基于六西格瑪?shù)姆椒ń鉀Q選擇性波峰中的焊點橋連

劉博

（航空工業(yè)集團公司洛陽電光設(shè)備研究所，河南洛陽 471000）

0.引言

目前軍品印制板上通孔直插件主要包括雙列直插型集成電路、四周直插型集成電路、直插型繼電器、編程插座、通孔連接器等。通孔直插件采用選擇性波峰焊的工藝方法。在生產(chǎn)現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)，某型通孔連接器在選擇性波峰焊后焊點橋連率比較高，為綜合分析影響通孔連接器橋連的根本原因，從選擇性波峰焊的工藝參數(shù)如錫鍋溫度、焊接方式、助焊劑涂覆、器件管腳伸出長度、底部預(yù)熱溫度等進行分析[1]，采用六西格瑪管理方法，經(jīng)過定義（Define）、測量（Measure）、分析（Analyze）、改善（Improve）、控制（Control）5個階段，最終改進了器件管腳伸出長度和焊接方式，并設(shè)計了相應(yīng)的工裝夾具，降低了該型電路板的通孔連接器的橋連率，提高了混裝性電路板的焊接合格率[2]。六西格瑪方法為后續(xù)解決軍品電路板焊接缺陷問題提供了參考思路，是一種質(zhì)量改進工具，對生產(chǎn)現(xiàn)場的過程改進有重要的意義。

1.資料與方法

1.1 定義與測量階段（DM階段）

在定義階段，問題陳述為2020年3月～9月，某型厚度為2mm的電路板生產(chǎn)48件，每個電路板上有1個插座，該型插座的焊裝缺陷率為75%，其中由于通孔連接器橋連導(dǎo)致的缺陷率占83.3%，嚴重影響了交付進度，影響到產(chǎn)品的準時交付，顧客提出不滿。為解決這個問題，啟動六西格瑪工具，將問題現(xiàn)象轉(zhuǎn)變?yōu)榱鞒绦枨蟆＃椖康亩x項及具體描述如表1所示。）

表1 項目的定義項及具體描述

在測量階段，主要工作是確定測量標準，進行測量系統(tǒng)分析，確定流程能力，確定流程的目標。

本次案例中測量的標準為是相鄰2個焊點是否有搭連（即Y），其為離散型數(shù)據(jù)。測量系統(tǒng)分析采用檢查一致性的方法，來評定操作員本身的重復(fù)性和操作員之間的再現(xiàn)性。要求測量系統(tǒng)的重復(fù)性和再現(xiàn)性均要大于90%，才能證明測量系統(tǒng)可信。具體計算方法，如公式（1）所示。以橋連缺陷改善前為例，操作員A和B分別抽取10塊電路板，每人測量了3次，統(tǒng)計電路板是否發(fā)生橋連缺陷。其中操作員A測量3次，每次4個不合格品，6個合格品都能檢出，且3次表現(xiàn)一致。且A檢出的不合格品和合格品均與B相同。根據(jù)試驗結(jié)果：操作員A的重復(fù)性=10/10=100.0%；操作員A的再現(xiàn)性=10/10=100.0%＞90%，測量系統(tǒng)可信[3]。

流程能力采用均值和標準差來度量，反映數(shù)據(jù)的集中性和分散度，即用Z值[3]。本案例中Y為可區(qū)分的數(shù)據(jù)類型，Z值根據(jù)合格率P(d)查表可得。在DM階段，電路板生產(chǎn)數(shù)48塊，由通孔連接器的橋連缺陷數(shù)量為30塊。故P(d)=30/48=0.625；查表可得ZLT=-0.35，代表的長期能力。因無連續(xù)7個以上好點且無法合理分組，故用1.5σ做漂移即Zshift=1.5。短期能力ZST=Zshift+ZLT =1.5+(-0.35)=1.15。流程的目標我們以ZST和Zshift為X軸和Y軸組成的控制技術(shù)圖進行分析。一般來說，ZST代表技術(shù)的能力，Zshift代表控制的能力。其中ZST值越大，代表技術(shù)越好，Zshift值越小，代表控制越好。

1.2 分析階段（A階段）

分析階段主要是將所有影響因素排序，通過統(tǒng)計工具，篩選出關(guān)鍵的Xs。本案例中從人、機、料、法、環(huán)、測6個方面，通過頭腦風暴的方法，討論影響選擇性波峰焊焊點橋連的因素，確定了錫鍋溫度、元器件管腳伸出長度、底部預(yù)熱溫度、焊接方式為可能因素[4]，如圖1所示。這4個因素Xs及Y均為離散型數(shù)據(jù)，故采用卡方檢驗和二進制邏輯回歸進行數(shù)據(jù)分析。

圖1 選擇性波峰焊相鄰管腳橋連的魚骨圖

1.2.1 錫鍋溫度

錫鍋溫度即錫鍋中熔融焊料的溫度，對于Sn63Pb37共晶焊料，一般可設(shè)定錫鍋溫度為260℃～300℃。具體應(yīng)根據(jù)印制板的層數(shù)、厚度、敷銅寬度及元器件類型選擇合適的錫鍋溫度。錫鍋溫度不足，容易導(dǎo)致焊點透析率不足，焊點拉尖的缺陷。 本案例中選擇了80塊電路板，設(shè)置了2種溫度。具體表現(xiàn)如表2所示。通過卡方檢驗，卡方=2.344，DF=1,P=0.126＞0.05，沒有統(tǒng)計學(xué)差異，證明錫鍋溫度在此次試驗中不是影響因素。

表2 不同錫鍋溫度下電路板上通孔連接器的橋連缺陷數(shù)量

1.2.2 焊接方式

選擇性波峰焊的主要焊接方式主要分為點焊和拖焊。點焊適用于混裝電路板中通孔元器件的數(shù)量相對較少、通孔元器件焊盤數(shù)量也不多，通孔元器件與表貼元器件距離過近的情況。焊點的點焊時間一般設(shè)定為1.5s～5.5s，具體時間可根據(jù)焊點的大小和印制板的厚度進行調(diào)整。點焊橋連的主要原因為收錫高度太高，降低收錫高度或提高收錫速度。拖焊模式焊接速度非?？欤矢?，且拖焊時噴嘴是勻速的水平運動，而非上下運動，能有效地避免焊點拉尖時產(chǎn)生的缺陷，從而保證焊點質(zhì)量。選擇性波峰焊機的拖焊速度一般設(shè)定2mm/s～5mm/s。本案例中選用點焊和脫焊3mm/s進行對比，如表3所示。根據(jù)卡方檢驗分析，卡方=7.937，DF=1，P值=0.005＜0.05。根據(jù)二進制邏輯回歸分析顯示，點焊產(chǎn)生的缺陷是拖焊產(chǎn)生缺陷的4.42倍。

表3 不同焊接方式下電路板上通孔連接器的橋連缺陷數(shù)量

根據(jù)卡方檢驗分析，根據(jù)卡方檢驗，卡方=26.825，DF=1，P=0.000＜0.05。根據(jù)二進制邏輯回歸分析顯示，點焊產(chǎn)生的缺陷是拖焊的18.33倍。

1.2.3 底部預(yù)熱溫度

底部預(yù)熱是指將電路板加熱到助焊劑活化的溫度，去除氣體，并減少電路板焊接時的熱沖擊。底部預(yù)熱系統(tǒng)采用遠紅外輻射的方式進行加熱，對電路板的加熱效率高，溫度均勻可控。根據(jù)電路板厚度及電路板上的元器件的數(shù)量及分布來確定預(yù)熱溫度。本案例中底部預(yù)熱溫度設(shè)定為120℃～145℃（60s～90s）（60s～90s）。具體數(shù)據(jù)如表4所示。通過卡方檢驗，卡方=2.36，DF=1，P值=0.124＞0.05，證明底部預(yù)熱溫度在此次試驗中不是影響因素。

表4 2種不同的底部預(yù)熱溫度下電路板的通孔連接器的橋連缺陷數(shù)量

根據(jù)《機載火控系統(tǒng)印制板元器件的安裝與焊接工藝規(guī)范》要求普通焊點的高度不超過1.5mm（大功率器件，管腳較粗的電源模塊、菱形運放等除外）。當前直插型元器件管腳伸出長度為1.35mm。焊點橋接的概率與管腳伸出長度正相關(guān)，若器件引腳伸出過長，焊接時焊料爬升高度較高，單個焊點焊料量增加，融化焊錫的表面張力和外界的大氣壓力之間不平衡，容易造成焊點橋連；若器件管腳長度≤0.7mm時，器件管腳橋接的概率會大大減少，甚至消失[5]。綜合確認，將管腳伸出長度改為0.8mm，進行選擇性波峰焊試驗。具體數(shù)據(jù)如表5所示，經(jīng)卡方檢驗分析，卡方 = 26.825，DF=1，P值=0.000＜0.05。經(jīng)二進制邏輯回歸分析顯示，1.35mm產(chǎn)生的缺陷是0.8mm產(chǎn)生缺陷的18.33倍。

表5 2種不同管腳長度下電路板上的通孔連接器的橋連缺陷數(shù)量

綜上分析可得，器件管腳伸出長度和焊接方式為少數(shù)關(guān)鍵XS。

1.3 改善與控制階段（IC階段）

改善階段是驗證器件管腳伸出長度和焊接方式是不是關(guān)鍵的影響因素，并是否存在交互的影響，確定改進措施并驗證結(jié)果。將器件管腳伸出長度由1.35mm改為0.8mm后，橋連故障明顯下降，但出現(xiàn)了球狀焊點（虛焊），將焊接方式從點焊改為拖焊后，使融化的焊錫的表面張力與外界的大氣壓力之間趨于平衡，基本消除了出現(xiàn)橋連和球狀焊點的現(xiàn)象。

控制階段完成的主要任務(wù)為關(guān)注焊點橋連的改善情況，制定詳細的定點控制措施。如在目前的改善方法下，對每塊電路板通過自檢記錄監(jiān)控相鄰管腳是否橋連，對不同批次的首件電路板，通過專用防錯工裝檢測管腳長度是否達標，通過程序確認焊接方式是否正確，來保證整個選擇性波峰焊的流程正常推進。

2.結(jié)果

采取了控制器件管腳伸出長度和更改焊接方式的措施后，選擇性波峰焊下電路板通孔元器件焊點橋連情況得到了改善。將整個試驗階段的數(shù)據(jù)收集記錄，并用軟件進行分析[6]。將電路板合格是否的狀態(tài)繪制成時間序列圖，其中合格為0，不合格為1?？梢钥吹诫S著項目的推進，經(jīng)DM階段、A階段、IC階段，橋連的缺陷在逐漸下降。如圖2所示。六西格瑪?shù)慕y(tǒng)計意義是在一百萬次的使用機會中只出現(xiàn)3.4個錯誤，即DPMO水平為3.4。本文通過持續(xù)的改善，DPMO最終從625000降低到19000，改善率96.9%。如圖3所示。通過控制技術(shù)圖進行流程能力分析，可以看到經(jīng)過DM階段、A階段、IC階段，流程的控制能力逐步增強，技術(shù)能力也在逐步增強，并向理想的6σ的水平靠近，如圖4所示。

圖2 焊點橋連的時間序列圖

圖3 缺陷的改善情況

圖4 控制與技術(shù)圖

選擇性波峰焊接后焊點出現(xiàn)橋連問題后，借助六西格瑪?shù)墓芾矸椒?，從人、機、料、法、環(huán)、測等方面找到可能的影響因素，通過試驗數(shù)據(jù)，對錫鍋溫度、焊接方式、器件管腳伸出長度、底部預(yù)熱溫度進行分析，最終確定了影響橋連的2個關(guān)鍵因素：焊接方式和器件管腳伸出長度，設(shè)計了專用工裝輔助措施的落實，大大降低了選擇性波峰焊接焊點橋連率，提高了混裝型電路板焊接一次合格率。

3.討論

選擇性波峰焊遇到的焊點橋連問題后，通過六西格瑪?shù)姆椒ㄊ占F(xiàn)場數(shù)據(jù)，找到了影響焊點橋連的原因，并進行了改進，提高了混裝性電路板的焊接合格率。將本項目的工藝方法推廣到了其他型號，在涉及選擇性波峰焊接的工藝規(guī)程中，明確通孔元器件管腳露出印制板面的高度要求，并設(shè)計通孔元器件管腳剪切專用工裝，保證元器件管腳剪切高度符合工藝要求。同時對選擇性波峰焊機程序員進行培訓(xùn)，要求在編制選擇性波峰焊程序時優(yōu)先采用拖焊模式進行焊接。本次選擇性波峰焊的研究對象為2mm的電路板，由于電路板種類的多樣化，對于其他類型的電路板，如厚度3mm或以上的電路板，包含大面積接地層的電路板，包含大量金屬殼體封裝器件的電路板等還需要進一步進行探索[7]。