基于某鐵路信號設備集成電路板回流焊接作業的風險管理研究

祁甲子

摘要：鐵路信號設備中集成電路板的加工制造具有同行業的普遍特征，同時也具備了自身行業的一些特點，在回流焊接作業中存在相應的風險，本文希望通過利用科學的管理方法對該作業過程的風險管控進行研究。

Abstract： The manufacturing of integrated circuit board in railway signal equipment has the common characteristics of the same industry， but also has some characteristics of its own industry. There are corresponding risks in reflux welding operation. This paper hopes to study the risk management and control of the operation process by using scientific management methods.

關鍵詞：鐵路信號;集成電路;回流焊;風險管控

Key words： railway signal;integrated circuit;reflow soldering;risk control

中圖分類號：U284? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2018）36-0015-04

1? 項目介紹

1.1 研究背景和意義

目前國內的高鐵、地鐵項目正在穩步展開，區別于上世紀四五十年代，如今的控制技術是以集成電路控制為核心，以一整套成熟的傳感控制技術為輔助展開。其中一部分系統在工程領域已經被定義為“開放的復雜巨系統”，集成電路的應用越來越豐富、密集。而且，鐵路信號歷來被稱為是鐵路運行的安全命脈。對于其中的核心硬件集成電路來說，其硬件的可靠性尤為重要。拋開芯片自身的可靠性來說，信號集成商的自身作業可靠性逐漸成為信號產品質量的瓶頸。

1.2 項目介紹

某鐵路項目中用到了大量的集成電路板，工廠在裸板、芯片等元器件采購結束后需要進行一系列的生產活動，其中主要是焊接作業，包括波峰焊、回流焊等等。回流焊主要針對貼片元器件進行作業，工廠自備專業回流焊機器，全程自動化焊接，部分輔助作業需要人為參與。整個過程對環境、人、機器有較高要求，各個因素會對最終的焊接質量起到至關重要的作用。因此需要一套完整的風險管理方法來對該作業進行科學的風險管控。

2? 風險識別

工廠在對作業流程、車間環境、人員素質等等各方情況等進行深入調研后，結合通用的集成電路板組裝工藝規范，組織了有豐富經驗和理論、技術的專家進行了識別、分析和評估。風險識別綜合采用了情景分析法、核對表法等方法，并充分考慮了加工期間的可變風險因素。根據其產生的根源，施工風險主要有：元器件風險、PCB風險、焊料風險、設備風險、環境風險等。

2.1 元器件風險

元器件來自眾多供應商，國產、進口集成電路或是電阻電容都有自己的一些生產供貨個性，雖然同屬于一個工業標準，但是就目前國內的情況來看，產品的質量差異性還是比較明顯的。再加上一些通常意義上的器件誤差，會給后續的回流焊接作業帶來不少麻煩。

2.1.1 元件引腳共面性差

元器件引腳垂直高度偏差，即引腳的最高腳底所成水平面與最低引腳的腳底形成的水平面之間的垂直距離。

2.1.2 元器件引腳氧化

器件引腳金屬表面會因存儲時間的而增加氧化程度。

2.1.3 元件引腳污染

污染的原因有很多，比如在車間流水的時候。

2.1.4 元件受潮

出廠的合格品一般真空保存，但是由于在焊接前需要拆封，這就有可能產生該風險。

2.1.5 元器件引腳潤濕力不平衡

在焊接過程中，將由于清潔的熔融焊料與被焊金屬之間接觸而導致潤濕的原子之間相互吸引的力成為潤濕力。兩端的濕潤力如果不平衡會引起一些焊接的風險。

2.2 PCB風險

PCB屬于工廠外購產品，不同的供應商會有自己不同的一些生產習慣，同時這些差異也會殘留在PCB裸板中，等到裸板交付到產線的過程中又有可能產生一些風險。

2.2.1 PCB變形

在運輸過程中引起的變形，或者是因為印制板出廠前沒有進行嚴格的質量篩查導致的變形。還有可能是在存儲的過程中由于溫濕度的變化而引起的變形等等。

2.2.2 PCB材質差

制板商采用的原材料質量不過關。

2.2.3 PCB焊端氧化

焊端的金屬表面會因為空氣濕度等因素導致不同程度的氧化。

2.3 焊料風險

在回流焊焊接作業的過程中伴隨著使用了一些焊料，同樣也屬于外購物料，這就取決于供應商的質量把控以及物流過程中的精細程度。通常這類的風險很難被察覺到，只有在正式進行焊接東西的時候，或者是已經結束焊接之后才能察覺到。

2.3.1 焊膏助焊劑活性低

由于焊膏的品牌差異造成質量上的差別。有些助焊劑活性較差。

2.3.2 焊料雜質過多，焊接前清潔不充分

焊料雜質過多，在焊接的時候會影響回流焊的工作精度。

2.3.3 焊膏污染

被污染過的焊膏會損傷機器。

2.3.4 焊膏被部分涂抹

2.3.5 焊膏過多

2.3.6 錫膏沒有經過回溫

錫膏通常要用冰箱冷藏，冷藏溫度為5～10℃為佳。故從冷箱中取出錫膏時，其溫度較室溫低很多，若未經“回溫”，而開啟瓶蓋，則容易將空氣中的水汽凝結，并沾附于錫漿上，在過回焊爐時（溫度超過200℃），水份因受強熱而迅速汽化，造成“爆錫”現象，產生錫珠，甚至損壞元器件。

2.3.7 印制板被錫膏污染

操作過程中疏忽大意引起的。

2.3.8 錫膏漏印

2.3.9 整體焊膏量過少

2.4 設備風險

工廠回流焊機器一般采用西門子的，該機器在行業內屬于高端產品，雖然在供貨源頭有較高的質量保證。但是在后續的作業層面來看還是有不少設備故障。有些是人為因素造成的，有些是設備固有的周期性誤差引起的。

2.4.1 設備故障或者設備能力減弱

回流焊機器在使用過程中也會出現自身的故障，有一些屬于誤操作引起，有一些屬于設備固有的生命周期內的故障。這也是經常影響生產質量的一個方面。

2.4.2 貼裝位置偏移

機器在抓住器件之后運行過程中有可能出現一些抖動，或者一些其他外力影響而導致在貼裝的時候產生位移。

2.4.3 印制板在回流爐中卡板

2.4.4 焊盤潤濕不良而引腳潤濕速度快

2.4.5 貼裝壓力大，錫膏壓出焊盤

2.4.6 元器件貼裝時器件側立

導致側立的原因有很多，很難歸納原因，只看到側立結果。

2.5 環境風險

2.5.1 回流焊溫度設定不當

操作員失誤引起。

2.5.2 潮氣

多半是由于南方梅雨天引起。

2.5.3 操作環境相對濕度>70%

對相對溫濕度的監控產生的誤差。

2.5.4 預熱不充分

機器在工作前需要充分預熱，否則會產生控制手臂等的誤差。

3? 風險評估

通過對上述風險的識別發現，風險比較容易歸類，而且風險具有串行影響性，可能會對后續一系列的工序造成風險災害。因此，本文準備通過綜合分析法和FMEA表格來對風險進行預測評估。

3.1 綜合評價法

風險管理專家組對回流焊過程中可能出現的風險因素或風險事件的重要性進行評價，并考慮新環境的各種變化，給出綜合風險評價表。（表1）

從這個表的分析可以看出，該項目的風險因素得分介于0.2～0.6之間，風險屬于較小水平。同樣，可利用這種方法對各個工作階段進行風險分析，以確定各階段風險的大小。從上述分析可以看出，該項目的風險主要為元器件引腳氧化、PCB材質差、PCB焊端氧化、焊料雜質過多焊接前清潔不充分等風險，但項目整體風險度為0.38低于鐵路行業確定的項目整體風險度評價基準，這樣的風險水平在可接受范圍之內。

3.2 FMEA

經過對風險客觀分類，發現風險會有后續的影響，要對這些影響進一步分析，界定，需要用到FMEA表格進行分類計算。用來預防問題發生和確定關鍵特性。進而能夠持續改進。表2中可看出：開焊、錫球/錫濺、掉件是風險指數最高的項。針對其進行嚴格處理，同時其它風險也許根據等級進行側重處理。

4? 風險管理策略和應對措施

具體見表3。

5? 結論與展望

由于電子產品PCB板不斷小型化的需要，出現了片狀元件，傳統的焊接方法已不能適應需要。起先，只在混合集成電路板組裝中采用了回流焊工藝，組裝焊接的元件多數為片狀電容、片狀電感，貼裝型晶體管及二極管等。隨著SMT整個技術發展日趨完善，多種貼片元件（SMC）和貼裝器件（SMD）的出現，作為貼裝技術一部分的回流焊工藝技術及設備也得到相應的發展，其應用日趨廣泛，幾乎在所有電子產品領域都已得到應用。

車間的防潮、防腐措施需要進一步加強。比如：采用先進的車間布局， 采用合理的防潮機器管理方式，講責任歸類的每個人，最有效的把防潮機器利用好。器件抗氧化一直是業內的難題，目前沒有特別好的辦法，只能盡可能的優化產線流程，使電子元器件暴露在空氣里的時間盡可能的減少。

但是在電路板的生產過程中回流焊爐的應用其實還存在一些不夠專業的行為，這些行為也許很導致產品的質量問題。而且往往是管理的問題。比如：對爐子的應用和管理不夠先進。當我們對爐子的實際性能不清楚的時，就法保證自己配置的是臺合適的爐，也法保證自己的投資是合理和值得的。所有供應商都告訴你他們的產品和服務是流，但在許多特性指標沒有得到統標準，測試方法還欠缺的情況下，幾乎沒有人能夠真正說清楚自己的水平定位。生產商只通過和設備商的交談，看看指標書和樣機是法做出很好的采購決策的。

爐子間的致性不夠理想也是個常見的應用管理問題。在內工廠中，很多設備廠是沒有對所有生產線的爐子進行致性監控的，大通常會認為所購買的爐子只要是同商同型號的，其表現就致。不同爐子的性能不樣，在應用上必須對爐子的性能進行鑒定。這應該在采購決策前進行，以確保不會買到次品，但大多用戶只是去觀看樣機的操作或到其他用戶處看設備使用情況，而沒有進行有計劃性的詳細的測量。在設備引進安裝后，也應該對其性能進行測量，通過此真正了解該設備的特性，對日后的使用很有用。比如些爐子可能在軌道兩邊的對流性會差些，有些則回溫或負荷能力有定的限制，在通過測量了解到這些特性后，用戶就能夠制定相應的工藝和設計規范來避開該爐子的弱點，使應用起來較得心應手。

有些用戶在采購前會進行回流焊設備試用，這個做法可以大大減少采購錯誤的風險。不過大部分的用戶試用回流焊設備，就是使用本身的產品來進行實際生產和觀察焊接結果，但是所使用的產品并不能代表將來的技術要求，不能代表高技術生產要求。正確的測量方法，必須通過對工藝原理和工藝規范了解目前和將來的需求，配合對爐子設計原理的了解，而有針對性的設計出個對該爐子具備挑戰性的測試板，以及套測試方法步驟來進行測試。

參考文獻：

[1]涂世友.淺談鐵路信號工程技術施工管理[J].價值工程，2018（08）.

[2]馮飛彥.探究鐵路信號工程技術施工管理[J]. 江西建材，2015（16）.

[3]石慶福.淺談高鐵信號施工中幾個要點[J].城市建設理論研究（電子版），2017（20）.