La medición diaria del paralelismo transformará la calidad de su PCB

La medición diaria del paralelismo transformará la calidad de su PCB

El paralelismo es el parámetro de soldadura por ola más ampliamente reconocido y uno de los más incomprendidos. Puede disfrutar rápidamente de menos defectos y una repetibilidad mejorada al asegurarse fácilmente de que sus placas estén paralelas a sus ondas de soldadura todos los días, cada turno.

Una versión más corta de este artículo apareció en la revista SMT.

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Paralelismo como una nueva frontera de alto impacto en la optimización de soldadura por ola

¿Alguna vez quisiste patear tu máquina de olas? ¿Se pregunta por qué todavía tiene inconsistencias y reprocesos a pesar de hacer "todas las cosas correctas"?

Has establecido perfiles térmicos. Has intentado no limpiar. Tienes un horario de mantenimiento. Intentaste una nueva soldadura. Usted compró un cuchillo de aire. Pasos como estos pueden ser importantes para una soldadura por ola efectiva, pero hay más.

¿Así que qué hay de malo? ¿Por qué la soldadura por ola se considera un eslabón débil en su línea de ensamblaje? ¿Por qué es tan frustrante para los técnicos controlar la ola? ¿Por qué la gerencia reduce sus expectativas de calidad, rendimiento y ganancias al aceptar el alto costo del retrabajo de los PCB?

Retrabajo e inspección son inútiles

El retrabajo, el retoque y la reparación se deben a fallas de producción. El retrabajo es costoso. Primero está el gran costo directo de la operación de retrabajo. En segundo lugar, la tasa de defectos prevaleciente que ahora se considera "aceptable" provoca un cuello de botella en las estaciones de retrabajo. Tercero, el reprocesamiento de defectos da como resultado uniones con vidas más cortas que las realizadas con éxito en el entorno de soldadura por ola. Cuarto, los defectos conducen a fallas en el campo que solo pueden dañar la reputación del producto y, finalmente, la confianza en la planta de ensamblaje.

La inspección es igualmente inútil. En el mejor de los casos, el inspector toma muestras de la calidad de las juntas en cada tabla y, a partir de la apariencia externa de las juntas, evalúa las posibilidades de que se haya logrado un resultado satisfactorio en todas ellas. La idea de que se puede hacer una evaluación de cada articulación es obviamente ridícula. La responsabilidad de los PCB de calidad recae en el proceso, no en el inspector.

El 85% de los PCB ensamblados hoy en día funcionan a través de una máquina de ondas como tecnología mixta o como orificio pasante puro. Claramente, "mejore su soldadura por ola y mejore toda su línea de ensamblaje". Los resultados del estudio presentados en este artículo muestran que esto se logra fácilmente. No tiene que vivir con su tasa de defectos de soldadura por ola. Se puede hacer un progreso dominante ahora mismo.

El eslabón perdido: interacción tablero-ola

Hasta hace poco, el control convencional del proceso de soldadura por ola prácticamente ignoraba la interacción placa-onda. Con esto nos referimos a la medición real de la interacción física de su tabla con la ola. Esta interacción tiene cuatro facetas distintas y simultáneas, todas las cuales se pueden cuantificar de forma directa y precisa: paralelismo, tiempo de permanencia, profundidad de inmersión y longitud de contacto.

Una conclusión importante de los datos que verá aquí: la calidad de su soldadura por ola mejora enormemente cuando la interacción entre la placa y la onda se optimiza y controla. La temperatura y el control químico no son suficientes. La interacción de la onda de la junta se produce de forma independiente, teniendo su propio conjunto de parámetros separados que generalmente no se ven afectados por los ajustes de temperatura y las elecciones químicas.

En el proceso de reflujo, la química respalda su placa en su experiencia térmica en el horno. No es cierto para la máquina de soldadura por ola. En la soldadura de olas, la química y las temperaturas son actores de apoyo en la entrega de sus tableros al evento central de la máquina de olas: la interacción de su tablero con su onda de soldadura. Este ha sido el eslabón perdido en la soldadura por ola hasta los últimos años, cuando la tecnología se comercializó para medir con precisión este evento. Dicha tecnología permite una nueva comprensión de la optimización de la soldadura por ola.

Teniendo en cuenta todos estos factores y la complejidad de las placas de hoy, es de sentido común medir, optimizar y controlar directamente la interacción de sus placas con su onda de soldadura. ¿Por qué? Debido a que los ajustes aparentemente pequeños, por ejemplo, un cambio de 12 mil en la profundidad de inmersión para una placa con componentes de montaje en superficie en la parte inferior, pueden tener consecuencias dramáticas de calidad para las placas actuales. La observación visual humana (y el reflejo, si está utilizando cronómetros) no son confiables para la detección de lo que son, para sus tableros, variaciones altamente significativas.

Utilice la medición precisa de la interacción entre las tablas y las olas como base para realizar ajustes en su máquina de olas para garantizar un producto de la más alta calidad. Confiar solo en la configuración de su máquina de olas lo deja en la oscuridad, ya que sus tableros no tienen una velocidad de transportador, velocidad de bomba o altura de la olla de soldadura. Esas son configuraciones de máquinas de olas y, si bien son necesarias, no le dicen por sí mismas qué experiencia está brindando a sus tableros.

Lo que leerá aquí nunca se ha publicado antes, pero sus principios ya se han implementado en miles de máquinas de olas en todo el mundo. Para este artículo inicial, hemos elegido entre nuestros estudios centrarnos en el paralelismo como una ilustración de estos principios. Nuestro propósito:

1. Defina el paralelismo de una nueva manera para que sea significativo para la optimización de la soldadura por ola.
2. Presentar datos y estudios de casos extraídos de numerosas instalaciones de ensamblaje de PCB.

Paralelismo definido

El paralelismo es el parámetro más ampliamente reconocido, que ocurre cuando una placa se encuentra con la onda de soldadura, y el más incomprendido. Nuestra convención en toda la industria es definir el paralelismo como "paralelismo de riel a ola" u "orientación de transportador a ola". Ambos términos confunden desastrosamente al técnico e ingeniero de olas.

El término correcto y la intención práctica deben ser paralelismo tabla a onda. Esto se debe a que la alineación de su riel con su onda de soldadura es solo uno de los muchos factores que afectan su objetivo real, que es que su placa sea ​​paralela a su onda.

Si su placa será paralela o no a medida que pasa a través de su onda de soldadura está determinada por numerosos factores críticos, entre ellos: dedos flojos, doblados o rotos (a menudo tan ligeramente doblados que son difíciles de detectar con el ojo humano pero lo suficientemente graves como para causar saltos o puentes omnipresentes), escoria que obstruye parte de la boquilla, un crisol de soldadura sin nivelar, rieles incomparables y una colocación incorrecta de la placa en los dedos. Y luego está el criminal oculto: una rampa de soldadura torcida que hace que su ola se colapse más rápidamente por un lado. Por lo tanto, medir el paralelismo colocando un nivelador de carpintero en su riel es útil y al mismo tiempo completamente inadecuado.

Del mismo modo, para usar vidrio para verificar la "cobertura total" mediante soldadura del ancho de su placa. Dicha evaluación visual conduce a defectos, ya que se basa en el juicio humano de un objeto en movimiento que pasa sobre una ola durante solo unos segundos. La Figura 1 muestra cómo una PCB puede ser dramáticamente diferente y aún así hacer contacto total con la soldadura en todo su ancho. Los defectos son inevitables porque un lado de su PCB experimenta una profundidad de inmersión mucho más superficial como resultado del disparalelismo. Esto a menudo causa saltos persistentes en ese lado de su tablero y puentes en el otro.

0.2 Segundo umbral  

Un elemento importante de nuestro enfoque fue la realización de un estudio de línea de base, que identificó 0.2 segundos como una medida de umbral para el paralelismo. Esto precedió a nuestro estudio más amplio con 384 plantas de ensamblaje, y se logró mediante la recopilación de los datos que se muestran en el gráfico adjunto. Se ejecutaron tres tipos de tableros separados a través de la misma máquina de olas sin cambios en los ajustes de flujo, precalentamiento, velocidad del transportador, altura del recipiente de soldadura y velocidad de la bomba.

Tanto para nuestro estudio de referencia como para un estudio posterior más amplio, se utilizó un dispositivo disponible en el mercado que simula con precisión las propias placas de circuitos del usuario. Se emplearon sensores de contacto únicos, que miden directamente la experiencia física de los conductores en la onda. No confunda esto con intentos previos de extrapolar a partir de temperaturas obtenidas de un perfilador térmico u observación visual con una placa de vidrio.

La medición del paralelismo real de este dispositivo es la diferencia entre el tiempo de permanencia en la onda de soldadura de cables en el lado izquierdo y derecho del dispositivo. Si su tablero es paralelo a su ola, entonces el tiempo de permanencia de los cables en su lado izquierdo será igual al de su lado derecho.

Después de cada serie de corridas, los rieles se ajustaron para causar cambios en las lecturas de paralelismo en incrementos de 0.1 segundos, de 0.0 segundos a 0.7 segundos. Las tasas de defectos para cada placa se registraron en cada ejecución, con su rango colectivo mostrado en el gráfico adjunto.

Los datos del estudio de referencia nos dicen algunas cosas, algunas familiares, otras no.

Primero, que se produce un salto significativo en los defectos causados ​​por el paralelismo cuando la lectura de paralelismo es superior a 0.2 segundos.

En segundo lugar, las tasas de defectos aumentan a medida que aumenta el grado de paralelismo. Como veremos, el punto de referencia de 0.2 segundos obtenido de nuestro estudio de referencia demostró ser extremadamente confiable en el estudio más amplio. Ciertamente, hay tableros que exigen una ventana de paralelismo más estricta, digamos 0.1 segundos o menos, al igual que hay tableros que toleran bien el paralelismo incluso a 0.4 segundos. Es su propio tablero el que tiene la respuesta por sí mismo: ¿en qué lectura de paralelismo comienza a disminuir la calidad de su propio tablero?

La tercera lección toma la forma de una advertencia: incluso si su placa es paralela a su onda de soldadura, aún le quedan otros desafíos igualmente críticos de interacción de la onda de la placa. Su tiempo de permanencia puede ser demasiado breve o prolongado, profundidad de inmersión demasiado profunda o superficial y longitud de contacto demasiado larga o corta. Los diferentes tipos de placa tienen diferentes causas de defectos junto con diferentes problemas de calidad, siendo el paralelismo solo uno de ellos. Por otro lado, tratar de mejorar los defectos relacionados con el paralelismo ajustando las temperaturas es completamente inútil, ya que uno no tiene relación con el otro. Por lo tanto, el tema más amplio de la interacción tablero-onda siempre debe ser una prioridad.

Otra observación más: si su tablero no es paralelo, no puede atribuirle un tiempo de permanencia o una profundidad de inmersión. Dicho de otra manera, si un lado de su tablero está más profundo en la ola que el otro, su tablero está experimentando una profundidad de inmersión diferente cada micro-pulgada en su ancho. Por lo tanto, el paralelismo es el requisito previo para el control de las otras tres facetas críticas de la interacción onda-tablero, a saber, el tiempo de permanencia, la profundidad de inmersión y la longitud de contacto.

Metodología de estudio de paralelismo

Después del estudio de línea de base, procedimos a recopilar datos de paralelismo de 384 instalaciones de ensamblaje de PCB durante un período de diecinueve meses. Con un muestreo tan grande, este estudio abarca prácticamente a toda la comunidad de PCBA de América del Norte: fabricantes de equipos originales y fabricantes contratados con alto y bajo volumen y alta y baja mezcla por igual, con tecnología de orificio pasante puro y mixta, con máquinas y ubicaciones de onda única y múltiple. , con y sin certificación ISO 9000. Los datos se obtuvieron de usuarios de prácticamente todas las configuraciones de máquinas de ondas y tipos de química.

Significativamente, todas estas plantas ya estaban ejerciendo algún tipo de control de proceso en sus máquinas de olas, incluyendo perfiladores térmicos, perfiladores en tableros de soporte, etiquetas de temperatura, placas de vidrio, cronómetros y medidores de altura de olas. El dispositivo utilizado en este estudio, el Wave Solder Optimizer, su tecnología y diseño patentado no habían sido utilizados previamente por ninguno de los participantes del estudio.

Se requirió la medición de cuatro corridas separadas a través de la máquina de olas sin ningún ajuste de la máquina de olas o su configuración para su inclusión en nuestro estudio. Se realizaron múltiples mediciones fácilmente ya que los datos se mostraban en la pantalla de cristal líquido del dispositivo sin demora al salir de la máquina de ondas. Igualmente crítico fue que las corridas se podían hacer inmediatamente en secuencia sin afectar las lecturas de paralelismo, ya que los sensores de contacto directo no tienen relación y no se ven afectados por las temperaturas. Sin tales características, un estudio de este alcance simplemente no hubiera sido posible.

Nuestro estudio incluyó cuatro pasos por parte del ingeniero de fabricación o proceso:

1. Antes de tomar cualquier medida, identifique la tasa / calidad de defectos de las placas que se están ejecutando.
2. Sin realizar ningún cambio en la máquina de olas, realice cuatro corridas de medición. Las ejecuciones realizadas por cada instalación de ensamblaje determinaron fácilmente si su máquina de ondas entregaba o no sus placas paralelas a la onda de soldadura. El criterio era simple y provenía de los resultados del estudio de referencia: cuando las cuatro corridas mostraron una lectura de paralelismo de 0.2 segundos o menos, se registró un paralelismo exitoso. Cuando las cuatro carreras mostraron una lectura de paralelismo de 0.3 segundos o más, se registró un paralelismo.
3. Los ingenieros cuyos datos mostraron un paralelismo intentaron corregir el problema y luego realizaron un conjunto adicional de mediciones de paralelismo. Esto mostró si el mantenimiento y / o la resolución de problemas realizados en la máquina de ondas realmente repararon el paralelismo.
4. Después de que se logró con éxito el paralelismo, se reanudó la producción de los PCB a través de la máquina de ondas. Su tasa / calidad de defectos de PCB se comparó con la tasa / calidad de defectos observada antes de tomar una medida de paralelismo (paso 1).

La capacidad de los ingenieros para responder rápidamente a los datos se vio favorecida por las características importantes del dispositivo utilizado: identificación electrónica de si un paralelismo se encuentra a la izquierda o la derecha, junto con una representación visual del disparallelismo. Como resultado, prácticamente todas las instalaciones completaron los cuatro pasos anteriores en menos de 1 hora.

Resultados del estudio

Los resultados en todos los aspectos son sorprendentes y demuestran que la gran mejora en el rendimiento de la soldadura por ola está fácilmente disponible para la mayoría de las plantas de ensamblaje de PCB:

1. De las 384 instalaciones de ensamblaje de PCB, 291 (76%) encontraron que su placa tiene una onda de soldadura dispareja la primera vez que se realizó un conjunto de mediciones.
2. De las 291 instalaciones que encontraron que su placa era dispareja en su ola de soldadura, 186 (64%) pudieron corregir con éxito su disparalelelismo en la primera ronda de mantenimiento / solución de problemas, mientras que 105 (37%) no abordaron con éxito su disparalelismo en La primera ronda de mantenimiento / solución de problemas.
3. Los ingenieros de prácticamente todas estas 105 instalaciones declararon que sin los datos del segundo conjunto de mediciones de paralelismo, habrían reiniciado la producción.
4. De estas 105 instalaciones, 97 (92%) pudieron obtener fácilmente un conjunto exitoso de mediciones de paralelismo después de mantenimiento / resolución de problemas adicionales.
5. Esto significa que 283 (97%) de las 291 instalaciones que fueron dispares en su conjunto inicial de ejecuciones de medición pudieron corregir el problema para obtener un conjunto exitoso de lecturas de paralelismo a 0.2 segundos o menos.
6. Estas 283 instalaciones reanudaron la producción de la misma placa para la que habían identificado la tasa / calidad del defecto antes de tomar medidas de paralelismo.
7. De estas 283 instalaciones, 238 (84%) informaron lo que consideraron mejoras significativas en la calidad de la junta ese mismo día, validando así el estudio de referencia anterior.

Motivo de las mejoras inmediatas

Existe una distinción crítica entre los defectos causados ​​por la interacción de la onda de la placa con los defectos causados ​​por las temperaturas. Por ejemplo, el paralelismo puede causar puentes en un lado de sus tableros. Ninguna cantidad de ajustes de temperatura puede eliminar dicho defecto. Esto se debe a que el defecto es causado por una mala interacción de la onda de la placa, es decir, el paralelismo. Puede ajustar sus temperaturas para siempre y nunca podrá deshacerse de este defecto; su empresa siempre asumirá sus gastos y usted sus consecuencias.

Más del 85% de las empresas que ejecutaron el dispositivo de interacción de onda de placa utilizado en este estudio habían estado utilizando una tecnología muy diferente conocida como perfilador térmico durante años. Sin embargo, a pesar del excelente perfil térmico y la armonización de las temperaturas con su tipo de flujo, todavía experimentaban problemas e inconsistencias persistentes en la calidad de la soldadura por ola. Nuestros estudios, incluido el sobre paralelismo presentado aquí, sugieren fuertemente que la mayoría de las fallas de producción de soldadura de onda restantes se deben a la falta de optimización de los cuatro parámetros de interacción de onda de placa.

Por el contrario, el ajuste del paralelismo no puede eliminar los defectos causados ​​por las temperaturas. Por ejemplo, el agrietamiento de los componentes causado por una pendiente de precalentamiento máxima demasiado alta nunca se resolverá ajustando su paralelismo. Por lo tanto, así como la medición de temperatura es esencial para el control de defectos relacionados con la temperatura, la medición de la interacción onda-tablero es esencial para el control del paralelismo, el tiempo de permanencia, la profundidad de inmersión y la longitud de contacto.

La implementación de este principio solo viene con la capacidad de realizar mediciones directas de la onda de la placa. Es por eso que el 84% de las plantas en este estudio pudieron mejorar tan fácilmente su soldadura por ola: Anteriormente, no podían realizar tales mediciones y, por lo tanto, no podían reaccionar en consecuencia. Cuando se les presentaron las herramientas adecuadas, las mejoras fueron significativas, ubicuas e inmediatas.

Estudio de caso: Ahorro de costos por rendimiento mejorado

Aquí hay datos sobre los ahorros de costos logrados por un fabricante contratado en Michigan siguiendo el sencillo procedimiento de cuatro pasos anterior, junto con "La técnica secreta de marcar los dedos".

1. En 2 de las 13 máquinas de olas, se estableció que las tablas no podían ejecutarse hasta que el Optimizador hubiera mostrado una lectura de paralelismo entre -0.2 y +0.2, al comienzo de cada turno.
2. Inmediatamente después de la implementación de este procedimiento muy simple, el porcentaje de tableros que requieren retrabajo cayó del 13% al 4%. En otras palabras, el rendimiento del primer paso mejoró del 87% al 96%.
3. Esta rápida mejora en el rendimiento redujo los costos operativos en $ 125,000 en el primer mes.
4. El fabricante del contrato calculó directamente que durante un año esto significará un ahorro de $ 1,500,000 debido solo al aumento del rendimiento.
5. Como un Optimizer está dedicado a cada una de las dos máquinas de olas, eso significa un retorno de $ 125,000 por mes en una inversión de 16K.
6. Basado en un mes de 30 días, esto significa que estos dos optimizadores se pagaron por sí mismos en menos de cuatro días.
7. Resultados similares en sus otras máquinas de once olas significan un ahorro anual debido al rendimiento mejorado de $ 9,750,000.

Este cálculo de ahorro de costos se basa exclusivamente en un mayor rendimiento. No incluye costos laborales reducidos, costos de nómina, costos de beneficios, capacitación del personal de retrabajo, espacio de piso para retrabajo, tiempo de administración, estaciones de trabajo para retrabajo, equipos de soldadura manual y consumibles. Tampoco tiene en cuenta los beneficios de las fallas de campo reducidas por las juntas. Es cierto que los costos reducidos superan con creces los $ 1,500,000 anuales.

Estos resultados se lograron solo al incorporar el parámetro de paralelismo en la especificación, que se eligió sabiamente como primer paso. Se puede lograr un progreso notable más rápido al controlar las profundidades de inmersión, identificar los tiempos de permanencia óptimos por tipo de placa, verificar el rendimiento del fluxer y controlar las temperaturas diariamente en todas las máquinas de olas.

Conclusiones

La medición efectiva del paralelismo de placa a onda es vital para la optimización de la soldadura por ola. Asegurarse de que los PCB se ejecutan solo cuando las mediciones directas confirman que el paralelismo de placa a onda da como resultado una mejora significativa en la calidad de la placa. Aprender a obtener dichos datos requiere poca o ninguna capacitación y se puede realizar en minutos. Cuando los datos muestran un paralelismo, las acciones correctivas que resultan en mejoras claras e inmediatas se pueden hacer de inmediato.

Las instalaciones de ensamblaje de PCB que no realizan tales mediciones tienen un 76% de probabilidad de que sus placas no sean paralelas a su onda de soldadura. Esas son las malas noticias. La buena noticia es que el 84% de estas instalaciones pueden mejorar su soldadura por ola de inmediato simplemente asegurando el paralelismo a través de la medición directa de la interacción entre las tablas y las ondas. Cuando se presenta la herramienta adecuada, este estudio muestra que las mejoras en la calidad de la placa son significativas, ubicuas e inmediatas