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SMT回流焊工艺的新探索及成本策略

2018-09-21 19:18:20 「诺聚机电设备」 阅读

      SMT在中国绝对是有中国特色的,其规模之大、发展之迅猛可以说是全球空前绝后,同时企业间优劣差距也是最悬殊的。从制造工艺技术上,中国SMT经历了盲从、摸索、创新到领先的过程,敢于冒险、敢于牺牲、敢于超越,为全球电子制造技术革新、为更好的产品品质、更好的性价比等前赴后继地做出巨大的贡献,也为之付出了数倍于人的惨痛代价。

      举例说,在回流焊工艺上,中国工厂的单焊点回流焊平均投入成本是德国的4倍,是美国的3倍,是日本的2倍多(此核算中不考虑中国较低廉的人工成本、各国的人工成本计算采取一致)。

      而同时,中国也有不乏全球回流焊工艺及成本管控最好的企业,比如华为,中兴、台达、法雷奥中国工厂、戴尔(中国)等企业,在回流焊、波峰焊、选焊等工艺上不断追求工艺技术先进管控,从焊接零缺陷着手推动无人化闭环控制、定期全面体检防范未然、合理规划保养、工艺及设备的定期稽查、快速故障定位、先进的工艺检测技术、培育工艺专家群等一系列的手段,实现了设备高性能运作,高稼动率运作,长寿运作和人工投入最低化,最终实现综合成本最低化。

      统计数据来看,在SMT设备健康运行寿命方面,中国SMT在全球排名是倒数的,比菲律宾还落后。最近正在服务的SMT工厂中,较多的品质话题就是回流焊后发现偏位、掉件问题,分析下来,每个工厂产生的原因不尽相同,让我们一起来看看。

现象表述:偏位、连锡

       80%的工厂,在这样的现象出现的时候,迫于品质的压力,安排人员进行印刷、贴片、回流焊的相关检查确认后,而问题没有得到改善,又再次的反复检查、确认……只有1%的工厂,在产品设计、Layout、材料选择、设备选择、工艺设计、工艺预检上,实现了防范未然,即便偶尔发生品质异常,也可以快速检测与排除。科学的技术投入,为品质和成本提供了更强有力的保障。偏位、掉件受哪些因素的影响呢,按照PFMEA(潜在失效模式分析)的方法,答案如下:

      1) 线路板PAD尺寸设计、器件位置分布

      2) 线路板热容分布设计

      3) 线路板PAD可焊性(线路板品质)

      4) 器件可焊性,重量,高度,类型

      5) 锡膏的选择,锡膏品质

      6) 钢网设计、锡膏控制

      7) 贴片精度(贴片机的定期CPK检查)

      8) 回流焊设备选型

      9) 回流焊轨道工艺状态(平行度、振动)

      10)回流焊对流风速及分布(热&冷)

      11)回流焊温度曲线工艺确认

      12)回流焊氮氧状态

本篇着重分析回流焊规划部分,按照以下步骤进行确认:

      设备适配:产品设计及NPI阶段,依据产品PCB、器件分布、焊膏等复杂程度等特点,选择合适工艺能力的回流焊来安排生产。比如华为、台达对所有现有的回流焊进行工艺能力确认、适配,把工艺能力强的回流焊用于生产较复杂的产品,而表现能力较差的用于生产简单的产品,或者用于烘烤,或者汰旧换新。不能达到该产品的工艺需求的设备,严禁投入生产。

      轨道管控:轨道震动管控在2%g以内,超出管控范围的,偏位、掉件等不良会显著增加。轨道变形的控制标准普遍是:-1mm ~ +1.5mm范围。如果存在超规挤压就势必会导致线路板过炉时产生挤压弯曲变形,那么偏位、掉件自然增加了。如下图检测结果,回流焊入口、出口的宽度一致,但是炉内逐渐变窄,对进入的PCB将存在弯曲变形风险。

      对流管控:热风对流风速的管控在回流焊工艺监控中至关重要,也是业界常忽略的地方。回流焊结构上,对流循环分为大循环、小循环和微循环。大循环结构的回流焊结构简单、维护方便,成本也较低,在对流风回流时,越靠近轨道边的风越容易汇集成横向的风,这也是许多器件偏位的主要原因。风速不稳、串风、风力弱不会导致偏位,但影响热补偿能力、加热效率。

      温度曲线:温度曲线全过程中,在熔锡前后位置段最容易出现偏位、掉件。多脚器件,如果各引脚的焊锡熔化时间差异大,容易出现因为锡表面张力拉动导致的偏位、立碑等。针对容易偏位的器件,可以对比各引脚的温度曲线来分析其PAD和引脚的热容分布是否一致。同时,锡熔化前时刻的横向风最易“引爆”偏位、飘移。温度曲线上,个子高的器件,熔锡位置如果设计在风力大、横向风位置则容易导致偏位、飘移。H公司等采用的Esamber检测系统配套有智能分析识别功能,自动防范以上设计问题,针对新的回流焊工艺调整,都需要配对最佳的温度与风力搭配。

       设备体检:和其他生产设备一样,回流焊排入定期“体检”,针对轨道状态、风扇状态、对流风速状态、冷却能力、氮氧能力进行全面的定期检测。硬件状态较好的可以3个月检测一次,较差状态的1-4周检测一次。其中轨道测试仪采用Esamber CBP,可以检测轨道水平、变形、震动、中央支撑的扭曲等,Esamber RE可以检测热风对流、热补偿能力、热冲击等。

      新炉把关:添置新的回流焊时,按照以上第5项工艺要求,全面评估、验收,并列入公司设备状况数据库,供第1项时配置用。

      板底温差:针对板底二次熔锡容易出现板底掉件问题,工艺管控中,可以尝试板面板底设置不一样的温度,实现板面正常回流焊,而板底保持不二次熔锡。

      板底风差:针对板底二次熔锡容易出现板底掉件问题,工艺管控中,可以尝试板底风速降低的方法来改善。比如,必要的时候,板底设置风速在3.0m/s,而板面在5.0m/s,温度可以设置一样,这样避免串温导致的闭环反复自我功率调整而损坏设备控制能力。

      板面水平:板面水平度不够,会直接导致器件滑坡偏斜。SMT管控要求在2度以内。综合来看,一个小小的偏位、掉件问题,牵涉回流焊的部分就如此之多,需要专业的工艺设计、检测与管控来为品质把关。而真正能够让回流焊设备在10年以上都处于95分以上运作状态的,全球企业也屈指可数。

以H公司为例,在回流焊选型、评估、验收、工艺最优化、合理保养维护,让每一台炉子尽可能在10年以上的运行工艺状态表现在95分以上,相比之下,管控不当的工厂,存在以下几种情况:

      1)评估时炉子是很高分的状态,但是交货时炉子被故意或者非故意的偷梁换柱、或偷工减料了,没能在验收时把好关,这对品质是直接危害。曾经为长安B公司(某通讯公司SMT工厂)做的一次仲裁服务时,裁定问题是米国B公司回流焊输送带振动过大导致的焊接问题。交货运行6个月的回流焊终于得以改善并验收,否则一直在产生大量的焊接品质问题。

      2)性能优越的回流焊,验收后工艺状态没能设置在该炉的最佳工艺状态。比如,某回流焊默认设置通常是45Hz的转速,但是针对该SMT工厂,45Hz下的热风对流速度过快,容易导致偏位、掉件等问题,设置在30Hz时能确保热风对流风速在最佳的4.5m/s~5.0m/s,这才是量身定制的最佳工艺设计。

      3)评估时缺少技术规格要求,仅仅是拿测温板来确认简单的温度曲线是否能实现,而过多的把设备价格放在第一位,如果设备能力与产品复杂度不能适配,最后是得不偿失的。回流焊工艺技术能力规格,已经有行业标准,华为、戴尔、台达等先进SMT工厂设立了内部的技术标准。

相关技术管控,需关注:a)高温生产下轨道全程形变管控;b)高温生产下轨道全程振动管控;c)生产条件下的热风对流速度管控;d)横向热均匀能力管控;e)纵向热均衡能力管控;f)区间温度爬升能力管控;g)热补偿能力管控;h)热冲击管控;i)冷却能力管控。

      4)没有合理的规划保养维护。任何设备都需要按时定期保养,和小车一样,如果没有及时保养,几万公里下来,任何好车都会被跑散架。

      5)没有按时体检,出现设备状况、工艺状况没有及时发现设备问题根源所在,导致由表入里、不断快速恶化,以至于无力回天,不到2年,焊炉设备已经临近报废。如果勉强使用,又构成巨大的品质隐患和品质成本。

      6)过多依赖实板测试温度曲线。实板测温是有诸多好处的,但是管控是不够的,比如实板测温只能测试温度曲线,没法测试热风风速大小,没法检测热补偿能力、热均衡能力、热冲击,也没法确认熔锡时刻位置的风速大小,更没法用于确认炉子的CPK状况。同时实板带来的耗材成本、人工成本、维修维护成本以及PCBA成本是很高的,不可低估。H公司在引入替代测温方案后,提升了管控水平,工艺更安全可靠,同时把原本每年超过5000万的测试成本控制到5%以下,可想而知,先进企业的投入是值得的,带来了丰厚回报。

      7)成本策略上来看,SMT工厂普遍的存在盲目节省的问题,隐藏人工倍增、设备寿命压缩、综合成本剧增而难免导致接踵而来的恶性运作。

      优秀的工艺管控,不能只是把目光放在设备、仪器投入成本上,智慧的工厂都是管控综合成本,把产品设计、工艺设计、工艺管控做到极致。

总结成本策略的几个必要性:

       1)工艺领先的必要性,先进的工艺技术是指引成本最低化的根本基石,优秀的工艺团队将是工厂控制成本的关键。

      2)设备体检的必要性,回流焊管控上需要定期的全面体检,防患未然,让设备10年甚至20年都运作在健康状况,向亚健康坚决的说“No”。

      3)替代测温的必要性,测温板应该做为标准板、样板,新鲜的供在储存柜,只有担心工艺温度曲线时才请出来做double check,取而代之的是采取替代测温的方式,优点:硬件更坚固稳定,不会像测温板一样存在热电偶断线、线路板老化问题;更可靠的监控温度曲线;同时监控必要的热风对流速度;监控链条速度的变化;监控热冲击检测确认热均衡能力的状态;大量节省人工与线路板成本。

      4)合理规划保养的必要性。

      5) 换线时轨道检查的必要性,包括轨道高温运作时的变形、振动、水平等,定期做CPK的监管。

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