基于六西格瑪的方法解決選擇性波峰中的焊點橋連

劉博

（航空工業集團公司洛陽電光設備研究所，河南洛陽 471000）

0.引言

目前軍品印制板上通孔直插件主要包括雙列直插型集成電路、四周直插型集成電路、直插型繼電器、編程插座、通孔連接器等。通孔直插件采用選擇性波峰焊的工藝方法。在生產現場發現，某型通孔連接器在選擇性波峰焊后焊點橋連率比較高，為綜合分析影響通孔連接器橋連的根本原因，從選擇性波峰焊的工藝參數如錫鍋溫度、焊接方式、助焊劑涂覆、器件管腳伸出長度、底部預熱溫度等進行分析[1]，采用六西格瑪管理方法，經過定義（Define）、測量（Measure）、分析（Analyze）、改善（Improve）、控制（Control）5個階段，最終改進了器件管腳伸出長度和焊接方式，并設計了相應的工裝夾具，降低了該型電路板的通孔連接器的橋連率，提高了混裝性電路板的焊接合格率[2]。六西格瑪方法為后續解決軍品電路板焊接缺陷問題提供了參考思路，是一種質量改進工具，對生產現場的過程改進有重要的意義。

1.資料與方法

1.1 定義與測量階段（DM階段）

在定義階段，問題陳述為2020年3月～9月，某型厚度為2mm的電路板生產48件，每個電路板上有1個插座，該型插座的焊裝缺陷率為75%，其中由于通孔連接器橋連導致的缺陷率占83.3%，嚴重影響了交付進度，影響到產品的準時交付，顧客提出不滿。為解決這個問題，啟動六西格瑪工具，將問題現象轉變為流程需求。（項目的定義項及具體描述如表1所示。）

表1 項目的定義項及具體描述

在測量階段，主要工作是確定測量標準，進行測量系統分析，確定流程能力，確定流程的目標。

本次案例中測量的標準為是相鄰2個焊點是否有搭連（即Y），其為離散型數據。測量系統分析采用檢查一致性的方法，來評定操作員本身的重復性和操作員之間的再現性。要求測量系統的重復性和再現性均要大于90%，才能證明測量系統可信。具體計算方法，如公式（1）所示。以橋連缺陷改善前為例，操作員A和B分別抽取10塊電路板，每人測量了3次，統計電路板是否發生橋連缺陷。其中操作員A測量3次，每次4個不合格品，6個合格品都能檢出，且3次表現一致。且A檢出的不合格品和合格品均與B相同。根據試驗結果：操作員A的重復性=10/10=100.0%；操作員A的再現性=10/10=100.0%＞90%，測量系統可信[3]。

流程能力采用均值和標準差來度量，反映數據的集中性和分散度，即用Z值[3]。本案例中Y為可區分的數據類型，Z值根據合格率P(d)查表可得。在DM階段，電路板生產數48塊，由通孔連接器的橋連缺陷數量為30塊。故P(d)=30/48=0.625；查表可得ZLT=-0.35，代表的長期能力。因無連續7個以上好點且無法合理分組，故用1.5σ做漂移即Zshift=1.5。短期能力ZST=Zshift+ZLT =1.5+(-0.35)=1.15。流程的目標我們以ZST和Zshift為X軸和Y軸組成的控制技術圖進行分析。一般來說，ZST代表技術的能力，Zshift代表控制的能力。其中ZST值越大，代表技術越好，Zshift值越小，代表控制越好。

1.2 分析階段（A階段）

分析階段主要是將所有影響因素排序，通過統計工具，篩選出關鍵的Xs。本案例中從人、機、料、法、環、測6個方面，通過頭腦風暴的方法，討論影響選擇性波峰焊焊點橋連的因素，確定了錫鍋溫度、元器件管腳伸出長度、底部預熱溫度、焊接方式為可能因素[4]，如圖1所示。這4個因素Xs及Y均為離散型數據，故采用卡方檢驗和二進制邏輯回歸進行數據分析。

圖1 選擇性波峰焊相鄰管腳橋連的魚骨圖

1.2.1 錫鍋溫度

錫鍋溫度即錫鍋中熔融焊料的溫度，對于Sn63Pb37共晶焊料，一般可設定錫鍋溫度為260℃～300℃。具體應根據印制板的層數、厚度、敷銅寬度及元器件類型選擇合適的錫鍋溫度。錫鍋溫度不足，容易導致焊點透析率不足，焊點拉尖的缺陷。 本案例中選擇了80塊電路板，設置了2種溫度。具體表現如表2所示。通過卡方檢驗，卡方=2.344，DF=1,P=0.126＞0.05，沒有統計學差異，證明錫鍋溫度在此次試驗中不是影響因素。

表2 不同錫鍋溫度下電路板上通孔連接器的橋連缺陷數量

1.2.2 焊接方式

選擇性波峰焊的主要焊接方式主要分為點焊和拖焊。點焊適用于混裝電路板中通孔元器件的數量相對較少、通孔元器件焊盤數量也不多，通孔元器件與表貼元器件距離過近的情況。焊點的點焊時間一般設定為1.5s～5.5s，具體時間可根據焊點的大小和印制板的厚度進行調整。點焊橋連的主要原因為收錫高度太高，降低收錫高度或提高收錫速度。拖焊模式焊接速度非常快，效率高，且拖焊時噴嘴是勻速的水平運動，而非上下運動，能有效地避免焊點拉尖時產生的缺陷，從而保證焊點質量。選擇性波峰焊機的拖焊速度一般設定2mm/s～5mm/s。本案例中選用點焊和脫焊3mm/s進行對比，如表3所示。根據卡方檢驗分析，卡方=7.937，DF=1，P值=0.005＜0.05。根據二進制邏輯回歸分析顯示，點焊產生的缺陷是拖焊產生缺陷的4.42倍。

表3 不同焊接方式下電路板上通孔連接器的橋連缺陷數量

根據卡方檢驗分析，根據卡方檢驗，卡方=26.825，DF=1，P=0.000＜0.05。根據二進制邏輯回歸分析顯示，點焊產生的缺陷是拖焊的18.33倍。

1.2.3 底部預熱溫度

底部預熱是指將電路板加熱到助焊劑活化的溫度，去除氣體，并減少電路板焊接時的熱沖擊。底部預熱系統采用遠紅外輻射的方式進行加熱，對電路板的加熱效率高，溫度均勻可控。根據電路板厚度及電路板上的元器件的數量及分布來確定預熱溫度。本案例中底部預熱溫度設定為120℃～145℃（60s～90s）（60s～90s）。具體數據如表4所示。通過卡方檢驗，卡方=2.36，DF=1，P值=0.124＞0.05，證明底部預熱溫度在此次試驗中不是影響因素。

表4 2種不同的底部預熱溫度下電路板的通孔連接器的橋連缺陷數量

根據《機載火控系統印制板元器件的安裝與焊接工藝規范》要求普通焊點的高度不超過1.5mm（大功率器件，管腳較粗的電源模塊、菱形運放等除外）。當前直插型元器件管腳伸出長度為1.35mm。焊點橋接的概率與管腳伸出長度正相關，若器件引腳伸出過長，焊接時焊料爬升高度較高，單個焊點焊料量增加，融化焊錫的表面張力和外界的大氣壓力之間不平衡，容易造成焊點橋連；若器件管腳長度≤0.7mm時，器件管腳橋接的概率會大大減少，甚至消失[5]。綜合確認，將管腳伸出長度改為0.8mm，進行選擇性波峰焊試驗。具體數據如表5所示，經卡方檢驗分析，卡方 = 26.825，DF=1，P值=0.000＜0.05。經二進制邏輯回歸分析顯示，1.35mm產生的缺陷是0.8mm產生缺陷的18.33倍。

表5 2種不同管腳長度下電路板上的通孔連接器的橋連缺陷數量

綜上分析可得，器件管腳伸出長度和焊接方式為少數關鍵XS。

1.3 改善與控制階段（IC階段）

改善階段是驗證器件管腳伸出長度和焊接方式是不是關鍵的影響因素，并是否存在交互的影響，確定改進措施并驗證結果。將器件管腳伸出長度由1.35mm改為0.8mm后，橋連故障明顯下降，但出現了球狀焊點（虛焊），將焊接方式從點焊改為拖焊后，使融化的焊錫的表面張力與外界的大氣壓力之間趨于平衡，基本消除了出現橋連和球狀焊點的現象。

控制階段完成的主要任務為關注焊點橋連的改善情況，制定詳細的定點控制措施。如在目前的改善方法下，對每塊電路板通過自檢記錄監控相鄰管腳是否橋連，對不同批次的首件電路板，通過專用防錯工裝檢測管腳長度是否達標，通過程序確認焊接方式是否正確，來保證整個選擇性波峰焊的流程正常推進。

2.結果

采取了控制器件管腳伸出長度和更改焊接方式的措施后，選擇性波峰焊下電路板通孔元器件焊點橋連情況得到了改善。將整個試驗階段的數據收集記錄，并用軟件進行分析[6]。將電路板合格是否的狀態繪制成時間序列圖，其中合格為0，不合格為1。可以看到隨著項目的推進，經DM階段、A階段、IC階段，橋連的缺陷在逐漸下降。如圖2所示。六西格瑪的統計意義是在一百萬次的使用機會中只出現3.4個錯誤，即DPMO水平為3.4。本文通過持續的改善，DPMO最終從625000降低到19000，改善率96.9%。如圖3所示。通過控制技術圖進行流程能力分析，可以看到經過DM階段、A階段、IC階段，流程的控制能力逐步增強，技術能力也在逐步增強，并向理想的6σ的水平靠近，如圖4所示。

圖2 焊點橋連的時間序列圖

圖3 缺陷的改善情況

圖4 控制與技術圖

選擇性波峰焊接后焊點出現橋連問題后，借助六西格瑪的管理方法，從人、機、料、法、環、測等方面找到可能的影響因素，通過試驗數據，對錫鍋溫度、焊接方式、器件管腳伸出長度、底部預熱溫度進行分析，最終確定了影響橋連的2個關鍵因素：焊接方式和器件管腳伸出長度，設計了專用工裝輔助措施的落實，大大降低了選擇性波峰焊接焊點橋連率，提高了混裝型電路板焊接一次合格率。

3.討論

選擇性波峰焊遇到的焊點橋連問題后，通過六西格瑪的方法收集現場數據，找到了影響焊點橋連的原因，并進行了改進，提高了混裝性電路板的焊接合格率。將本項目的工藝方法推廣到了其他型號，在涉及選擇性波峰焊接的工藝規程中，明確通孔元器件管腳露出印制板面的高度要求，并設計通孔元器件管腳剪切專用工裝，保證元器件管腳剪切高度符合工藝要求。同時對選擇性波峰焊機程序員進行培訓，要求在編制選擇性波峰焊程序時優先采用拖焊模式進行焊接。本次選擇性波峰焊的研究對象為2mm的電路板，由于電路板種類的多樣化，對于其他類型的電路板，如厚度3mm或以上的電路板，包含大面積接地層的電路板，包含大量金屬殼體封裝器件的電路板等還需要進一步進行探索[7]。