第六部份:回流焊接技术中的设备因素.doc
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1、回流焊接的技术整合管理第六部份:回流焊接技术中的设备因素前言:我们之中有很多人都曾经学习和使用过因果图(或称鱼骨分析图,因为其制图状似鱼骨)。在因果图使用中有种常用的分析法成为4M法。4M代表英文名词中的Men,Machine,Method和Material的4个开头字母(图一)。这4M法也就是中文所说的人-机-料-法分析法。它协助我们确保分析时的完整性和科学性。这技术雏形后来经过改进而发展成为更多元素分析,更完整的分析方法(注一)。不管是在最初的模式或是最新模式中,我们都离开不了的其中1个M,就是Machine(设备)的元素。这当然也就显示出设备这一元素的重要性。而在技术整合管理中,它也是个
2、不能忽略的因素。本期我们就来看看回流焊接技术中,设备这一因素的各种问题以及处理方法。MenMaterialsMethodMachine设备Quality Outcome图一:4M因果关系图设备和工艺的关系:在我们探讨设备问题之前,有个重要的理念必须解释清楚。那就是类似图一中传统的鱼骨图,不是很准确的表达各要素之间的关系这一概念。在传统鱼骨图上,我们看到所有4M1E的因素,其个别箭头都是直接和最终的果连接的。这也就造成了他们之间是相对独立和可以同步处理的概念。笔者在本系列文章中的前期文章中曾解释了技术整合概念虽然对所有关键因素例如设计、物料、工艺、设备和质控等都同等重视,但必须以工艺为中心或核心
3、这一理念来处理所有的工作。有基于此,我们必须放弃因果图的表示方法,而在脑子里牢牢的记得“设备是支持工艺的一个元素”这一理念。也就是说,SMT生产质量(结果)并不直接由设备来决定,而是由工艺来决定。这并不表示设备的能力不影响质量。因为设备能力必须支持工艺,无法支持某种质量水平所需要的工艺的设备,最终的质量当然无法达标。所以,当我们在考虑设备的所有问题时,包括设备的选型配置、维护保养、改良提升、报废更新等,都必须先有详细的工艺需求信息资料。这是个重要的技术整合概念。也往往是本区域许多用户忽略或做得不足的地方。希望读者们给予注意。回流焊接技术中的设备:在本系列文章的第二部分中,笔者向读者们介绍了回流
4、焊接技术中的各种不同的工艺做法。这些工艺(加热技术)上的差异,使得各种工艺的对应设备也有很大的差异。其中多数的回流技术属于较专用技术,也就是应用在焊接条件较特别的地方,例如热容量特别大,或热敏感器件等方面的。在一般回流应用上它们的成本效益较低,有时质量也较差。所以这些技术目前的用户不多。这情况在全球SMT制造业大量转移到中国后,因为成本和知识导入等各方面的问题带来推广上更大的障碍,使采用的用户更是少见。笔者曾接触过其中的一些技术,在其适当的应用范围内的确有很好的表现。非目前常用的热风回流技术所能比。不过由于用户稀少,以及篇幅和笔者时间资源关系,我在本文中只以常用的热风回流技术为分享的主要对象。
5、热风回流技术有两大类。一类是属于局部焊接技术,为了照顾不同的器件封装,使用特制的喷嘴。这类设备多用在返修和小批量试验工作中。随着封装的发展对返修和焊接技术要求的提高,这类设备在过去约15年来也有明显的改进,尤其在加热和对流的控制上。但由于受到成本和局部加热性要求的限制,其焊接能力还不能和使用在大量流水线生产上的大型设备比美。第二大类的热风回流设备就是目前绝大多数用户使用的,常与锡膏印刷机以及贴片机连线的大型焊接炉子。这类炉子原有辐射加热和对流加热两大类。目前辐射技术已经近乎被全淘汰,而剩下热风回流技术成为主流技术。其实热风技术和较前的辐射技术比较下具有好些弱点。例如加热效率和速度较差,重复性较
6、低,设备成本较高等问题。但它之所以能够取代辐射而成为主流技术,是因为在温度均衡性的控制上,以及超温限制能力较强的关系。尤其是前者,它是焊接工艺中一个十分关键的要求。一台缺乏能将PCBA上各种不同热容量焊点的温度保持在较小温差范围内的炉子,即使价格再低也不受欢迎。因为这种炉子无法保证焊点的可靠性。而确保温差最小的这种需求,偏偏又是辐射技术的一个弱点。所以虽然辐射技术在好些方面较热风技术强,但也避免不了逐渐被淘汰。只能用在产品的工艺设计不难,或工艺质量要求不高的产品生产上。读者该了解的一点是,虽然热风技术可以很好的处理温差问题,但这必须是建立在良好热风控制设计的条件下才能发挥这技术的潜能的。由于热
7、风技术靠的是空气的对流性来传热,所以其加热效率,完全是靠热风的温度和流动控制来决定的。也就是说,一台热风回流炉的性能,在很大程度上是决定于该炉子对气流的控制设计以及温度控制设计来决定。空气流动的控制是个高难度的技术,尤其是要对像PCBA上那样密度高,距离小,体积细小而又有不同热容量特性的焊点进行良好的温控,可以说是很不容易的工作。如果用户曾对许多炉子进行加热性能方面的测试,就会发现很多炉子其实并没有我们想象中或是供应商发表的指标好。这包括了一部分商务形象不错的机型在内。一台典型的热风回流炉子,包括了以下4个主要部分。1 PCBA传送和其控制部分;2 加热和其控制部分;3 冷却和其控制部分;4
8、排气处理部分。前3者的作用在于提供工艺(温度/时间曲线控制)的需求,第4项则是确保炉子的性能可以得到较好的维护,以及避免操作使用者受到健康方面的危害。怎样才是一台好的炉子?前面说过,设备(炉子)是支持工艺的工具。所以好的炉子,就是能够达到工艺目的,能够满足工艺要求的炉子。也就是说,如果用户没有工艺规范和工艺标准的话,用户是无法给某个炉子的好与不好做出正确的判定的。我们只能对两台或多台炉子进行比较,而说出哪一台在哪个方面较强或较弱罢了。而这样的比较或许意义不是很大,因为它的实际性能未必能够符合用户的实际生产要求。也就是说,比较好的一台炉子,其性能未必能够满足用户的需求;而比较差的炉子,却对某些用
9、户已经足够了。虽然工艺的要求似乎只是个温度/时间曲线的标准,但如果要让炉子能够在用户的PCBA设计范围内(注二)都满足这个工艺要求,炉子却是需要在很多指标上具有足够的能力的。我们在下面会较具体的谈到这些指标。热风回流焊接设备存在的问题:一直以来,由于还没有面对质量责任的太大压力,业界对焊点可靠性的研究和应用上,以及技术整合管理上都做得还不够细化。这也就造成业界普遍对回流炉子性能方面的忽视。似乎很少用户觉得炉子能力是个不足的地方。而总把生产中的工艺质量问题归罪于物料和设计等方面。在技术整合概念上,这种不经研究而片面的判断和行动决策,都是不被认可的。事实上,在众多的SMT设备中,目前回流炉子,不论
10、在技术上还是应用管理上,还属于弱点较多的。我们可以将所有弱点归纳于以下两方面。1 性能指标的关注和要求不足,导致炉子的性能改革推动缓慢;2 测试认证手段的缺乏和使用太少;3 应用上不够理想,包括和工艺间的整合不足,设备的选择和维护不当等。首先看看性能指标上的缺乏。如果我们打开炉子的技术资料,我们可以发现一些对用户十分关键的特性指标,例如加热效率、炉子的有效长度、炉子负荷或回温能力、热风对流性、热风的短期和长期稳定性等等,都不在指标范围内。甚至连讨论和解说也没有。这些特性指标,事实是决定工艺能力的关键。例如加热效率和对流性,事实上就是决定PCBA上所有焊点能不能一致焊接好,以及能不能够有效的处理
11、各种不同以及高工艺难度的封装的一个重要炉子特性。再说炉子的有效长度,也是个重要的指标。长度影响产量,因为越长的炉子,我们在操作时可以设置越快的链速,而快的链速就表示能处理更多的PCBA或单板的生产节拍更快、周期更短。然而,我们也必须知道的,是决定链速的不只是炉子的长度,而还有其加热效率和过区的热损失等因素。有效长度Effective length这一指标,就是包括考虑了所有影响炉子长度因素,然后对实际物理长度进行换算的一个指标。只有经过这样的整理,长度指标才有应用上的意义。像这类重要的而又少被谈论的指标,笔者曾整理出16个之多。这情况对我们进行技术整合和工艺优化工作无疑是个障碍。为什么会出现这
12、样的情况?笔者相信其中有几个原因。首先是用户的无知和没有提出要求。在焊接质量上,这些遗失的指标多影响焊点的可靠性。然而,除了一些国外较大的电子企业有真正投入在做可靠性分析和研究工作外,国内的企业在这方面有足够投入的是屈指可数。第二个原因,就是焊点的可靠性,尤其是传统的锡铅材料技术中,在很多场合是较产品的商业使用寿命长的。真正会面对焊点寿命挑战的行业还算少数。所以即使受到影响的也算少数。在用户少,不良品少,知识少的情况下,通过这渠道去认证和推动炉子性能改革的工作是发展不起来的。第三个原因,这些特性指标中,有不少是目前业界中没有出现绝对标准的,包括测量方法上的标准以及合格标准。所以商家们也无可比较
13、。第四个原因,也许是炉子的商业恶性竞争带来的后果,在利润单薄的情况下,商家是不愿去投入更多更复杂的测试认证的。或许更多人采取的态度,是没有投诉就是没有问题的做法。或许对许多用户来说,这些都还不是个问题。因为其质量责任没有那么大。不过我们事实上缺乏具体的数据来说明。中国制造这一称号,对许多国外用户来说仍然不能表示质量保证。而在众多的失效当中,到底有多少是因为焊接工艺造成的,我们并没有这样的数据。随着器件封装的发展,随着无铅技术的到来,我们在焊接上面对的是更严峻的挑战。忽略炉子这些不良因素,是否还是个可行的办法,或许用户们应该静下来想想。如果我们单凭一般来自供应商的销售资料来做决定就更糟了,销售资
14、料上所提到的往往比起买了炉子后才提供的技术资料还少了很多。所以除非是很有经验的用户,不然在购买前的发问和讨论都是不够完整的。甚至连引进后也还不知道设备的实际性能。读者也许不以为然,不过在笔者所协助的客户中,初次测试炉子时都是不合格的。有些经过调整后改善不少,有些则因为炉子设计限制而无法做到。但暂不管最后是否能改善和做到所需要的Cmk指标(注三),首先我们面对的问题是,在笔者引导这些用户之前,为什么他们会缺乏意识和做法,来发现本身所用炉子的能力不足或失控呢?如果这种行为在我们业界中是属于正态分布类的话,我想从我得到的数据当中,笔者有很高的把握说读者们厂内的回流炉子,在Cmk上也多是不合格的。甚至
15、还有不少的用户,或许还不知道怎样才算是合格与否。为什么会出现这问题呢?关键就在于以上笔者提到的炉子应用弱点中的第2和第3点。第2点指测试手段的缺乏以及使用不足。的确,从笔者的观察中,业界用户有对回流炉子进行较详细测试的,为数十分的少。多数用户还是停留在那种板能焊接出来就是好炉子的传统观念时代。事实上,只要材料质量合理,要找一台能在市场上生存而又只焊出肉眼都能看出焊点不良的炉子还真不容易。不过,如果我们对较难产品的焊点结构进行分析,包括研究其微晶结构、IMC层、气孔、残留物等等,我想我们就不会认为多数炉子都是好的。质量要求高的产品需要较细腻的工艺控制,而细腻的工艺就需要精确稳定的炉子。这类炉子只
16、有通过测试才能够判断其实际能力。例如以上提到的遗失指标和Cmk,都必须通过测试才能获得可靠的信息。目前流行的测试方法,对用户来说是十分不足的。读者可以看看本身和周边的同业们,看看大家认识到的有多少测试炉子的方法;又看看有多少用户曾对炉子进行详细测量的。事实上多数的用户并无法说清楚其使用炉子的能力。第三个弱点,是我们对炉子的应用和管理都还不够先进。刚刚谈到的对炉子的测试就是一个方面。当我们对炉子的实际性能不清楚的时候,首先我们就无法保证自己配置的是一台适当的炉子,也无法保证自己的投资是合理和值得的。所有供应商都告诉你他们的产品和服务是一流。一些本区域制造商,没有信心说是世界一流,也多称是国内一流
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