DOW试验在无铅波峰焊接品质控制中的应用.pdf

Since 1984 DOE试验在无铅波峰焊接品质控制中的应用试验在无铅波峰焊接品质控制中的应用 DOEDOE试验在无铅波峰焊接品质控制中的应用试验在无铅波峰焊接品质控制中的应用 Since 1984 DOE试验在无铅波峰焊接品质控制中的应用试验在无铅波峰焊接品质控制中的应用 1、DOE方法提出的技术背景 2、什么是DOE 3、DOE方法有什么特点 4、如何采用DOE方法控制波峰焊接品质 Since 1984 DOE试验在无铅波峰焊接品质控制中的应用试验在无铅波峰焊接品质控制中的应用 1 DOE方法提出的技术背景 Since 1984 DOE试验在无铅波峰焊接品质控制中的应用试验在无铅波峰焊接品质控制中的应用 焊接缺陷率焊接缺陷率 500ppm 3000ppm 技术背景 工 艺 窗 口 的 缩 小 5000ppm 0ppm Since 1984 DOE试验在无铅波峰焊接品质控制中的应用试验在无铅波峰焊接品质控制中的应用 如何有效地控制无铅波如何有效地控制无铅波 峰焊的缺陷峰焊的缺陷 无铅波峰焊常见的焊无铅波峰焊常见的焊 接缺陷有那些呢接缺陷有那些呢 缺陷是怎么产生的缺陷是怎么产生的 跟甚么因素有关跟甚么因素有关 技术背景 Since 1984 DOE试验在无铅波峰焊接品质控制中的应用试验在无铅波峰焊接品质控制中的应用 采用鱼骨图进行原因分析 人 机 料 法 环 无铅波峰焊无铅波峰焊 接低缺陷率接低缺陷率 生产制造过程中生产制造过程中 工作人员的问题工作人员的问题 钎料成分问题等钎料成分问题等 焊接工艺问题焊接工艺问题 PCB板的设计，运送板的设计，运送 存储时出现的问题以及存储时出现的问题以及 元器件自生存在的问题元器件自生存在的问题 波峰焊机稳定波峰焊机稳定 性能问题性能问题 温度温度/湿度湿度/气压气压 Since 1984 DOE试验在无铅波峰焊接品质控制中的应用试验在无铅波峰焊接品质控制中的应用 助焊剂 1不润湿/润湿不良； 2 焊锡网 3 桥连 4 锡球 5 助焊剂残留 6 球状焊点 7 冰柱 8 填充不良 9 焊点空洞 浸锡时间 1 过长粘锡、气孔，拉尖等焊接缺陷 2 太短锡量不足、漏焊，桥连等 预热温度 1 不润湿/润湿不良； 2 焊点空洞 3 桥连 4 锡球 5 球状焊点 6 冰柱 8 填充不良 压波高度 1 波峰过高拉尖、桥连等 2 波峰过低 吃锡量不够，锡点不饱满等 1 传输角小桥连等 2 传输角大焊接质量不好等 轨道倾角 1 焊点剥离 2 焊点质量 冷却速度 焊接温度 1 过低易造成虚焊和拉尖等焊接缺陷 2 过高元器件受高温而损坏，加速焊料的氧化 焊接工艺对缺陷的影响 Since 1984 DOE试验在无铅波峰焊接品质控制中的应用试验在无铅波峰焊接品质控制中的应用 制造系统（稳定） Cp Cpk SPC维持 改善制造系统是否有特殊原因改善制造系统是否有特殊原因 问题内型 T型 A型 X型 原因 明确 明确 不明确 条件 明确 不明确 不明确 解决工具解决工具 QC 推测推算 DOE 控制图 相关回归 层别法 DOE DOE方法的提出方法的提出 Since 1984 DOE试验在无铅波峰焊接品质控制中的应用试验在无铅波峰焊接品质控制中的应用 筛选主要因子（筛选主要因子（2N）） 找出最佳生产条件组合（找出最佳生产条件组合（3N）） 证实最佳生产条件有再现性证实最佳生产条件有再现性 1因子 拉丁方程；2因子 希腊拉丁方程；3因子 超希腊拉丁方程 DOE方法的提出方法的提出 通过实验进行优化设计 通过实验通过实验控制其不良控制其不良 的的影响程度影响程度 ，测，测 工艺问题不具有工艺问题不具有 完全复制性完全复制性 必须针对个体实际情况必须针对个体实际情况 通过科学方法找到最佳组合通过科学方法找到最佳组合 Since 1984 DOE试验在无铅波峰焊接品质控制中的应用试验在无铅波峰焊接品质控制中的应用 2 2 什么是DOE方法 Since 1984 DOE试验在无铅波峰焊接品质控制中的应用试验在无铅波峰焊接品质控制中的应用 DOE的定义的定义 试验设计（试验设计（Design Of Experiment，简称，简称DOE），是对过程或产品进），是对过程或产品进 行改善或优化，行改善或优化，找出最佳关键因子的方法。找出最佳关键因子的方法。 DOE的作用的作用 􀂾􀂾 寻找和验证影响过程的寻找和验证影响过程的主要因素主要因素。。 􀂾􀂾 优化因素的取值，找出因素的优化因素的取值，找出因素的最佳水平搭配最佳水平搭配。。 􀂾􀂾 提高过程和产品的质量，实现提高过程和产品的质量，实现6σ管理管理。。 􀂾􀂾 提高过程和产品的提高过程和产品的稳定性稳定性，减少受环境的影响。，减少受环境的影响。 􀂾􀂾 提高产品的提高产品的可靠性可靠性，延长产品的使用寿命。，延长产品的使用寿命。 􀂾􀂾 减少不必要的工艺和材料，减少不必要的工艺和材料，降低生产成本降低生产成本，缩短生产周期。，缩短生产周期。 􀂾􀂾 通过提高产品的设计质量，减小对检验的依赖，通过提高产品的设计质量，减小对检验的依赖，降低管理成降低管理成 本本。。 Since 1984 DOE试验在无铅波峰焊接品质控制中的应用试验在无铅波峰焊接品质控制中的应用 3 3 DOE方法有什么特点 Since 1984 DOE试验在无铅波峰焊接品质控制中的应用试验在无铅波峰焊接品质控制中的应用 实验设计（实验设计（DOE））是指以概率论、数理统计和线性代数概率论、数理统计和线性代数等为理论基础， 科学地安排实验方案，正确地分析实验结果，尽快获得优化方案的一种数学 方法。 主要方法主要方法 西方西方统计质量专家（以G.E.BOX为代表）提出的经典方法经典方法 （重回归分析，适合单一产品大批量生产）（重回归分析，适合单一产品大批量生产） 采用统计回归统计回归的思想拟合出质量特性和影响因素之间的函数关系拟合出质量特性和影响因素之间的函数关系，并进行 响应曲面响应曲面分析，寻找工艺参数的最佳配置最佳配置，从而使输出质量特性最优输出质量特性最优。 追求均值最优均值最优，统计推导较为严谨推导较为严谨，实验阶段较为分明，有序贯性的特点 日本日本著名质量管理专家田口玄一博士创立的田口方法田口方法 （重试验设计，适合多品种少批量）（重试验设计，适合多品种少批量） 注重实验设计与工程技术的结合实验设计与工程技术的结合，提出稳健性设计的思想，在实验中综合 考虑误差误差因素，寻求设计参数的优化配置设计参数的优化配置，从而获得较为稳定的输出质量特性稳定的输出质量特性 强调均值与方差均值与方差的综合优化，寻求相对满意解，实验设计与分析过程相对 简单易用追求质量与成本的均衡质量与成本的均衡，现在已经得到广泛使用。 Since 1984 DOE试验在无铅波峰焊接品质控制中的应用试验在无铅波峰焊接品质控制中的应用 制定目标 要因分析 第一阶段试验 3k 因子设计因子设计 弯曲 不 弯 曲 制定SPC 标准 接近预 期目标 选定试验方案，确 定试验因子和水平 响应曲面设计响应曲面设计 得出试验结果 再现性试验 DOE基本策略基本策略 田口方法田口方法 经典方法经典方法 Since 1984 DOE试验在无铅波峰焊接品质控制中的应用试验在无铅波峰焊接品质控制中的应用 典型的正交表典型的正交表 “L”表示此为正交表； “8”表示试验次数； “2”表示两水平 “7”表示试验最多可以有 7个因素 包括单个因素 及其交互作用。 正交表的表示方法正交表的表示方法 一般的正交表记为Lnmk，n是表的行数， 也就是要安排的试验数; k 是表中的列数，表示因素的个数；m 是各因素的水平数； 常见的正交表常见的正交表 2水平的有 L423, L827, L12211, L16215等； 3水平的有 L934, L27313等； 4水平的有 L1545; 5水平的有 L2556; Since 1984 DOE试验在无铅波峰焊接品质控制中的应用试验在无铅波峰焊接品质控制中的应用 1）） 完全要因实验（也称为析因实验）完全要因实验（也称为析因实验） 两水平因子实验（线性） 完全要因基础，插入中心点后判断 三水平因子实验（二次曲面） 采用基于中心复合设计或BOX-BEHNKEN法的响应曲面模型分析 2）） 部分要因实验部分要因实验（因子过多，筛选实验）（因子过多，筛选实验） 博克斯-亨特（BOX-Hunter）进行了分辨度设计 ⑴ 分辨度Ⅲ ⑵ 分辨度Ⅳ ⑶ 分辨度Ⅴ 部分部分2k因子试验设计因子试验设计 2k是指共有是指共有k 个因子个因子, 每个因子只有每个因子只有2 个水平个水平 部分部分2k因子因子就是完全就是完全2k因子的因子的一部分子集或一部分一部分子集或一部分 筛选主要因子（筛选主要因子（2N）） 找出最佳生产条件（找出最佳生产条件（3N）） 经典实验设计方法经典实验设计方法 4 4 步走步走 Since 1984 DOE试验在无铅波峰焊接品质控制中的应用试验在无铅波峰焊接品质控制中的应用 对分辨度的解释在对分辨度的解释在DOE中，有个混淆的概念，比如主效应和中，有个混淆的概念，比如主效应和2级交级交 互作用混淆，互作用混淆，2级交互作用和级交互作用和3级交互作用混淆等情况。级交互作用混淆等情况。 在做部分因子试验设计时有混淆情况，所以，在做部分因子试验设计时有混淆情况，所以，III代表主效应与代表主效应与2级交互级交互 作用混淆，作用混淆，IV代表主效应与代表主效应与3级交互作用混淆以及级交互作用混淆以及2级交互作用与级交互作用与2级交互作级交互作 用混淆，也可以这样理解用混淆，也可以这样理解 III12，，1代表主效用，代表主效用，2代表代表2级交互作用；级交互作用；IV13还等于还等于22，， 1代代 表主效用，表主效用，3代表代表3级交互作用，同样，级交互作用，同样，2还是代表还是代表2级交互作用。这里所说的级交互作用。这里所说的 III和和IV就是我上面提到的分辨度。就是我上面提到的分辨度。 DOE中，中，2VI k-p表示就是表示就是k个因子个因子2个水平的部分因析试验设计，其分个水平的部分因析试验设计，其分 辩度为辩度为VI，，2-p表示试验组数为全因析试验的表示试验组数为全因析试验的1/2p。。 Since 1984 DOE试验在无铅波峰焊接品质控制中的应用试验在无铅波峰焊接品质控制中的应用 3）） 响应曲面模型（响应曲面模型（RSM）） 选择响应曲面模型方法拟合二次回归方程，绘制响应曲面与等高线图 清晰直观地表达了重要影响因素水平与输出的关系，尤其当最优点不可取 时可以方便地追踪到次优点。 实验次数较多，实验周期较长，不利于在设计过程中使用 没有充分考虑到误差因素的影响 只适合连续的计量值的拟合，对于离散的计数值设计显得无能为力了 4）） 调优设计调优设计 （（EVOP）） 一种是结合响应曲面求出响应曲面模型与等高线，按有限制条件次优 解求解 - 复杂 一种是使用经典调优设计试算求出满意解 经典实验设计方法经典实验设计方法 4 4 步走步走 筛选主要因子（筛选主要因子（2N）） 找出最佳生产条件组合（找出最佳生产条件组合（3N）） Since 1984 DOE试验在无铅波峰焊接品质控制中的应用试验在无铅波峰焊接品质控制中的应用 DOE基本概念基本概念 主效应主效应 Since 1984 DOE试验在无铅波峰焊接品质控制中的应用试验在无铅波峰焊接品质控制中的应用 DOE基本概念基本概念 主效应主效应 Since 1984 DOE试验在无铅波峰焊接品质控制中的应用试验在无铅波峰焊接品质控制中的应用 DOE基本概念基本概念 主效应主效应 Since 1984 DOE试验在无铅波峰焊接品质控制中的应用试验在无铅波峰焊接品质控制中的应用 DOE基本概念基本概念 交互作用交互作用 Since 1984 DOE试验在无铅波峰焊接品质控制中的应用试验在无铅波峰焊接品质控制中的应用 30 m 50Kg 磷磷 25 m 50Kg 钾钾 20kg 磷磷 30kg 钾钾 40 m 交互作用交互作用 总总效果效果 - 20kg 磷的效果磷的效果 30kg 钾钾的效果的效果 DOE基本概念基本概念 交互作用交互作用 Since 1984 DOE试验在无铅波峰焊接品质控制中的应用试验在无铅波峰焊接品质控制中的应用 4.14.1 如何采用DOE方法控制波峰焊接品质 田口方法 Since 1984 DOE试验在无铅波峰焊接品质控制中的应用试验在无铅波峰焊接品质控制中的应用 田口试验在波峰焊中应用实例田口试验在波峰焊中应用实例（以缺陷率为控制对象）（以缺陷率为控制对象） Since 1984 DOE试验在无铅波峰焊接品质控制中的应用试验在无铅波峰焊接品质控制中的应用 田口试验在波峰焊中应用实例田口试验在波峰焊中应用实例（以缺陷率为控制对象）（以缺陷率为控制对象） Since 1984 DOE试验在无铅波峰焊接品质控制中的应用试验在无铅波峰焊接品质控制中的应用 田口试验在波峰焊中应用实例田口试验在波峰焊中应用实例（以缺陷率为控制对象）（以缺陷率为控制对象） Since 1984 DOE试验在无铅波峰焊接品质控制中的应用试验在无铅波峰焊接品质控制中的应用 田口试验在波峰焊中应用实例田口试验在波峰焊中应用实例（以典型缺陷为控制对象）（以典型缺陷为控制对象） L82 7 渗透情况与渗透情况与 工艺参数的关系工艺参数的关系 Since 1984 DOE试验在无铅波峰焊接品质控制中的应用试验在无铅波峰焊接品质控制中的应用 田口试验在波峰焊中应用实例田口试验在波峰焊中应用实例（以典型缺陷为控制对象）（以典型缺陷为控制对象） L82 7 锡桥情况与锡桥情况与 工艺参数的关系工艺参数的关系 L122 8 Since 1984 DOE试验在无铅波峰焊接品质控制中的应用试验在无铅波峰焊接品质控制中的应用 Analysis of Variance ANOVA 方差分析样本数据存在变差 Since 1984 DOE试验在无铅波峰焊接品质控制中的应用试验在无铅波峰焊接品质控制中的应用 田口试验在波峰焊中应用实例田口试验在波峰焊中应用实例（以典型缺陷为控制对象）（以典型缺陷为控制对象） 得到效应参数得到效应参数 Since 1984 DOE试验在无铅波峰焊接品质控制中的应用试验在无铅波峰焊接品质控制中的应用 田口试验在波峰焊中应用实例田口试验在波峰焊中应用实例（以典型缺陷为控制对象）（以典型缺陷为控制对象） 得到效应参数得到效应参数 得到效应参数得到效应参数 Since 1984 DOE试验在无铅波峰焊接品质控制中的应用试验在无铅波峰焊接品质控制中的应用 4.24.2 如何采用DOE方法控制波峰焊接品质 经典方法 Since 1984 DOE试验在无铅波峰焊接品质控制中的应用试验在无铅波峰焊接品质控制中的应用 试验设备及材料试验设备及材料 物理特性 日本Tumura EC-19S-8 成分 乙醇、二丙基醇、甲苯、二甲苯、乙醛脂 稀释剂 THINNER4520 氯含量 0.080.02 状态 液体 表观 明亮的黄色，透明 比重（20℃） 0.8220.007 固体含量 152 粘度（30℃， Redwood ） 3.91.5 mPa.s 最优焊接温度 250-260℃ 绝缘阻抗 高于11012Ω SWPC的波峰焊优化器，可测压波高度，浸锡时间等参数。 钎料采用Sn-3.5Cu-0.5Ag 经典试验在波峰焊中应用实例经典试验在波峰焊中应用实例 Since 1984 DOE试验在无铅波峰焊接品质控制中的应用试验在无铅波峰焊接品质控制中的应用 因子名称 高水平＋1 低水平－1 A 助焊剂流量 30ml/min 60ml/min B 预热温度 90℃ 110℃ C 浸锡时间 2s 4s D 压波高度 0.8mm 1.2mm E 锡炉温度 245 265 F 轨道倾角 4 6 试验因子及水平 第一阶段选择部分第一阶段选择部分2k因子试验设计因子试验设计 助焊剂量 预热温度 锡炉温度 浸锡时间 轨道倾角 压波高度 波峰焊 焊剂部分 波峰部分 经典试验在波峰焊中应用实例经典试验在波峰焊中应用实例 Since 1984 DOE试验在无铅波峰焊接品质控制中的应用试验在无铅波峰焊接品质控制中的应用 部分部分2k因子试验设计因子试验设计 因子 6 基设计 6, 32 含区组的分辨度 IV 试验次数 36 仿行 1 （实验重复次数，考虑随机因子） 实施部分 区组 2 （实验分批次数，考虑人、机、料、环） 中心点（合计） 4（验证是否为线性关系） 试验中的3阶交互作用阶交互作用一般很弱，不考虑。 经典试验在波峰焊中应用实例经典试验在波峰焊中应用实例 Since 1984 DOE试验在无铅波峰焊接品质控制中的应用试验在无铅波峰焊接品质控制中的应用 试验设计表 经典试验在波峰焊中应用实例经典试验在波峰焊中应用实例 Since 1984 DOE试验在无铅波峰焊接品质控制中的应用试验在无铅波峰焊接品质控制中的应用 试验设计及结果表 注以上统计结果以桥连为主。 84 经典试验在波峰焊中应用实例经典试验在波峰焊中应用实例 Since 1984 DOE试验在无铅波峰焊接品质控制中的应用试验在无铅波峰焊接品质控制中的应用 S 0.739510 PRESS 219.506 R-Sq 99.41 R-Sq（预测） 80.42 R-Sq（调整） 98.29 Defect 5.594 - 0.031A 0.031B - 4.969C 0.719D -1.469 E 0.031 F 0.156A*B ... 从上面可以看出从上面可以看出 C，，D和和E是影响缺陷产生的显著因素。是影响缺陷产生的显著因素。 经典试验在波峰焊中应用实例经典试验在波峰焊中应用实例 拟合出质量特性和影响因素间的函数关系拟合出质量特性和影响因素间的函数关系 Since 1984 DOE试验在无铅波峰焊接品质控制中的应用试验在无铅波峰焊接品质控制中的应用 从图中可以看出从图中可以看出C、D、E对缺陷的影响是明显强于其他因素， 且可以了解到这些因素与缺陷的关系，比如C它在高水平的时候， 缺陷是最少的。 经典试验在波峰焊中应用实例经典试验在波峰焊中应用实例 Since 1984 DOE试验在无铅波峰焊接品质控制中的应用试验在无铅波峰焊接品质控制中的应用 很明显地，C与D、E有很强的交互作用交互作用，D与E有很强的交互作用交互作用， 其他的因素交互作用比较弱。 经典试验在波峰焊中应用实例经典试验在波峰焊中应用实例 Since 1984 DOE试验在无铅波峰焊接品质控制中的应用试验在无铅波峰焊接品质控制中的应用 经典试验在波峰焊中应用实例经典试验在波峰焊中应用实例 Since 1984 DOE试验在无铅波峰焊接品质控制中的应用试验在无铅波峰焊接品质控制中的应用 经典试验在波峰焊中应用实例经典试验在波峰焊中应用实例 Since 1984 DOE试验在无铅波峰焊接品质控制中的应用试验在无铅波峰焊接品质控制中的应用 第二阶段的试验响应曲面设计法第二阶段的试验响应曲面设计法 从上面的分析可以看出模型的弯曲，所以进行下一步的试验设计。 从上面的分析可以看出 1）分析各因子对响应的显著性，筛选出C,D,E 为影响焊接缺陷的显著因子 2）各个因子显著性排队，对所有的交互作用进行分析 经典试验在波峰焊中应用实例经典试验在波峰焊中应用实例 Since 1984 DOE试验在无铅波峰焊接品质控制中的应用试验在无铅波峰焊接品质控制中的应用 响应曲面设计表 经典试验在波峰焊中应用实例经典试验在波峰焊中应用实例 Since 1984 DOE试验在无铅波峰焊接品质控制中的应用试验在无铅波峰焊接品质控制中的应用 响应曲面回归响应曲面回归缺陷缺陷 与区组与区组 , 浸锡时间浸锡时间, 压波高度压波高度, 焊接温度焊接温度 Y -1253.98-13.12*C137.66*D9.78*E0.29*C2-30.29*D2-0.02*E2-2.5*C*D 0.05*C*E-0.25*D*E 拟合出质量特性和影响因素间的函数关系拟合出质量特性和影响因素间的函数关系 经典试验在波峰焊中应用实例经典试验在波峰焊中应用实例 Since 1984 DOE试验在无铅波峰焊接品质控制中的应用试验在无铅波峰焊接品质控制中的应用 经典试验在波峰焊中应用实例经典试验在波峰焊中应用实例 Since 1984 DOE试验在无铅波峰焊接品质控制中的应用试验在无铅波峰焊接品质控制中的应用 4 轨道倾角 F 262℃ 锡炉温度 E 0.95mm 压波高度 D 3.2s 浸锡时间 C 90℃ 预热温度 B 30ml/min 助焊剂流量 A 参数 因子名称 经典试验在波峰焊中应用实例经典试验在波峰焊中应用实例 Since 1984 DOE试验在无铅波峰焊接品质控制中的应用试验在无铅波峰焊接品质控制中的应用 桥连桥连 浸锡时间浸锡时间 压波高度压波高度 锡炉温度锡炉温度 由由DOE试验可得试验可得 主要影响 经典实验设计经典实验设计 初始桥连初始桥连84个个 → 调整后桥连调整后桥连11个个 Since 1984 DOE试验在无铅波峰焊接品质控制中的应用试验在无铅波峰焊接品质控制中的应用 桥连形成的机理示意图 Fw润湿力； P 附加内压，Pf/R； f 表面张力； R曲率半径。 桥连原理图桥连原理图 经典实验设计经典实验设计 F w F w f f P Since 1984 DOE试验在无铅波峰焊接品质控制中的应用试验在无铅波峰焊接品质控制中的应用 从部分要因实验与正交设计法的实验选点规律不难看出，对于2水平的实验选 点，部分要因实验与正交设计类似，符合哈达马（Hadamard）矩阵的规律； 但对于3水平的实验选点，正交设计可采取正交拉丁方构造实验表，具有均衡 分散、综合可比的特点，实验次数仅为水平值的平方；而对于化工行业设计中 常遇到的更高水平值的实验选点，目前可以使用我国方开泰教授等人创造的均 匀设计法来构造实验表，实验次数可以进一步降低为水平值。 然而凡事有利必有弊，3水平正交设计涉及到主效应的部分别名是二因子交互 作用，当其中一些交互作用很大时，可能会导致实验结果分析的失败；尽管因 子实验选点较正交设计多，但其考虑了因子之间的交互效应显得更加严密，因 子实验采用方差分析以及绘制正态分位图法，以找出重要影响因素的作用规律 ，为进一步的响应曲面分析提供判定依据。 Since 1984 DOE试验在无铅波峰焊接品质控制中的应用试验在无铅波峰焊接品质控制中的应用 浸锡时间 浸锡深度