基于六西格玛的方法解决选择性波峰中的焊点桥连

刘博

（航空工业集团公司洛阳电光设备研究所，河南洛阳 471000）

0.引言

目前军品印制板上通孔直插件主要包括双列直插型集成电路、四周直插型集成电路、直插型继电器、编程插座、通孔连接器等。通孔直插件采用选择性波峰焊的工艺方法。在生产现场发现，某型通孔连接器在选择性波峰焊后焊点桥连率比较高，为综合分析影响通孔连接器桥连的根本原因，从选择性波峰焊的工艺参数如锡锅温度、焊接方式、助焊剂涂覆、器件管脚伸出长度、底部预热温度等进行分析[1]，采用六西格玛管理方法，经过定义（Define）、测量（Measure）、分析（Analyze）、改善（Improve）、控制（Control）5个阶段，最终改进了器件管脚伸出长度和焊接方式，并设计了相应的工装夹具，降低了该型电路板的通孔连接器的桥连率，提高了混装性电路板的焊接合格率[2]。六西格玛方法为后续解决军品电路板焊接缺陷问题提供了参考思路，是一种质量改进工具，对生产现场的过程改进有重要的意义。

1.资料与方法

1.1 定义与测量阶段（DM阶段）

在定义阶段，问题陈述为2020年3月～9月，某型厚度为2mm的电路板生产48件，每个电路板上有1个插座，该型插座的焊装缺陷率为75%，其中由于通孔连接器桥连导致的缺陷率占83.3%，严重影响了交付进度，影响到产品的准时交付，顾客提出不满。为解决这个问题，启动六西格玛工具，将问题现象转变为流程需求。（项目的定义项及具体描述如表1所示。）

表1 项目的定义项及具体描述

在测量阶段，主要工作是确定测量标准，进行测量系统分析，确定流程能力，确定流程的目标。

本次案例中测量的标准为是相邻2个焊点是否有搭连（即Y），其为离散型数据。测量系统分析采用检查一致性的方法，来评定操作员本身的重复性和操作员之间的再现性。要求测量系统的重复性和再现性均要大于90%，才能证明测量系统可信。具体计算方法，如公式（1）所示。以桥连缺陷改善前为例，操作员A和B分别抽取10块电路板，每人测量了3次，统计电路板是否发生桥连缺陷。其中操作员A测量3次，每次4个不合格品，6个合格品都能检出，且3次表现一致。且A检出的不合格品和合格品均与B相同。根据试验结果：操作员A的重复性=10/10=100.0%；操作员A的再现性=10/10=100.0%＞90%，测量系统可信[3]。

流程能力采用均值和标准差来度量，反映数据的集中性和分散度，即用Z值[3]。本案例中Y为可区分的数据类型，Z值根据合格率P(d)查表可得。在DM阶段，电路板生产数48块，由通孔连接器的桥连缺陷数量为30块。故P(d)=30/48=0.625；查表可得ZLT=-0.35，代表的长期能力。因无连续7个以上好点且无法合理分组，故用1.5σ做漂移即Zshift=1.5。短期能力ZST=Zshift+ZLT =1.5+(-0.35)=1.15。流程的目标我们以ZST和Zshift为X轴和Y轴组成的控制技术图进行分析。一般来说，ZST代表技术的能力，Zshift代表控制的能力。其中ZST值越大，代表技术越好，Zshift值越小，代表控制越好。

1.2 分析阶段（A阶段）

分析阶段主要是将所有影响因素排序，通过统计工具，筛选出关键的Xs。本案例中从人、机、料、法、环、测6个方面，通过头脑风暴的方法，讨论影响选择性波峰焊焊点桥连的因素，确定了锡锅温度、元器件管脚伸出长度、底部预热温度、焊接方式为可能因素[4]，如图1所示。这4个因素Xs及Y均为离散型数据，故采用卡方检验和二进制逻辑回归进行数据分析。

图1 选择性波峰焊相邻管脚桥连的鱼骨图

1.2.1 锡锅温度

锡锅温度即锡锅中熔融焊料的温度，对于Sn63Pb37共晶焊料，一般可设定锡锅温度为260℃～300℃。具体应根据印制板的层数、厚度、敷铜宽度及元器件类型选择合适的锡锅温度。锡锅温度不足，容易导致焊点透析率不足，焊点拉尖的缺陷。 本案例中选择了80块电路板，设置了2种温度。具体表现如表2所示。通过卡方检验，卡方=2.344，DF=1,P=0.126＞0.05，没有统计学差异，证明锡锅温度在此次试验中不是影响因素。

表2 不同锡锅温度下电路板上通孔连接器的桥连缺陷数量

1.2.2 焊接方式

选择性波峰焊的主要焊接方式主要分为点焊和拖焊。点焊适用于混装电路板中通孔元器件的数量相对较少、通孔元器件焊盘数量也不多，通孔元器件与表贴元器件距离过近的情况。焊点的点焊时间一般设定为1.5s～5.5s，具体时间可根据焊点的大小和印制板的厚度进行调整。点焊桥连的主要原因为收锡高度太高，降低收锡高度或提高收锡速度。拖焊模式焊接速度非常快，效率高，且拖焊时喷嘴是匀速的水平运动，而非上下运动，能有效地避免焊点拉尖时产生的缺陷，从而保证焊点质量。选择性波峰焊机的拖焊速度一般设定2mm/s～5mm/s。本案例中选用点焊和脱焊3mm/s进行对比，如表3所示。根据卡方检验分析，卡方=7.937，DF=1，P值=0.005＜0.05。根据二进制逻辑回归分析显示，点焊产生的缺陷是拖焊产生缺陷的4.42倍。

表3 不同焊接方式下电路板上通孔连接器的桥连缺陷数量

根据卡方检验分析，根据卡方检验，卡方=26.825，DF=1，P=0.000＜0.05。根据二进制逻辑回归分析显示，点焊产生的缺陷是拖焊的18.33倍。

1.2.3 底部预热温度

底部预热是指将电路板加热到助焊剂活化的温度，去除气体，并减少电路板焊接时的热冲击。底部预热系统采用远红外辐射的方式进行加热，对电路板的加热效率高，温度均匀可控。根据电路板厚度及电路板上的元器件的数量及分布来确定预热温度。本案例中底部预热温度设定为120℃～145℃（60s～90s）（60s～90s）。具体数据如表4所示。通过卡方检验，卡方=2.36，DF=1，P值=0.124＞0.05，证明底部预热温度在此次试验中不是影响因素。

表4 2种不同的底部预热温度下电路板的通孔连接器的桥连缺陷数量

根据《机载火控系统印制板元器件的安装与焊接工艺规范》要求普通焊点的高度不超过1.5mm（大功率器件，管脚较粗的电源模块、菱形运放等除外）。当前直插型元器件管脚伸出长度为1.35mm。焊点桥接的概率与管脚伸出长度正相关，若器件引脚伸出过长，焊接时焊料爬升高度较高，单个焊点焊料量增加，融化焊锡的表面张力和外界的大气压力之间不平衡，容易造成焊点桥连；若器件管脚长度≤0.7mm时，器件管脚桥接的概率会大大减少，甚至消失[5]。综合确认，将管脚伸出长度改为0.8mm，进行选择性波峰焊试验。具体数据如表5所示，经卡方检验分析，卡方 = 26.825，DF=1，P值=0.000＜0.05。经二进制逻辑回归分析显示，1.35mm产生的缺陷是0.8mm产生缺陷的18.33倍。

表5 2种不同管脚长度下电路板上的通孔连接器的桥连缺陷数量

综上分析可得，器件管脚伸出长度和焊接方式为少数关键XS。

1.3 改善与控制阶段（IC阶段）

改善阶段是验证器件管脚伸出长度和焊接方式是不是关键的影响因素，并是否存在交互的影响，确定改进措施并验证结果。将器件管脚伸出长度由1.35mm改为0.8mm后，桥连故障明显下降，但出现了球状焊点（虚焊），将焊接方式从点焊改为拖焊后，使融化的焊锡的表面张力与外界的大气压力之间趋于平衡，基本消除了出现桥连和球状焊点的现象。

控制阶段完成的主要任务为关注焊点桥连的改善情况，制定详细的定点控制措施。如在目前的改善方法下，对每块电路板通过自检记录监控相邻管脚是否桥连，对不同批次的首件电路板，通过专用防错工装检测管脚长度是否达标，通过程序确认焊接方式是否正确，来保证整个选择性波峰焊的流程正常推进。

2.结果

采取了控制器件管脚伸出长度和更改焊接方式的措施后，选择性波峰焊下电路板通孔元器件焊点桥连情况得到了改善。将整个试验阶段的数据收集记录，并用软件进行分析[6]。将电路板合格是否的状态绘制成时间序列图，其中合格为0，不合格为1。可以看到随着项目的推进，经DM阶段、A阶段、IC阶段，桥连的缺陷在逐渐下降。如图2所示。六西格玛的统计意义是在一百万次的使用机会中只出现3.4个错误，即DPMO水平为3.4。本文通过持续的改善，DPMO最终从625000降低到19000，改善率96.9%。如图3所示。通过控制技术图进行流程能力分析，可以看到经过DM阶段、A阶段、IC阶段，流程的控制能力逐步增强，技术能力也在逐步增强，并向理想的6σ的水平靠近，如图4所示。

图2 焊点桥连的时间序列图

图3 缺陷的改善情况

图4 控制与技术图

选择性波峰焊接后焊点出现桥连问题后，借助六西格玛的管理方法，从人、机、料、法、环、测等方面找到可能的影响因素，通过试验数据，对锡锅温度、焊接方式、器件管脚伸出长度、底部预热温度进行分析，最终确定了影响桥连的2个关键因素：焊接方式和器件管脚伸出长度，设计了专用工装辅助措施的落实，大大降低了选择性波峰焊接焊点桥连率，提高了混装型电路板焊接一次合格率。

3.讨论

选择性波峰焊遇到的焊点桥连问题后，通过六西格玛的方法收集现场数据，找到了影响焊点桥连的原因，并进行了改进，提高了混装性电路板的焊接合格率。将本项目的工艺方法推广到了其他型号，在涉及选择性波峰焊接的工艺规程中，明确通孔元器件管脚露出印制板面的高度要求，并设计通孔元器件管脚剪切专用工装，保证元器件管脚剪切高度符合工艺要求。同时对选择性波峰焊机程序员进行培训，要求在编制选择性波峰焊程序时优先采用拖焊模式进行焊接。本次选择性波峰焊的研究对象为2mm的电路板，由于电路板种类的多样化，对于其他类型的电路板，如厚度3mm或以上的电路板，包含大面积接地层的电路板，包含大量金属壳体封装器件的电路板等还需要进一步进行探索[7]。