简述运用田口试验设计方法改善PCB板自动焊接工艺

刘海印 周平金 许若芬

【摘 要】随着工业化的进程，在中国制造业正在逐步开始自动化设备生产取代人工手工生产模式，在这个转换过程中，传统工艺技术经验已经无法解决自动化生产中的问题，必须运用科学的、系统的方法来解决自动化生产工艺中的问题，而田口试验设计就是其中一种科学系统的方法，它通过几组不同条件的组合试验得出几十组、几百组甚至上千组试验才能得出的结论。加速了工艺改善的速度，为企业节省了大量的人力物力，节约了制造过程的成本。

【关键词】自动焊接；田口试验；假焊；试验设计

中图分类号： TN405 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2018）16-0062-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.16.026

PCB板又叫印制电路板或者PCB线路板是电子元器件电气连接的搭载体。PCB焊接部位主要是主要是用来连接线路导通的铜箔，铜箔周边被绿油包围着。绿油是一层隔绝铜箔的环氧树脂，主要避免线路之间发生短路PCB板自动焊接机是将焊锡丝（焊锡丝是用于连接焊接线路中相关部位的一种含有锡以及助燃剂松香的熔点较低的焊料）首先裁切成一定长度的焊锡丝段，再通过烙铁头的高温融化焊锡丝，焊锡自然流入到PCB板中需要焊接的铜箔和零件之间，再通过自然冷却，快速凝固，将PCB线路板中需要连接的线路零件连接在一起。这里将介绍一下PCB线路板与电机定子铜线焊接在一起产生的缺陷的解决方法。自动焊接机常见缺陷：假焊、未焊完全、针孔、锡珠等。（a）假焊：在焊接过程中焊点表面看上去焊接成功，但是焊点体积肥大，通常成球形，实际上焊接位置并没有完全焊接在一起。（b）未焊完全：又称做漏铜，即焊点位置的焊锡没有将铜箔完全覆盖，有一部分铜箔漏出来，这种缺陷的焊点强度较弱。（c）针孔：焊点表面有一个凹陷的孔穴。（d）锡珠：在焊接过程中，焊接用的焊锡有部分成球状分布在焊点附近。

下面将介绍如何运用田口试验设计方法改善PCB线路板与电机定子铜线焊接假焊缺陷。假焊缺陷主要是由于在焊接过程中焊锡没有充分融化或者焊锡充分融化后，但是没有在焊锡填满焊接孔即凝固，造成假焊现象。而影响焊接温度的条件有很多，单纯提高焊接温度又会造成其他缺陷，比如焊接温度过高，会使PCB板焊点周边的绿油烧焦，PCB板上焊点周边的铜箔浮起，甚至是焊点周边的电子元件找到破坏。所以必须通过各种试验找到自动焊接机焊接PCB板相关工艺条件的最佳组合，使各项条件达到平衡点，才能彻底改善假焊缺陷。通过田口试验设计，可以用最少的试验，最快的时间明确改善方案。下面就将进行田口试验设计是如何实际应用改善自动焊接机焊接PCB板的假焊缺陷的。

田口试验设计是以日本田口玄一（田口玄一博士：出生于1924年，知名的统计学家与工程管理专家。从1950年代开始，他创造了田口方法，为品质工程的奠基者）提出的稳健性参数设计为基础，通过正交试验（正交试验是用于研究多要素多水准的一种试验设计方法，它是根据正交性从全面试验中挑选出部分有代表性的点进行试验。根据要素和水准的不同，有不同的正交试验表，通常有L9和L18正交表，L9正交表为3水准4要素，可以通过9组试验推测出81种组合的结果，L18正交表为2水准1要素3水准7要素，可以通过18组试验推出出4374种组合的结果。本文叙述的是L9正交表试验设计方法），明确影响产品生产工艺的控制要素，在多项控制要素中找出最优的工艺参数，最终到达生产工艺最佳化。

具体的田口试验设计方法应用：

1 明确试验样品的评判方法及基准

使用田口试验设计方法进行改善试验，试验样品评判方法必须是量化评价，即用实际数值评判样品的好坏。根据测试条件和评判合理性，最终选定焊接点正面焊锡的面积和焊接点背面焊锡的面积作为试验样品的评判方法。

2 运用FTA分析方法分析影响自动焊接机出现假焊缺陷的可能因素

FTA：Fault Tree Analysis，故障树分析又称事故树分析，是从一个可能的事故开始，自上而下、层层的寻找顶事件的直接原因和间接原因事件，直到基本原因事件，并用逻辑图把这些事件之间的逻辑关系表达出来。

明确烙铁头温度、焊接时间、预热时间、焊锡丝长度、烙铁头清洗频度、氮气流量、焊接后保温时间、铜线焊接长度、PCB板放置时间、铜线焊接时状态、烙铁头内径、烙铁头结构、烙铁头压力、焊接后保温时烙铁头与PCB板间隙、烙铁头焊接后离开速度等为可能影响自动焊接机出现假焊缺陷的因素。

3 诊断试验

3.1 噪音因子验证

所谓噪音因子：即在实际生产过程中，无法控制的因子，这类因子因为收到环境、成本、工艺技术水平的限制，无法做到理想状态，或是由于自然规律不可抗拒。

根据FTA分析结果，将PCB板放置时间、铜线焊接时状态、烙铁头内径、烙铁头结构作为噪音因子。

1、2分别代表试验的参数或结构

N1：噪音因子的理想状态；N2：噪音因子的最恶状态

进行下述两组试验：

a.自动焊接机现状设定条件+N1

b.自动焊接机现状设定条件+N2

验证噪音因子的效果，结论：PCB板放置时间、铜线焊接时状态、烙铁头内径作为噪音因子。

1.2 可控因子验证：

（1）设定2组改善案：

a：烙铁头温度、b：焊接时间、c：预热时间、d：焊锡丝长度、e：烙铁头清洗频度、f：氮气流量、g：烙铁头压力、h：铜线焊接长度、i：焊接后保温时间、j：焊接后保温时烙铁头与PCB板间隙、k：烙铁头焊接后离开速度

（2）进行下列组合的4组试验：

（3）验证结果：选取烙铁头温度、焊接时间、预热时间、焊锡丝长度、烙铁头清洗频度、氮气流量、焊接后保持时间、铜线焊接长度作为最终可控因子。

4 正交试验

将可控因子、噪音因子按照L9正交试验表进行试验条件设定

1、3代表改善条件、2代表现状条件

以上述正交试验表的10组条件分别和噪音因子N1、N2组成20组条件，进行检证试验。再根据试验结果算出每组试验的信噪比、均值

根据信噪比和灵敏度编写要因效果图，最终判断下列条件为最佳条件：

5 确认试验

按照上述正交试验得出的最佳条件和噪音因子N1、N2组成2组条件，进行确认试验，试验结果：进行了1000台的试生产没有发生假焊缺陷不良。

6 总结

通过田口试验设计，进行正交试验得出最佳的自动焊接工艺条件，在烙铁头温度不能无限增加的前提下，延长焊接时间、增加预热时间可以保证焊接温度保持一定合理安全的时间，增加烙铁头清洗频度，设定适量的氮气流量，可以减少焊接时产生的异物对温度的影响。

合理的焊锡丝长度使焊接孔位置有足够的焊锡填满。适当的铜线焊接长度可以使焊锡丝在焊接时，烙铁头更加充分的融化。在运用田口试验设计方法改善PCB板自动焊接工艺中，还是总结了一些田口试验设计方法的使用技巧。（1）在使用田口试验设计方法之前，我们一定要对所要改善的工艺进行充分的要因分析，做到所有影响要素都完全被我们识别发现，这是非常重要的一点，要因识别是否充分，直接影响正交试验的成功与否，如果要因识别有所遗漏，那么可能工艺但时间有所改善，但是长期生产后，问题还是会出现。为防止要因识别有所遗漏，运用FTA分析进行要因分析是非常好的方法。（2）试验实施后的评价方法也是很重要的，评价方法必须是有量化的数字结果，这样才能比较出各组正交试验的差异，便于锁定追加条件，另外，评价方法的合理性、可操作性也要考虑。（3）整个工艺改善试验要逐步完成，尤其如果1次诊断试验没有实施充分，就要进行第2次、第3次诊断试验，只有诊断试验进行充分了，后续正交试验才更容易实施。

【参考文献】

[1]文放怀.新产品开发管理体系DOE工具应用指南.海天出版社，2011.

[2]甲斐野真次.QSD實践学校教材.松下电器产业株式会社，2006.