基于某鐵路信號(hào)設(shè)備集成電路板回流焊接作業(yè)的風(fēng)險(xiǎn)管理研究

祁甲子

摘要：鐵路信號(hào)設(shè)備中集成電路板的加工制造具有同行業(yè)的普遍特征，同時(shí)也具備了自身行業(yè)的一些特點(diǎn)，在回流焊接作業(yè)中存在相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)，本文希望通過(guò)利用科學(xué)的管理方法對(duì)該作業(yè)過(guò)程的風(fēng)險(xiǎn)管控進(jìn)行研究。

Abstract： The manufacturing of integrated circuit board in railway signal equipment has the common characteristics of the same industry， but also has some characteristics of its own industry. There are corresponding risks in reflux welding operation. This paper hopes to study the risk management and control of the operation process by using scientific management methods.

關(guān)鍵詞：鐵路信號(hào);集成電路;回流焊;風(fēng)險(xiǎn)管控

Key words： railway signal;integrated circuit;reflow soldering;risk control

中圖分類號(hào)：U284? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006-4311（2018）36-0015-04

1? 項(xiàng)目介紹

1.1 研究背景和意義

目前國(guó)內(nèi)的高鐵、地鐵項(xiàng)目正在穩(wěn)步展開(kāi)，區(qū)別于上世紀(jì)四五十年代，如今的控制技術(shù)是以集成電路控制為核心，以一整套成熟的傳感控制技術(shù)為輔助展開(kāi)。其中一部分系統(tǒng)在工程領(lǐng)域已經(jīng)被定義為“開(kāi)放的復(fù)雜巨系統(tǒng)”，集成電路的應(yīng)用越來(lái)越豐富、密集。而且，鐵路信號(hào)歷來(lái)被稱為是鐵路運(yùn)行的安全命脈。對(duì)于其中的核心硬件集成電路來(lái)說(shuō)，其硬件的可靠性尤為重要。拋開(kāi)芯片自身的可靠性來(lái)說(shuō)，信號(hào)集成商的自身作業(yè)可靠性逐漸成為信號(hào)產(chǎn)品質(zhì)量的瓶頸。

1.2 項(xiàng)目介紹

某鐵路項(xiàng)目中用到了大量的集成電路板，工廠在裸板、芯片等元器件采購(gòu)結(jié)束后需要進(jìn)行一系列的生產(chǎn)活動(dòng)，其中主要是焊接作業(yè)，包括波峰焊、回流焊等等?；亓骱钢饕槍?duì)貼片元器件進(jìn)行作業(yè)，工廠自備專業(yè)回流焊機(jī)器，全程自動(dòng)化焊接，部分輔助作業(yè)需要人為參與。整個(gè)過(guò)程對(duì)環(huán)境、人、機(jī)器有較高要求，各個(gè)因素會(huì)對(duì)最終的焊接質(zhì)量起到至關(guān)重要的作用。因此需要一套完整的風(fēng)險(xiǎn)管理方法來(lái)對(duì)該作業(yè)進(jìn)行科學(xué)的風(fēng)險(xiǎn)管控。

2? 風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別

工廠在對(duì)作業(yè)流程、車間環(huán)境、人員素質(zhì)等等各方情況等進(jìn)行深入調(diào)研后，結(jié)合通用的集成電路板組裝工藝規(guī)范，組織了有豐富經(jīng)驗(yàn)和理論、技術(shù)的專家進(jìn)行了識(shí)別、分析和評(píng)估。風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別綜合采用了情景分析法、核對(duì)表法等方法，并充分考慮了加工期間的可變風(fēng)險(xiǎn)因素。根據(jù)其產(chǎn)生的根源，施工風(fēng)險(xiǎn)主要有：元器件風(fēng)險(xiǎn)、PCB風(fēng)險(xiǎn)、焊料風(fēng)險(xiǎn)、設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)、環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)等。

2.1 元器件風(fēng)險(xiǎn)

元器件來(lái)自眾多供應(yīng)商，國(guó)產(chǎn)、進(jìn)口集成電路或是電阻電容都有自己的一些生產(chǎn)供貨個(gè)性，雖然同屬于一個(gè)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，但是就目前國(guó)內(nèi)的情況來(lái)看，產(chǎn)品的質(zhì)量差異性還是比較明顯的。再加上一些通常意義上的器件誤差，會(huì)給后續(xù)的回流焊接作業(yè)帶來(lái)不少麻煩。

2.1.1 元件引腳共面性差

元器件引腳垂直高度偏差，即引腳的最高腳底所成水平面與最低引腳的腳底形成的水平面之間的垂直距離。

2.1.2 元器件引腳氧化

器件引腳金屬表面會(huì)因存儲(chǔ)時(shí)間的而增加氧化程度。

2.1.3 元件引腳污染

污染的原因有很多，比如在車間流水的時(shí)候。

2.1.4 元件受潮

出廠的合格品一般真空保存，但是由于在焊接前需要拆封，這就有可能產(chǎn)生該風(fēng)險(xiǎn)。

2.1.5 元器件引腳潤(rùn)濕力不平衡

在焊接過(guò)程中，將由于清潔的熔融焊料與被焊金屬之間接觸而導(dǎo)致潤(rùn)濕的原子之間相互吸引的力成為潤(rùn)濕力。兩端的濕潤(rùn)力如果不平衡會(huì)引起一些焊接的風(fēng)險(xiǎn)。

2.2 PCB風(fēng)險(xiǎn)

PCB屬于工廠外購(gòu)產(chǎn)品，不同的供應(yīng)商會(huì)有自己不同的一些生產(chǎn)習(xí)慣，同時(shí)這些差異也會(huì)殘留在PCB裸板中，等到裸板交付到產(chǎn)線的過(guò)程中又有可能產(chǎn)生一些風(fēng)險(xiǎn)。

2.2.1 PCB變形

在運(yùn)輸過(guò)程中引起的變形，或者是因?yàn)橛≈瓢宄鰪S前沒(méi)有進(jìn)行嚴(yán)格的質(zhì)量篩查導(dǎo)致的變形。還有可能是在存儲(chǔ)的過(guò)程中由于溫濕度的變化而引起的變形等等。

2.2.2 PCB材質(zhì)差

制板商采用的原材料質(zhì)量不過(guò)關(guān)。

2.2.3 PCB焊端氧化

焊端的金屬表面會(huì)因?yàn)榭諝鉂穸鹊纫蛩貙?dǎo)致不同程度的氧化。

2.3 焊料風(fēng)險(xiǎn)

在回流焊焊接作業(yè)的過(guò)程中伴隨著使用了一些焊料，同樣也屬于外購(gòu)物料，這就取決于供應(yīng)商的質(zhì)量把控以及物流過(guò)程中的精細(xì)程度。通常這類的風(fēng)險(xiǎn)很難被察覺(jué)到，只有在正式進(jìn)行焊接?xùn)|西的時(shí)候，或者是已經(jīng)結(jié)束焊接之后才能察覺(jué)到。

2.3.1 焊膏助焊劑活性低

由于焊膏的品牌差異造成質(zhì)量上的差別。有些助焊劑活性較差。

2.3.2 焊料雜質(zhì)過(guò)多，焊接前清潔不充分

焊料雜質(zhì)過(guò)多，在焊接的時(shí)候會(huì)影響回流焊的工作精度。

2.3.3 焊膏污染

被污染過(guò)的焊膏會(huì)損傷機(jī)器。

2.3.4 焊膏被部分涂抹

2.3.5 焊膏過(guò)多

2.3.6 錫膏沒(méi)有經(jīng)過(guò)回溫

錫膏通常要用冰箱冷藏，冷藏溫度為5～10℃為佳。故從冷箱中取出錫膏時(shí)，其溫度較室溫低很多，若未經(jīng)“回溫”，而開(kāi)啟瓶蓋，則容易將空氣中的水汽凝結(jié)，并沾附于錫漿上，在過(guò)回焊爐時(shí)（溫度超過(guò)200℃），水份因受強(qiáng)熱而迅速汽化，造成“爆錫”現(xiàn)象，產(chǎn)生錫珠，甚至損壞元器件。

2.3.7 印制板被錫膏污染

操作過(guò)程中疏忽大意引起的。

2.3.8 錫膏漏印

2.3.9 整體焊膏量過(guò)少

2.4 設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)

工廠回流焊機(jī)器一般采用西門子的，該機(jī)器在行業(yè)內(nèi)屬于高端產(chǎn)品，雖然在供貨源頭有較高的質(zhì)量保證。但是在后續(xù)的作業(yè)層面來(lái)看還是有不少設(shè)備故障。有些是人為因素造成的，有些是設(shè)備固有的周期性誤差引起的。

2.4.1 設(shè)備故障或者設(shè)備能力減弱

回流焊機(jī)器在使用過(guò)程中也會(huì)出現(xiàn)自身的故障，有一些屬于誤操作引起，有一些屬于設(shè)備固有的生命周期內(nèi)的故障。這也是經(jīng)常影響生產(chǎn)質(zhì)量的一個(gè)方面。

2.4.2 貼裝位置偏移

機(jī)器在抓住器件之后運(yùn)行過(guò)程中有可能出現(xiàn)一些抖動(dòng)，或者一些其他外力影響而導(dǎo)致在貼裝的時(shí)候產(chǎn)生位移。

2.4.3 印制板在回流爐中卡板

2.4.4 焊盤潤(rùn)濕不良而引腳潤(rùn)濕速度快

2.4.5 貼裝壓力大，錫膏壓出焊盤

2.4.6 元器件貼裝時(shí)器件側(cè)立

導(dǎo)致側(cè)立的原因有很多，很難歸納原因，只看到側(cè)立結(jié)果。

2.5 環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)

2.5.1 回流焊溫度設(shè)定不當(dāng)

操作員失誤引起。

2.5.2 潮氣

多半是由于南方梅雨天引起。

2.5.3 操作環(huán)境相對(duì)濕度>70%

對(duì)相對(duì)溫濕度的監(jiān)控產(chǎn)生的誤差。

2.5.4 預(yù)熱不充分

機(jī)器在工作前需要充分預(yù)熱，否則會(huì)產(chǎn)生控制手臂等的誤差。

3? 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

通過(guò)對(duì)上述風(fēng)險(xiǎn)的識(shí)別發(fā)現(xiàn)，風(fēng)險(xiǎn)比較容易歸類，而且風(fēng)險(xiǎn)具有串行影響性，可能會(huì)對(duì)后續(xù)一系列的工序造成風(fēng)險(xiǎn)災(zāi)害。因此，本文準(zhǔn)備通過(guò)綜合分析法和FMEA表格來(lái)對(duì)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行預(yù)測(cè)評(píng)估。

3.1 綜合評(píng)價(jià)法

風(fēng)險(xiǎn)管理專家組對(duì)回流焊過(guò)程中可能出現(xiàn)的風(fēng)險(xiǎn)因素或風(fēng)險(xiǎn)事件的重要性進(jìn)行評(píng)價(jià)，并考慮新環(huán)境的各種變化，給出綜合風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)表。（表1）

從這個(gè)表的分析可以看出，該項(xiàng)目的風(fēng)險(xiǎn)因素得分介于0.2～0.6之間，風(fēng)險(xiǎn)屬于較小水平。同樣，可利用這種方法對(duì)各個(gè)工作階段進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分析，以確定各階段風(fēng)險(xiǎn)的大小。從上述分析可以看出，該項(xiàng)目的風(fēng)險(xiǎn)主要為元器件引腳氧化、PCB材質(zhì)差、PCB焊端氧化、焊料雜質(zhì)過(guò)多焊接前清潔不充分等風(fēng)險(xiǎn)，但項(xiàng)目整體風(fēng)險(xiǎn)度為0.38低于鐵路行業(yè)確定的項(xiàng)目整體風(fēng)險(xiǎn)度評(píng)價(jià)基準(zhǔn)，這樣的風(fēng)險(xiǎn)水平在可接受范圍之內(nèi)。

3.2 FMEA

經(jīng)過(guò)對(duì)風(fēng)險(xiǎn)客觀分類，發(fā)現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)會(huì)有后續(xù)的影響，要對(duì)這些影響進(jìn)一步分析，界定，需要用到FMEA表格進(jìn)行分類計(jì)算。用來(lái)預(yù)防問(wèn)題發(fā)生和確定關(guān)鍵特性。進(jìn)而能夠持續(xù)改進(jìn)。表2中可看出：開(kāi)焊、錫球/錫濺、掉件是風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)最高的項(xiàng)。針對(duì)其進(jìn)行嚴(yán)格處理，同時(shí)其它風(fēng)險(xiǎn)也許根據(jù)等級(jí)進(jìn)行側(cè)重處理。

4? 風(fēng)險(xiǎn)管理策略和應(yīng)對(duì)措施

具體見(jiàn)表3。

5? 結(jié)論與展望

由于電子產(chǎn)品PCB板不斷小型化的需要，出現(xiàn)了片狀元件，傳統(tǒng)的焊接方法已不能適應(yīng)需要。起先，只在混合集成電路板組裝中采用了回流焊工藝，組裝焊接的元件多數(shù)為片狀電容、片狀電感，貼裝型晶體管及二極管等。隨著SMT整個(gè)技術(shù)發(fā)展日趨完善，多種貼片元件（SMC）和貼裝器件（SMD）的出現(xiàn)，作為貼裝技術(shù)一部分的回流焊工藝技術(shù)及設(shè)備也得到相應(yīng)的發(fā)展，其應(yīng)用日趨廣泛，幾乎在所有電子產(chǎn)品領(lǐng)域都已得到應(yīng)用。

車間的防潮、防腐措施需要進(jìn)一步加強(qiáng)。比如：采用先進(jìn)的車間布局， 采用合理的防潮機(jī)器管理方式，講責(zé)任歸類的每個(gè)人，最有效的把防潮機(jī)器利用好。器件抗氧化一直是業(yè)內(nèi)的難題，目前沒(méi)有特別好的辦法，只能盡可能的優(yōu)化產(chǎn)線流程，使電子元器件暴露在空氣里的時(shí)間盡可能的減少。

但是在電路板的生產(chǎn)過(guò)程中回流焊爐的應(yīng)用其實(shí)還存在一些不夠?qū)I(yè)的行為，這些行為也許很導(dǎo)致產(chǎn)品的質(zhì)量問(wèn)題。而且往往是管理的問(wèn)題。比如：對(duì)爐子的應(yīng)用和管理不夠先進(jìn)。當(dāng)我們對(duì)爐子的實(shí)際性能不清楚的時(shí)，就法保證自己配置的是臺(tái)合適的爐，也法保證自己的投資是合理和值得的。所有供應(yīng)商都告訴你他們的產(chǎn)品和服務(wù)是流，但在許多特性指標(biāo)沒(méi)有得到統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)，測(cè)試方法還欠缺的情況下，幾乎沒(méi)有人能夠真正說(shuō)清楚自己的水平定位。生產(chǎn)商只通過(guò)和設(shè)備商的交談，看看指標(biāo)書(shū)和樣機(jī)是法做出很好的采購(gòu)決策的。

爐子間的致性不夠理想也是個(gè)常見(jiàn)的應(yīng)用管理問(wèn)題。在內(nèi)工廠中，很多設(shè)備廠是沒(méi)有對(duì)所有生產(chǎn)線的爐子進(jìn)行致性監(jiān)控的，大通常會(huì)認(rèn)為所購(gòu)買的爐子只要是同商同型號(hào)的，其表現(xiàn)就致。不同爐子的性能不樣，在應(yīng)用上必須對(duì)爐子的性能進(jìn)行鑒定。這應(yīng)該在采購(gòu)決策前進(jìn)行，以確保不會(huì)買到次品，但大多用戶只是去觀看樣機(jī)的操作或到其他用戶處看設(shè)備使用情況，而沒(méi)有進(jìn)行有計(jì)劃性的詳細(xì)的測(cè)量。在設(shè)備引進(jìn)安裝后，也應(yīng)該對(duì)其性能進(jìn)行測(cè)量，通過(guò)此真正了解該設(shè)備的特性，對(duì)日后的使用很有用。比如些爐子可能在軌道兩邊的對(duì)流性會(huì)差些，有些則回溫或負(fù)荷能力有定的限制，在通過(guò)測(cè)量了解到這些特性后，用戶就能夠制定相應(yīng)的工藝和設(shè)計(jì)規(guī)范來(lái)避開(kāi)該爐子的弱點(diǎn)，使應(yīng)用起來(lái)較得心應(yīng)手。

有些用戶在采購(gòu)前會(huì)進(jìn)行回流焊設(shè)備試用，這個(gè)做法可以大大減少采購(gòu)錯(cuò)誤的風(fēng)險(xiǎn)。不過(guò)大部分的用戶試用回流焊設(shè)備，就是使用本身的產(chǎn)品來(lái)進(jìn)行實(shí)際生產(chǎn)和觀察焊接結(jié)果，但是所使用的產(chǎn)品并不能代表將來(lái)的技術(shù)要求，不能代表高技術(shù)生產(chǎn)要求。正確的測(cè)量方法，必須通過(guò)對(duì)工藝原理和工藝規(guī)范了解目前和將來(lái)的需求，配合對(duì)爐子設(shè)計(jì)原理的了解，而有針對(duì)性的設(shè)計(jì)出個(gè)對(duì)該爐子具備挑戰(zhàn)性的測(cè)試板，以及套測(cè)試方法步驟來(lái)進(jìn)行測(cè)試。

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