无铅焊接：开发一个稳健的工艺

开发一套稳健的方法 　　
检验一个焊接工艺是否稳健，就是要看其对于各种输入仍维持一个稳定输出(合格率)的能力。输入的变化是由“噪音”因素所造成的。甚至在印刷电路板(PCB)进入回流炉之前，一些因素将在一个表面贴装装配内变化。 　　

首先，在工艺中使用的材料中存在变化。这些变化存在于锡膏特性如成分、润滑剂、粉末和氧化物；板的材料，考虑到不同的供应商和不同的存储特性和元件。其次，变化可能发生在表面贴装工艺的第一部分：锡膏印刷与塌落和元件贴装。第三，噪音因素可来自制造区域的室内条件 - 温度与湿度。这些输入变量要求更好的加热曲线，它要对其变量都起到作用，和一个量化工艺能力的方法。 　　

回流曲线 　　
就回流焊接而言，无铅合金的使用直接影响过程温度，因此影响到加热曲线。提高熔化温度缩小了工艺窗口，因为液相线以上的时间和允许的高温度250°C(为了防止元件损坏和板的脱层)没有改变。 　　

三角形(升温到形成峰值)曲线　　

我们可以区分那些接近回流焊接现实的工艺和那些不是很重要的工艺。对于PCB相对容易加热和元件与板材料有彼此接近温度的工艺，可以使用三角形温度曲线。三角形温度曲线建议用于诸如计算机主板这样的产品，它在装配上的温度差别小(小的ΔT)。

三角形温度曲线有一些优点。例如，如果锡膏针对无铅三角形温度曲线适当配方，将得到更光亮的焊点和改善的可焊性。可是，助焊剂激化时间和温度要符合无铅温度曲线的高温度。三角形曲线的升温速度是整个控制的，在该工艺中保持或多或少是相同的。其结果是焊接期间PCB材料内的应力较小。与传统的升温-保温-峰值曲线比较，能量成本也不高。 　　

升温-保温-峰值温度曲线　　较小的元件比较大的元件和散热片上升温度快。因此，为了满足所有元件的液相线以上时间的要求，对这些工艺尽量使用升温-保温-峰值温度曲线。保温的目的是要减小ΔT。 　　

在升温-保温-峰值温度曲线的几个区域，如果不适当控制，可能造成材料中太大的应力。首先，预热速度应该限制到4°C/秒，或更少，取决于规格。锡膏中的助焊剂元素应该针对这个曲线配方，因为太高的保温温度可损坏锡膏的性能；在氧化特别严重的峰值区要保留足够的活性剂。第二个温度上升斜率出现在峰值区的入口，典型的极限为3°C/秒。 　　

温度曲线的第三个部分是冷却区，应该特别注意减小应力。例如，一个陶瓷片状电容的冷却速度为-2~-4°C/秒。因此，要求一个受控的冷却过程，因为特殊材料的可靠性和焊接点的结构也受到影响。 　　

对于任何一个工艺，更佳的温度曲线可以通过一个Taguchi试验来确定。在试验中使用噪音因素将帮助确定哪一种曲线对变量敏感性更小，更加稳定。 　　

评估工艺 　　统计过程控制(SPC, statistical process control)用来将工艺稳定和保持在控制之中。在焊接中，SPC用来减少可变性和提供工艺能力。典型地，X-Y坐标图(x-bar-range chart)和性能分析是用于这个目的的。X-Y坐标图是对测量变量进行统计计算的图形表示，这里每个分组的平均值与幅度(大-小)用来监测平均值或者范围的变化；该幅度用作变量的度量。统计上大的改变可能表示工艺漂移、趋势、循环模式或由于特殊原因造成的失控情况。 　　

当焊接工艺的参数(如Taguchi试验所定义的)受到统计过程控制(SPC)，工艺的稳定性和性能的改进可以容易达到。例如，在一台焊接设备中，硬件和软件设计用来保持重要的参数在设定点的规定范围内。可是，即使当一个参数在起偏差极限之内时(没有报警发生)，它可能已经在统计上失控，或者显示一个由于历史数据而意想不到的状态。 　　

只购买硬件和软件不一定会得到成功的SPC。一个重要的考虑是可变性的减少，在特殊原因变量和普通原因变量之间有一个区别。控制图用来消除特殊原因变量，即任何可能与可归属原因有联系的变量。性能图用来减少普通原因变量，即任何工艺固有的和只能通过工艺变化减少的变量。 　　

在一个回流焊接工艺中，SPC的典型参数包括传送带速度、气体或加热器温度、液相线以上的时间和更高的峰值温度。在一台波峰焊接机器中，典型的参数包括传送带速度、接触时间、预热温度(PCB或加热器)和作用于PCB上的助焊剂数量。