Возможности автоматов и процесса при пайке оплавлением

Возможность технологического процесса определяется стандартом DIN ISO 21747:2006 как статистическая оценка способности контролируемого процесса выполнить соответствующие требования [1]. В [2] очень подробно описана способность процесса обеспечить требуемое качество продукции.
Возможность процесса обычно выражается в виде показателя, который связывает фактическую изменчивость процесса с допуском, указанным в спецификации. Широко используемый показатель изменчивости для переменных Сp представляет собой отношение общего допуска к величине 6σ, которая является мерой теоретической изменчивости процесса, точно центрированного между заданными в спецификации пределами:

,

где Cp — возможность процесса; Сm — возможность машины (автомата); σ — cтандартное отклонение.
Другой широко используемый показатель Срк, описывающий фактическую возможность процесса (машины), может быть как центрированным, так и нецентрированным. Показателем Срк особенно удобно пользоваться в случае одностороннего допуска. Возможности процесса/автомата описываются в виде формулы, в которой задействованы широко применяемые показатели соответствия характеристик техническим требованиям:

,

где C_pk/С_mk — критическая возможность процесса/машины.
Поскольку возможность процесса зависит от возможности используемых машин, к ним предъявляются более строгие требования. Вообще говоря, для автоматов требуется, чтобы С_mk > 1,67 [2].
Определение показателей возможности процесса пайки оплавлением осложнено выбором измеряемых характеристик. Из диаграммы Исикавы (см. рис. 1) видно, что качество пайки зависит от большого количества факторов, среди которых доля работоспособности паяльного автомата очень мала.

Рис. 1. Диаграмма Исикавы для пайки оплавлением

Очевидно, что такие дефекты как пустоты паяных соединений не годятся для определения способности автомата участвовать в процессе пайки. Противоположные эффекты делают невозможным задать требуемую температуру пайки, что наглядно проиллюстрировано на рисунке 2. Результаты показывают [3], что в среднем количество пустот при пайке корпусов BGA увеличивается с ростом пиковой температуры и уменьшается, если речь идет о кремниевых кристаллах. Температура, скорость конвейера и разница температур — возможные кандидаты на измеряемые характеристики. В отличие от механических систем, в данном случае необходимо принимать в расчет то обстоятельство, что существует непосредственное термодинамическое взаимодействие между системой пайки оплавлением и измерительным устройством (см. рис. 3). На рисунке 3 показана зависимость температуры воздуха в системе пайки на уровне конвейера на расстоянии 40 мм от тестовой платы, в центре тестовой платы, а также температура стандартизованной массы. Очевидно, что эти температуры отличаются друг от друга. Тестовая плата поглощает тепловую энергию из окружающей среды, в результате чего температура в центре платы ниже температуры воздуха на некотором расстоянии от платы.

Рис. 2. Образование пустот в зависимости от величины максимальной температуры [3]

Рис. 3. Температурный профиль пайки оплавлением с использованием тестовой платы

Из-за этого взаимодействия чрезвычайно трудно использовать температурную разницу в качестве измеряемой характеристики. Например, на рисунке 4 показана ширина температурного профиля для системы пайки оплавлением. Разница максимальных температур на тестовой плате (dT = 2 K) значительно меньше максимальной разницы температур, которую демонстрируют кривые измерений (15 К).
По этой причине рекомендуется уточнять значения температур на стандартизованных тестовых платах для определения коэффициентов работоспособности машин, используемых в системе пайки оплавлением. Еще одна трудность заключается в установлении пределов допусков.

Рис. 4. Ширина температурного профиля системы пайки оплавлением

Слишком часто в этих системах используется опыт из машиностроительной области, где указываются слишком жесткие допуски, которые нельзя применять в пайке оплавлением из-за термодинамических соображений. Таким образом, для определения допусков рекомендуется использовать таблицу 1.

Температуры определяются с помощью тестовой платы с установленными на ней термопарами с предельным отклонением в ±1,5 К в соответствии с IEC 584. Данные записываются с помощью регистратора во время измерений, проводимых с точностью до ±0,5 К. Тестовая плата и система пайки оплавлением взаимодействуют друг с другом, и это приводит к необходимости учитывать точность повторения, обеспечиваемую этой системой. Контроллеры отдельных зон нагрева имеют точность ±0,5 К. Допуск откалиброванного блока измерения внутренней температуры системы пайки составляет ± 0,6 К. Следует заметить, что калибровка системы представляет собой очень длительный процесс (около 12 ч), и потому она не используется из соображений экономии. В свою очередь, тестовые платы, как правило, калибруются, поэтому в расчете допусков задействовано, по крайней мере, одно эталонное значение.
Наконец, при расчете допуска следует учитывать однородность распространения тепла с помощью значения ширины профиля (dTw). В результате этого явления предельно допустимая ширина намного превышает допуск для механических систем. На практике, однако, эта процедура стала прочной основой для определения показателей способности процесса пайки оплавлением. Благодаря установленному контролю над возможностями процесса системы пайки оплавлением стали оснащаться функциями, которые позволяют избавиться от необходимости выполнять вручную трудоемкое определение значений коэффициентов работоспособности процесса.