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回流焊接的技术整合管理第六部份：回流焊接技术中的设备因素前言：我们之中有很多人都曾经学习和使用过因果图（或称鱼骨分析图，因为其制图状似鱼骨）。在因果图使用中有种常用的分析法成为4M法。4M代表英文名词中的Men，Machine，Method和Material的4个开头字母（图一）。这4M法也就是中文所说的人-机-料-法分析法。它协助我们确保分析时的完整性和科学性。这技术雏形后来经过改进而发展成为更多元素分析，更完整的分析方法（注一）。不管是在最初的模式或是最新模式中，我们都离开不了的其中1个M，就是Machine（设备）的元素。这当然也就显示出设备这一元素的重要性。而在技术整合管理中，它也是个不能忽略的因素。本期我们就来看看回流焊接技术中，设备这一因素的各种问题以及处理方法。MenMaterialsMethodMachine设备Quality Outcome图一：4M因果关系图设备和工艺的关系：在我们探讨设备问题之前，有个重要的理念必须解释清楚。那就是类似图一中传统的鱼骨图，不是很准确的表达各要素之间的关系这一概念。在传统鱼骨图上，我们看到所有4M1E的因素，其个别箭头都是直接和最终的果连接的。这也就造成了他们之间是相对独立和可以同步处理的概念。笔者在本系列文章中的前期文章中曾解释了技术整合概念虽然对所有关键因素例如设计、物料、工艺、设备和质控等都同等重视，但必须以工艺为中心或核心这一理念来处理所有的工作。有基于此，我们必须放弃因果图的表示方法，而在脑子里牢牢的记得“设备是支持工艺的一个元素”这一理念。也就是说，SMT生产质量（结果）并不直接由设备来决定，而是由工艺来决定。这并不表示设备的能力不影响质量。因为设备能力必须支持工艺，无法支持某种质量水平所需要的工艺的设备，最终的质量当然无法达标。所以，当我们在考虑设备的所有问题时，包括设备的选型配置、维护保养、改良提升、报废更新等，都必须先有详细的工艺需求信息资料。这是个重要的技术整合概念。也往往是本区域许多用户忽略或做得不足的地方。希望读者们给予注意。回流焊接技术中的设备：在本系列文章的第二部分中，笔者向读者们介绍了回流焊接技术中的各种不同的工艺做法。这些工艺（加热技术）上的差异，使得各种工艺的对应设备也有很大的差异。其中多数的回流技术属于较专用技术，也就是应用在焊接条件较特别的地方，例如热容量特别大，或热敏感器件等方面的。在一般回流应用上它们的成本效益较低，有时质量也较差。所以这些技术目前的用户不多。这情况在全球SMT制造业大量转移到中国后，因为成本和知识导入等各方面的问题带来推广上更大的障碍，使采用的用户更是少见。笔者曾接触过其中的一些技术，在其适当的应用范围内的确有很好的表现。非目前常用的热风回流技术所能比。不过由于用户稀少，以及篇幅和笔者时间资源关系，我在本文中只以常用的热风回流技术为分享的主要对象。热风回流技术有两大类。一类是属于局部焊接技术，为了照顾不同的器件封装，使用特制的喷嘴。这类设备多用在返修和小批量试验工作中。随着封装的发展对返修和焊接技术要求的提高，这类设备在过去约15年来也有明显的改进，尤其在加热和对流的控制上。但由于受到成本和局部加热性要求的限制，其焊接能力还不能和使用在大量流水线生产上的大型设备比美。第二大类的热风回流设备就是目前绝大多数用户使用的，常与锡膏印刷机以及贴片机连线的大型焊接炉子。这类炉子原有辐射加热和对流加热两大类。目前辐射技术已经近乎被全淘汰，而剩下热风回流技术成为主流技术。其实热风技术和较前的辐射技术比较下具有好些弱点。例如加热效率和速度较差，重复性较低，设备成本较高等问题。但它之所以能够取代辐射而成为主流技术，是因为在温度均衡性的控制上，以及超温限制能力较强的关系。尤其是前者，它是焊接工艺中一个十分关键的要求。一台缺乏能将PCBA上各种不同热容量焊点的温度保持在较小温差范围内的炉子，即使价格再低也不受欢迎。因为这种炉子无法保证焊点的可靠性。而确保温差最小的这种需求，偏偏又是辐射技术的一个弱点。所以虽然辐射技术在好些方面较热风技术强，但也避免不了逐渐被淘汰。只能用在产品的工艺设计不难，或工艺质量要求不高的产品生产上。读者该了解的一点是，虽然热风技术可以很好的处理温差问题，但这必须是建立在良好热风控制设计的条件下才能发挥这技术的潜能的。由于热风技术靠的是空气的对流性来传热，所以其加热效率，完全是靠热风的温度和流动控制来决定的。也就是说，一台热风回流炉的性能，在很大程度上是决定于该炉子对气流的控制设计以及温度控制设计来决定。空气流动的控制是个高难度的技术，尤其是要对像PCBA上那样密度高，距离小，体积细小而又有不同热容量特性的焊点进行良好的温控，可以说是很不容易的工作。如果用户曾对许多炉子进行加热性能方面的测试，就会发现很多炉子其实并没有我们想象中或是供应商发表的指标好。这包括了一部分商务形象不错的机型在内。一台典型的热风回流炉子，包括了以下4个主要部分。1 PCBA传送和其控制部分；2 加热和其控制部分；3 冷却和其控制部分；4 排气处理部分。前3者的作用在于提供工艺（温度/时间曲线控制）的需求，第4项则是确保炉子的性能可以得到较好的维护，以及避免操作使用者受到健康方面的危害。怎样才是一台好的炉子？前面说过，设备（炉子）是支持工艺的工具。所以好的炉子，就是能够达到工艺目的，能够满足工艺要求的炉子。也就是说，如果用户没有工艺规范和工艺标准的话，用户是无法给某个炉子的好与不好做出正确的判定的。我们只能对两台或多台炉子进行比较，而说出哪一台在哪个方面较强或较弱罢了。而这样的比较或许意义不是很大，因为它的实际性能未必能够符合用户的实际生产要求。也就是说，比较好的一台炉子，其性能未必能够满足用户的需求；而比较差的炉子，却对某些用户已经足够了。虽然工艺的要求似乎只是个温度/时间曲线的标准，但如果要让炉子能够在用户的PCBA设计范围内（注二）都满足这个工艺要求，炉子却是需要在很多指标上具有足够的能力的。我们在下面会较具体的谈到这些指标。热风回流焊接设备存在的问题：一直以来，由于还没有面对质量责任的太大压力，业界对焊点可靠性的研究和应用上，以及技术整合管理上都做得还不够细化。这也就造成业界普遍对回流炉子性能方面的忽视。似乎很少用户觉得炉子能力是个不足的地方。而总把生产中的工艺质量问题归罪于物料和设计等方面。在技术整合概念上，这种不经研究而片面的判断和行动决策，都是不被认可的。事实上，在众多的SMT设备中，目前回流炉子，不论在技术上还是应用管理上，还属于弱点较多的。我们可以将所有弱点归纳于以下两方面。1 性能指标的关注和要求不足，导致炉子的性能改革推动缓慢；2 测试认证手段的缺乏和使用太少；3 应用上不够理想，包括和工艺间的整合不足，设备的选择和维护不当等。首先看看性能指标上的缺乏。如果我们打开炉子的技术资料，我们可以发现一些对用户十分关键的特性指标，例如加热效率、炉子的有效长度、炉子负荷或回温能力、热风对流性、热风的短期和长期稳定性等等，都不在指标范围内。甚至连讨论和解说也没有。这些特性指标，事实是决定工艺能力的关键。例如加热效率和对流性，事实上就是决定PCBA上所有焊点能不能一致焊接好，以及能不能够有效的处理各种不同以及高工艺难度的封装的一个重要炉子特性。再说炉子的有效长度，也是个重要的指标。长度影响产量，因为越长的炉子，我们在操作时可以设置越快的链速，而快的链速就表示能处理更多的PCBA或单板的生产节拍更快、周期更短。然而，我们也必须知道的，是决定链速的不只是炉子的长度，而还有其加热效率和过区的热损失等因素。有效长度Effective length这一指标，就是包括考虑了所有影响炉子长度因素，然后对实际物理长度进行换算的一个指标。只有经过这样的整理，长度指标才有应用上的意义。像这类重要的而又少被谈论的指标，笔者曾整理出16个之多。这情况对我们进行技术整合和工艺优化工作无疑是个障碍。为什么会出现这样的情况？笔者相信其中有几个原因。首先是用户的无知和没有提出要求。在焊接质量上，这些遗失的指标多影响焊点的可靠性。然而，除了一些国外较大的电子企业有真正投入在做可靠性分析和研究工作外，国内的企业在这方面有足够投入的是屈指可数。第二个原因，就是焊点的可靠性，尤其是传统的锡铅材料技术中，在很多场合是较产品的商业使用寿命长的。真正会面对焊点寿命挑战的行业还算少数。所以即使受到影响的也算少数。在用户少，不良品少，知识少的情况下，通过这渠道去认证和推动炉子性能改革的工作是发展不起来的。第三个原因，这些特性指标中，有不少是目前业界中没有出现绝对标准的，包括测量方法上的标准以及合格标准。所以商家们也无可比较。第四个原因，也许是炉子的商业恶性竞争带来的后果，在利润单薄的情况下，商家是不愿去投入更多更复杂的测试认证的。或许更多人采取的态度，是没有投诉就是没有问题的做法。或许对许多用户来说，这些都还不是个问题。因为其质量责任没有那么大。不过我们事实上缺乏具体的数据来说明。中国制造这一称号，对许多国外用户来说仍然不能表示质量保证。而在众多的失效当中，到底有多少是因为焊接工艺造成的，我们并没有这样的数据。随着器件封装的发展，随着无铅技术的到来，我们在焊接上面对的是更严峻的挑战。忽略炉子这些不良因素，是否还是个可行的办法，或许用户们应该静下来想想。如果我们单凭一般来自供应商的销售资料来做决定就更糟了，销售资料上所提到的往往比起买了炉子后才提供的技术资料还少了很多。所以除非是很有经验的用户，不然在购买前的发问和讨论都是不够完整的。甚至连引进后也还不知道设备的实际性能。读者也许不以为然，不过在笔者所协助的客户中，初次测试炉子时都是不合格的。有些经过调整后改善不少，有些则因为炉子设计限制而无法做到。但暂不管最后是否能改善和做到所需要的Cmk指标（注三），首先我们面对的问题是，在笔者引导这些用户之前，为什么他们会缺乏意识和做法，来发现本身所用炉子的能力不足或失控呢？如果这种行为在我们业界中是属于正态分布类的话，我想从我得到的数据当中，笔者有很高的把握说读者们厂内的回流炉子，在Cmk上也多是不合格的。甚至还有不少的用户，或许还不知道怎样才算是合格与否。为什么会出现这问题呢？关键就在于以上笔者提到的炉子应用弱点中的第2和第3点。第2点指测试手段的缺乏以及使用不足。的确，从笔者的观察中，业界用户有对回流炉子进行较详细测试的，为数十分的少。多数用户还是停留在那种板能焊接出来就是好炉子的传统观念时代。事实上，只要材料质量合理，要找一台能在市场上生存而又只焊出肉眼都能看出焊点不良的炉子还真不容易。不过，如果我们对较难产品的焊点结构进行分析，包括研究其微晶结构、IMC层、气孔、残留物等等，我想我们就不会认为多数炉子都是好的。质量要求高的产品需要较细腻的工艺控制，而细腻的工艺就需要精确稳定的炉子。这类炉子只有通过测试才能够判断其实际能力。例如以上提到的遗失指标和Cmk，都必须通过测试才能获得可靠的信息。目前流行的测试方法，对用户来说是十分不足的。读者可以看看本身和周边的同业们，看看大家认识到的有多少测试炉子的方法；又看看有多少用户曾对炉子进行详细测量的。事实上多数的用户并无法说清楚其使用炉子的能力。第三个弱点，是我们对炉子的应用和管理都还不够先进。刚刚谈到的对炉子的测试就是一个方面。当我们对炉子的实际性能不清楚的时候，首先我们就无法保证自己配置的是一台适当的炉子，也无法保证自己的投资是合理和值得的。所有供应商都告诉你他们的产品和服务是一流。一些本区域制造商，没有信心说是世界一流，也多称是国内一流。这是种竞争和生存的正常现象。但在许多特性指标还没有被完善讨论，在许多测试方法还欠缺的情况下，其中究竟有多少能够真正说清楚自己本身的水平定位的呢？用户又是否能够只通过和供应商的交谈，或只看看指标书和样机就能做出最好的采购决策的呢？炉子间的一致性不够理想也是个常见的应用管理问题。在笔者访问过的国内工厂中，几乎没有一家有对所有生产线的炉子进行一致性监控的。大家似乎认为所购买的炉子只要是同一商家同一型号的，其表现就一定是一致。然而，在笔者协助过有关回流工艺改善的华南和华东的四家工厂中，以及对同一品牌同一型号，但不同用户的测试结果中，只有一次是得到Cmk在3个西格玛（Sigma，标准差）以上的。而更严重的是，其中一个属于国际名牌产品的，在和供应商联系交涉后还是无法通过调整来确保有3 Sigma以上的一致性水平。一致性确保我们在一条线生产线上调制的参数，可以拷贝到其他生产线上共用。除非工厂愿意牺牲工作效率和使管理复杂化，不然只要厂内有多过一条生产线和炉子的，都应该进行一致性的测量和监控。即使对同一厂家型号的炉子有一致性的监控，但由于不同炉子的性能不一样，在应用上我们就必须对炉子的性能进行鉴定。这工作本应该在采购决策前就进行，以确保不会买到次品。实际上这做法并不流行。较多的用户只采取去观看样机的操作或到其他用户处观看其使用情况的做法，而没有进行有计划性的详细的测量。即使在购买前没有进行实际测量，笔者建议在设备引进安装后，也应该对其性能进行测量。通过此真正了解该设备的特性。这对日后的使用是有利的。比如一些炉子可能在轨道两边的对流性会差些，有些则回温或负荷能力有一定的限制，在通过测量了解到这些特性后，用户就能够制定相应的工艺和设计规范来避开该炉子的弱点，使应用起来较得心应手。不过类似这样的测量和制定设备规范，并将设备规范和工艺、设计规范标准整合的工作，业界中是做得相当不足的。有些较好的用户，在采购前会进行设备试用。这是个很好的做法，可以大大减少采购错误的风险。不过在做法上还有待改进。笔者观察到绝大部分的用户的试用方法，就是使用本身的产品来进行实际生产和观察焊接结果。这类常用做法的不足之处，在于所使用的产品并不能代表将来的技术要求，甚至未必能代表今天厂内要求的最高技术。正确的测量方法，还是必须通过对工艺原理和工艺规范的了解（目前和将来的需求），配合对炉子设计原理的了解，而有针对性的设计出一个对该炉子具备挑战性的测试板，以及一套测试方法步骤来进行测试。以上笔者举例说明了业界部分不理想的工作，如果我们去仔细考察和思考分析。我们会发现不理想的地方其实挺多的。这表示我们在回流设备这一因素上，还有很多改善的空间。而这其实在竞争市场中，对于智者而言是个好消息。热风回流炉的技术特性和指标：为了控制篇幅，笔者在这里对于一些指标书上常见的指标不给予解说。读者如果觉得对某些特性的应用含义不是太了解的可以个别联系笔者。这里我只谈一些重要而又少被提及的技术特性。笔者在所整理的16项中为大家介绍以下的7项。1。加热效率。加热效率决定对焊点的加热速度，在同样温度设置的情况下，热风的对流性决定炉子的加热效率。加热效率好的炉子，不但节省能源，更重要的是其对不同热容量焊点的恒温控制能力更强。这是回流焊接技术中很关键的特性；2。负荷能力。这特性决定炉子能够处理的热容量极限。在一些应用中这是个重要的参数特性。例如金属衬底PCBA，屏蔽罩通孔回流等应用上就要求炉子有较强的负荷能力；3。回温或负荷应变能力。多数炉子供应商只提供所谓的温控精度特性指标。那通常指的是在监控部分（也就是内置热耦部位）的静态温度稳定度。这静态指标对用户的实际意义不大。对用户更重要的，是当有负荷或动态情况下，炉子是否能够及时随着负荷的变化给予适当的热量补充。这特性决定了炉子的应用在什么负荷程度下需要节拍控制。4。对流效率和渗透力。良好的炉子设计能够确保热风到达PCBA表面时产生足够和适当的气旋。既不影响器件定位，又能形成最大的对流渗透能力。这能力决定了该炉子能够处理工艺性较难的器件，例如BGA、DirectFET以及一些多排插座等等。设计不理想的炉子，会造成PCBA上对流的盲区或因为混流而削弱板面上的对流量以及温度的不稳定。5。温度精度和均衡性。这里指的是接近PCBA表面的实际空气温度。由于加热板上存在温差斜率，以及因为不同出风孔对流情况有差异造成的热转换效率的差别，炉子在同一水平面上，不同垂直面部位的各点温度未必相同。这当然对PCBA上的温度均衡性控制不利。所以也是个重要的特性指标。6。温度和加热一致性。这包括了炉膛和炉膛（或温区和温区）之间，以及炉子和炉子之间的一致性。目的在于确保工艺参数的拷贝共用有效。7。排风效应。所有的热风回流炉子都设有排风系统，很多设计中这排风系统是控制内部空气流动的重要部分。它不只影响热风的回收程度（间接影响回温效率），也影响温区内的空气对流状况（间接影响对流性和渗透力）。所以对温度和对流都可能有影响。而影响的程度，也就是对排风的设置和控制是否敏感，就看该设备的硬件设计而定了。做为用户，我们应该评估其敏感性，并制定一套合适的排风监控工作程序。如何选择回流焊接炉子：炉子的选择细节，一直以来被大多数用户忽略了。这可能因为其价格相对贴片机和印刷机来说较低，以及许多用户都觉得没有什么技术含量或难点的关系。事实上，虽然结构看起来似乎简单，热风炉子是个设计难度高的设备。忽略了其复杂度，以为炉子容易做得好将是个采购上的巨大错误。因为有了这种观念之后，用户就自然不会投入多少资源去进行详细的发问和讨论，更别说去进行繁琐的实际测量认证了。先前笔者提到业界在回流炉子技术上指标不足，以及热风炉子并不容易设计的现象。所以从做好工作的角度看来，炉子的选择是不可能通过面谈来做好的。理想的做法是通过有进行详细测量评估的用户的推荐比较。不过由于业界进行有意义和足够测量的用户不多，新用户未必能够获得这类推荐信息。所以这第一条路并不好走。笔者比较喜欢自己进行测量评估。因为这不但掌握在自己控制之中，而更重要的是符合自己的应用目标。例如符合本身的DFM和工艺能力等需求。借用别人的评估结果，最大的弱点就是没有照顾到彼此间的应用条件和要求的差异，以及对执行评估的用户技术能力的完全依赖。那么，对于那些本身技术能力还不强，无法有效进行认证的用户又该如何选择呢？笔者建议寻找一些这技术领域的专家的协助。但不是盲目听从专家的推荐，而是学习和了解专家如何分析。选择炉子前最好进行测量，虽然这需要投入，但是个最保险的方法，除非用户是想买台设备来限制本身的发展。以下的15个测量项目可以提供用户参考。用户可以按照本身的资源和技术要求进行选择。1。加热效率；2。热稳定性；3。负荷能力；4。负荷应变能力（或回温能力）；5。热风对流和渗透能力；6。空气温度精度和均匀性；7。对流的可调和可控性；8。温区隔离性/干扰程度；9。过区热损失；10。冷却效率和可控性；11。排风效应或敏感度；12。温区数目；13。有效长度；14。工艺监控能力（注四）；15。温区间和炉子间一致性。炉子的技术规范：规范的制定和使用，是技术整合管理中的重要部分。做为整合要素之一的设备，自然也必须要有相应的技术规范。虽然规范中的许多信息资料可能来自设备供应商的技术资料，如操作指导书和维护保养指导书等，但规范绝不是那些资料的直接翻版。而是份经过确认以及增添或弥补了原资料不足的技术资料。从设备应用管理的角度来看，正确的做法是在设备安装和验收时就同时整理规范。如先前说的，许多有用的设备的特性指标都无法从供应商那里得到，或是和提供的资料不符。加上设备在连线后有些指标是发挥不出来的，所以整理完整和准确技术规范不是个选项，而良好管理的必要工作。良好的规范确保整合工作有科学依据。比如说我们知道设备支持工艺，那工艺能力和规范就受到设备规范的影响，在决定工艺规范时就不能不参考设备规范。准确的了解到设备能力才能够对工艺有所保证，而只有工艺得到保证后，用户才能确保生产质量得到控制。在制定设备规范时，所有技术指标都应该获得认证。也该尽量制定方便认证的方法。无法认证的标准不是个有意义的标准。而且这些认证手段必须融入设备的维护保养计划中。除此之外，在制定设备规范时，还有其他重要内容。以下是一些基本内容要求的总结。1。设备的功能和应用；2。各功能的对应性能指标（供应商和内部指标）；3。各性能指标的认证方法；4。提供各种性能的设备原理；5。各性能的调整和维修方法；6。保养需求和方法；此外，由于在连线后，也就是组成流水线后，设备的性能会受到限制或损失，所以设备规范一般会有两个层次，一是单个设备的规范，另一是整线规范。工艺规范的依据是按整线规范来考虑和配合的。炉子的应用和管理：设备的寿命期管理（注五）是个专业大课题。笔者在这里不打算也不可能给予详细解说。这方面在业界的学习和推广中也较缺乏。笔者建议读者们去接受这方面的知识并应用起来。必能更强的发挥整合管理的能力。以下笔者只提出几个重要点。1。炉子的好与不好取决于应用需求，在还没有足够的为应用（也就是工艺和生产模式）下定义之前不宜做出采购决策；2。炉子的选择只有通过一定程度的测试才能做有实质意义的比较，纸面资料的讨论是不足的；3。炉子安装和验收后，应该对工艺进行技术上的整合处理。完善设备和工艺规范并推动使用监控管理；4。维护保养工作计划中，除了寿命的维护外，更必须照顾到功能、性能方面的维护。制定对性能的基本认证和维护方法（最好是使用Cmk指标监控法），并制定相应的维护计划。维护工作中不要忽略了炉与炉之间的一致性监控；5。每次测量认证的结果都必须纪录并给予观察分析，然后优化保养计划或实施动态保养作业；6。设备有时免不了有些不理想的地方。可以和供应商协商改进。客户和供应商的合作在本区域做得不好，不过应该试图改变这种不理想作风，才能做到最好的程度。后语：虽然本区域的用户都很注重设备的选择，不过在回流炉子的重视以及选择方法上还存在好些不理想的地方。对于那些质量责任较大，或想做得较好的用户，改变是有必要的。随着封装技术的发展和无铅技术的推广，预计将会有更多的用户需要更细更好的处理设备的应用和管理问题。我在这有限的篇幅中，重点的为大家介绍了一些关键性的理念和做法。但这还只是一小部分。笔者希望通过这些经验的分享，能够带动业界用户进一步的追求相关知识，甚至进行研究开发。使中国的制造技术，早日脱离盲目抄袭和缺乏合理性的状态。真正成为一个有实力的世界制造中心。KIC特约SMT技术兼管理顾问薛竞成2007年4月-注一：4M分析后来发展成为4M1E（即人-机-料-环-法），后又进一步发展成为5M1E（在4M1E基础上加入第五个M，成本因素）。业界也出现了更多的版本，不过没有以上两种流行。注二：这里所谓的设计范围，就是指所选用的器件和它们在PCB上的布局。器件本身的热特性（如热容量、焊接需求、耐热性等），以及布局后对周边或受周边器件的影响情况。这些将决定您所需要的工艺能力。更多原理信息请参考本系列文章的上篇有关可制造性设计一文。注三：Cmk为设备能力指标，用来评估和表示设备的能力。计算方法和描述工艺能力的Cpk相同。不过计算时所采用的窗口指标（即上限和下限指标）是设备供应商提供的。在没有该指标的情况下（回流炉中有些指标不被普遍讨论，所以供应商一般不会提供），用户则必须按照自己的技术要求和质量责任，制定适合本身的标准。注四：一般炉子没有工艺的监控能力。目前有些炉子厂家在炉内加入了KIC公司的24/7监控系统，使炉子具备对每次回流过程的工艺参数进行记录和监控的能力。这是种先进的做法。笔者将在本系列的最后一篇文章中讲解释这做法的好处。注五：寿命期管理指的是由设计、配置、验收、规范化、应用、保养、提升、报废8个活动元素所组成的整套管理技术。各个单元中都有本身的知识含量和管理或技术做法、工具。