施文婧，閆 莉

(西安工業(yè)大學(xué),陜西 西安 710021)

0 引言

影響電子產(chǎn)品生產(chǎn)質(zhì)量的因素非常復(fù)雜，包括原材料、元器件、環(huán)境條件、生產(chǎn)設(shè)備精度、生產(chǎn)工藝、防護(hù)措施和技能水平等。目前在電子產(chǎn)品的電路板生產(chǎn)中廣泛采用表面貼裝生產(chǎn)工藝(SMT)，在電子產(chǎn)品領(lǐng)域，SMT技術(shù)的誕生，使得電子產(chǎn)品的體積重量有了跨越發(fā)展，是應(yīng)用最廣的一種工藝技術(shù)，其工藝流程如圖1所示。通過將無引腳或短引線表貼元器件安裝在PCB的表面，采用回流焊或汽相焊等方法實(shí)現(xiàn)元器件的焊接。影響電子產(chǎn)品SMT生產(chǎn)質(zhì)量的原因較多，其中回流焊是對SMT生產(chǎn)過程質(zhì)量控制有關(guān)鍵影響的因素[1-5]。

采用SMT工藝的電路板回流焊過程容易出現(xiàn)多種影響產(chǎn)品質(zhì)量的問題，如元器件管腳變形、管腳潤濕不良、焊盤設(shè)計(jì)不合理、焊接不良等，如圖2所示。如果這些質(zhì)量問題沒有進(jìn)行有效控制，將嚴(yán)重影響電子產(chǎn)品的質(zhì)量，造成較大的經(jīng)濟(jì)損失。相關(guān)文獻(xiàn)表明，針對電子產(chǎn)品裝配、SMT錫膏印刷、通孔器件焊接采用PFMEA方法進(jìn)行了改善[6-8]，針對SMT的關(guān)鍵過程回流焊的質(zhì)量改善尚存在不足。本文針對此問題，提出了基于PFMEA的SMT回流焊質(zhì)量改善方法。

1 PFMEA定義和應(yīng)用

過程失效模式及后果分析(PFMEA)，是對各種潛在的失效模式及其相關(guān)的起因得到充分論證，并進(jìn)行持續(xù)改進(jìn)的一種分析方法。PFMEA 的主要功能：1)識別產(chǎn)品裝配過程潛在的失效模式，評價潛在失效對過程和客戶造成的后果；2)識別造成潛在失效的制造或裝配過程要因；3)識別降低發(fā)生頻度和提高探測度的過程影響因素；4)確保采取措施的有效建立實(shí)施[6]。

采用PFMEA方法進(jìn)行持續(xù)改進(jìn)時，其分析流程如圖3所示，可通過五個步驟來完成。

1.1 PFMEA風(fēng)險分析分為以下步驟[7-9]：

1) 列舉某一產(chǎn)品生產(chǎn)或裝配過程中的所有項(xiàng)目。

2) 分析每一項(xiàng)目與裝配過程相關(guān)的潛在失效模式，以及識別導(dǎo)致失效的要因。

3) 評價失效導(dǎo)致的產(chǎn)品質(zhì)量后果，及其對客戶產(chǎn)生的影響，給出其嚴(yán)重度等級、頻度和探測度等級。

4) 識別導(dǎo)致失效發(fā)生的主要因素，并采取控制措施，按照風(fēng)險值高低優(yōu)先采取控制措施。

5) 提出有效的解決措施，并說明采取措施的實(shí)施情況，然后重新給出嚴(yán)重度、頻度、探測度等級，計(jì)算出新的RPN值，若不符合要求，要進(jìn)一步采取糾正措施，開始新一輪的PFMEA改進(jìn)。

1.2 PFMEA各個部分的含義[7-9]：

1) 過程是指被分析產(chǎn)品的生產(chǎn)工藝或者制造裝配過程。

2) 潛在失效模式是指所描述的過程中可能出現(xiàn)的不滿足設(shè)計(jì)意圖或工序不符合規(guī)范要求。

3) 失效后果是指失效模式對產(chǎn)品質(zhì)量和客戶可能產(chǎn)生的后果，一般用產(chǎn)品的性能來描述失效后果。

4) 嚴(yán)重度(S)是潛在失效模式一旦發(fā)生后對客戶或產(chǎn)品質(zhì)量產(chǎn)生影響的嚴(yán)重程度，通常劃分為10個等級，如表1所示；頻度(O)是指起因或機(jī)理發(fā)生失效的概率，通常設(shè)定1～10分，如表2所示；探測度(D)是指產(chǎn)品在轉(zhuǎn)交下個工序或工位之前，能夠發(fā)現(xiàn)失效起因的難易程度，通常劃分為10個等級，如表3所示。通常在分析過程中，根據(jù)判定準(zhǔn)則對各個潛在失效模式的嚴(yán)重度、頻度和檢測度進(jìn)行評定。

5) 失效原因是指導(dǎo)致失效的起因，并識別出要因。

6) 現(xiàn)行控制方法是指在當(dāng)前過程中為阻止失效模式的發(fā)生或提升失效模式的可探測度的所采取的措施。

7) 風(fēng)險級(RPN)是指嚴(yán)重度、頻度和探測度的乘積，按公式RPN=S×O×D計(jì)算，數(shù)值表明潛在失效模式的危害程度，按風(fēng)險系數(shù)值高低優(yōu)先采取措施。

表1 嚴(yán)重度判定準(zhǔn)則表(S)

Tab.1 Severity evaluation criteria

后果判定準(zhǔn)則:后果的嚴(yán)重度嚴(yán)重度數(shù)無警告的嚴(yán)重危害可能危害設(shè)備或組裝作業(yè)人員。潛在失效模式嚴(yán)重影響產(chǎn)品使用性能、危及人身安全,違反法律法規(guī),無警告產(chǎn)生。10有警告的嚴(yán)重危害可能危害設(shè)備或組裝作業(yè)人員。潛在失效模式嚴(yán)重影響產(chǎn)品使用性能、危及人身安全,違反法律法規(guī),有警告產(chǎn)生。9

續(xù)表

后果判定準(zhǔn)則:后果的嚴(yán)重度嚴(yán)重度數(shù)很高生產(chǎn)線受到嚴(yán)重破壞,可能100%的產(chǎn)品報(bào)廢,產(chǎn)品無法使用,喪失基本功能,客戶非常不滿意。8高生產(chǎn)線破壞不嚴(yán)重,產(chǎn)品需篩選,部分產(chǎn)品報(bào)廢,產(chǎn)品滿足使用,但其性能降低,客戶不滿意。7中等生產(chǎn)線破壞不嚴(yán)重,部分產(chǎn)品報(bào)廢,產(chǎn)品能使用,但其舒適性或方便性失效,客戶感覺不滿意。6低生產(chǎn)線破壞不嚴(yán)重,產(chǎn)品需要全部返工,但其人性化、便捷性等懷能下降,客戶有些不滿意。5很低生產(chǎn)線破壞不嚴(yán)重,產(chǎn)品需篩選,部分產(chǎn)品需返工,返工時有部分不符合要求,多數(shù)客戶發(fā)現(xiàn)有缺陷。4輕微生產(chǎn)線破壞較輕,部分產(chǎn)品需返工,返工時有部分不符合要求,有一半客戶發(fā)現(xiàn)有缺陷。3很輕微生產(chǎn)線破壞輕微,部分產(chǎn)品需返工,返工時有部分不符合要求,很少客戶發(fā)現(xiàn)有缺陷。2無沒有影響。1

表2 頻度判定準(zhǔn)則(O)

Tab. 2 Frequency evaluation criteria

失效發(fā)生的可能性可能的失效率頻度數(shù)很高1/2101/109高1/2081/1007中等1/20061/40051/1 0004低1/2 0003很低1/5 0002極低1/10 0001

表3 探測度判定準(zhǔn)則(D)

Tab. 3 Detectivity evaluation criteria

探測性判定準(zhǔn)則:利用過程控制方法找出缺陷存在的可能性探測度幾乎不可能沒有已知的控制方法能找出失效模式10很微小現(xiàn)行控制方法找出失效模式的可能性很微小9微小現(xiàn)行控制方法找出失效模式的可能性微小8很小現(xiàn)行控制方法找出失效模式的可能性很小7小現(xiàn)行控制方法找出失效模式的可能性小6中等現(xiàn)行控制方法找出失效模式的可能性中等5中上現(xiàn)行控制方法找出失效模式的可能性中等偏上4高現(xiàn)行控制方法找出失效模式的可能性高3很高現(xiàn)行控制方法找出失效模式的可能性很高2幾乎肯定現(xiàn)行工藝控制方法幾乎肯定能找出失效模式1

2 回流焊過程質(zhì)量風(fēng)險分析

通過統(tǒng)計(jì)，A產(chǎn)品的SMT過程中不合格品率在5 000 ppm左右，不合格品主要出現(xiàn)在回流焊過程中。按照PFMEA分析步驟，分析回流焊過程中的潛在失效模式，識別導(dǎo)致產(chǎn)品失效的要因，根據(jù)積累的數(shù)據(jù)，按照嚴(yán)重度、頻度和探測度的判定準(zhǔn)則確定各要因的相應(yīng)等級值，最后計(jì)算出風(fēng)險值。

根據(jù)對回流焊過程中各種失效模式的認(rèn)真分析，并采用PFMEA方法分析得到的回流焊環(huán)節(jié)各種影響因素及風(fēng)險系數(shù)如表4所示，針對風(fēng)險系數(shù)高于50的潛在失效模式，制定切實(shí)有效的措施，進(jìn)行產(chǎn)品質(zhì)量改善。

表4 回流焊的PFMEA

Tab. 4 PFMEA for reflow soldering

過程潛在失效模式潛在失效后果嚴(yán)重度S潛在失效模式原因現(xiàn)行探測過程控制現(xiàn)行過程頻度O探測度D風(fēng)險系數(shù)RPN回流焊ESD設(shè)施失效靜電敏感器件被損傷,影響或失去功能爐溫實(shí)測曲線不正確影響焊接品質(zhì)過爐方式不正確PCB變形,影響焊接品質(zhì)軌道寬度調(diào)節(jié)不準(zhǔn)確卡板、掉板7ESD設(shè)施不規(guī)范或保護(hù)不全面。每周對各ESD點(diǎn)進(jìn)行檢測351055相應(yīng)溫區(qū)的爐溫設(shè)置錯誤按照工藝要求設(shè)置。537551、無標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定過爐方式在作業(yè)指導(dǎo)書內(nèi)規(guī)定過爐方式448052、印制板尺寸大,無保護(hù)工裝由檢驗(yàn)員檢驗(yàn)/操作人員手工補(bǔ)焊62604軌道調(diào)節(jié)裝置松動、故障每周點(diǎn)檢2216

3 回流焊過程質(zhì)量改善

采用PFMEA方法對回流焊過程中的質(zhì)量風(fēng)險進(jìn)行了分析識別，根據(jù)分析結(jié)果對相應(yīng)的因素制定了改善措施，改進(jìn)后再次進(jìn)行PFMEA分析，驗(yàn)證改善結(jié)果。

3.1 解決措施

表4采用PFMEA方法識別出影響回流焊質(zhì)量風(fēng)險度大于50的潛在失效模式有3種，引起這3種失效模式的原因有4個。分別對影響SMT回流焊質(zhì)量的4個原因采取措施如下:

1) 規(guī)范SMT生產(chǎn)線的防靜電措施，按要求對設(shè)備、人員和環(huán)境的進(jìn)行防靜電接地，同時在回流爐的出風(fēng)口配置離子風(fēng)機(jī)，及時釋放回流焊過程中產(chǎn)生的靜電。

2) 規(guī)范回流焊爐溫度設(shè)置管理，現(xiàn)場按照要求張貼產(chǎn)品的爐溫設(shè)置作業(yè)指導(dǎo)書，每批產(chǎn)品生產(chǎn)前，對爐溫爐溫曲線進(jìn)行測試，和標(biāo)準(zhǔn)爐溫曲線有偏差及時調(diào)整，爐溫曲線設(shè)置合格后，方可投產(chǎn)。

3) 過爐方式除了在現(xiàn)場作業(yè)指導(dǎo)書進(jìn)行規(guī)定外，在對產(chǎn)品進(jìn)行DFM審查時，提出回流焊的PCB布局要求如圖4所示。

4) 在生產(chǎn)過程中，對較大的PCB過爐時，使用工裝支撐，保證過爐受熱時PCB不彎曲，如圖5所示，支撐PCB采用碳纖維板，用齒輪齒條保證工裝寬度的自由調(diào)節(jié)，同時中間部位能夠支撐PCB，保證PCB受熱過程中不變形。

表5 改進(jìn)后的回流焊PFMEA

Tab. 5 PFMEA for Improved reflow soldering

過程潛在失效模式潛在失效后果嚴(yán)重度S潛在失效模式原因采取的措施現(xiàn)行過程頻度O探測度D風(fēng)險系數(shù)RPN回流焊ESD設(shè)施失效靜電敏感器件被損傷,影響或失去功能爐溫實(shí)測曲線不正確影響焊接品質(zhì)過爐方式不正確PCB變形,影響焊接品質(zhì)軌道寬度調(diào)節(jié)不準(zhǔn)確卡板、掉板7ESD設(shè)施不規(guī)范或保護(hù)不全面。規(guī)范ESD設(shè)施,并增加保護(hù)裝置15355相應(yīng)溫區(qū)的爐溫設(shè)置錯誤重新設(shè)置爐溫曲線131551、無標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定過爐方式DFM審查時,要求PCB布板符合回流爐焊接142052、印制板尺寸大,無保護(hù)工裝制作保護(hù)工裝,保證焊接過程中不變形12104軌道調(diào)節(jié)裝置松動、故障定期保養(yǎng)檢修114

3.2 改進(jìn)后再風(fēng)險分析

在采用了以上措施后，再次用PFMEA方法對SMT回流焊的風(fēng)險進(jìn)行分析，分析結(jié)果如表5所示?？梢钥吹讲捎酶倪M(jìn)措施后，風(fēng)險值RPN明顯降低，改善效果明顯，各項(xiàng)影響因素的風(fēng)險系數(shù)都降低到50以下。在實(shí)際生產(chǎn)中，回流焊后產(chǎn)品不合格率降到400 ppm，有效控制了SMT過程的質(zhì)量風(fēng)險，提升了產(chǎn)品質(zhì)量和可靠性。

4 結(jié)論

本文提出了基于PFMEA的SMT回流焊質(zhì)量改善方法，該方法對SMT裝配過程中的回流焊環(huán)節(jié)進(jìn)行風(fēng)險預(yù)先分析，識別影響產(chǎn)品質(zhì)量的因素和風(fēng)險系數(shù)，并針對主要因素制定了相應(yīng)的改進(jìn)措施。驗(yàn)證分析表明，通過改進(jìn)，回流焊環(huán)節(jié)的風(fēng)險值得到有效控制，質(zhì)量改善效果明顯，同時提高了效率，節(jié)省了成本。

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