Устранение дефектов ручной пайки


PDF версия

В статье рассматриваются недостатки метода ручной пайки и способы избавления от ее дефектов.

Пайка с использованием проволочного припоя до настоящего времени допускается на большинстве предприятий электронной промышленности. В тех случаях, когда изделие или используемые компоненты не выдерживают высоких температур печей для пайки, единственным решением остается традиционный локальный нагрев при помощи простого паяльника. В случае крупносерийного производства возникает необходимость в большом количестве резервной рабочей силы, чтобы не отстать от автоматизированных процессов того же производства.
Пайка с использованием проволочного припоя и паяльника также ведет к тому, что каждый отдельный оператор самостоятельно принимает решения в рамках своего участка работы, что, в свою очередь, может вылиться в большое число дефектов, увеличение отходов производства или появлению скрытых дефектов, которые проявятся по прошествии длительного времени. Несмотря на большое число инноваций в области автоматизации технологии пайки, многие операции пайки совершаются вручную, что увеличивает вариативность продукции.
Вне зависимости от масштабов производства — от прототипирования в лаборатории до изготовления продукции в промышленных масштабах — качество выполнения пайки вручную характеризуется высокой степенью вариативности (см. рис. 1). Дефекты, отходы и необходимость ремонта сразу после производства превышают все мыслимые нормы, даже если привлекаются высококвалифицированные сотрудники.
Использование в производстве высокотемпературных бессвинцовых материалов является еще одним вызовом, который требует от оператора работать на пределе возможностей. При визуальной инспекции результатов бессвинцовой пайки, как правило, приходится сталкиваться с дополнительными сложностями, из-за чего большинство исправлений производится непосредственно в процессе ручной пайки, а реальный коэффициент дефектности сложно измерить.

 

Рис. 1. Операции ручной пайки вариативны по определению

В настоящее время доступны другие решения, которые требуют небольших капиталовложений, но позволяют существенно увеличить производительность каждого отдельного оператора. Эти решения доказали свою эффективность при устранении многих недостатков традиционных процессов, которые, как правило, связаны с использованием проволочного припоя. Наиболее очевидными достоинствами этих технологий является более высокая скорость и управляемость процессом, что позволяет снизить уровень отходов и существенно повысить общее качество продукции. Во многих сферах применения, где ранее было обязательным использование проволочного припоя, более высокий уровень автоматизации достигается за счет применения паяльной пасты и методов локального нагрева.

Дефектов много — причина одна

Наиболее часто встречаемые дефекты ручной пайки следующие (см. рис. 2):
– плохой контакт углов, появление точек концентрации напряжения и образование «мостов» между компонентами из-за слишком большого количества припоя;
– невысокая механическая прочность или плохое заполнение пустот из-за недостаточного количества припоя;
– перегрев компонентов из-за чрезмерно продолжительного времени, затраченного на соединение.
– «холодное соединение», вызванное недостаточностью нагрева или отсутствием флюса в сердечнике проволочного припоя;
– загрязнение соединения перегоревшим флюсом или окисленным припоем, вызываемое неправильным обслуживанием жала паяльника;
– образование шипов на вершине капли припоя.
Опросы клиентов показали, что наиболее распространенными видами дефектов ручной пайки, возникающих при работе с бессвинцовыми проволочными припоями, являются:
– образование шипов на вершине капли припоя — 30%;
– слишком много/слишком мало припоя — 30%;
– отсутствие смачиваемости компонентов или контактных площадок печатных плат — 20%.

 

Рис. 2. Операции ручной пайки ведут к различным видам дефектов

Результаты инспекции после ремонта показывают, что те дефекты, которые возникли после одного цикла ремонта, скорее всего, уже не подлежат исправлению, что ведет к утилизации компонентов или даже всей печатной платы. Эти дефекты включают:
образование несмачиваемых припоем участков;
повреждение компонентов;
повреждение контактных площадок печатной платы.
Кроме того, испытания на воздействие циклического изменения температуры, проводимые на отремонтированных и неремонтированных печатных платах, выявляют скрытые дефекты, которые присущи отремонтированным паяным соединениям. Прогнозируемый эксплуатационный отказ и процент отказов отремонтированных паяных соединений слишком высок и неприемлем.
Все эти дефекты имеют общую причину — они являются результатом ручного труда, а ручные операции по определению более вариативны. Выполненные вручную изделия имеют ценность, если требуется уникальный продукт, но для паяного соединения уникальность не является выигрышным моментом.
Обучение сотрудников играет решающую роль с точки зрения конечного качества пайки, но курсы обучения стоят денег и отвлекают от производства.
Высокий процент текучести кадров увеличивает расходы на обучение персонала, а малые производства, испытывающие недостаток в квалифицированных кадрах, вынуждены искать пути решения проблем, возникающих при невыходе ведущих сотрудников на работу или в период отпусков.

Оценка реальной стоимости отходов и ремонта

Реальную стоимость дефектов, ремонта и отходов, вызванных применением ручной пайки, определить непросто и даже невозможно (см. рис. 3). Помимо всего, с этой целью необходимо прибегнуть к услугам квалифицированного экономиста.

 

Рис. 3. Реальную стоимость дефектов и ремонта сложно рассчитать

Как минимум при оценке этих расходов необходимо учитывать следующие моменты.
– Стоимость инспекции
Это расходы, ассоциируемые с потерянной производительностью, за счет времени, затраченного на поиск дефектов паяных соединений. Оператор может осуществлять инспекцию такого рода непосредственно в процессе производства, или этот процесс может потребовать участия второго сотрудника и даже сотрудника следующего — третьего уровня.
– Стоимость ремонта
Это стоимость времени, затраченного на восстановление продукта. Такой ремонт может быть выполнен немедленно на только что выполненном соединении или после инспекции изделий и отбраковки.
– Стоимость отходов
Вероятно, наиболее разорительную статью расходов составляют те дефектные паяные соединения, которые не могут быть исправлены или применение которых ведет к повреждению конечного изделия. Эта статья расходов включает стоимость исходных материалов и всего времени, инвестированного в обработку.
– Стоимость обучения
Ручное производство в пайке требует наличия высококвалифицированного персонала. Помимо стоимости часов, затраченных на обучение и сертификацию сотрудников, следует учитывать стоимость учебных материалов и преподавателей.
Также необходимо учесть стоимость обучения на рабочем месте. Квалификация приобретается не за учебной партой, а в процессе реальной работы. Обучение продолжается в рабочем цеху, а опыт сотрудника приобретается в т.ч. за счет эффективности производства.
– Жалобы и возвраты
В дополнение к прямым расходам по обработке жалоб и возвратов от клиентов необходимо учитывать нематериальную стоимость бизнеса, потерянного из-за низкого качества изделий.

Пример из практики

Производитель печатных плат использовал тест-купоны для испытаний на износ, но их результаты не соответствовали параметрам производства печатных плат — компоненты припаивались к тест-купонам вручную. После замены ручной пайки на полуавтоматическую результаты испытаний на износ существенно улучшились.
Вариативность результатов испытаний на износ была вызвана вариативностью результатов ручной пайки, а не процесса производства печатных плат.

Альтернативные методы пайки

Паяльная паста является достаточно простым усовершенствованием пайки, т.к. она может наноситься при помощи широкого ряда методов. На плоские поверхности она наносится методом трафаретной печати через оконца трафарета, а на неровные поверхности или в том случае, если требуется точечная пайка, она наносится из шприца через насадку или с использованием дозирующего клапана. Для автоматизации этого процесса применяется разное оборудование — от простых настольных устройств, управляемых оператором, до полностью автоматизированных роботов, встраиваемых в линию, где подача осуществляется при помощи конвейера. Некоторые из этих систем допускают расширение функционала, что обеспечивает эволюцию производства от настольного решения до автоматизированной линии сборки.
Нанесение паяльной пасты, как правило, является более управляемым процессом, чем использование проволочного припоя. Объем реальной дозы паяльной пасты может быть чрезвычайно точно отрегулирован. Кроме того, в пасте содержится больше флюса по сравнению с проволочным припоем, благодаря чему качество паяного соединения достигает заданного.
Многие предприятия стали использовать гораздо меньше припоя на соединение при переходе к паяльной пасте. При этом соединение становится более прочным и качественным. Гибкость процесса также вырастает за счет очень широкого разнообразия составов паяльных паст. Тип флюса, вязкость паяльной пасты, реологические свойства, содержание металла и состав сплава — все эти параметры могут комбинироваться в несчетные количества комбинаций под потребности каждого отдельного производства в зависимости от паяемых компонентов и материалов.

Сравнение паяльной пасты с традиционным проволочным припоем

Паяльная паста отличается от традиционного проволочного припоя не только высокой стабильностью и качеством, но и физическими параметрами. Приведем наиболее очевидные преимущества паяльной пасты.

Характеристики паяльной пасты

Паяльная паста представляет собой гомогенную смесь. Каждый шарик припоя покрыт флюсом. Как правило, в состав пасты входят 85% металла и 15% флюса. Традиционный проволочный припой содержит примерно 2–3% флюса. Часто сердечник из флюса имеет пустые участки, что приводит к таким дефектам пайки как натеки.

Характеристики процесса

– Состав паяльной пасты минимизирует возможность расслоения, а довольно вязкая консистенция позволяет устанавливать паяемые компоненты без предварительной фиксации.
– Паяльную пасту легче перевести на использование в составе полуавтоматических или полностью автоматических линий. При этом всегда существует достаточно широкий выбор опций. Прутковый припой подается либо вручную, либо за счет захватывающих роликов.

Характеристики флюса

– Повышенное содержание флюса в паяльной пасте обеспечивает лучшую смачиваемость поверхности при создании соединения.
– Флюс в большей мере очищает и подготавливает паяемую поверхность, чем проволочный припой с сердечником из флюса, улучшая распределение металла и глубину интерметаллического соединения.
– Проволочный припой должен подаваться в место образования соединения до тех пор, пока не обеспечится необходимое смачивание. Благодаря характеристикам флюса паяльной пасты требуется меньше металла для образования такого же соединения.

Идеальное решение

Идеальным решением проблем, связанных с ручной пайкой, видится то, которое в наибольшей мере не зависит от уровня квалификации оператора (см. рис. 4). Другими словами, любой сотрудник может выполнять с помощью этого решения стабильную высококачественную пайку.

 

Рис. 4. Идеальным решением, позволяющим избавиться от дефектов пайки, является устранение их причины — ручного производства

Чтобы избежать проблем, связанных с обслуживанием и эксплуатацией жала паяльника, это решение должно использовать бесконтактные методы разогрева. Необходимо, чтобы метод нагрева был надежным: даже соединение не должно перегреваться.
Объем припоя в соединении должен быть унифицирован, а положение паяного соединения — стабильно от изделия к изделию.
Это решение должно предусматривать возможность использования всего ряда сплавов и флюсов, а также обеспечивать простоту перехода со свинцовых сплавов на бессвинцовые.
И, конечно же, идеальное решение должно требовать минимальных инвестиций.

Оставьте отзыв

Ваш емейл адрес не будет опубликован. Обязательные поля отмечены *