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分析无铅波峰焊接缺陷 2003-12-21 ?? Gerjan Diepstraten ?? ?? 点击: 671 分析无铅波峰焊接缺陷 　　一个欧洲协会和其它的协会已经得出结论，无铅(Pb-free)焊接在技术上是可能的，但首先必须解决实施的问题，包括无挥发性有机化合物(VOC-free)的助焊剂技术和是否必须修改工艺来接纳所要求的更高焊接温度。 　　达柯(Taguchi)试验设计(DOE, design-of-experiment)方法和统计过程控制(SPC, statistical process control)是评估波峰焊接中无铅工艺的有效方法。其目的是要为特定应用的最佳设置确定基本的控制参数。 　　达柯方法(Taguchi method)寻求将创新的品质方法与传统的试验设计方法结合起来。研究出一系列相关的技术来最大限度的减少不想要的可变性，减少生产损耗和提供更大的顾客满意。例如，达柯方法用于减少生产变量有两个步骤： 制造产品，以“最佳的”方式达到与目标的最小背离。 尽可能同样地生产所有产品，达到产品之间的最小背离。 　　达柯试验使用一个专门构造的表格或“正交阵列”来影响设计过程，因此品质在其设计阶段就嵌入产品内部。正交阵列是一项允许对影响试验的因素进行独立地数学评估的试验设计。 　　试验准备　　达柯试验准备从一个集思广益的会议开始，在这里一个结合不同学科的小组建立清楚的报告书，为设计合理的试验，列出问题、目标、所希望的输出特性和测量方法。然后，确定所有的过程参数和定义影响结果的有关因素： 可控制因素：C1 = 对过程作用很大的并可直接控制的因素；C2 = 如果C1因素改变，需要停止过程的因素 这个试验中， 选择了三个C1因素：B = 接触时间C = 预热温度D = 助焊剂数量 锡温度是一个C2因素， 由于需要用来增加/减少温度的时间。 噪音因素是影响偏差的变量，但是不可能控制或控制成本效率低的。例如在生产/试验期间，室内温度、湿度、灰尘等的变化。由于实际原因，没有把“噪音”成分列入试验的因素。相反，主要目标是评估单个品质影响因素的所起的作用。必须作其它的试验来量化它们对过程噪音的反应。 最后，要求选择需要测量的输出特性。 首选两个标准：没有锡桥的引脚数和通孔充满的合格性。 　　试验规划与设计　　与其它方法比较(通常使用每次一个因素的研究，以确定可控制参数)，这个试验使用了一个L9正交阵列。在只有九个试验运行中，调查了三个级别的四个因素，如表一所示。 表一、 过程因素 级别一 级别二 级别三 A 焊接温度(°C) 250 260 275 B 接触时间(sec) 1.8 3.0 4.2 C 预热温度 PCB顶面(°C) 130 90 110 D 熔湿助焊剂数量(mg/dm2) 355 474 639 　　输出特性。适当的试验设定可得到最可靠的数据。例如，控制参数范围必须象实际一样趋于极端，以使问题明显化 —； 在这个情况下，锡桥与通孔渗透不良(图一)。为了量化锡桥的影响，对没有锡桥的上锡引脚计数。(每个板有200个引脚，因此最高分是200。) 　　对通孔渗透的影响，每个充满焊锡的孔如图二所示标记。每个板最大总数为4662个点。 　　试验中的材料　　无铅合金。最常用的波峰焊接无铅合金是Sn/Cu和Sn/Ag/Cu。Sn/Cu, 最廉价的无铅合金之一，具有高熔点(227°C)，除此之外比其它无铅合金的机械性能差。Sn/Ag/Cu是在Sn/Ag基础上的改进。Sn/Ag3.8/Cu0.7焊锡形成较高可靠性的焊接点，而且可焊性比Sn/Ag和Sn/Cu都好。锑的加入(0.25~0.50% Sb)，通过锑与银和锑与铜的金属间结构，提供更高的温度阻抗。可是，有对锑的毒性的关注，尽管有毒的氧化锑只是在600°C以上的温度才产生。Sn/Ag3.8/Cu0.7/Sb0.25(SACS)，熔点温度217°C，在试验中使用过(表二)。 　　板的表面情况。试验板选择了有机可焊性保护层(OSP, organic solderability preservative)，一种高性能的铜板涂层，它保护和维持通孔的可焊性。(较早的研究表明，Sn/Ag/Cu与OSP表面是兼容的。)OSP是热气焊锡均涂(HASL, hot-air solder leveling)与其它金属印刷电路板(PCB)表面处理的替代方法。由于更高的预热设定，这薄薄的有机涂层(0.2 ~ 0.5 μm厚度)失去活性。由于OSP与水溶性助焊剂兼容，包含在助焊剂中的酸和溶剂迅速溶解OSP涂层，变成助焊剂的一部分，当熔化的焊锡接触到板时挥发掉。 表二，试验合金 特性 单位 SACS 化学成分 Mass-% Sn/Ag3.8/