Analyzing Lead-Free Soldering Defects in Wave Soldering Using Taguchi Methods

指導教授：葉榮懋老師碩工二甲 m97u0226 王暉誠

Introduction

在電子行業不久的將來發展趨勢，用於生產電子元件焊接的錫鉛合金，在未來，為了推動環保，健康和法律問題。正在進行發展無鉛合金之接合焊料是必然的過程。歐洲的“理想”聯盟和其他國家進行調查研究，對於無鉛波動焊接，得出的結論是無鉛焊接的技術是可能的，但一些執行問題必須得到解決。例如，引入無揮發性有機化合物通量技術。

這將大大影響無鉛焊接加工，焊接過程和一般迴焊將需要修改以適應所需的較高的焊接溫度。田口方法和統計過程控制是有效的方法和評估無鉛製程開發的波峰焊方法，確定最重要的控制參數，以達到最佳的製程設置了一個獨立的應用。

Taguchi Method Summarized 這公認的集成創新方法分析方法被稱為田口方法，這些實

驗設計中品質與傳統方法的一系列相互關聯的技術的開發，在制定計劃幫助最大限度地減少不必要的變化，減少生產浪費，並提供提高客戶滿意度。

田口方法為降低生產的差異，兩個步驟： 1. 生產該產品的最佳方式最佳時間（較少偏離目標） 2. 生產相同的產品，盡可能相同（較少產品之間的差異

） 田口方法採用實驗“直交表”影響設計過程中，這種品質

是建設成產品在其設計階段。以“直交表”建立實驗設計影響不同因素的實驗。

Preparing the Taguchi Experiment 準備進行田口實驗開始於“ brainstorming 集體研討”會

議，相關因素影響的結果是這樣定義的： 1. Controllable factors: C1 = 因素有助於這製程可以直接控制 C2 = 這些因素如果我們改變，他們需要停止製程 在我們的實驗中， 3 個 C1 因素選擇： B = contact time; C = preheat temperature; and D = flux amount. 焊接溫度是 C2因素，因為花費的時間增加 /減少溫度。

2. Noise factors: 噪聲因素是產品的過程變量的變化影響，但不可能在生產

過程 / 實驗中控制無效花費。例子：噪音是改變環境溫度，濕度，灰塵等。

出於實際的原因，並沒有把“噪音”的因素考慮進去的實驗。本實驗其主要目的，估計貢獻個別品質影響因素。

其他實驗需要進行定量噪聲的反應過程中。最後，我們想測量一個選擇必須作出哪些輸出特性。有兩個標準選擇：

1. The number of pins without bridges. 2. Qualification of through-hole fill.

Experiment Layout And Design 相對於其他方法，每次研究通常使用在一個時間一個因子研究，以確

定控制參數，本實驗採用了 L9 直交表，在實驗運行的有 9 個， 4 因素 3 水準進行調查。佈局數組列於表 4 和表 5 。

Output Characteristics 設置一個適當的實驗需要，以取得最可靠的數據。例如，控制範圍參數必須

被視為嚴重的實際值，為了使問題（在這種情況下橋樑和壞的孔滲透）明顯，為了定量的影響橋樑，焊接管腳數量外面橋樑的計數。

每塊板上有 200 針，所以最高分只能是 200 。

評分標準的組成部分，圖 1 是‘ 6’ ，因為其他 6 引腳沒有展現橋樑。

對於影響穿越孔滲透，每個孔充滿了焊接的特點，如圖 2 ：

與旁邊焊接孔弄濕 1 個點在右邊，旁邊的點焊接沒有弄濕 0 個點 總共每個電路板最大可達到總共 4662 點

Materials Used in the Experiment 在無鉛合金 SnAgCu 。這種合金具有高熔點（ 227℃ ）。 SnAgCu 改善了基本的 SnAg ， SnAg3.8Cu0.7 連接形

式 高可靠性 和可焊性更優於 SnAg and SnCu 。 增加銻， Sb 銻（ 0.25-0.5 ％）提供了額外的熱耐性。然

而，有一些擔心關於有毒性的 Sb ，但有毒銻氧化物產生的溫度超過 600 º C 。

SnAg3.8Cu0.7Sb0.25 (SACS) ，其熔點 217 ° C ，是用在我們的實驗（見表 2 ）。

Board finish

有機可焊性防腐性（ OSP），抗氧化™ 最好 Cu-106A，高性能銅保護塗層，有選擇地保護和維護可焊性的通孔，被選定為這次測試木板。早先的研究表明， SnAgCu 是兼容與 OSP 完成。

OSP是一種替代熱風平整和其他金屬印刷電路板製成 ，帶有設置較高的預熱，有機塗層薄（厚度 0.2-0.5 微米）失去活動力。那個相容的 OSP與水溶性助焊劑是優良的。酸性和溶劑包含在內部溶化很快分解薄 OSP 塗層，這成部分溶化和揮發時，當熔焊料接觸板。

The Flux

焊劑的選擇這個測試是 396 -RX的合成不含 VOC 不到 2％的，固體（物理性質見表 3）。

為此預熱助焊劑，上部溫度測量，範圍從 100℃至 112℃，根據表面配置結構的需要焊接組裝。

Flux Application

助焊劑應用的現有技術，噴嘴噴霧助焊劑是最好的類型適用一個適當的層向木板。焊劑液滴的大小是可以控制的與調整空氣霧化壓力控制。帶有不含 VOC 焊劑，重要的是要達到最好的（最小）液滴可能以實現良好通孔滲透和成功的揮發水的薄膜。因此，以水為基礎焊劑應該小心的制定表面特性，產生了平滑接合，同時與金屬和非金屬表面。

助焊劑噴嘴允許使用者控制流量的數量非常準確，從大約 300 mg/dm² 至 750 毫克 /馬克 ²（濕焊劑）。最高為 750 毫克 /馬克 ²，因此超出了這一點多餘焊劑開始滴水關閉木板。

Test Board Design and Material 測試板尺寸為 160x100x1.6 (mm) ，材料是 FR4 與雙面鍍銅的通孔。 連接器有 10 針， 雙列 0.2-μm AuNi完成。

Test Results 在這個測試中，我們遇到 18 板（ 9 板一重複），以獲得所需的數據分析，直交

表實現以下目標： 為了估計貢獻的個人素質影響因素。 為了取得最好的，最佳條件為無鉛加工。 為了近似回應值的控制參數在最佳條件下。 ANalysis Of VAriance ，統計處理是用來分析的直交表進行的結果實驗，決定多少每個品質影響因素的貢獻。

表 4 顯示從實驗中獲得的的數據與橋梁。

圖 3顯示的發生率有關的銜接過程中的因素。如前所述，該數字越大越好（ 200 = 無橋）。

圖 3顯示，關於銜接，接觸時間和預熱溫度影響是最大的輸出數據，也就是說，改變一個這些設置將有最大的效果的數目橋樑。

最佳的設置橋接基於實驗數據的被確定的是 A2、 B1、 C1 和 D2等。然而這差別與 A2 和 A3非常小，我們選擇 A2 有兩個原因：

1. 焊接溫度 260 ° C 是首選，由於較低的能源消費需求 ; 2. 焊接溫度 260 ° C原因降低熱衝擊，以減少元件和電路板材料

圖 4顯示了影響％的控制參數與各方面的銜接。 表 5列出了有關的實驗結果，通孔潤濕。

在圖 5 中，越高數目越好（ 4662 = 100 ％的良好焊接板）。預熱溫度（ 130℃ ）過程中影響最大。

最佳化設置制定了最佳的通孔滲透焊料是實驗數據 A3、 B1、 C2 和D2 。

Microscopic Pictures of joints 這實驗截面對‘ SACS’ 焊點的測試板。

Discussion: Results of the Experiment 焊接溫度其影響是輕微的相對於影響橋樑。透孔滲透，較高的焊接溫

度更好。不過，這有限的選擇可能是潛在損害的元件 : 催化焊劑和板材。

本實驗中接觸時間短，取得了較好的效果，可能是因為在較高的預熱和焊接 溫度設置和催化焊劑系統的妥協。這是典型的類型助焊劑在這些製程創造條件。其他的測試顯示，較長的接觸時間會有助於如果焊劑激活系統是強大到足以承受較高的溫度。否則，接觸時間為 2.5 至 4秒的建議。

在預熱溫度的條件，設定 110 º C 的在這過程最好。在較高的預熱溫度（ 130℃）的過程窗口顯著縮小 ; 這 OPS，外表塗層和焊劑可能會損失活動力。以水為基礎預熱無揮發性有機化合物焊劑需要特殊考慮。一但應用焊劑， 重要的是改善之間的化學鍵焊劑和表面板。這焊劑可以通過加熱溫度。因此，在結束第一過程區（ 600 毫米），溫度的前側板子應約 70-80 º C 。

對於這個測試，選出紅外線中波產生，在開始這元素的內容提供適當的數量和波長紅外線能量展開活動不強制水滾出來的物質。強制對流加熱用在第 2和第 3區，以消除多餘的水在進入焊錫波。

它必須有一個持續的，統一的噴霧模式焊劑要全部通過板。最好的可能是飛沫應用，最小的空氣壓力設置將提供最好的結果。高度設置可能會導致一小滴‘彈跳’效應，而不是改善潤濕板的表面。在這實驗中這 D2的設置是本篇文件最好的。

這篇文件這個實驗最好的列為如下： A 3、 B1、 C2 和 D2 A 焊錫溫度 = 275 º C折射率，以避免熱損傷， 265-270 º C 的關係 B 接觸時間 =1.8 秒 C 預熱溫度（上部）印刷電路板 = 110 ° C 的 D 濕流量體積 474 毫克 /馬克 ²

Conclusion

新的無鉛波焊接過程和其他材料有一個小的加工窗口由於氣溫升高，SPC 可以是一個寶貴的工具，幫助工程師在新開發的過程正確規範和達到最低變化的。

本實驗此測試板是在運行一個標準的波峰焊接機到達 6622配有噴霧噴嘴助焊劑，三個階段的預熱，結果在這無鉛進程並獲得可重複的氮傳送帶速度 2m/min。

這說明特殊或非標準設備，無須選擇將在大多數情況下轉換為無鉛加工。在噴霧助焊劑使用，能夠提供足夠的焊劑透孔。這是特別令人鼓舞，自從泡沫焊劑一般將無法正常工作與有水的無鉛焊劑 ; 特別新制定的助焊劑是必需的。

心得

由於這是公司技術方面的研究報告，想要實際了解應用方法有些許困難，不過在於開發新的焊接技術對於環境的改善，將會有大大的幫助。

報告結束