正交試驗在控制一次交檢合格率中的應用

朱 寧 馬浩亮 王 林 司高潞 張 惠 趙珊珊 劉元飛

（北京航天控制儀器研究所，北京 100854）

1 引言

電路板設計的復雜程度和元器件布局布線的密度越來越高，高密度混合安裝電路板多以表貼元器件為主，通孔插裝元器為輔，隨著SMT 設備功能、性能的迭代提升，使工藝穩(wěn)定過程能力充足，為實現(xiàn)表貼元器件的高可靠性焊接的提供有力支撐。受制于產(chǎn)品的設計特征、技術狀態(tài)要求、環(huán)境試驗、設備局限性和可靠性等方面的影響，通孔插裝元器件仍然采用傳統(tǒng)的手工焊接方式。

焊點是鋪展電路板實現(xiàn)電信號穩(wěn)定可靠傳輸?shù)幕?。因此，通過分析一次交檢合格率焊點缺陷特征，找出焊接問題的癥結，開展正交試驗設計，從中發(fā)現(xiàn)客觀規(guī)律總結經(jīng)驗，得到通孔插裝元器件手工焊接最優(yōu)組合方案，工藝指導生產(chǎn)實踐解決焊接質量缺陷問題，降低操作難度和技術風險，提高手工焊接一次交檢合格率，對確保產(chǎn)品質量，實現(xiàn)電路板高可靠性焊接具有重要意義。

2 焊接問題一次交檢合格率

據(jù)統(tǒng)計，2021年8月至2022年2月一次交檢發(fā)現(xiàn)43 塊不合格品中焊點問題最多，占比達到90.69%，見表1。

表1 電路板問題統(tǒng)計表

對電路板焊點問題，按元器件類型分為通孔插裝和表貼，表貼焊點問題為4 塊，通孔插裝焊點問題為35 塊，見表2。

表2 電路板焊點問題統(tǒng)計表

對通孔插裝焊點問題，按焊點缺陷類型分為8 類1045 個問題，見表3、圖1。

圖1 通孔插裝焊點問題排列圖

表3 通孔插裝焊點問題統(tǒng)計表

如圖1所示，焊點潤濕不良占比47.94%，焊點拉尖占比40.1%，二者累計占比88.04%，對焊點合格率影響程度最大，是手工焊接一次交檢合格率的癥結所在。

3 實現(xiàn)高可靠性焊接條件

電路板焊接過程，其本質是焊料中的錫與元器件引腳及焊盤中的銅發(fā)生冶金反應形成金屬間化合物（IMC）即：錫銅合金Cu6Sn5。從宏觀上講，錫焊的過程是焊料在銅材上鋪展，潤濕擴散并形成合金層。從微觀上講，又是一個復雜的系統(tǒng)工程，參與過程的因素有元器件、印制板焊盤、助焊劑、溫度和時間。要實現(xiàn)高可靠性的焊點，除了元器件和焊盤必須具有可焊接性外，錫基焊料的組份、助焊劑的質量、適合匹配的焊接溫度和時間都具有相關性。

在焊接過程中，溫度、助焊劑是兩個關鍵條件，當溫度低于190℃，焊點的合金層形成冷焊沒有足夠的機械性能和電氣性能，焊接過高、時間過長會使合金層的機械性能劣化；使用助焊劑目的是為了有效去除被焊金屬表面氧化層，降低表面張力，使焊料鋪展并完全潤濕金屬表面，形成均勻、平滑、連續(xù)的過程稱為潤濕，潤濕是焊接的首要條件，如果元器件引腳和印制板焊盤表面存在氧化物或污染物時，這些氧化物會成為障礙阻止熔化的金屬原子自由接近，去除氧化物有時需要犧牲更高的焊接溫度和更長的焊接時間。焊料與母材的之間的潤濕程度通常取決于二者之間的清潔程度，但很難量化分析，一般用潤濕角θ大小表示。當焊料滴在金屬表面上時，液滴形狀呈球冠狀，并構成一個由固（金屬表面）、液（液體焊料）、氣（大氣）組成的三相界面體系，見圖2。

圖2 潤濕作用與潤濕角

在A 點處有三種表面張力在相互作用，并制約著焊料鋪展的潤濕程度，根據(jù)楊氏方程公式1：

在焊接過程中，σ氣固增大，σ氣液或σ液固減少，都能使cosθ增大，此時鋪展面積增大。從物理意義上講，σ氣液減少意味著液態(tài)焊料內(nèi)部原子對表面原子的吸引力減弱。液態(tài)焊料原子特別是邊緣表面的原子，趨向金屬表面，使表面積大，焊料鋪展；當cosθ=1，θ=0°，是完全潤濕的情況，當0〈cosθ〈1，θ〈90°，焊料能潤濕金屬表面；當cosθ〈0，θ〉90°，焊料不能潤濕金屬表面。

高可靠性電路板對焊接質量提出了更高的要求：焊接面焊盤360°圓周覆蓋，元件面焊料覆蓋100%焊盤，見圖3。

圖3 插裝元器件高可靠性焊點

潤濕程度與鋪展范圍不僅取決于焊料與金屬表面的清潔程度，還與液態(tài)焊料的表面張力有關，張力同焊料與被焊金屬間潤濕力的方向相反，張力是物質的固有特性，只能改變不能消除。表面張力存在是導致焊點“潤濕不良”和“拉尖”焊接缺陷的主要原因。

因此，研究焊接機理，實現(xiàn)電路板高可靠性焊接質量，需要從降低表面張力、去除表面氧化物，增加被焊金屬表面的可焊性和潤濕力方面重點考慮。根據(jù)手工焊接專業(yè)經(jīng)驗，識別確定了印制板（覆銅面積、層數(shù)、焊盤連接）、焊接（電烙鐵、溫度、時間、接觸角）、焊錫絲直徑、助焊劑等因素，開展正交試驗設計，找出電烙鐵焊接溫度、時間的最優(yōu)組合方案。

4 正交試驗設計與實施

首先，根據(jù)經(jīng)驗分析電烙鐵選型、可焊性、助焊劑配比、涂刷因素的影響程度：

a.電烙鐵選型：使用鑿型電烙鐵頭且電烙鐵頭截面長度應與焊盤尺寸相匹配，通過實操比較PACE 和Weller 電烙鐵型號，對焊接質量影響程度??；

b.印制板焊盤可焊性：根據(jù)一次交檢數(shù)據(jù)統(tǒng)計識別出焊點潤濕不良的焊盤，在焊接前，進行焊盤搪錫處理增加可焊性，對焊接質量影響程度?。?/p>

c.助焊劑配置、涂刷：考慮到助焊劑活性差和松香與酒精1∶3 的配比問題，通過重新配置新的助焊劑，對焊接質量影響程度??；

d.在焊接前，操作人員熟練掌握涂刷助焊劑時機和位置，對焊接質量影響??；

通過以上分析，排除了影響程度小且可控預防的因素。

其次，從印制板設計參數(shù)、焊接參數(shù)、焊錫絲用量這3 個方面，不考慮交互作用，識別出8 因素，4 水平的正交表為L16(47×21)，見表4、表5。由檢驗人員對焊點問題進行客觀打分，評分標準見表6。利用EXCEL函數(shù)組合計算K、R、隸屬度，總評分，正交試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析結果，見表7。

表4 因素、水平表

表5 正交試驗方案表

表6 焊接癥結問題打分表

表7 正交試驗數(shù)據(jù)分析

對ki（k1,k2,k3,k4）與因素水平畫圖，說明指標隨因素水平增加的變化趨勢圖，見圖4。

圖4 因素水平與指標趨勢

由表7 數(shù)據(jù)和圖4 指標變化趨勢進行分析∶

a.影響因素主次順序為：印制板→焊錫絲→電烙鐵焊接；

b.從印制板的影響因素分析：印制板中主次排序為：印制板層數(shù)→印制線→覆銅面積；

針對于大功率、引腳直徑粗（超過1.3mm）元器件，建議印制板布線時，接地引腳焊盤盡量不要同時出現(xiàn)CS 面、SS 面的焊盤連接印制線，減少CS 面、SS 面的布線，可以選擇中間層連接，中間層有地層的焊盤應采用輻射連接方式，最后考慮覆銅，沒有特殊要求時，可采用網(wǎng)狀鋪銅，減少熱量快速傳導交換；

c.從焊錫絲影響因素分析：根據(jù)焊接經(jīng)驗，采用焊錫絲Φ0.5mm 比Φ1.0mm 更容易控制手法和焊接時間，而焊錫絲的用量過多導致焊料過量、淚滴、潤濕角大、擾動焊點等隱患；用量過少，會出現(xiàn)焊料不足，暴露基材、CS 面不能100%覆蓋焊盤，焊點表面不光滑褶皺、分層等焊接質量缺陷。

d.從電烙鐵影響因素分析：電烙鐵中主次排序為：電烙鐵功率→焊接時間→電烙鐵接觸角→焊接溫度。

焊接工藝參數(shù)優(yōu)化：保證好的焊點質量，找到一組最低的焊接溫度和最短焊接時間的工藝參數(shù)。然而，過高的焊接溫度和焊接時間，導致金屬間化合物IMC層的機械性能下降。

根據(jù)試驗結果和因素與指標的數(shù)據(jù)分析，針對于不同印制板、電烙鐵、焊錫絲，得到典型通孔插裝元器件手工焊接最優(yōu)方案，見表8。

表8 插裝元器件手工焊接工藝參數(shù)優(yōu)化

針對于大面積敷銅區(qū)的印制板，首先采用預熱臺預烘可以保證整個電路板的熱平衡性；其次選擇正確的電烙鐵頭尺寸匹配焊盤，可以保證焊接的熱傳導效率；最后正確設置焊接溫度、時間，保證焊點質量和可靠性。識別不同電路板和元器件的特征，從最優(yōu)方案表中找出了最優(yōu)焊接工藝參數(shù)。

5 效果檢查

5.1 癥結檢查

對不合格的72塊電路板進行問題統(tǒng)計不合格焊點數(shù)為178 個，其中焊點潤濕不良和焊點拉尖這2 項問題共計26 個，占比為14.61%，不是焊接問題的主要癥結，焊接合格率統(tǒng)計見表9，對比生產(chǎn)現(xiàn)狀與工藝優(yōu)化后的焊接問題排列圖，見圖1、圖5。

圖5 工藝優(yōu)化后焊接問題排列圖

表9 改進后焊點合格率統(tǒng)計表

5.2 一次交檢合格率和穩(wěn)定性檢查

統(tǒng)計生產(chǎn)電路板7 個月鞏固期檢查，如圖6～圖8所示。

圖6 一次交檢合格率檢查折線圖

如圖7所示，進后經(jīng)過7 個月鞏固期進行效果檢查，根據(jù)假設雙樣本t 檢驗結論，一次交檢合格率均值比生產(chǎn)現(xiàn)狀顯著性提升，具有統(tǒng)計學意義。

圖7 一次交檢合格率t 檢驗

如圖8所示，工藝優(yōu)化后的一次交檢合格率數(shù)據(jù)方差小收收斂性好，極差小數(shù)據(jù)波動范圍小，合格率數(shù)據(jù)穩(wěn)定性好。

圖8 一次交檢合格率穩(wěn)固期控制圖

5.3 實施效果檢查

對“潤濕不良”和“拉尖”具體實施效果對比，見表10。

表10 實施效果檢查

6 結束語

研究焊接機理發(fā)現(xiàn)表面張力存在是影響一次交檢合格率，導致焊點“潤濕不良”和“拉尖”焊接缺陷的主要原因。要想實現(xiàn)電路板高可靠性手工焊接質量，需要從降低表面張力、去除表面氧化物，增加被焊金屬表面的可焊性和潤濕力方面重點考慮。研究正交試驗設計得出各影響因素的主次優(yōu)先級，印制板影響因素優(yōu)先級為：印制板層數(shù)→印制線→覆銅面積；電烙鐵影響因素優(yōu)先級為：電烙鐵功率→焊接時間→電烙鐵接觸角→焊接溫度；焊接的接觸角控制在30°～45°為宜；采用焊錫絲Φ0.5mm 比Φ1.0mm 更容易控制焊接用量、操作手法和焊接時間。

從正交試驗設計優(yōu)選組合方案中，找到一組最低的焊接溫度和最短焊接時間的工藝參數(shù)，通過實施效果檢查焊接質量好且工藝穩(wěn)定一致性好，統(tǒng)計數(shù)據(jù)分析一次交檢合格率具有顯著性提升。在分析多因素、水平復雜問題時，正交試驗用較少的試驗次數(shù)得到正確的數(shù)據(jù)趨勢，建立一個高精度、統(tǒng)計指標好的數(shù)學模型，對解決試驗數(shù)據(jù)和工藝參數(shù)的優(yōu)化問題起到關鍵作用，在保證產(chǎn)品質量的前提下，提高產(chǎn)量，降低成本。