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铅系锡膏转换成无铅锡膏之质量问题改善研究


www.wuqianxigao.com 2010年1月28日

    

摘要

就现在制作FPC(Flexible Printing Circuit Board )的厂商来说,由于环保的要求使得原本采用的传统铅系锡膏(例如Harima Hemicals, Inc 所制造之F16 系列产品),纷纷被停止使用,进而改用符合环保要求的无铅锡膏(例如升贸公司与工研院所共同开发之SH-5521 等产品),而无铅锡膏由于铅含量低,因此在施工时往往造成锡膏在熔着时产生锡膏流动性不佳,接而造成焊锡不足、短路等现象,或因熔着温度过高而产生锡爆而形成锡球残留等问题。此外,部品高度不吻合的主要因素也是锡膏,因为在焊接时锡膏与锡铅电镀的PAD吃锡量必须为脚长1/2 左右(依各公司之FPC 实装规格书),才能使零件(电阻、电感)与脚针有接触而达到通电的效果。然而由于锡膏材料的改变此PAD 吃锡量也因而不同。因此,本研究特别针对此二问题,经由各种实验变量的分析,最后发现到主要影响质量之因素有:锡膏放置与搅拌时间、锡膏黏性、回焊炉(reflow furnace)温度条件等,并经由实验验证而订定出最佳的施工条件。

关键词:表面实装,软式印刷电路板,无铅锡膏,回焊炉,锡膏黏性

1. 研究动机与目的

软性印刷电路板(FPC)为笔记本电脑与无线通信手机等产品中所不可或缺的零组件,其质量的优劣直接会影响到产品整个的功能,因此如何有效的控制软性印刷电路板的制程,质量以及提高良率,是为制造业者所急需解决的问题。

近年来,更由于环保的要求使得原本采用的传统铅系锡膏(例如Harima Chemicals, Inc 所制造之F16系列产品),纷纷被停止使用,进而改用符合环保要求的无铅锡膏(例如升贸公司与工研院所共同开发之SH-5521 等产品),而无铅锡膏由于铅含量低,因此在施工时往往造成锡膏在熔着时产生锡膏流动性不佳,接而造成焊锡不足、短路等现象,或因熔着温度过高而产生锡爆而形成锡球残留等问题。此外,因为在焊接时锡膏与锡铅电镀的PAD 吃锡量必须为脚长1/2 左右(依各公司之FPC 实装规格书),才能使零件(电阻、电感)与脚针有接触而达到通电的效果,由于锡膏材料的改变而造成PAD 吃锡量因而不同,这也是造成部品高度不吻合、性能变异的主要因素之一。

因此,本研究特别针对铅系锡膏转换成无铅锡膏之质量改善问题,经由各种实验变量的分析,最后发现到主要影响质量之因素有:锡膏放置与搅拌时间、锡膏黏性、回焊炉(Reflow furnace)温度条件等,并经由实验验证而订定出最佳的施工条件。

2. 研究方法

本研究首先针对现有生产单位中修整率过高或不良率过高的部品,依据公司方针(客户诉怨次数)、作业能力(改善容易度)、时效性、客户重要性、可达成性、评价总数、优先顺位等原则,选出本研究之主题部品A (ALPS 品目)。

之后,就主题部品A,进行不良现状分析,以分析其主要不良项目。主要不良项目有「锡球残留」以及「高度不符」等问题。接着利用特性要因图,以了解造成主要不良项目之主要影响因素。

研究之主要流程如图一所示。

 
图一. 实验流程图 

3. 研究结果及其分析

3.1 主题部品之选定

依据公司方针(客户诉怨次数)、作业能力(改善容易度)、时效性、客户重要性、可达成性、评价总数、优先顺位等原则,进行本研究之主题部品(A0) 的选出,而其结果如表一所示。

 
表一. 主题部品选定评价表

选定评价表选定A 作为提升良品率之主题部品,原因如下:

1. 由于A 产品制程不良率高,常耗费修整线相当长时间
2. 该产品产量对本部门来说,占相当大的比例,且每片知单价相当高

因此,若能提升A 之制品良品率,对生产而言,不论是零件消耗或人工工时均能有更低之成本。

3.2 不良现状分析

为了解实际不良情形,根据生产在线A 之不良项目及数据作成不良现状分析表(如表二所示)。其中锡球残留与部品高度不符约占了全体的98.29%,因此本研究所定此二项目作为研究目标。

 
表二. 不良现状分析表

为更了解此二不良项目在各部品之不良现状分布情形,接着我们针对此二不良项目之个别不良现状分析,其结果如表三与表四所示。就A 锡球残留而言,以CHIP 电容011A 以及CHIP 电容012A 最为严重,而高度不符情形,则以011A 与013A 最为严重。因此,接下来的实验我们选择这几个电容与与电阻作为我们探讨的目标。

 
表三. 锡球残留状况分析表

 
表四. 高度不符状况分析表

3.3 锡球残留问题

经由对策检讨,进行要因分析而得到影响锡球残留之要因分析图,如图二。经检讨后,有关人员方面的因素,利用教育训练以及加强督导来加以排除,但是不良现状还是无法获得改善,因此认为主要原因在于机械设备与原料之因素。

 
图二. 锡球残留要因分析图

3.4 部品高度不符问题

经由对策检讨,进行要因分析而得到影响部品高度不符之鱼骨图,如图三。经检讨后,有关人员方面的因素,利用教育训练以及加强督导来加以排除,但是不良现状还是无法获得改善,因此认为主要原因在于机械设备与原料之因素。

 
图三. 部品高度不符要因分析图

3.5 锡膏的搅拌时间及锡膏放置的时间

经由要因分析,发现锡球残留与部品高度不符之问题主要原因在于机械设备与原料方面,并且,锡膏搅拌时间与黏度对制品质量有着重大的影响。因此,藉由以下实验以找出最佳的搅拌时间。

1. 实验品目:A 品目编号:99-710
2. 实验的机台:熔着炉AS-04
3. 实验步骤

m 自冰箱取出锡膏分别在各罐上标明3 分钟、5分钟、7 分钟、10 分钟、20 分钟、40 分钟、60 分钟。

n 取出标示3 分那罐置于搅拌机上,搅拌3 分钟后取出以黏度计测测其黏度并记录之。

h 将机台条件速度调整至标准规定值。

l 取一批进行试验,自此抽样取出50 PCS 进行实装。

r 样本依量产模式进行实装。

w 检查产出质量并记录不良数。

j 再摆放0 小时.2 小时.4 小时.6 小时.8 小时.10 小时.12 小时以后分别进行实装,检查实装质量并记录之。

i 再分别将5 分钟、7 分钟、10 分钟、20 分钟、40 分钟、60 分钟那几罐重复2~7 之步骤。

4. 实验结果:

首先测试锡膏搅拌时间与黏度变化之关系。粘度对制程之稳定有节队的影响。依锡膏厂商所提供数据显示500~700 d.pa.s 粘度值生产最为稳定。表五为锡膏搅拌时间与黏度值之测试结果。结果显示7 分钟与10 分钟时为厂商建议的粘度稳定值。

接着进行摆放时间与搅拌时间之交叉比较,其结果示于表六。由表六可看出锡膏搅拌时间在7分钟与10分钟时对产品的不良数最为稳定这与表五之结果相同,因此锡膏以搅拌10 分钟为主。由表六也可看出当摆放时间一超过12 小时,不良数增加很多,因此因此锡膏不宜摆放超过12 小时。

 
表五、锡膏搅拌时间与黏度值比较

 
表六. 摆放时间与搅拌时间交叉比较表

3.6 熔着炉温度过高及转速(输送带)过快

经由要因分析,发现锡球残留与部品高度不符之问题主要原因在于机械设备与原料方面,并且熔着炉温度过高及转速(输送带)过快对制品质量有着重大的影响。因此,藉由以下实验以找出最佳的熔着炉温度及转速。

1. 实验品目:A 品目编号:99-710
2. 实验的机台:熔着炉热风式
3. 实验步骤:

m 将锡铅印刷速度由50 刻度降低至45 刻度,改变锡膏涂层厚度。

n 输送带速度由原本1.2 米/分钟调整至0.9米/分钟 ,以及0.8 米/分钟,以改变FPC之熔着温度。

h 炉温如下:

 
l 以量产速度去调整速度值进行试验。

r 将制品测试线焊在脚针下,实装时FPC 摆放治具上。

w 取第1PCS 测温线另端插入测温器1 号处,第2PCS 测温线另端插入测温器2 号处,第3PCS测温线另端插入测温器3 号处。

j 进入计算机PROW 工作文件:测温器服务→测温内部状况→加载数据→结束→数据分析→显示温度曲线→显示最高温度及时间分析→窗体输出 

4. 结果:

如表七所示,锡膏印刷速度由50 刻度降低至45刻度,输送带速度调整至0.8 米/分钟时,FPC在最高温度230 ± 10°C 时停滞达30 秒,制品没有产生剥离现象,且熔着后的焊点均匀,所以取此为最佳的制造条件。

 

表七、输送带速度与不良品数之关系 

4. 结论

由于环保的要求使得原本采用的传统铅系锡膏(例如Harima Chemicals, Inc 所制造之F16 系列产品),纷纷被停止使用,而无铅锡膏由于铅含量低,因此在施工时往往产生很多问题。因此,本研究特别针对此二问题,经由各种实验变量的分析,最后发现到主要影响质量之因素有:锡膏放置与搅拌时间、锡膏黏性、回焊炉(reflow furnace)温度条件等,并经由实验验证而订定出最佳的施工条件。

参考文献

1. Clyde F. C., Coombs' Printed Circuits Handbook, McGraw-Hill Company (2001).
2. Mark I. M., Emc & the Printed Circuit Board: Design, Theory & Layout Made Simple, Institute of Electrical & Electronics Enginee (1999).
3. Mark I. M., Printed Circuit Board Design Techniques for Emc Compliance : A Handbook for Designers (IEEE Press Series on Electronics Technology), IEEE Computer Society Press (2000).
4. John Varteresian , Fabricating Printed Circuit Boards, Llh Technology Publishing (2002).

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