再流焊工艺的统计过程控制

摘　要　统计过程控制着重于生产过程的控制,是保证产品质量、预防废品产生的一种有效工具。本文介绍了再流焊工艺的统计过程控制。
关键词　统计过程控制　　再流焊　　产品质量管理

Statistical Process Control of Reflow Soldering

Lü Qingxia
　　(Second Research Institute of Ministry of Electronics Industry)

Abstract　Statistical process control stresses control of manufacture process and is an effective tool of ensuring product quality and preventing waste product.The artical introduces statistical process control of reflow soldering.
Keywords　Statistical process control　　Reflow soldering　　Product quality management

    产品制造完成后，根据计划和设计的质量标准，检验最终产品是否符合规格要求，合格品通过，不合格品被剔出，防止它混入合格品，流出厂外。这样的质量管理办法有两个实际问题无法解决：一个是如何经济合理地确定标准，并有效地控制生产过程预防废品的产生；另外一个问题是，在破坏性检验以及某些产品质量特性不可能全检的情况下，难以了解和保证产品质量。在实际工作中存在的这些问题要求在废品产生之前，就能采取措施做到事先预防，同时要求提供科学的检验方法，来解决破坏性检验情况下的产品质量保证问题。

    统计过程控制就是运用数理统计方法这一手段，从产品(指原材料、零件、部件、半成品、产品等)质量波动中找出规律性，消除产生波动的异常原因，使生产过程的每一环节控制在正常的比较理想的生产状态，从而保证最经济地生产出符合用户要求的合格产品。这种统计过程控制的方法，一方面应用数理统计技术；另一方面，它着重于生产过程的控制，做到预防为主。

    本文介绍了再流焊工艺的统计过程控制。

    统计是客观测量变量的工具，它的正确应用是以正态随机变量为前提。在生产中许多变量是正态随机变量。如果子样大小足够大，并保证是随机抽样，那么对生产中大部分变量来说这是正确的。根据中心极限原理，一批子样30个足以呈现出正态分布。

    在再流焊工艺中，一个正态随机变量是PCB传送通过炉子时的温度，这个温度不总是一样的，但它通常围绕一个经常发生的值而群集。对它进行统计有两种方法：一种方法是测量通过炉子的每一块板子的温度，但这种方法往往有困难或者根本不可能办到，是不切合实际且费用昂贵；另一种方法是通过考察部分去掌握全体，当然这时必须要求子样大小足够大，同时保证抽样的随机性，只有这样温度测试才是正确的，正态随机分布才能显现。通常测试板温度绝大多数在平均温度值附近。其标准偏差客观地给出温度远离平均值的离差。在正态随机变量分布中，68％的测量值将落在平均值±1标准偏差之间。99.74％的测量值将落在±3标准偏差之间。

    1再流焊温度曲线的监控

    一个综合的再流焊SPC程序将监控所有引起焊接缺陷的变量。为了能客观地检测温度曲线，需用统计的方法测量下列变量：峰值温度、高于183℃的液化时间和温度上升率等。这些变量是炉温、负载、控制方式和传送带速度的函数。

    使用的再流焊炉是高纯再流系统，经过一个回流闭环循环后，用过的气体通过入口排出。这样流动模式可使炉子免维修，同时消除了清洗过程对温度曲线的影响。炉子采用了一个低热容加热元件，该元件对负载和温度设定的变化反应迅速。如果炉子温度保持在±10℃的范围内，生产温度就可保证在±2.5℃范围内，并且可重复。

    测试板的制备。将两个热电偶用环氧树脂粘在FR-4板上，该板没有铜层，因此导电通路被最小化在元件和板子表面之间。将一个标号为1＃的K类热电偶用环氧树脂粘到板子表面，将一个标号为2＃的热电偶粘附在68针J形引线器件的底面。

    炉子负载模拟。采用两个其它类型的板子：304.8mm×304.8mm×2.3mm铝板和304.8mm×304.8mm×1.6mm黑钢板。以往的测试已经表明铝板代表常用的大PCB，而黑钢板代表极高密度组装的大板子。负载系数用板子所占传送带空间与可占传送带空间比率的百分比来表示。例如：板子的长度为304.8mm长，传送带上板子之间的间距也为304.8mm长，那么，负载系数为50％。

    当炉子负载恒定不变时，PCB温度曲线的控制比较容易，而当负载不稳定时，即板子的热容量各不相同时，温度曲线的控制很困难。不管怎样，只有子样是完全随机的，生产工序也是尽可能随机的，即在不同的日期内由不同的操作者在随机负载条件下进行测量，统计子样的结果才是唯一有效的，一批子样至少需要30次测试。

    温度曲线测量结果。从测量结果得出，所有热电偶温度曲线十分相近，几乎是同样的，所有峰值温度满足±2.5℃炉子的可重复性技术规范。这主要归功于控制系统的迅速响应和传送带速度的良好控制。只要炉子和板子的类型不变，客观统计的温度曲线将保持一致。随机测试的结果将不断地添加到统计数据库中，用以连续地监视工艺过程。

    2工艺过程监控步骤

    尽管监控每一产品的再流温度曲线是有效的，能提供准确的工艺过程控制，但每一类板子都重复这样的测试很明显既昂贵又费时。SPC法是对工艺过程进行监控，而不是对产品进行监控。对工艺过程监控有下列四个基本步骤：

    (1)确定控制变量。在任何对流再流焊炉中，板子的温度都是加热腔内墙温度及其辐射率、对流气体温度及其速度的函数。其它因素包括：传送装置速度、负载情况和炉子加电时间。

    (2)尽可能地减少变量。从先前的测试统计结果证明，负载对温度曲线的可重复性无影响。另外，炉子在准备阶段(甚至启动后短时间内)，温度曲线也是可重复的。因此，对于炉子来说，辐射体、负载和加热时间等属不需监控的变量。

    (3)最后保留的几个相关变量尽可能是机器设备参数。在测试炉子中，对流气通过加热元件的对流气体被加热，较高的对流量要求较大的加热功率，以保证维持预先所设定的温度值。

    (4)监控所保留的参数。由于对流气体的温度与其流量和加热元件的功率有关，因此，用压力开关监控进入炉子的对流气体，如果发生气体流量短缺或其它问题，即引起报警，同时向SPC文件输入这一数据。对加热腔可简单地用热电偶反馈来控制温度，传送装置的速度用微处理器中的闭环控制系统来控制，这样就很容易地把三个参数温度、加热元件功率和传送装置速度写到了SPC文件中。由于这些机器参数和板子温度之间有着一定的相关性，因此使用统计分析可对炉子提供正确的工艺控制。

    统计数据自动收集与分析软件，可简化SPC法的工作量，软件的第一个文件自动地记录日期和时间、产品的变化、报警情况、机器时间和生产量等。同时，第二个文件每10s记录一次每个区域的传送装置速度、温度和功率。一般这第二个文件数据是用户友好格式的。与微软的“Excel”百分之百兼容。

    软件除了作为一个变量统计分析工具检测再流焊炉的缺陷以外，也是一个诊断工具，可用来诊断是否炉子在正常状态下操作。通过与标准的数据进行比较，可以预防和解决工艺过程中可能出现的问题，同时减少停机时间。