块化运用解决方案 小结：从上图表可以看出，各热当量

25、单板峰值温度在小结：从上图表可以看出，各热当量单板峰值温度在209214.5之间，回流时间在之间，回流时间在4564Sec，符合回流焊对，符合回流焊对PCB的工艺要求。的工艺要求。选择热当量从选择热当量从2055不同的单板进行实际温度曲线的验证不同的单板进行实际温度曲线的验证 。数据如图：数据如图：内部公开 工艺工程部2005年技术交流会论文/华为机密未经许可不得扩散 目目 录录一一 引言引言二二 合理的合理的profile工艺设置窗口工艺设置窗口 三三 炉温曲线的主要影响因素分析（单因子试验）炉温曲线的主要影响因素分析（单因子试验）四四 通过通过DOE试验试验,找出设置炉温曲线的规律找出设置

26、炉温曲线的规律 五五 炉温曲线模块化运用解决方案炉温曲线模块化运用解决方案六六 炉温曲线模块化推广应用及效益分析炉温曲线模块化推广应用及效益分析 七七 总结总结内部公开 工艺工程部2005年技术交流会论文/华为机密未经许可不得扩散 炉温曲线模块化推广应用及效益分析炉温曲线模块化推广应用及效益分析 l炉温曲线的模块化程序库运用，可以避免不同工艺人员由于经验的炉温曲线的模块化程序库运用，可以避免不同工艺人员由于经验的差异而设置出不合理的炉温曲线，减少了出现不良的几率。差异而设置出不合理的炉温曲线，减少了出现不良的几率。l炉温曲线的模块化程序库运用是建立在严谨的试验数据基础上的一炉温曲线的模块化程序

27、库运用是建立在严谨的试验数据基础上的一种高效的炉温程序设定方法。可以减少测试板的报废，炉温曲线设种高效的炉温程序设定方法。可以减少测试板的报废，炉温曲线设置的时间由置的时间由120分钟降到分钟降到10分钟，大大提高生产效率和设备利用。分钟，大大提高生产效率和设备利用。应用线体应用线体设备型号设备型号实施时间实施时间模块化运用情况模块化运用情况SMT08-14BTU paragon 982005/61）截止截止2005/11底底,共实施利用模共实施利用模块化程序块化程序700多个。多个。2）11月投入首次试制单板月投入首次试制单板113种。种。可直接可直接 进行模块化利用率达进行模块化利用率达8

28、9/113=78.8% 。SMT01-05BTU VIP 982005/9SMT15-21BTU paragon 982005/9SMT07&22-31VITRONICS XPM22005/8SMT06VITRONICS 8202005/10l自自2005/5开始，只要满足模块化运用条件的单板，开始进行模块开始，只要满足模块化运用条件的单板，开始进行模块化运用，并不断开各种回流设备上进行开展，实施情况如下：化运用，并不断开各种回流设备上进行开展，实施情况如下：内部公开 工艺工程部2005年技术交流会论文/华为机密未经许可不得扩散 目目 录录一一 引言引言二二 合理的合理的profile

29、工艺设置窗口工艺设置窗口 三三 炉温曲线的主要影响因素分析（单因子试验）炉温曲线的主要影响因素分析（单因子试验）四四 通过通过DOE试验试验,找出设置炉温曲线的规律找出设置炉温曲线的规律 五五 炉温曲线模块化运用解决方案炉温曲线模块化运用解决方案六六 炉温曲线模块化推广应用及效益分析炉温曲线模块化推广应用及效益分析 七七 总结总结内部公开 工艺工程部2005年技术交流会论文/华为机密未经许可不得扩散 回流炉的回流炉的设备特征设备特征合理炉温合理炉温曲线要求曲线要求PCBA热热容量信息容量信息（长宽厚，器（长宽厚，器件分布密度，件分布密度，器件特征）器件特征）输入输入同一器件在相同位置的温差为同

30、一器件在相同位置的温差为1.5C以内以内同一器件在不同位置的温差为同一器件在不同位置的温差为35C不同器件在同一位置的温差达不同器件在同一位置的温差达30C相同器件在不温区参数下，其温差可以超过相同器件在不温区参数下，其温差可以超过30C降低链速对温度的影响（有试验数据支持）降低链速对温度的影响（有试验数据支持）每个温区增加每个温区增加5C，各温区的实际增加量不同（有试验数据），各温区的实际增加量不同（有试验数据）峰值温度在峰值温度在210235度之间。度之间。183度的回流时间在度的回流时间在4080秒之间。秒之间。升温斜率（升温斜率（slope）小于）小于2.5度度/秒。秒。150183度

31、的时间在度的时间在3090秒之间。秒之间。100150度的时间在度的时间在60120秒之间。秒之间。冷却降温斜率为冷却降温斜率为15度度/秒之间。秒之间。在设备、温区参数相同的情况下，寻找在设备、温区参数相同的情况下，寻找PCBA热当量对回流峰值温度热当量对回流峰值温度(TEMPpeakTEMPpeak) )的影响，通过的影响，通过DOE试验得出：试验得出：TEMPpeak=242-0.22*PCB面积面积-6.3*PCB厚度厚度-7.5*BGA厚度厚度PCBA热当量热当量Q主要是：主要是： 242-0.22*PCB面积面积-6.3*PCB厚度厚度-7.5*BGA厚度厚度通过计算，通过计算，P

32、CBA最大、最小热当量为：最大、最小热当量为：Qmax=55.15， Qmin=20.05, 按热当量大小对单板分若干个等级，然后去寻找其合格参数设置按热当量大小对单板分若干个等级，然后去寻找其合格参数设置,最终把热最终把热当量划分当量划分15个等级。个等级。峰值温度最关峰值温度最关键，目前也最键，目前也最难达到要求难达到要求总结总结内部公开 工艺工程部2005年技术交流会论文/华为机密未经许可不得扩散 总结总结各类不同单板，根各类不同单板，根据据PCBA信息，通过信息，通过参数设置，能获得参数设置，能获得一个合格的回流曲一个合格的回流曲线线目标是单板目标是单板上最冷点的上最冷点的峰值温度在峰值温度在210215内内PCBAPCBA的热容的热容量分量分1515等级，等级，试验找到试验找到1515套参数与之套参数与之对应对应任意找任意找15种种单板，计算单