簡述運用田口試驗設計方法改善PCB板自動焊接工藝

劉海印 周平金 許若芬

【摘 要】隨著工業化的進程，在中國制造業正在逐步開始自動化設備生產取代人工手工生產模式，在這個轉換過程中，傳統工藝技術經驗已經無法解決自動化生產中的問題，必須運用科學的、系統的方法來解決自動化生產工藝中的問題，而田口試驗設計就是其中一種科學系統的方法，它通過幾組不同條件的組合試驗得出幾十組、幾百組甚至上千組試驗才能得出的結論。加速了工藝改善的速度，為企業節省了大量的人力物力，節約了制造過程的成本。

【關鍵詞】自動焊接；田口試驗；假焊；試驗設計

中圖分類號： TN405 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）16-0062-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.16.026

PCB板又叫印制電路板或者PCB線路板是電子元器件電氣連接的搭載體。PCB焊接部位主要是主要是用來連接線路導通的銅箔，銅箔周邊被綠油包圍著。綠油是一層隔絕銅箔的環氧樹脂，主要避免線路之間發生短路PCB板自動焊接機是將焊錫絲（焊錫絲是用于連接焊接線路中相關部位的一種含有錫以及助燃劑松香的熔點較低的焊料）首先裁切成一定長度的焊錫絲段，再通過烙鐵頭的高溫融化焊錫絲，焊錫自然流入到PCB板中需要焊接的銅箔和零件之間，再通過自然冷卻，快速凝固，將PCB線路板中需要連接的線路零件連接在一起。這里將介紹一下PCB線路板與電機定子銅線焊接在一起產生的缺陷的解決方法。自動焊接機常見缺陷：假焊、未焊完全、針孔、錫珠等。（a）假焊：在焊接過程中焊點表面看上去焊接成功，但是焊點體積肥大，通常成球形，實際上焊接位置并沒有完全焊接在一起。（b）未焊完全：又稱做漏銅，即焊點位置的焊錫沒有將銅箔完全覆蓋，有一部分銅箔漏出來，這種缺陷的焊點強度較弱。（c）針孔：焊點表面有一個凹陷的孔穴。（d）錫珠：在焊接過程中，焊接用的焊錫有部分成球狀分布在焊點附近。

下面將介紹如何運用田口試驗設計方法改善PCB線路板與電機定子銅線焊接假焊缺陷。假焊缺陷主要是由于在焊接過程中焊錫沒有充分融化或者焊錫充分融化后，但是沒有在焊錫填滿焊接孔即凝固，造成假焊現象。而影響焊接溫度的條件有很多，單純提高焊接溫度又會造成其他缺陷，比如焊接溫度過高，會使PCB板焊點周邊的綠油燒焦，PCB板上焊點周邊的銅箔浮起，甚至是焊點周邊的電子元件找到破壞。所以必須通過各種試驗找到自動焊接機焊接PCB板相關工藝條件的最佳組合，使各項條件達到平衡點，才能徹底改善假焊缺陷。通過田口試驗設計，可以用最少的試驗，最快的時間明確改善方案。下面就將進行田口試驗設計是如何實際應用改善自動焊接機焊接PCB板的假焊缺陷的。

田口試驗設計是以日本田口玄一（田口玄一博士：出生于1924年，知名的統計學家與工程管理專家。從1950年代開始，他創造了田口方法，為品質工程的奠基者）提出的穩健性參數設計為基礎，通過正交試驗（正交試驗是用于研究多要素多水準的一種試驗設計方法，它是根據正交性從全面試驗中挑選出部分有代表性的點進行試驗。根據要素和水準的不同，有不同的正交試驗表，通常有L9和L18正交表，L9正交表為3水準4要素，可以通過9組試驗推測出81種組合的結果，L18正交表為2水準1要素3水準7要素，可以通過18組試驗推出出4374種組合的結果。本文敘述的是L9正交表試驗設計方法），明確影響產品生產工藝的控制要素，在多項控制要素中找出最優的工藝參數，最終到達生產工藝最佳化。

具體的田口試驗設計方法應用：

1 明確試驗樣品的評判方法及基準

使用田口試驗設計方法進行改善試驗，試驗樣品評判方法必須是量化評價，即用實際數值評判樣品的好壞。根據測試條件和評判合理性，最終選定焊接點正面焊錫的面積和焊接點背面焊錫的面積作為試驗樣品的評判方法。

2 運用FTA分析方法分析影響自動焊接機出現假焊缺陷的可能因素

FTA：Fault Tree Analysis，故障樹分析又稱事故樹分析，是從一個可能的事故開始，自上而下、層層的尋找頂事件的直接原因和間接原因事件，直到基本原因事件，并用邏輯圖把這些事件之間的邏輯關系表達出來。

明確烙鐵頭溫度、焊接時間、預熱時間、焊錫絲長度、烙鐵頭清洗頻度、氮氣流量、焊接后保溫時間、銅線焊接長度、PCB板放置時間、銅線焊接時狀態、烙鐵頭內徑、烙鐵頭結構、烙鐵頭壓力、焊接后保溫時烙鐵頭與PCB板間隙、烙鐵頭焊接后離開速度等為可能影響自動焊接機出現假焊缺陷的因素。

3 診斷試驗

3.1 噪音因子驗證

所謂噪音因子：即在實際生產過程中，無法控制的因子，這類因子因為收到環境、成本、工藝技術水平的限制，無法做到理想狀態，或是由于自然規律不可抗拒。

根據FTA分析結果，將PCB板放置時間、銅線焊接時狀態、烙鐵頭內徑、烙鐵頭結構作為噪音因子。

1、2分別代表試驗的參數或結構

N1：噪音因子的理想狀態；N2：噪音因子的最惡狀態

進行下述兩組試驗：

a.自動焊接機現狀設定條件+N1

b.自動焊接機現狀設定條件+N2

驗證噪音因子的效果，結論：PCB板放置時間、銅線焊接時狀態、烙鐵頭內徑作為噪音因子。

1.2 可控因子驗證：

（1）設定2組改善案：

a：烙鐵頭溫度、b：焊接時間、c：預熱時間、d：焊錫絲長度、e：烙鐵頭清洗頻度、f：氮氣流量、g：烙鐵頭壓力、h：銅線焊接長度、i：焊接后保溫時間、j：焊接后保溫時烙鐵頭與PCB板間隙、k：烙鐵頭焊接后離開速度

（2）進行下列組合的4組試驗：

（3）驗證結果：選取烙鐵頭溫度、焊接時間、預熱時間、焊錫絲長度、烙鐵頭清洗頻度、氮氣流量、焊接后保持時間、銅線焊接長度作為最終可控因子。

4 正交試驗

將可控因子、噪音因子按照L9正交試驗表進行試驗條件設定

1、3代表改善條件、2代表現狀條件

以上述正交試驗表的10組條件分別和噪音因子N1、N2組成20組條件，進行檢證試驗。再根據試驗結果算出每組試驗的信噪比、均值

根據信噪比和靈敏度編寫要因效果圖，最終判斷下列條件為最佳條件：

5 確認試驗

按照上述正交試驗得出的最佳條件和噪音因子N1、N2組成2組條件，進行確認試驗，試驗結果：進行了1000臺的試生產沒有發生假焊缺陷不良。

6 總結

通過田口試驗設計，進行正交試驗得出最佳的自動焊接工藝條件，在烙鐵頭溫度不能無限增加的前提下，延長焊接時間、增加預熱時間可以保證焊接溫度保持一定合理安全的時間，增加烙鐵頭清洗頻度，設定適量的氮氣流量，可以減少焊接時產生的異物對溫度的影響。

合理的焊錫絲長度使焊接孔位置有足夠的焊錫填滿。適當的銅線焊接長度可以使焊錫絲在焊接時，烙鐵頭更加充分的融化。在運用田口試驗設計方法改善PCB板自動焊接工藝中，還是總結了一些田口試驗設計方法的使用技巧。（1）在使用田口試驗設計方法之前，我們一定要對所要改善的工藝進行充分的要因分析，做到所有影響要素都完全被我們識別發現，這是非常重要的一點，要因識別是否充分，直接影響正交試驗的成功與否，如果要因識別有所遺漏，那么可能工藝但時間有所改善，但是長期生產后，問題還是會出現。為防止要因識別有所遺漏，運用FTA分析進行要因分析是非常好的方法。（2）試驗實施后的評價方法也是很重要的，評價方法必須是有量化的數字結果，這樣才能比較出各組正交試驗的差異，便于鎖定追加條件，另外，評價方法的合理性、可操作性也要考慮。（3）整個工藝改善試驗要逐步完成，尤其如果1次診斷試驗沒有實施充分，就要進行第2次、第3次診斷試驗，只有診斷試驗進行充分了，后續正交試驗才更容易實施。

【參考文獻】

[1]文放懷.新產品開發管理體系DOE工具應用指南.海天出版社，2011.

[2]甲斐野真次.QSD實踐學校教材.松下電器產業株式會社，2006.