CN102186313B - Smt电路板质量监控方法 - Google Patents
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Abstract
SMT电路板质量监控方法，步骤包括：（a）在已经焊接完成的电路板中至少选择吸热量最大的焊点和吸热量最小的焊点设置测温元件；（b）设定所述焊点的工艺因子的预设值；（c）根据所述焊点的工艺因子的实际测量值Pw1计算工艺因子对应的工艺质量窗口指数QWI；（d）每个焊点的所有工艺因子对应的QWI均在±99％以内，则该电路板的设定的回流焊接炉的炉温曲线设定合理；（e）按照步骤（d）得到的设定合理的炉温曲线进行回流焊接。本发明的SMT电路板质量监控方法根据工艺因子的预设值和实时测量实际值，判断整个电路板的质量，设定尽可能合理的回流焊接炉炉温曲线，从而最大程度上提高SMT出品的电路板的质量和产品的可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及表面组装技术（SMT，Surface Mounted Technology），特别是涉及SMT电路板质量监控方法。
背景技术
SMT是目前电子组装行业里最流行的一种技术和工艺。其工艺步骤主要包括：（a）将焊料印到电路板的焊点，为元器件焊接做准备；（b）将电子元件贴装在电路板焊点位置；（c）回流焊接，贴装有电子元件的电路板在传送导轨的带动下经过回流焊接炉，使焊料融化，从而使电子元件与电路板粘接；（d）冷却电路板，从而使电子元件牢固地粘接在电路板。
其中回流焊接的步骤是SMT的核心技术，其生产工艺流程中的温度控制至关重要，由于不同的焊料有不同的成分和配比，它们的熔点各不相同，需采用的回流焊温度也不同。在生产上，设定或调整一个电路板的焊接炉温曲线是较为繁琐复杂的工作。通常，对较为复杂的电路板可以通过适度提高预热和回流温度，或延长预热和回流时间，使电路板上各电子元件温度均匀，回流充分，从而减少外观缺陷。焊接炉温温度曲线的修订一般根据操作人员的经验进行，没有确定的标准。因此，有时这样的电路板表面上看起来焊点外观良好，实际上由于在高温区停留的时间过长或者经受的温度太高，电子元件的力学性能和电性能会变差，焊点可靠性会下降，这种隐患在生产中无法察觉，而需经过一段时间的使用后才显示出来，这可能给用户造成无法挽回的损失。
但在回流焊接的过程中，不可能直接在焊点设置测温探头，无从得知焊点的预热和回流温度，也无从获得回流温度曲线，所以电路板的质量监控是一项难题。
发明内容
本发明的目的在于避免现有技术中的不足之处而提供一种SMT电路板质量监控方法，其可以根据预设的多个工艺因子判断SMT出品的电路板的质量，设定尽可能合理的回流焊接炉的炉温曲线。
本发明的目的通过以下技术措施实现。
SMT电路板质量监控方法，步骤包括：
（a）在已经焊接完成的电路板中至少选择吸热量最大的焊点和吸热量最小的焊点设置测温元件；
（b）按照采用的焊料的温度曲线设定回流焊接炉的炉温曲线；设定所述焊点的工艺因子的预设值区间Sw1～Sw2，所述工艺因子包括每个焊点的温度曲线的斜率，所述斜率包括最大上升斜率和最大下降斜率；按照设定的回流焊接炉的炉温曲线进行回流焊接；
（c）根据所述焊点的工艺因子的实际测量值Pw1计算工艺因子对应的工艺质量窗口指数QWI，QWI＝[Pw1－（Sw2+Sw1）/2]/[(Sw2+Sw1)/2]×100％；
（d）每个焊点的所有工艺因子对应的QWI均在±99％以内，则该电路板的设定的回流焊接炉的炉温曲线设定合理；若任一焊点的任一工艺因子对应的QWI超过±99％，则该电路板的设定的回流焊接炉的炉温曲线设定不合理，并重新设定回流焊接炉的炉温曲线，再重新执行步骤（a）（b）（c）和（d）；
（e）按照步骤（d）得到的设定合理的炉温曲线进行回流焊接。
步骤（b）中所述工艺因子还包括预热区温度时间、保温区温度时间、回流区温度时间和总加热时间。
步骤（b）中所述工艺因子还包括峰值温度和运输速度。
所述吸热量最大的焊点包括电子元件插脚最粗的焊点，所述吸热量最小的焊点包括位于电子元件中部的插脚、电子元件插脚最细的焊点。
本发明的SMT电路板质量监控方法根据工艺因子的预设值和实时测量实际值，判断整个电路板的质量，使回流焊接炉的炉温曲线的设定摆脱了常规的凭经验设定的形式，提供了判断炉温曲线是否合理的标准，从而最大程度上提高SMT出品的电路板的质量和产品的可靠性。
具体实施方式
结合以下实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
本实施例的SMT电路板质量监控方法，步骤包括：
（a）在已经焊接完成的电路板中至少选择吸热量最大的焊点和吸热量最小的焊点设置测温元件。
焊接过程中，吸热量最大的焊点吸热不足时，该焊点焊接不稳固，同时吸热量最小的焊点可能已经吸热过度，导致焊料氧化，焊接同样存在隐患，因此选择吸热量最大和吸热量最小的焊点进行测温，就能标准整个电路板所有焊点的焊接质量。
已经焊接完成的电路板的各焊点的吸热量是确定的，吸热量与焊点大小、电子元件的接脚和焊点位置等因素有关，所述吸热量最大的焊点包括电子元件插脚最粗的焊点，所述吸热量最小的焊点包括位于电子元件中部的插脚、电子元件插脚最细的焊点。
（b）按照采用的焊料的温度曲线设定回流焊接炉的炉温曲线；设定所述焊点的工艺因子的预设值区间Sw1～Sw2，所述工艺因子包括每个焊点的温度曲线的斜率，所述斜率包括最大上升斜率和最大下降斜率；按照设定的回流焊接炉的炉温曲线进行回流焊接。
最大上升斜率出现于保温区，表征了升温速度，最大下降斜率出现于冷却区，表征了降温速度。
（c）根据所述焊点的工艺因子的实际测量值Pw1计算工艺因子对应的工艺质量窗口指数QWI，QWI＝[Pw1－（Sw2+Sw1）/2]/[(Sw2+Sw1)/2]×100％。
（d）每个焊点的所有工艺因子对应的QWI均在±99％以内，则该电路板的设定的回流焊接炉的炉温曲线设定合理；若任一焊点的任一工艺因子对应的QWI超过±99％，则该电路板的设定的回流焊接炉的炉温曲线设定不合理，并重新设定回流焊接炉的炉温曲线，再重新执行步骤（a）（b）（c）和（d）。
（e）按照步骤（d）得到的设定合理的炉温曲线进行回流焊接，即，将步骤（a）中已经焊接完成的电路板的同一设计未焊接电路板，按照步骤（d）设定合理的炉温曲线进行焊接。
本方法根据不同焊膏的温度曲线预设回流焊接炉的炉温的设定值，通过本方法提出的表征回流温度曲线好坏程度的定量化参数——工艺因子，来指导回流温度曲线的设定和调整，以达到提高焊接质量和产品可靠性的目的。
每种焊料的最佳温度曲线是供应商预先提供的，以60Sn40Pb(熔锡温度:183～190℃，回流温度: 210～220℃1、温度最大上升斜率：0.0～3.0℃/s；2、温度最大下降斜率：－4.0～－1.0℃/s)焊料为例，最佳的温度曲线为：
). 升温区: 将电路板由室温加热至100 ℃
2). 预热区: 从100～150 ℃为预热区，目的是使PCB及焊膏预热，避免电路板及焊膏受到热冲击，如果升温速度太快，一方面使元器件及PCB受热太快，易损坏元器件、造成PCB变形。另一方面，焊膏中的溶剂挥发速度太快，易造成金属粉末溅出，产生锡球。如果预热温度太高，时间过长，易使金属粉末氧化，影响焊接质量。
3).保温区: 从150～210 ℃为保温区，当温度升到150～160 ℃时，焊膏中的助焊剂开始迅速分解活化，如果时间过长会使助焊剂提前失效，影响液态焊料浸润性，影响金属间合金层的生成。
4).回流区: 从210～220 ℃为回流区（大约需要60～90 s），这一区域的温度设置的最高，焊料达到熔点为液态，SMA的温度快速上升至峰值温度。在回流焊区，焊接峰值温度视所用焊膏的不同而不同，一般为焊膏熔点温度增加30～40℃。对于我们使用的焊料粉为63Sn37Pb的焊膏，峰值温度一般设定为210 ～ 230 ℃（大约需要7～15 s），峰值温度低或回流时间短，会使焊接不充分，金属间合金层太薄（< 0.5 μm），严重时会造成焊膏不熔；峰值温度过高或回流时间长，造成金属粉末严重氧化，合金层过厚（> 4 μm），影响焊点强度，严重时还会损坏元器件和电路板，从外观看，电路板会严重变色。
5). 冷却区:从220～175 ℃，在这一区域内，焊膏中的铅锡粉末已经充分熔化并润湿被连接表面，应该用尽可能快的速度来进行冷却，这样将有助于得到光滑的焊点并有好的外形和低的接触角度，缓慢冷却会导致电路板产生灰暗，毛糙的焊点，在极端情况下，它能引起沾锡不良和焊点结合力减弱。
6).斜率表征了温度变化的快慢，最大上升斜率是指温度从常温上升到峰值温度，最大下降斜率是指炉温从峰值温度下降到常温。若上升斜率过大，升温速度较快，一方面使元器件及PCB受热太快，易损坏元器件、造成PCB变形。另一方面，焊料中的溶剂挥发速度太快，易造成金属粉末溅出，产生锡球。若下降斜率过大，冷却会缓慢，导致电路板产生灰暗，毛糙的焊点。本发明是在生产过程中对以上描述的几个温区的斜率（包括最大上升斜率和最大下降斜率，斜率段Ⅰ,斜率段Ⅱ,斜率段Ⅲ），进行实时监控，若发现某个焊点的曲线的斜率异常，则这个产品的斜率就没达到要求，从而判得这个产品就不及格。
实施例2
本实施例的SMT电路板质量监控方法，步骤包括：
（a）在已经焊接完成的电路板中选择两个吸热量最大的焊点、两个吸热量最小的焊点和一个吸热量位于前两者之间的焊点设置测温元件。
（b）按照采用的焊料的温度曲线设定回流焊接炉的炉温曲线；设定所述焊点的工艺因子的预设值区间Sw1～Sw2，所述工艺因子包括每个焊点的温度曲线的斜率、预热区温度时间、保温区温度时间、回流区温度时间、总加热时间、峰值温度和运输速度，所述斜率包括最大上升斜率和最大下降斜率。
（c）根据所述焊点的工艺因子的实际测量值Pw1计算工艺因子对应的工艺质量窗口指数QWI，QWI＝[Pw1－（Sw2+Sw1）/2]/[(Sw2+Sw1)/2]×100％。
（d）每个焊点的所有工艺因子对应的QWI均在±99％以内，则该电路板的设定的回流焊接炉的炉温曲线设定合理；若任一焊点的任一工艺因子对应的QWI超过±99％，则该电路板的设定的回流焊接炉的炉温曲线设定不合理，并重新设定回流焊接炉的炉温曲线，再重新执行步骤（a）（b）（c）和（d）。
（e）按照步骤（d）得到的设定合理的炉温曲线进行回流焊接。
根据QWI的数值可以直观得出SMT的炉温曲线的好坏，所述回流焊接炉内每个焊点的温度曲线的斜率、预热区温度时间、保温区温度时间、回流区温度时间、总加热时间、峰值温度和运输速度相对应的QWI有任一项超出±99％则说明本批次SMT的电路板可能存在质量隐患。
以焊料Sn62Pb36Ag2为例，其温度曲线为：
1、温度最大上升斜率：0.0～3.0℃/s；
工作时应保持在：2.0℃/s；
2、温度最大下降斜率：－4.0～－1.0℃/s；
3、预热区温度：40.0℃/s～150.0℃，时间60.0～90.0s；
4、保温区温度：150.0℃～170.0℃，时间60.0～90.0s；
5、回流区温度：179.0℃，时间45.0～75.0s；
6、峰值温度：205.0℃～225.0℃；
计算斜率的时间段为20.0s。
（1）.实际测得某焊点温度最大上升斜率Pw1为2.0℃/s，预设值为Sw2=3℃/s,Sw1=1℃/s。
最大上升斜率QWI=[Pw1－（Sw2+Sw1）/2]/[(Sw2+Sw1)/2]×100％：
=[2-（3+1）/2]/[(3+1)/2]×100%
=0%
（2）.实际测得某焊点温度最大下降斜率Pw1为-2℃/s,预设值为Sw2=-1℃/s,Sw1=-4.0℃/s。
最大下降斜率QWI=[Pw1－（Sw2+Sw1）/2]/[(Sw2+Sw1)/2]×100％：
=[-2-（-1.0+（-4.0））/2]/[(-1.0+（-4.0）)/2]×100%
=-60%
（3）.实际测得某焊点预热区温度时间Pw1为80S，预设值为Sw2=90s,Sw1=60s。
预热区温度时间QWI=[Pw1－（Sw2+Sw1）/2]/[(Sw2+Sw1)/2]×100％：
=[90-（90+60）/2]/[(90+60)/2]×100%
=20%
（4）.实际测得某焊点保温区温度时间Pw1为85S,预设值为Sw2=90s,Sw1=60s。
保温区温度时间QWI=[Pw1－（Sw2+Sw1）/2]/[(Sw2+Sw1)/2]×100％：
=[85-（90+60）/2]/[(90+60)/2]×100%=14%
(5).实际测得某焊点回流区温度时间工艺因子Pw1(温度达到预设温度区间中点时的时间) 为55S,预设值为Sw2=75,Sw1=45。
回流区温度时间QWI=[Pw1－（Sw2+Sw1）/2]/[(Sw2+Sw1)/2]×100％：
=[55-（75+45）/2]/[(75+45)/2]×100%
=-8%
(6).实际测得传送轨道的运输速度工艺因子Pw1为980mm/s,预设值为Sw2=1100,Sw1=900。
运输速度QWI=[Pw1－（Sw2+Sw1）/2]/[(Sw2+Sw1)/2]
= [980-(1100+900)/2]/[(1100+900)/2]
=-2%
从以上QWI的绝对值中，选一个最大的QWI作为这个焊点的QWI，由温度最大下降斜率QWI为－60％，从而这个焊点的QWI为60%，其小于99％，故该电路板产品质量合格。
实施例3
如实施例2，仍以焊料Sn62Pb36Ag2为例。
（1）.实际测得某焊点温度最大上升斜率Pw1为2.0℃/s，预设值为Sw2=3℃/s,Sw1=1℃/s。
最大上升斜率QWI=[Pw1－（Sw2+Sw1）/2]/[(Sw2+Sw1)/2]×100％：
=[2-（3+1）/2]/[(3+1)/2]×100%
=0%
(2）.实际测得某焊点温度最大下降斜率Pw1为-2℃/s,Sw2=-1℃/s,Sw1=-4.0℃/s。
最大下降斜率QWI=[Pw1－（Sw2+Sw1）/2]/[(Sw2+Sw1)/2]×100％：
=[-2-（-1.0+（-4.0））/2]/[(-1.0+（-4.0）)/2]×100%
=-60%
（3）.实际测得某焊点预热区温度时间Pw1为190S，预设值为Sw2=90s，Sw1=60s。
预热区温度时间QWI=[Pw1－（Sw2+Sw1）/2]/[(Sw2+Sw1)/2]×100％：
=[190-（90+60）/2]/[(90+60)/2]×100%
=153%
（4）.实际测得某焊点保温区温度时间Pw1为85S，预设值为Sw2=90s,Sw1=60s。
保温区温度时间QWI=[Pw1－（Sw2+Sw1）/2]/[(Sw2+Sw1)/2]×100％：
=[85-（90+60）/2]/[(90+60)/2]×100%=14%
(5).实际测得某焊点回流区温度时间Pw1(温度达到预设温度区间中点时的时间) 为55S，预设值为Sw2=75s,Sw1=45s。
回流区温度时间QWI=[Pw1－（Sw2+Sw1）/2]/[(Sw2+Sw1)/2]×100％：
=[55-（75+45）/2]/[(75+45)/2]×100%
=-8%
(6).实际测得传送轨道的运输速度Pw1为980mm/s，预设值为Sw2=1100s,Sw1=900s。
运输速度QWI=[Pw1－（Sw2+Sw1）/2]/[(Sw2+Sw1)/2]：
= [980-(900+1100)/2]/[(900+1100)/2]
=-2%
从以上QWI的绝对值中，选一个最大的QWI作为这个焊点的QWI，由预热区温度时间QWI为153％，从而这个焊点的QWI为153%，其大于99％，故该电路板产品质量不合格。
从这个产品中选取若干个焊点（其中包括吸热量最大和吸热量最少的焊点），用上述方法分别求得这个产品所选取的各个焊点的QWI，从中选取最大的QWI作为这个产品的QWI。
若产品的QWI小于100%，这个产品就及格，若大于100%，这个产品就不及格。
最后应当说明的是，以上实施例仅用于说明本发明的技术方案而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。
Claims (4)
1.SMT电路板质量监控方法，其特征在于：步骤包括：
（a）在已经焊接完成的电路板中至少选择吸热量最大的焊点和吸热量最小的焊点设置测温元件；
（b）按照采用的焊料的温度曲线设定回流焊接炉的炉温曲线；设定所述焊点的工艺因子的预设值区间Sw1～Sw2，所述工艺因子包括每个焊点的温度曲线的斜率，所述斜率包括最大上升斜率和最大下降斜率；按照设定的回流焊接炉的炉温曲线进行回流焊接；
（c）根据所述焊点的工艺因子的实际测量值Pw1计算工艺因子对应的工艺质量窗口指数QWI，QWI＝[Pw1－（Sw2+Sw1）/2]/[(Sw2+Sw1)/2]×100％；
（d）每个焊点的所有工艺因子对应的QWI均在±99％以内，则该电路板的设定的回流焊接炉的炉温曲线设定合理；若任一焊点的任一工艺因子对应的QWI超过±99％，则该电路板的设定的回流焊接炉的炉温曲线设定不合理，并重新设定回流焊接炉的炉温曲线，再重新执行步骤（a）（b）（c）和（d）；
（e）按照步骤（d）得到的设定合理的炉温曲线进行回流焊接。
2.根据权利要求1所述的SMT电路板质量监控方法，其特征在于：步骤（b）中所述工艺因子还包括预热区温度时间、保温区温度时间、回流区温度时间和总加热时间。
3.根据权利要求2所述的SMT电路板质量监控方法，其特征在于：步骤（b）中所述工艺因子还包括峰值温度和运输速度。
4.根据权利要求1所述的SMT电路板质量监控方法，其特征在于：所述吸热量最大的焊点包括电子元件插脚最粗的焊点，所述吸热量最小的焊点包括位于电子元件中部的插脚、电子元件插脚最细的焊点。
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Effective date of registration: 20161207 Address after: 523000 Guangdong Province, Dongguan City Dongcheng Street Wen Road No. 257 Wen Lu Guan Wen Tang two floor, No. 201 Patentee after: Dongguan City Rodeo Automation Technology Co. Ltd. Address before: Liaobu town of stone village stone road 523403 Guangdong city of Dongguan province Dongguan kelongwei Automation Equipment Co Ltd Patentee before: Dongguan Folungwin Automatic Equipment Co., Ltd. |
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Granted publication date: 20130403 Termination date: 20210511 |
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