锡膏的评估
By Brett Casteel and Greg Anderson
本文介绍，想成为公司的主角吗？学会怎样通过一个稳健的焊锡系统评估的模式来为公司节省经费。
焊接系统是化学可兼容性过程的一个重要部分，应该彻底地评估，以得到维持或改进。一个焊接系统可定义为所有具有助焊剂的化学物质，诸如锡膏、波峰焊接助焊剂和多数的返工材料。为了本评估的目的，我们认为波峰焊接系统用的焊锡条和锡线严格地说是一种商品，不是系统评估的部分。
我们使用一个在下面将要详细描述的 6σ 程序来进行焊接系统的评估分析。在过去三年里，通用电气公司(General
Electric Company)已经使用 6σ 程序来评估和引入工艺。在 6σ 程序中使用的统计工具与方法适合于一个焊接系统评估所要求的分析类型。
在我们的焊接系统评估开始时，我们决定任何认可的系统必须至少与我们现有的系统一样好，不管价格。与工业中其它人的讨论使我们相信我们现有的焊接系统是一个非常令人敬畏的敌人。我们的目标是以许多标准来评估许多的供应商。我们将认可所有比我们现有系统表现更好的系统。
通过认可几个不同的系统，采购部门将能够讨价还价，而不陷入唯一来源。当我们简单地宣布我们计划进行评估时，我们现在的焊锡系统供应商将其价格降低39%!
认可几个不同的系统给你机会节约公司的资金。
要评估哪些制造商？
评估中我们的第一步是决定我们要求的锡膏(solder paste)类型。我们的板有密间距(fine pitch，小于 20-mil)、侵入式回流焊接(通孔引脚在锡膏中pin-in-paste)、双面回流焊接和胶点。通过考查我们的工艺过程和几个锡膏制造商一起工作，我们决定我们需要免洗、低残留物、探针可测试的(pin
testable)、63锡/37铅、90%金属含量的锡膏。提前决定这些需求缩短了涉及索求报价的时间与工作。简单地询求每年多少重量的锡膏将使供应商判断我们的需求，引导他们适当地报价不同的产品。专门确定我们所要求的锡膏是比较不同制造商类似产品的最好方法。
其次，我们决定应该让哪些供应商来完成评估。我们开始包括我们认为是主要制造商的。我们现存的系统用作其它产品比较的基线。因为我们正评估整个焊接系统，我们优先放在那些提供锡膏、助焊接和返工材料的制造商。可是，如果两家公司愿意一起工作提供其相互合作的证明
- 例如，一个供应助焊剂，一个供应锡膏 - 那么我们允许评估他们。可是，注意，如果将来发生问题，这种设置可能导致许多相互指责。
在决定评估的供应商后，我们准备一个报价请求(RFQ, request for quote)。这时我们通知采购部门，允许他们对RFQ作适当的商业上的修改。RFQ的其中一行叙述，“报价可能作为候选系统选择的最初尝试，我们强烈鼓励进取报价。”我们要求报价在规定日期
- 10 个日历日 - 回到我们的采购部门。任何错过这个日期的供应商都从评估去掉。我们认为在规定的时间回答与否表明供应商对客户的反应时间。
由于允许报价的制造商的数量，我们需要基于反应时间和价格的标准上减少名单。在报价限期的第二天，我们取消了一个因为其价格非常高的制造商，和一个没有在规定时间反应的制造商。我们剩下五个候选的制造商和我们的基线系统需要评估。
选择试验载体
对这个评估，我们决定使用一种产品板，不计划任何毁坏性的试验。为了使用一种产品板作评估，我们不得不相信锡膏制造商提供的资料。我们选择我们通常在生产中处理的最变化多的板。这种板使用了密间距已经和侵入式回流焊接(intrusive
reflow)。它也使用了双面锡膏，这允许我们通过测试顶面的和底面的一些载体减少试验的总数。
设计试验
为了这次评估的目的，我们决定进行一个统计有效的试验设计(DoE, design of experiment)。首先，我们选择锡膏将要评估的变量
- 变量的数量越少，运行试验的数量就越少。选择了以下四个变量：印刷后的保留时间、贴装后的保留时间、锡膏的不同批号、和回流焊接环境。选择这些变量是因为其对我们的工艺过程重要，可是，对于你们各自的过程需要应该改变变量的选择。虽然在最后认可之前需要评估更多的变量，但是这四个变量允许我们缩窄竞争。
对于四个变量的每一个，我们选择高与低值。每个保持时间的高与低值分别为二与零小时。锡膏批号的高与低值简单地就是来自不同制造商的两个不同批号。回流焊接环境的高与低值是氮气和空气。
我们设计该DoE来评估在运行底面时的两个变量和在运行顶面时的两个变量。该DoE也是设定成在大多数时间有效的顺序来运行，因为经常改变锡膏和清洗模板(stencil)是没有效率的。我们使用的板有一个30的批量。表一显示用于运行所有评估板的矩阵。该矩阵对每一种锡膏重复使用。
| 表一、用于运行所有评估板的矩阵 |
| |
底面 |
顶面 |
| 运行(板) |
变量1
(印刷后保持) |
变量2
(贴装后保持) |
变量3
(锡膏批号) |
变量4
(回流环境) |
| A(1-7) |
高(2小时) |
高(2小时) |
低(批号#1) |
低(空气) |
| B(8-14) |
低(0小时) |
高(2小时) |
低(批号#1) |
高(氮气) |
| C(15-21) |
高(2小时) |
低(0小时) |
高(批号#2) |
低(空气) |
| D(22-30) |
低(0小时) |
低(0小时) |
高(批号#2) |
高(氮气) |
粗体输入项是标准DoE。
括号内的项是这个特殊DoE的专门的。 |
|
为了说明表一，下面是运行A的分项列出：
底面步骤
- 印刷板1~7，使用制造批号A。
- 印刷后保持两个小时(变量1)。
- 贴装元件。
- 贴装元件后保持两小时(变量2)。
- 把板翻转底朝天10分钟。
- 数出移位元件的数量和类型。
- 替换跌落的元件。
- 在空气中回流焊接板。
顶面步骤
- 印刷板1~7，使用制造批号A(变量3)。
- 贴装元件。
- 在空气中回流焊接板(变量4)。
运行板
整个试验在开始实际运行之前设计好。设计好的试验在评估开始前送给所有锡膏制造商。包括在步骤一起的是我们的回流焊接炉和印刷机的温度曲线和设定。送这些信息给锡膏制造商的目的是要保证我们不会为了我们现在系统的优点而偏置试验。还有，我们不想任何设定问题使整个评估的有效性受到怀疑。几个制造商要求我们在开始之前增加印刷其锡膏的速度，因为他们感觉其锡膏会表现更好。
我们想出了一个编号方案，给每个板一个唯一的确认，从而标贴每一块板。
板的运行使用我们标准的工艺步骤。当从一个锡膏制造商改变到另一个时，模板和刮板很彻底地清洗。我们使用了一台自动模板清洗机以避免各人清洗能力的多出一个变量。
在板的底面贴装元件之后，我们把板翻转，保持10分钟。这个步骤是测量锡膏的湿强度(green strength)。在这一步没有元件掉落。我们的试验的严密性不足以区分不同锡膏的湿强度。
在运行这类试验时，记住你是在评估锡膏，不是在优化工艺。不要违背工艺。这些调整将偏转你的结果，并引入你没有计划的变量。
结果/缺陷记录
下一步，我们选择要记录的可观察的缺陷：锡球、锡桥、焊锡不足、开路、光泽、熔湿(wetting)和残留物。我们创建一个记录每个板上的所有缺陷的数据表。我们检查每个板，所有检查员都应该校对，以减少操作员之间结果的不同。
在我们工艺中一个重要的标准是在线测试机(ICT, in-circuit tester)的探针可测试性。为了这个测量的目的，我们在测试板时记录所有误失效。误失效定义为重测时不重复出现的失效。我们在测试使用不同锡膏的板时更换所有的ICT探针，因此助焊剂的任何累积都不会偏移剩下的测试。我们记录在ICT上的实际板的失效，然后消除与焊接无关的元件失效。
分析结果
每个板的视觉检查与ICT测试结果记录在一张表中。从这个表，我们计算每钟锡膏的每个缺陷模式的或者平均值、或者中间值或者总值(表二)。对于非常少发生的缺陷如锡桥，我们使用一个总和。对于较常见的缺陷，如锡珠和锡球，我们使用或者平均值或者中间值来总结缺陷。我们在数据统计上成正态的地方用平均值，数据不在统计上成正态的地方用中间值。这个结果值被转换成
0~10 的标准值。在结果值中，高分表示情况差。在标准值中，高分是好的。值的标准化的目的建立一个比较的工具。
| 表二、视觉检查与ICT测试结果 |
锡膏
# |
板数
5 |
锡球
5 |
锡桥
8 |
少锡
6 |
残留
3 |
开路
0 |
光泽
3 |
熔湿
4 |
批号
不同
4 |
ICT
误失效
9 |
印刷
观察
3 |
掉落
元件
0 |
总数 |
| 1 |
3 10 |
|
200 0 |
1 8 |
1 9 |
4.4 3.2 |
0 10 |
2.3 7.3 |
2.0 8.0 |
1 8 |
56 0 |
7 7 |
0 10 |
285 |
| 2 |
28 7 |
10 10 |
1 8 |
0 10 |
3.0 6.0 |
0 10 |
2.0 8.0 |
1.4 9.2 |
1 8 |
1 9 |
9 9 |
0 10 |
428 |
| 3 |
61 4 |
30 9 |
0 10 |
8 6 |
3.8 4.3 |
0 10 |
4.0 3.9 |
2.2 7.7 |
0 10 |
0 10 |
1 1 |
0 10 |
369 |
| 4 |
20 8 |
32 8 |
0 10 |
4 6 |
3.0 6.0 |
0 10 |
3.0 6.0 |
3.0 5.9 |
0 10 |
1 9 |
4 4 |
0 10 |
401 |
| 5 |
95 0 |
2 10 |
0 10 |
0 10 |
3.7 4.7 |
0 10 |
1.8 8.5 |
1.6 8.8 |
1 8 |
22 6 |
7 7 |
0 10 |
372 |
| 6 |
5 10 |
15 9 |
0 10 |
0 10 |
3.6 4.8 |
0 10 |
3.3 3.5 |
1.3 9.4 |
2 6 |
3 9 |
8 8 |
0 10 |
432 |
| 7 |
58 4 |
40 8 |
5 0 |
128 0 |
1.6 8.7 |
0 10 |
3.0 6.0 |
2.3 7.5 |
1 8 |
12 7 |
7 7 |
0 10 |
250 |
- 斜体字的值是检查结果的汇总。通过取原始数据的平均值、中间值或和来决定。汇总的方法取决于原始数据的频率和常态。
- 标准化值位于汇总值的右边。
- 粗体字的值是应用于每个缺陷模式的加权。
- 总数是通过把每个缺陷模式的加权与其标准化缺陷结果的乘积相加计算得到的。
|
|
两个制造批号的比较是DoE的部分。所有原始数据都使用离散分析(ANOVA, analysis of variance)分析，以决定来自每个制造商的两个批号的统计差。对所有缺陷模式进行这个离散分析。标准化的分数是基于当统计差发生在两个制造批号之间时的缺陷模式数量。
缺陷的“印刷观察”(表二)只是我们对印刷锡膏外观的看法。锡膏的稠度方面会发生很大的差别。我们没有惩罚一种锡膏，如果其具有与我们所期望不同的稠度。但是如果它滚动不好，那我们是作了惩罚。
我们给每一种缺陷模式一个加权值。例如，我们非常关注探针的可测试性，因此我们给它9的加权值。我们较少关注外表问题如光泽，因此我们给它一个3。每个这些值都乘以各自锡膏对这类缺陷的标准化值。这些乘积加起来给我们最终的锡膏分数。因为没有锡膏产生开路或掉落元件，我们通过给其缺陷模式一个零值来从分析中去掉。
我们一直使用的锡膏制造商是锡膏2。只有一种锡膏得分较高(#6)。这个结果是在肯定我们已经在使用很好的锡膏。因为这个评估是不完全科学的，我们也选择考虑锡膏4为我们最终评估。
最终评估
本次评估的目标是要维持或者改进我们现有的焊接系统。我们下一步是要对波峰焊接焊接助焊剂和返工材料进行一个类似的评估。一旦波峰焊接助焊剂和返工材料得到评估，我们将使用一个类似于用于锡膏的方法开发出一个总计的分数。这些总计的分数将被标准化，并将加权值给予三种材料（锡膏、波峰焊接助焊剂和返工材料）。将计算出对整个焊接系统的最后分数，对分数高于我们现有系统的所有制造商进行一个完整、最终的评估。
最终的认可将是一个长期的广泛评估，并将涉及第三方，焊接系统反应的独立测试机构。这些测试将进行以确定最初所提供的化学相互作用的鉴证。
作为最终、完整的焊接系统的评估结果，我们将认可另外的焊接系统制造商。这些供应商将作为完全认可的供应商提供给我们的采购部门。采购部门然后将具有从最低总成本的供应商采购的知识。这个评估和多个资源的认可具有每年为我们公司节约大约50%的焊接材料价格的优势。
Brett Casteel, is a process engineer and Greg Anderson
is senior process development engineer with General Electric Fanuc,
Charlottesville, VA; (804) 978-5000.
(A 02/05/2001)
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