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电路板回流焊接工艺实时监控研究
「本文阐述了电路板回流焊接的实时监控系统,对影响电路板焊接可靠性的工艺因素:温度、链速、风速、轨道振动、轨道形变等进行剖析,通过先进监控技术实现离线监控解决方案及智能在线实时监控的解决方案,实现回流焊接工艺的最优方案,保证了电路板回流焊接的质量。(2020-11-30)」
关键词:回流焊接;实时监控;温度曲线;设备状态
  1 研究背景
  回流焊接可靠性直接影响电子产品在其服役生命周期的稳定、可靠、安全。对回流焊接可靠性的研究,国内外SMT行业面临越来越苛刻的挑战,仅仅依靠用测温板在批量生产前对炉温进行抽样检测这种传统手法,已无法全面保证回流焊接的品质及可靠性,并且也无法实现焊接品质问题的可追溯性。因此开发研究用于实时监控回流焊接设备工作状况和即时测量每片电路板温度曲线的实时监控系统成为SMT行业发展的当务之急,也必将成为未来的发展趋势。
  2 影响焊接可靠性的因素
  回流焊接的品质受诸多因素的影响,例如焊接温度、设备传送链条速度、热对流风速、传送轨道振动、传送轨道形变等等,而最重要的因素是回流焊炉的温度曲线。
  在PCBA焊接生产过程中,影响焊接质量的最关键因素是回流炉温度参数的设置,通过理论温度曲线,可以为回流炉参数的设置提供可参考的温度区间,一般情况下,温度的分布受组装电路板的器件分布、器件的热特性、焊膏特性和回流炉加热效率的影响。实际操作中,并不能保证整个电路板每个焊点的温度曲线都能够达到理想的情况,需要综合考虑各种影响设置最为合理的温度参数。
  回流焊接温度曲线一般分为预热段、保温段、回流段、冷却段。
  (1)预热段。这一段目的是将电路板的温度从环境温度提高到助焊剂所需的有效温度,但加热的速率不能过快,否则热冲击会损坏PCB基板和元器件;太慢则会导致助焊剂中溶剂挥发不充分,影响焊点的润湿性。根据不同助焊剂的活性,通常这一阶段典型的升温速率为1-3℃/秒。
  (2)保温段。保温段主要目的是确保在进入焊接之前整个电路板温度趋于均匀,从而使温差最小化。太长的或者过短的保温周期都会导致不同的焊接质量问题,因此保温周期的参数应根据电路板实际情况及回流炉加热效率来确定。
  (3)回流段。这一段温度已经超过焊膏的溶点温度,元器件焊点浸润。温度曲线的峰值一般为210℃-230℃,达到峰值温度的持续时间为3-5秒,超过铅锡合金熔点温度的持续时间维持在20-30秒之间,时间过短或过长都会造成不同的焊接质量问题。
  (4)冷却段。这一段焊膏已经熔化并充分润湿焊点表面,应该用较快的速度来进行冷却,但是过快的降温会造成线路板产生冷应变,导致PCBA的焊接质量问题,根据电路板实际情况这一阶段的降温速率一般为3-10℃/秒。
  3 回流焊接实时监控系统
  3.1 基本工作原理
  实时监控系统通过学习测温板过炉状,再以学习曲线与测温板实测曲线结合,监控正常生产的每片生产电路板的温度曲线。每个产品均有学习曲线,测温板基线及监控曲线。通过監控炉子所有加热区的持续稳定性能力CPK,实时监控传送链条的稳定性,能够科学地自动化、网络化进行现场过程管理,对工艺制程和设备能力进行预警、预测变异趋势。
  3.2 系统构成及基本参数
  回流焊接实时监控系统主要由系统主机、轨道温度传感器(-150-480℃)、SMEMA数据端口、进炉红外感应器、出炉红外感应器、链条感应器、报警灯塔、条码追踪器等硬件构成。附以主机安装包、轨道温度传感器安装包、链条感应器安装包、RTB管理软件(含SPC,CPK)来实现自动测试并保存每片板的温度曲线、自动分析每条温度曲线的制程工艺规格、超规曲线实时报警提醒、实时查阅超规项目及输入处理记录、通过条码实现可追溯目的、焊炉温度实现波动监控、焊炉稳定性监控及CPK能力分析等功能。
  基本参数:
  测温通道数:单轨16个;
  采样频率:0.1-2秒可调;
  温度精度:±0.5℃;
  分辨率:0.1℃;
  链速测试精度:±1%
  主机工作温度:10-45℃
  测试范围:-150-480℃
  测试结果读取方式:分区段即时显示,USB传送到PC、软件自动分析结果;
  热电偶:K型,热承受能力480℃。
  3.3 系统的功能
  3.3.1 条码追溯功能
  每一片被监控的待焊接电路板,进炉前进行条码读取,进炉后,将自动匹配该板之条码,在出炉时,此条码信息及温度曲线信息一并写入文件,实现后续刷条码即可查出该电路板温度曲线的功能。可追溯性在产品出现品质问题、客诉问题时,可即时了解当时问题产品的温度曲线,查清问题是否与焊接有关;另外在持续品质改善过程中,可通过条码追踪不同温度优化设置下,产品焊接品质的对应情况。
  3.3.2 测温板学习及温度监控
  实时监控系统通过学习测温板过炉状态,再以学习曲线与测温板实测曲线结合,监控正常生产的每片生产板的温度曲线。
  (1)学习过程。根据测温板上各热电偶探头实测温度曲线,结合实时监控测温板所到达之焊炉分区所引起的能量变化曲线,为各通道分别建立对应通道热容数据模型;
  (c)为各通道分别建立对应通道热容数据模型:
  Module1 {0.2021,0.3421,.……0.3234} (n=sampling times);
  Module2 {0.2022,0.3021,.……0.3542} (n=sampling times);
  Module3 {0.2024,0.3223,.……0.3456} (n=sampling times);   Module4 {0.2023,0.3452,.……0.3567} (n=sampling times);
  Module5 {0.2022,0.3472,.……0.3587} (n=sampling times);
  Module6 {0.2012,0.3422,.……0.3317} (n=sampling times)。
  (2)监控过程。根据已建立的各通道热容数据模型,结合生产板过炉时所到达之焊炉分区所引起的能量变化曲线,模拟生产板上各对应位置点的温度曲线。
  (a)已建立的各通道热容数据模型;
  (b)生产板过炉时所到达之焊炉分区所引起的能量变化曲线;
  (c)模拟生产板上各对应位置点的温度曲线。
  3.3.3 自动测试并保存每片板的温度曲线
  简易快捷监测每片板的温度曲线且可以通过扫码查看历史曲线。
  3.3.4 产品制程稳定性监控
  对各种不同大小、尺寸、材质的产品进行各工艺参数(峰值温度、回流时间、预热斜率、浸温时间、冷却斜率等)进行实时SPC统计分析,了解各通道任一工艺参数的制程能力CPK。通过对产品制程能力的监控,了解当前制程的稳健程度,及时了解潜在制程风险信号,及时采取措施,在制程风险尚未恶化之前,将一切品质问题扼杀在萌芽状态。
  3.3.5 焊炉设备稳定性监控
  对回流焊炉各个加热区的加热稳定性,热补偿及时性,到位程度,补偿能力等及时监控,深入及时动态分析各区加热源的实际温度波动情况,对设备加热能力的稳定性(CMK)进行SPC统计分析;通过对设备各加热区加热能力的了解,從温度波动之变异源抓起,透视炉子加热、补热能力,分析焊炉能力是否适合生产该产品,当前进板节奏是否会让焊炉吃不消等,如何改善、提升焊炉的供热稳定性。
  3.3.6 链条稳定性监控
  实时测试链速,当链速下降超过预设范围使软件报警并停止进板。通过监控进板时间与出炉时间的差值来监控板子的过炉时间,通过监控实际过炉时间与理论过炉时间进行对比,超出理论过炉时间,软件自动报警,并提示‘卡板、挤板’现象;挤板导致板子行进顿挫,产生振动、在炉内停留时间过长,导致焊点发黑、掉件、过度氧化等问题,卡板若不及时取出,将直接导致烧板。通过监控及时发出警报,及时解决问题。
  4 结论
  回流焊接实时监控系统的应用能够科学地自动化、网络化进行现场过程管理,对工艺制程和设备能力进行预警、预测变异趋势。综合实时监控系统智能化、自动化监控每片产品的焊接质量状况,并能将每片产品的焊接温度曲线都与该板的条码链接起来,以实现焊接品质的可追溯性。同时也具有监控焊炉产品层面温度的实时波动,链速的波动,SPC实时趋势判异,CPK制程能力指数监控及PPI实时风险趋势分析等功能。通过批量数据信息的采集,对回流焊温度曲线实时监控,并实时智能分析各项工艺参数,加强管控回流焊接风险,进一步提高产品焊接可靠性。后续配合MES系统等智能管理软件,实现智能化、自动化,无人化管理模式。
  作者简介:王乾(1984-),男,汉族,本科,高级工程师,从事轨道交通电子产品硬件开发及工艺工程设计。
(吼威)
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