基于PFMEA的SMT回流焊質量改善方法

施文婧，閆 莉

(西安工業大學,陜西 西安 710021)

0 引言

影響電子產品生產質量的因素非常復雜，包括原材料、元器件、環境條件、生產設備精度、生產工藝、防護措施和技能水平等。目前在電子產品的電路板生產中廣泛采用表面貼裝生產工藝(SMT)，在電子產品領域，SMT技術的誕生，使得電子產品的體積重量有了跨越發展，是應用最廣的一種工藝技術，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現元器件的焊接。影響電子產品SMT生產質量的原因較多，其中回流焊是對SMT生產過程質量控制有關鍵影響的因素[1-5]。

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

1 PFMEA定義和應用

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的起因得到充分論證，并進行持續改進的一種分析方法。PFMEA 的主要功能：1)識別產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施[6]。

采用PFMEA方法進行持續改進時，其分析流程如圖3所示，可通過五個步驟來完成。

1.1 PFMEA風險分析分為以下步驟[7-9]：

1) 列舉某一產品生產或裝配過程中的所有項目。

2) 分析每一項目與裝配過程相關的潛在失效模式，以及識別導致失效的要因。

3) 評價失效導致的產品質量后果，及其對客戶產生的影響，給出其嚴重度等級、頻度和探測度等級。

4) 識別導致失效發生的主要因素，并采取控制措施，按照風險值高低優先采取控制措施。

5) 提出有效的解決措施，并說明采取措施的實施情況，然后重新給出嚴重度、頻度、探測度等級，計算出新的RPN值，若不符合要求，要進一步采取糾正措施，開始新一輪的PFMEA改進。

1.2 PFMEA各個部分的含義[7-9]：

1) 過程是指被分析產品的生產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的不滿足設計意圖或工序不符合規范要求。

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

4) 嚴重度(S)是潛在失效模式一旦發生后對客戶或產品質量產生影響的嚴重程度，通常劃分為10個等級，如表1所示；頻度(O)是指起因或機理發生失效的概率，通常設定1～10分，如表2所示；探測度(D)是指產品在轉交下個工序或工位之前，能夠發現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，根據判定準則對各個潛在失效模式的嚴重度、頻度和檢測度進行評定。

5) 失效原因是指導致失效的起因，并識別出要因。

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

7) 風險級(RPN)是指嚴重度、頻度和探測度的乘積，按公式RPN=S×O×D計算，數值表明潛在失效模式的危害程度，按風險系數值高低優先采取措施。

表1 嚴重度判定準則表(S)

Tab.1 Severity evaluation criteria

后果判定準則:后果的嚴重度嚴重度數無警告的嚴重危害可能危害設備或組裝作業人員。潛在失效模式嚴重影響產品使用性能、危及人身安全,違反法律法規,無警告產生。10有警告的嚴重危害可能危害設備或組裝作業人員。潛在失效模式嚴重影響產品使用性能、危及人身安全,違反法律法規,有警告產生。9

續表

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

表2 頻度判定準則(O)

Tab. 2 Frequency evaluation criteria

失效發生的可能性可能的失效率頻度數很高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 探測度判定準則(D)

Tab. 3 Detectivity evaluation criteria

探測性判定準則: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很微小現行控制方法找出失效模式的可能性很微小9微小現行控制方法找出失效模式的可能性微小8很小現行控制方法找出失效模式的可能性很小7小現行控制方法找出失效模式的可能性小6中等現行控制方法找出失效模式的可能性中等5中上現行控制方法找出失效模式的可能性中等偏上4高現行控制方法找出失效模式的可能性高3很高現行控制方法找出失效模式的可能性很高2幾乎肯定現行工藝控制方法幾乎肯定能找出失效模式1

2 回流焊過程質量風險分析

通過統計，A產品的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，識別導致產品失效的要因，根據積累的數據，按照嚴重度、頻度和探測度的判定準則確定各要因的相應等級值，最后計算出風險值。

根據對回流焊過程中各種失效模式的認真分析，并采用PFMEA方法分析得到的回流焊環節各種影響因素及風險系數如表4所示，針對風險系數高于50的潛在失效模式，制定切實有效的措施，進行產品質量改善。

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重度S潛在失效模式原因現行探測過程控制現行過程頻度O探測度D風險系數RPN回流焊ESD設施失效靜電敏感器件被損傷,影響或失去功能爐溫實測曲線不正確影響焊接品質過爐方式不正確PCB變形,影響焊接品質軌道寬度調節不準確卡板、掉板7ESD設施不規范或保護不全面。每周對各ESD點進行檢測351055相應溫區的爐溫設置錯誤按照工藝要求設置。537551、無標準規定過爐方式在作業指導書內規定過爐方式448052、印制板尺寸大,無保護工裝由檢驗員檢驗/操作人員手工補焊62604軌道調節裝置松動、故障每周點檢2216

3 回流焊過程質量改善

采用PFMEA方法對回流焊過程中的質量風險進行了分析識別，根據分析結果對相應的因素制定了改善措施，改進后再次進行PFMEA分析，驗證改善結果。

3.1 解決措施

表4采用PFMEA方法識別出影響回流焊質量風險度大于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回流焊質量的4個原因采取措施如下:

1) 規范SMT生產線的防靜電措施，按要求對設備、人員和環境的進行防靜電接地，同時在回流爐的出風口配置離子風機，及時釋放回流焊過程中產生的靜電。

2) 規范回流焊爐溫度設置管理，現場按照要求張貼產品的爐溫設置作業指導書，每批產品生產前，對爐溫爐溫曲線進行測試，和標準爐溫曲線有偏差及時調整，爐溫曲線設置合格后，方可投產。

3) 過爐方式除了在現場作業指導書進行規定外，在對產品進行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節，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重度S潛在失效模式原因采取的措施現行過程頻度O探測度D風險系數RPN回流焊ESD設施失效靜電敏感器件被損傷,影響或失去功能爐溫實測曲線不正確影響焊接品質過爐方式不正確PCB變形,影響焊接品質軌道寬度調節不準確卡板、掉板7ESD設施不規范或保護不全面。規范ESD設施,并增加保護裝置15355相應溫區的爐溫設置錯誤重新設置爐溫曲線131551、無標準規定過爐方式DFM審查時,要求PCB布板符合回流爐焊接142052、印制板尺寸大,無保護工裝制作保護工裝,保證焊接過程中不變形12104軌道調節裝置松動、故障定期保養檢修114

3.2 改進后再風險分析

在采用了以上措施后，再次用PFMEA方法對SMT回流焊的風險進行分析，分析結果如表5所示?？梢钥吹讲捎酶倪M措施后，風險值RPN明顯降低，改善效果明顯，各項影響因素的風險系數都降低到50以下。在實際生產中，回流焊后產品不合格率降到400 ppm，有效控制了SMT過程的質量風險，提升了產品質量和可靠性。

4 結論

本文提出了基于PFMEA的SMT回流焊質量改善方法，該方法對SMT裝配過程中的回流焊環節進行風險預先分析，識別影響產品質量的因素和風險系數，并針對主要因素制定了相應的改進措施。驗證分析表明，通過改進，回流焊環節的風險值得到有效控制，質量改善效果明顯，同時提高了效率，節省了成本。

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