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表面组装工艺控制关键点及工艺窗口和工艺能力

一、表面组装工艺控制关键点据统计，名列PCBA焊接不良前五位的是虚焊、桥连、少锡、移位和多余物，而这些不良现象的产生在很大程度上与焊膏印刷、钢网设计、焊盘设计以及温度曲线设置有关，也就是与工艺有关。如果说提升SMT的终极目标是为了获得优质焊点的话，那么就可以说工艺是SMT的核心。SMT工艺，按照业务划分，一般可分为工艺设计、工艺试制和工艺控制，如图1所示，其核心目标是通过合适焊膏量的设计与一致的印刷沉积，减少开焊、桥连、少锡和移位，从而获得预期的焊点质量。

图1

工艺控制点在每项业务中，有一组工艺控制点，其中焊盘设计、钢网设计、焊膏印刷与PCB的支撑，是工艺控制的关键点。随着元器件焊盘以及间隔尺寸的不断缩小，钢网开窗的面积比以及钢网与PCB印刷时的间隙越来越重要。前者关系到焊膏的转移率，而后者关系到焊膏印刷量的一致性以及印刷的良好率。为了获得75%以上的焊膏转移率，根据经验，一般要求钢网开窗与侧壁的面积比大于等于0.66；要获得符合设计预期的、稳定的焊膏量，印刷时钢网与PCB的间隙越小越好。要实现面积比大于等于0.66，不是一件困难的工作，但是要消除钢网与PCB的间隙就是一件非常难的工作，这是因为钢网与PCB的间隙与PCB的设计、PCB的翘曲、印刷时PCB的支撑等很多因素有关，有时受制于产品设计和使用的设备是不可控的，而恰恰这是精细间距元器件组装的关键！像0.4mm引脚间距的CSP、多排引脚QFN、LGA、SGA的焊接不良几乎百分之百与此有关。因此，在先进的专业代工厂，发明了很多非常有效的PCB支撑工装，用于矫正PCB的翅曲，以保证零间隙印刷。

二、工艺窗口与工艺能力1.工艺窗口工艺窗口通常用来描述工艺参数可用的极限范围，是“用户规格范围（USL-LSL）”概念在SMT工艺领域的专业用语。例如，按照经验，再流焊接的最低温度一般要比焊料熔点高11～12℃，当使用Sn63Pb37时，合金的熔点为183℃，其最低的再流焊接温度为195℃左右。在J-STD-020B中，规定元件的最高温度为245℃，这样有铅工艺可用的工艺窗口为50℃，而不是“245-183”所得的理论上的62℃。这里一定要注意“可用”两字。2.工艺窗口指数（PWI）工艺窗口指数（Process Window Index，PWI），是衡量用户确定的工艺极限值范围内工艺能力适应程度的指标，换句话说，就是使用工艺窗口的最大百分比，用于简单说明工艺是否满足技术规范的要求，其值基本上是Cp倒数的百分数。PWI越大，工艺稳定性越差，反之，亦然。PWI=100×Max{（测量值-平均极限值）/最大极限范围/2}例如，贴片机的工艺窗口指数（见图2）

图2

PWI的概念以再流焊接曲线为例说明，工艺曲线主要控制参数有升温速率、预热时间、预热结束时间、峰值温度和熔点以上时间，通过测量与计算，取四个参数中PWI最大的值作为温度曲线的PWI。3.工艺能力指数（Cp）工艺能力指数Cp，台湾企业称为制程能力指数。反映了用户的规格范围（δ）内有多少个6σ，数值越大，工艺的稳定性越高。Cp=（USL-LSL）/6σ其中，σ标准偏差，反映了数据各点到其平均数距离的平均值，即正态分布“钟”形图形的宽窄，越窄说明工艺能力越强；USL为用户规格上限，LSL为用户规格下限。一般选取核心工艺指标进行测量。如再流焊接炉，我们可以测量峰值温度的在不同负载率的情况下的波动。4.工艺能力管理指数（Cp k）工艺能力管理指数 Cpk，反映的是正态分布“钟”形图形的居中性，即 Cp k=（USL-μ）/3σ或（μ-LSL）/3σ的最小值。其中μ为用户规格的中心值。根据贾忠中著SMT核心工艺解析与案例分析改编