PFMEA方法在印制板組合裝配中的應(yīng)用研究

任玲

（沈陽航天新樂有限責(zé)任公司，遼寧沈陽，110034）

0 引言

PFMEA方法又稱為Process Failure Mode and Effects Analysis。在實際應(yīng)用過程中，擔(dān)任印制板組合裝配的人員，可以采用PFMEA方法，以制程失效模型構(gòu)建的方式，對印制板組合裝配過程中各種潛在風(fēng)險進(jìn)行失效分析，結(jié)合不同風(fēng)險影響程度及其產(chǎn)生機理的分析，可為印制板組合裝配效果的提升提供依據(jù)。因此，對PFMEA方法在印制板組合裝配中的應(yīng)用進(jìn)行適當(dāng)分析具有非常重要的意義。

1 PFMEA方法在印制板組合中的應(yīng)用原理

PFMEA方法在實際應(yīng)用中主要包括確定與印制板組合裝配過程潛在模式及起因、失效對印制板組合裝配質(zhì)量潛在影響評價、尋找減少失效發(fā)生、或者尋找減少失效條件的過程控制變量[1]。同時制定印制板組合裝配中風(fēng)險糾正方案，結(jié)合潛在失效模式分級表的驗證，可在優(yōu)化控制嚴(yán)重失效模式的基礎(chǔ)上，依據(jù)控制實際失效發(fā)生因素，結(jié)合印制板組合裝配情況及印制板組合糾正控制要點，以每一個潛在失效控制節(jié)點為入手點，在一定范圍內(nèi)，明確相應(yīng)失效模型影響因素及影響程度，進(jìn)而了解印制板組合裝配失效過程及最高風(fēng)險等級，從而為針對性管控方案的制定提供依據(jù)。以場效應(yīng)管為例，其主要失效原因為焊接不當(dāng)、零件裝配錯誤、助焊劑失活等，根據(jù)具體失效原因，可利用PFMEA方法，結(jié)合現(xiàn)行控制方法，如SPC技術(shù)等，依據(jù)具體風(fēng)險嚴(yán)重程度制定合理的措施，并對措施實施后失效因素變化情況進(jìn)行適當(dāng)分析。

2 PFMEA方法在印制板組合裝配中的應(yīng)用

2.1 PFMEA方法在通孔插裝元器件組裝配中的失效模式

通孔插裝元器件裝配方法主要是針對電容器、電阻器、二極管、場效應(yīng)管、三極管等電子元器件的裝配方法。其可以利用元器件的引腳，將元器件插入印刷電路板上已有的孔中，隨后通過手工裝配方式，對電容器、電阻器、二極管、等電子元器件實施軟釬焊。通孔插裝元器件裝配主要依據(jù)手工焊接要點，在元器件插裝的基礎(chǔ)上，通過助焊劑預(yù)先涂抹、溫度預(yù)先加熱、焊接冷卻得到所需元件。在通孔插裝元器件組裝過程中，常見的PFMEA方法失效模式主要由空洞、橋連、虛焊、焊點拉尖等模塊[2]。其中空洞又可稱為氣泡，其主要為電子元器件引腳、焊盤之間出現(xiàn)空洞情況。在上述問題發(fā)生之后，引線根部位置還會出現(xiàn)噴火形式的焊料突出，其內(nèi)部具有氣泡，不僅會影響印制板組合焊接強度，而且會導(dǎo)致脫焊現(xiàn)象的發(fā)生；橋連主要為焊點間連接情況，其極易導(dǎo)致電氣短路問題發(fā)生；虛焊主要是由于焊錫、元器件引線、銅箔間具有突出的深色界限，且焊錫呈界限內(nèi)凹陷狀態(tài)。這種現(xiàn)象主要是由于焊錫、基體金屬截面間沒有合金層，其由于焊點機械強度不足，導(dǎo)致整體電路板短路風(fēng)險較大；焊點拉尖主要是焊點表層由于沒有完全浸潤成球，從而出現(xiàn)拉尖狀態(tài)。焊點拉尖不僅會影響印制板組合外部觀感，而且會導(dǎo)致電路板污染、虛焊等問題的發(fā)生。

圖1 通孔裝配元器件在印制板組合中的應(yīng)用

2.2 PFMEA方法在通孔插裝元器件中的影響分析

PFMEA方法失效模式檢測主要采用風(fēng)險級RpN對嚴(yán)重度、頻度、檢測難度進(jìn)行分析。

首先，空洞失效模式影響分析，上述失效模式發(fā)生的原因主要由PCB孔內(nèi)濕度過大、元器件引線直徑與插裝孔內(nèi)比例不當(dāng)、助焊劑活動不足、焊盤局部清潔程度不足、通孔周邊老化等；嚴(yán)重程度為7級；上述失效原因PFMEA檢測頻度分別為現(xiàn)3/2/6/2/0，檢測難度分別為9/8/3/2/2；風(fēng)險等級分別為188/113/85/28/27；其中PCB孔內(nèi)空氣濕度過大為高風(fēng)險等級，現(xiàn)行可用控制措施除改善存儲條件之外，還可以在裝配前進(jìn)行干燥措施。在這個基礎(chǔ)上，可合理調(diào)整印制板孔徑大小，結(jié)合助焊劑的更換及焊盤、氧化層的清理，可有效控制空洞風(fēng)險[3]。

其次，對于橋連失效模式而言，橋連失效模式嚴(yán)重程度為4，其主要失效原因為設(shè)計不合理或焊盤間距不當(dāng)，頻度為8，檢測難度為8，風(fēng)險級為359，由于該失效原因為高風(fēng)險級，因此可依據(jù)PCB具體特點，進(jìn)行相鄰焊盤距離的合理調(diào)整；元器件引腳不規(guī)范、或者元器件引腳插裝歪斜等，這一失效原因頻度為5，檢測難度為3，風(fēng)險級為45。在實際印制板組合裝配過程中，可以依據(jù)板孔徑裝置要求進(jìn)行插裝元器件引腳的合理調(diào)整；助焊劑活性不足、焊接溫度不到位或傳送帶速度過快檢測頻度為2，檢測難度為3，風(fēng)險級為30。可通過更換助焊劑、調(diào)節(jié)焊接溫度或者傳送帶速度進(jìn)行合理控制。

再次，針對嚴(yán)重度為8的虛焊失效模式，其主要失效原因為元器件引線氧化層潤濕度不足、PCB表面預(yù)處理不當(dāng)、助焊劑活性不足、焊錫流動性差等，上述失效原因PFMEA檢測頻度分別為8/5/6/2，檢測難度分別為9/8/5/2；風(fēng)險等級分別為512/198/185/42；對于上述失效因素，可以通過是氧化現(xiàn)象，并在焊接前期進(jìn)行清潔措施，必要情況下可更換助焊劑、焊錫。

最后，針對嚴(yán)重度為5的焊點拉尖失效模式，其主要失效原因除高風(fēng)險級“焊接溫度不當(dāng)”這一因素之外，還包括預(yù)先加熱溫度不足、焊料清潔程度不足、元器件引腳長度過長等因素。上述失效原因PFMEA檢測頻度分別為8/5/1/1，檢測難度分別為9/3/9/8；風(fēng)險等級分別為360/78/48/30。在實際焊接階段，除調(diào)整焊接溫度及預(yù)先加熱溫度參數(shù)之外，還需要控制元器件引腳露出板面高度在1.0-2.0mm以內(nèi)。

圖2 印制板組合裝配

3 印制板組合裝配控制方案實施后效果驗證

由于PFMEA方法并不是單一循環(huán)的分析方式，而是不斷優(yōu)化完善的過程。因此，為了了解PFMEA方法應(yīng)用效果，本次試驗主要包括PFMEA方法信息考察、風(fēng)險試驗、效果分析3個模塊。其中在PFMEA方法收集階段，主要采用了北京大學(xué)、河南大學(xué)圖書資料及萬方數(shù)據(jù)庫、中國知網(wǎng)數(shù)據(jù)庫關(guān)于印制板組合裝配失效信息，并對整體資料進(jìn)行了概括匯總。在這個基礎(chǔ)上，與相關(guān)專業(yè)研究人員對PFMEA方法失效影響因素進(jìn)行了探究，明確了整體印制板組合PFMEA方法失效分析的潛在因素。經(jīng)過進(jìn)一步計算，可得出失效嚴(yán)重程度得到有效的下降，實現(xiàn)了印制板組合裝配的良性循環(huán)。

4 總結(jié)

在印制板組合裝配過程中，因裝配維修導(dǎo)致的組件疲勞實效占總疲勞實效參數(shù)的50%以上。因此，在實際印制板組合裝配過程中，為了保證電子元件裝配的穩(wěn)定性，印制板組合裝配管理人員可利用PFMEA方法對電阻、電容、運算放大器、二極管等電子元件裝配階段失效因素產(chǎn)生機理進(jìn)行分析，并針對高風(fēng)險失效因素以事前預(yù)防的方式進(jìn)行強化預(yù)防管制，從而保證印制板電子元件裝配質(zhì)量。