采用DOE方法优化无铅波峰焊接工艺
无铅波锋焊接缺陷解析
分析无铅波峰焊接缺陷2003-12-21Gerjan Diepstraten 点击: 671分析无铅波峰焊接缺陷一个欧洲协会和其它的协会已经得出结论，无铅(Pb-free)焊接在技术上是可能的，但首先必须解决实施的问题，包括无挥发性有机化合物(VOC-free)的助焊剂技术和是否必须修改工艺来接纳所要求的更高焊接温度。
达柯(Taguchi)试验设计(DOE, design-of-experiment)方法和统计过程控制(SPC, statistical process control)是评估波峰焊接中无铅工艺的有效方法。
其目的是要为特定应用的最佳设置确定基本的控制参数。
达柯方法(Taguchi method)寻求将创新的品质方法与传统的试验设计方法结合起来。
研究出一系列相关的技术来最大限度的减少不想要的可变性，减少生产损耗和提供更大的顾客满意。
例如，达柯方法用于减少生产变量有两个步骤：1.制造产品，以“最佳的”方式达到与目标的最小背离。
2.尽可能同样地生产所有产品，达到产品之间的最小背离。
达柯试验使用一个专门构造的表格或“正交阵列”来影响设计过程，因此品质在其设计阶段就嵌入产品内部。
正交阵列是一项允许对影响试验的因素进行独立地数学评估的试验设计。
试验准备达柯试验准备从一个集思广益的会议开始，在这里一个结合不同学科的小组建立清楚的报告书，为设计合理的试验，列出问题、目标、所希望的输出特性和测量方法。
然后，确定所有的过程参数和定义影响结果的有关因素：1.可控制因素：C1 = 对过程作用很大的并可直接控制的因素；C2 = 如果C1因素改变，需要停止过程的因素这个试验中，选择了三个C1因素：B = 接触时间C = 预热温度D = 助焊剂数量锡温度是一个C2因素，由于需要用来增加/减少温度的时间。
2.噪音因素是影响偏差的变量，但是不可能控制或控制成本效率低的。
例如在生产/试验期间，室内温度、湿度、灰尘等的变化。
运用DOE分析降低波峰焊疵点率的方案设计
参考文献： [1]A.A.Efros and T.K.Leung.Texture Synthesis by Non-parametric
Sampling[C].IEEE International Conference on Computer Vision， 1999： 1033-1038.
[2]L.Y Wei and M.Levoyo Fast Texture Synthesis Using TreeStructured Vector Quantization[C].Proceedings of the 27th annual conference on Computer graphics and interactive techniques.2000：479488.
表1
3.3 DOE试验设计架构
图1 试验条件：确定控制因子状态，同时明确波峰疵点率质量评判标准、 方式等。 全因子试验设计：在控制因子状态确定的情况下，针对主要因子按二 个水准进行全因子试验设计，分析各因子交互矩阵表，通过建立拟合模 型、残差分析、立体图分析，明确各因子之间的交互作用，筛选影响波峰 疵点率的显著因子。 显著因子试验设计：针对筛选出的显著因子，再次选择2-3个水准值 进行全因子试验设计，再次运用minitab软件进行分析，最终确定最佳条 件组合。 最佳参数方案输出：针对试验输出数据结果，利用方差分析等手段， 综合分析实验结果，得出最佳参数组合方案。将试验得出的参数组合方案 应用到波峰焊操作，做进一步验证和数据统计。 持续改进推广：总结DOE试验分析过程，形成SOP作业标准，同时在其 他生产线推广应用。总体架构如图1。 3.4 方案技术要点和技术难点 1）DOE方法的掌握和正确使用。在试验配置方面，DOE主要理论工具 是 直 交 表 ， 在 试 验 解 析 方 面 ， DOE的 主 要 理 论 工 具 是 变 异 数 分 析 法 ， minitab软件的普及使得数据的分析处理简单化。DOE试验应分两个阶段进 行：第一阶段以筛选显著因子为目的；第二阶段从显著因子中找到最适合 的条件。筛选准确的要因和水准是保证试验成功的前提。运用DOE试验分 析法进行质量改善是一个循序渐进的过程，同一阶段的试验受噪声因子的 影响存在多次重复试验的可能。 2）其它因素的交互干扰。本项目是面向制造现场过程质量的提升， 在本项目中暂不考虑人员、设备状况、PCB排版、物料质量等方面的影 响，在进行试验验证数据收集过程中，可能存在其他因素对试验结果的交 互作用，是否能够获得最佳的良品率，是本项目的一个技术难点。 3）项目成员参与改善的程度。目前工艺人员类似于管理岗位工作或 质量岗位工作，真正用于创新性工作的时间很少，而工艺人员参与项目改
DOE实验-波峰炉最佳参数研究
DOE 實驗--波峰爐最佳參數研究DOE （Design of Experiment ）試驗設計，一種安排實驗和分析實驗資料的數理統計方法；試驗設計主要對試驗進行合理安排，以較小的試驗規模(試驗次數)、較短的試驗週期和較低的試驗成本，獲得理想的試驗結果以及得出科學的結論。
實驗設計源於1920年代研究育種的科學家Dr. Fisher 的研究, Dr. Fisher 是大家一致公認的此方法策略的創始者, 但後續努力集其大成, 而使DOE 在工業界得以普及且發揚光大者, 則非Dr. Taguchi (田口玄一博士) 莫屬。
本文以波峰爐最佳參數的研究為例﹐直觀簡捷地向大家介紹實驗的方法及實驗的過程。
隨著無鉛物料及工藝的導入﹐帶來諸多的品質缺陷﹐其中波峰焊接過程是影響品質的重要環節﹐可以使用DOE 實驗方法來確定波峰焊接的最佳參數﹐驗証最佳參數的合理化。
一﹐實驗架構如下﹕圖1 實驗架構二﹐實驗材料選擇﹕根據實際需求﹐選擇實驗材料如表1n1/n(1-C)三﹐確定實驗組數與樣本數﹕1確定實驗組數﹕L 2n+1( 3 )其中n 為控制因子數﹐2n+1為正交行數(實驗分組數)。
本次實驗中﹐n=4,所以實驗分為9組。
2確定每組的樣本數﹕Rc = (1-C)其中C 為信賴性等級﹐Rc 為在信賴性C 的可靠度。
n 為每組實驗的樣本數。
n=logRc本次實驗我們基于 90%信賴性C=0.9和 90%可靠度Rc=0.9計算出每組實驗樣本數n=22。
有以下經驗值可供參考四﹐實驗LAYOUT圖2 樣板layout五﹐參數設計1﹐控制因子控制因子是參數設計中實驗者可以控制的因子。
若該因子在變動水準時，品質特性的變異維持不變，則稱為調整因子，可藉此作為為輸出值微調之用。
本次實驗選取如下四個控制因子﹐每個因子選取三個不同等級進行實驗。
表3 設備物料量測人員方法噴霧壓2﹐Responses不同的調校參數,將得到不同的質量特性及不同的品質結果,我們將列入最能反映調校不同參數而帶來的品質結果,以作為實驗分析手段的一種具體方法﹐本次驗証實驗及使用儀器如下。
无铅波峰焊工艺
1.1无铅波峰焊工艺波峰焊的焊接机理是将熔融的液态焊料，借助动力泵的作用，在焊料槽液面形成特定形状的焊料波，插装了元器件PCB置于传送带上，经过某一些特定的角度以及一定的浸入深度穿过焊料波峰而实现焊点焊接的过程。
当PCB进入波峰面前段时，基板与引脚被加热，并在未离开波峰焊前整个PCB 浸在焊料中，即被焊料所包围，但是在离开波峰尾端的瞬时，少量的焊料由于润湿力的作用，粘附在焊盘上，并由于表面张力的原因，会以引线为中心收缩至最小状态，此时焊料与焊盘之间的润湿力大于两焊盘之间的焊料的内聚力，因此会形成完美的焊点，离开波峰尾部的多余焊料由于重力的原因回落到锡锅中。
1.1.1无铅波峰焊工艺新特点波峰焊机理很简单，也很好理解，但是要在生产中获得良好的焊点，就要严格控制各工艺参数，其中任何一个参数设置不当都会产生焊接不良。
目前无铅钎料的使用，给波峰焊工艺与设备带来新的特点。
1. 高的焊接温度主要的无铅钎料Sn0.7Cu熔点(227ºC)较传统SnPb(183ºC)高44ºC，设备的可加热最高温度也应相应提高至少44ºC，所以设备材料及结构设计必须具有良好的耐热性，在高温下不变形。
另外无铅波峰焊的焊接温度较高(一般设定为260o C)，为减少印刷电路板组装件与波峰接触时的热冲击，需要增加预热时间。
最好的解决方法是增加设备的预热区长度，其长度由产量和传送速度来决定。
无铅化后预热区的长度由以前的90～100㎝变为120～150㎝，增加了预热时间。
对于加热方式来说，基本采用热辐射方式进行预热，最常用的波峰焊预热方法由强制热风对流，电热板对流、电热棒加热和红外线加热等。
2.长的预热时间预热阶段主要是蒸发多余溶剂和PCB制造过程中夹带的水分，增加粘性，并起到活化助焊剂的作用。
如果粘度太低，助焊剂会被熔融钎料过早的排挤出，造成表面润湿不良。
表2为无铅免清洗助焊剂和水溶性助焊剂的活性参数。
DOE实验在波峰焊接品质控制中的应用
DOE试验在无铅波峰焊接品质控制中的应用
Since 1984
DOE基本策略：
田口方法
经典方法
接近预
期目标 制定SPC
标准
制定目标
要因分析
选定试验方案，确
定试验因子和水平
第一阶段试验
弯曲
不
弯
曲
k
3 因子设计
再现性试验
得出试验结果
响应曲面设计
DOE试验在无铅波峰焊接品质控制中的应用
正交表的表示方法：
方法。
主要方法：
西方统计质量专家（以G.E.BOX为代表）提出的经典方法
（重回归分析，适合单一产品大批量生产）
采用统计回归的思想拟合出质量特性和影响因素之间的函数关系，并进行响
应曲面分析，寻找工艺参数的最佳配置，从而使输出质量特性最优。
追求均值最优，统计推导较为严谨，实验阶段较为分明，有序贯性的特点
时可以方便地追踪到次优点。
实验次数较多，实验周期较长，不利于在设计过程中使用
没有充分考虑到误差因素的影响
只适合连续的计量值的拟合，对于离散的计数值设计显得无能为力了
4） 调优设计 （EVOP）
一种是结合响应曲面求出响应曲面模型与等高线，按有限制条件次优
解求解 - 复杂
一种是使用经典调优设计试算求出满意解
筛选主要因子（2N）
找出最佳生产条件组合（3N）
证实最佳生产条件有再现性
1因子 拉丁方程；2因子 希腊拉丁方程；3因子 超希腊拉丁方程
DOE试验在无铅波峰焊接品质控制中的应用
2
什么是DOE方法
Since 1984
DOE试验在无铅波峰焊接品质控制中的应用
Since 1984
波峰焊氮气参数设定DOE--IE胡继辉
• 4管 -0.000324 -0.000162 0.000068 -2.39 0.252
• 流量*压力 0.000378 0.000189 0.000068 2.79 0.219
• 流量*4管 0.000887 0.000443 0.000068 6.53 0.097
• 压力*4管 -0.001206 -0.000603 0.000068 -8.89 0.071
0711 0.1762
0801 0.1754
0802 0.1628
0804 0.1187
0805
0806
0807
0.1142 0.1170 0.1387
成效预估：（改善前单台氮气成本－改善后单台氮气成本）×福清厂年产量 =（0.170 － 0.122) ×30,000,000=1,440,000（元RMB）
改善前平均值
0.02
为0.170元/台
改善后平均值 为0.122元/台
0 0708
0709
0710
0711
0712
0801
0802
0804
0805
0806
0807
液氮单台成本(元RMB)
月份
液氮单台成 本(元RMB)
0708 0.1762
0709 0.1617
0710 0.1705
0711 0.1697
波峰焊氮气参数设定
From: IE-胡继辉、林天 Date： Sep.-04-2008
1
内容
一、问题叙述 二、衡量的评判标准 三、实验因子 四、控制因子和工程记录 五、实验设计 六、产出 七、改善前后数据比对 八、财务效应 九、心得体会
2
一、问题叙述
无铅波峰焊接质量分析DOE
无铅波峰焊接质量分析(DOE)摘要：达柯(Taguchi)试验设计(DOE, design-of-experiment)方法和统计过程控制(SPC, statistical process control)是评估波峰焊接中无铅工艺的有效方法，其目的是要为特定应用的最佳设置确定基本的控制参数。
本文通过分析无铅波峰焊接的各个工艺参数，运用DOE方法进行大量的试验，采用统计学原理分析产生各种缺陷的工艺因素，并确定优化的无铅波峰焊接工艺。
关键词：DOE；无铅波峰焊；工艺参数Lead-free wave soldering quality analyzingHU Qiang1，LI Zhong-suo1，ZHAO Zhi-li2，Li Da-le2（1．Lead-free soldering R&D Center of Sun East Electronic Co.Ltd，Shenzhen 518103，China 2．Harbin Institute of Technology, Harbin 150001, China)Abstract: Taguchi DOE and SPC are availability methods of evaluating lead-free process in wave soldering, which makes basic controlling parameters for the best setup.In the paper all the processes of lead-free wave soldering were analyzed, a great deal of experiments were done by DOE, many of soldering defects due to process were analyzed by SPC and the best lead-free wave soldering processes were made.Key words：DOE；Lead-free wave soldering；Process parameters对于波峰焊接工艺，从有铅转变到无铅将影响大多数机器参数。
焊接参数优化DOE设计实验
保持时间 8 8 8 5 5 5 8 8 5 8 5 5 5 8 5 8
焊接电流 7000 9000 7000 7000 9000 9000 7000 9000 7000 9000 7000 9000 9000 9000 7000 7000
气压 0.3 0.3 0.3 0.3 0.3 0.4 0.4 0.4 0.4 0.3 0.3 0.3 0.4 0.4 0.4 0.4
实验设计
LOGO
例：我们选取的样本容量为16，零件表面选择两种状态，即选好的表面状态 和坏的表面状态个16 零件进行焊接螺母，然后测试其扭力值，下表是两种零 件表面状态所对应的扭矩：
表2 两种零件表面状态对应的扭矩
序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16
好的表面状态 54.6 52.3 36.7 45.3 39.2 38.6 42.8 44.8 46.2 48.7 44.4 48.9 40.4 46.1 52.3 53.1
课题引入
研究方向：点焊过程的焊接强度（扭矩） 运用时机：先期质量策划阶段 课题目的：获得最优的焊接过程参数
LOGO
实验设计
LOGO
焊接过程分析
过程输入输出表
过程输入 预压时间 焊接时间 维持时间 焊接电流 电极加压力 零件表面状态 电流输出
过程
过程输出
பைடு நூலகம்
点焊机点焊过程
成品——焊接强度 （扭矩）
此处：零件的表面状态不作为焊接设备的参数，但是同样是影响焊接强度一 个因素（因子）；众所周知，较好的零件表面状态更有利于焊接，采用同样 的焊接参数的情况下，相比较差零件表面会获得更大的焊接强度。 当然，我们也可以通过实验来得出具体的实验数据来作为评定依据。