作者：Esamber中国服务中心技术总监 张坤泉

编者按：Esamber德国从事于焊接工艺深入研究， 2007年在中国设立了Esamber中国服务中心，打造强大的技术服务专家团队，帮助行业同仁实现工艺管控最佳化，推动工厂综合成本最低化。同时，Esamber是工业4.0智能制造、智能监控领域中的工艺检测专家，也是本刊的特邀专家顾问公司之一，读者如有需要咨询，可以登录www.esamber.de，或直接联系Esamber中国服务中心的技术服务代表，张坤泉，corial.zhang@esamber.com。

引言：

在SMT电子制造领域，“品质稳健、高效自动化、焊点可靠性”是永远的热门话题，可随着德国工业4.0的浪潮来袭，智能互联等主题的切入，SMT工厂更是手忙脚乱，越来越多的用户盲目追求，当然其中也不乏如：华为，中兴等龙头代表企业已走在时代前端，探索着智能、物联、高速传输、大数据的整合，为实现无人化工厂的终极目标孜孜不倦的探索着。

谈及工业4.0,就目前中国的整体水平而言，我们仍处于2.0至3.0之间徘徊，离4.0差异甚远，基于中国目前的工业发展现状，我们应从强化基础开始，做好标准化工作，进而普及全面工艺能力监控，再向智能互联平台过渡，循序渐进，最终实现目标。

就目前中国SMT电子焊接制造业现况来看，很多用户只是单纯的用炉温测试仪监测焊炉温度根本无法评判焊炉的真实状况和工艺条件设定是否合理？因而品质缺陷无法规避，于是就经常引发工艺问题还是设备问题的争论。

1）   设备问题还是工艺问题？

我们需要辨识这个问题，就必须对设备有全面的了解，当我们在用测温仪进行炉温确认时，事实上大部分情况下，是在空载的情况下进行的，而实际生产的情况会更加复杂，满载下，焊炉的热反馈能力，热补偿能力及进板间隔控制等都将直接影响实际产品的供热温度环境。

（图1）供热结构

只有当我们完全掌控到每个温区的温度变化情况：进板---吸热---掉温---反馈---补偿---回温---进板；我们才能做到对设备的准确操控。然而，问题又来了：

1）   我们应该如何去全面掌控每一片生产板经过每一个温区引起热量的这种变化呢？

2）   这种热量变化从长期稳定性来看，是否是受控的？

3）   若不受控，如何判别是工艺管控出了问题？

4）   或是设备本身不稳定引发的问题？

这一连串的问题，都是目前SMT焊接工艺面临的严峻挑战。接下来就以一个案例对设备问题还是工艺问题进行剖析：

最近正在服务的SMT工厂中，其中一家就有偶尔出现冷焊的现象发生，并没有固定规律，我们首先了解一下其制程能力状况：

（图2）CPK矩阵表

     从图2所示的125片生产板实时监控各热电偶探头的各项工艺参数CPK矩阵表中了解到，其峰值温度的CPK为1.16，小于1.33（4Sigma）。这表明制程的不稳健。但究竟是设备引起还是工艺问题，有待进一步分析，接着就对设备稳定性进行了剖析：

    首先，我们要了解焊炉的稳定性，我们要对产品的输入进行定义，针对目前单板，合理的进板间隔是多少？我们借助软件功能“产能规划”（详见第3部分）了解到至少确保45秒的进板间隔。

于是进行了125片，45秒进板间隔控制的批量生产板，去分析每一片板经过每个温区时的最低温度，以单板过炉时对应该区的最低温±3℃作为规格，进行焊炉满载连续生产的稳定性评估。

评估发现10个加热区的CPK，除第一区CPK 1.67外，其它加热区CPK都在2.0以上（见下图3示例）。这些数据明确表示，当工艺设定在炉子的可承受能力范围内，炉子是相当稳定的。

（图3）Zone 9 CPK  

然而问题又来了，实际生产是否能够像我们做实验一样去严格控制每一片输入板的进板间隔呢? 这一点，我们可以从实时监控到的每片板与上一片板的进板间隔记录得到证实。

（图4）进板间隔记录

以上数据表明，在实际生产中，出现了相邻两片进板间隔仅3～5秒,在如此频繁的进板情况下，炉内温度又是如何变化的？

（图5）回流区的掉温

     从某一回流区针对连续进板的焊炉消化能力来看，很显然，炉温在持续下降，热补偿能力根本不足，最大下降达4～5℃.而这种掉温，并非只在某一回流区发生，所有10个加热区均发生了4～8℃的掉温，这就是导致偶尔冷焊的根本原因。

进而针对发生连续过度频繁进板的时段进行调查了解，该时段正好处于白夜班交接期，炉前堆置了一批板，为提升产能，人为手推板进炉，以空置贴片机，让贴片机能尽快进入工作状态。这种现象就是生产管理上严禁的行为。

目前该案件已告一段落，可我们是否曾思考过一个问题：焊炉的波动多少会有，进板的间隔很难避免人为干预，那么是否另有合适的解决方案呢？下面一起来分享制程风险及规避手法。

2）   焊炉制程够稳健吗？

很多用户在使用测温仪量测炉温时，只要温度曲线结果是合格的就下令开始生产，这样的制程稳健吗？我们通过如下两个例子对比一下就清楚了！

（图6）制程A：PPI制程风险警告

（图7）制程B：PPI制程受控

    上述图6与图7，所有曲线数据都是在工艺规格范围内的，但图7制程B就比图6制程A更稳健，如何判定？

首先对PPI（Process Performance Index）进行剖析，每个通道的每项参数测试结果除了需满足工艺规格要求外，其测试结果位于工艺规格上下限的哪个位置，是影响稳健工艺的主要因素。下面就以第2通道的峰值温度来讲解：

峰值规格：230℃(PPI=-100)~ 250℃(PPI=100)；

1）   若A制程实测峰值：230.0℃（PPI=-100）；

2）   若B制程实测峰值：240.0℃（PPI=0）；

可见A、B制程都是满足要求的，但A制程已达到规格下限，稍微的焊炉温度波动或进板频率的加快就会导致峰值温度不够，出现冷焊现象。

    而B制程则不然，其抗焊炉温度的波动能力、抗满载负荷能力等都很强，即使进板过快，仍留有一定波动的余地。

所以透过对每一片生产板的风险PPI进行实时统计分析，就可以掌握当前产品是否存在偏规格上限或下限风险，就可以了解自己当前的制程是否足够稳健，是否还有可优化的空间.若一片板子上，器件Delta T过大，以至于很难优化稳健制程，这时对每种产品的进板节奏控制就显得尤为重要了。那么如何确定不同尺寸、重量板的进板节奏呢？

3）   如何科学规划产能，智能控制进板？

面对不同大小，不同厚度、重量及材质的板子，到底应该如何进行产能的分配，才能既满足品质要求，又能达到最大产能？      

产能的规划，需要有科学的依据，而非凭经验、想象、生产任务去规划，我们一定要研究每种板子在每个温区的吸热及补热状况，才能做到正确地规划产能。

如下图所示，可通过单板过炉，来了解单板经过每一区时从吸热掉温到补热回温到初始状态时需要的时间，来了解这一区的热补偿能力，这样，通过“产能规划”功能，可掌握每一加热区的热补偿能力，了解每一区补热回初始状态所需时间。通过比较，找出最长的回温时间作为理想的进板间隔。

（图9）科学产能规划

     但当规划出的理想进板间隔过大时，我们又应当如何抉择以满足最大的产能呢？以下就分享几种优化或取舍方式：

1）  增加风频，优化加热效率，提升各个温区的热补偿能力，以减少补偿回温时间；

2）  检查每一温区的感温探头是否在风口处，提升温度感知灵敏度，缩短反馈时间，进而减少补偿回温时间；

3）  以重要温区的补偿回温时间为主，若第1区需90秒回温，而其他区最大仅需60秒，那么，可考虑采用60秒为合理进板间隔。

有了科学的产能规划，是否就可以一劳永逸呢？其实不然，那么，谁能去按合理进板间隔去控制每一片生产板的进板？人总是有犯错的时候，因此通过SMEMA控制焊炉要板信号，自动根据每种板规划的不同进板间隔，进行进板控制，变得尤为重要。

以上针对温度波动、补偿、规划部分进行了大篇幅的介绍，但主要还是侧重于温度层面，而事实上，影响焊接品质及可靠性的除温度外，还有链速、风扇及轨道振动等，这些方面我们是否有对策？

4）  速、风、振动，三大杀手，如何监控？

链速最担心的老化问题？保养周期如何定义？长期稳定性能CPK如何？

通过以下的链速老化趋势统计分析，即可掌握这些信息，以便全面了解链速的变异过程。

（图10）实时链速监控

（图11）链速老化分析

而针对热风回流焊炉而言，除了“热”这项因素外，“风”起着关键的角色，“热” 需要传递到板子，少不了“风”媒介，而风的大小，直接影响热量传递的多少，快慢，直接影响热补偿能力的强弱等。

因此，对风扇实际转速的实时监控及老化数据的趋势分析，有助于我们对每一个风扇的健康状态作出评判，及时了解其工作状态，避免不良品质发生。

（图12）风扇实际转速监控

（图13）风扇波动分析

目前掉件不良品质异常中，由轨道振动引起的占大多数，并且通常比较隐蔽且难以监测，振动给产品带来的影响已成为品质问题最关键的因素，那么对于振动，我们又了解多少呢？

我们可以通过对轨道实时振动的了解，历史振动数据的分析，从而了解设备的工作状态，周边环境变化带来强振动的时间，从而过滤筛选出具体的振动源。

（图14）轨道振动监控

（图15）轨道振动分析

针对可能引起强振动的振动源，概括了目前在客户端遇到的几种情况：

1）  来自贴片机的振动；

2）  来自冷却风扇的振动；

3）  来自链条传送的振动；

4）  来自轨道变形挤压过炉载具的振动

5）  ……

只要找出振动源，解决振动的方法就见仁见智了！

综上所述，我们从温度、链速、风、振动等方面进行了全面剖析、监控；只有做到对工艺的全面监控，足够的数据支撑，才能走向最后的智能闭环控制的智能自调整阶段。

5）  智能闭环制造，您准备好了吗？

如何理解智能闭环制造？可分为三部分理解：

1）  智能：代表具有独立思维、逻辑能力；

2）  闭环：实现上、下行双向数据交互；

3）  制造：为生产制造服务；

这样说明很多朋友可能还是不大了解，我再通过一个案例的说明，来帮助朋友加深对智能闭环制造的理解。

Ø  某产品A正在生产；

Ø  实时监控满载回流区温度较空载低5℃；

Ø  实时监控收集并分析所有相关信息；

Ø  实时监控向MES大脑上报相关信息；

Ø  MES依据实时监控综合分析结果；

Ø  MES 下达上调温度指令到焊炉；

Ø  焊炉接收到指令，将回流区上调5℃；

Ø  实时监控继续监控焊炉状态；

Ø  整个制程优化调整过程无需人员干涉；

Ø  真正实现无人化工厂。

（图16）智能闭环制造关系图

（图17）智能闭环制造示意图

     智能闭环制造并非一蹴而就，进入智能闭环制造之前就务必要求各项标准化体制建立达到一定的程度，自动化程度达到一定的级别，并且在从自动化向智能化转变过程中，需要许多外界环境的支持，比如：大数据高速网络传输、大数据运算、处理；大数据的存储等。并且中间存在许多过渡阶段，最终一步一步走向无人化工厂的智能闭环制造！

     从全面工艺监控走向智能闭环制造之路，是一个漫长的过程，是一个积累的过程，是大势所趋，更需要我们几代人的共同努力，逐步完善，最终实现，让我们一起为之奋斗！

Esamber回流焊工艺性能体检指标，您的检测结果合格了吗？