Регистрация Вспомнить пароль
Задать вопрос специалисту
CAPTCHA

Оптимизация технологического процесса при помощи отмывочной жидкости Vigon A201 и серьезные требования заказчика

4 Февраля 2015

Для любого производственного предприятия качество продукции является жизненно важным фактором производства, отвечающего стандартам надежности, которые устанавливает заказчик. Эффективность производственной линии - не менее важный фактор, что обуславливается экономически выгодным способом производства с точки зрения продавца. В результате этого устанавливается соотношение между ценой и потребительской ценностью. Несмотря на постоянное стремление к улучшению процессов производства, бывают случаи, когда новые технические требования заказчика не могут быть выполнены. В связи с этим, возникает необходимость выявить и устранить технологические недостатки производственной линии. Требуется разработать и внедрить новые, усовершенствованные стандарты систематизированным и своевременным образом.
Компании Ducommun LaBarge Technologies (DLT), поставщику услуг в сфере производства электроники, потребовалось провести испытания на сопротивление поверхностной изоляции флюса (SIR) в рамках новых технических требований, установленных заказчиком. Предварительные испытания на основе имеющихся процессов не были успешными вследствие наличия остатков флюса. Это было связано с несовершенством процесса отмывки. Так компания положила начало анализу технологических операций в рамках монтажа печатных плат с особым вниманием к процессу отмывки, в котором использовалась отмывочная жидкость на водной основе и струйной отмывки в воздухе.

План эксперимента был разработан с использованием образцов для испытаний IPC-B-36 и IPC-B-52. В ходе планирования эксперимента последовательно пересматривались и корректировались многочисленные параметры процесса. Среди них были как свойства самой отмывочной жидкости, например, концентрация, так и параметры технологической линии, включая количество распылительных сопел, тип и конфигурацию сопла, давление распыления на сопле, температуру отмывки и ополаскивания, а также скорость ленты конвейера.

Также контролировалось состояние отмывочной жидкости в ванне. На всех этапах планирования эксперимента прогресс процесса улучшения получал предварительное подтверждение путем визуального контроля и окончательно подтверждался после успешного прохождения SIR-испытаний.

В настоящем исследовании отражен план оптимизации процесса, целью которого являлось выполнение требований качества согласно технической спецификации на продукт, предоставленный новым заказчиком компании DLT.

Введение

Ducommun LaBarge Technologies специализируется на разработке интеллектуальных инновационных и безопасных решений под требования заказчика. Данный комплексный подход к оказанию услуг сочетает обширные производственные возможности и широкий спектр дополнительных услуг, включая профессиональную инженерно-техническую поддержку и управление программами для оказания помощи заказчикам в достижении их целей. Компания DLT использует лучшие в своем классе процессы, внедряет практику их постоянного улучшения и стремится к совершенству, чтобы добиваться высокого качества во всем.

Ниша компании DLT в отрасли микроэлектроники — производство в малых и средних объемах электроники высокой сложности и высокой степени вариативности. Полный комплекс услуг от поставщика в сфере производства электроники включает поставку кабельных узлов и соединительных систем, сборных печатных плат, электронных устройств высокого уровня и электромеханических узлов, системную интеграцию наряду с инженерно-технической и конструкторской поддержкой и управлением программами.

Рис. 1 Измерение сопротивления гребенчатого проводящего рисунка

Как признанный поставщик услуг в сфере производства электроники с проверенной временем репутацией в плане инженерно-технической экспертизы и обеспечения качества продукции, компания DLT адаптировала свои процессы под спецификации многочисленных заказчиков, постоянно превышая требования к чистоте: уровень загрязнения менее 10 мкг/кв. дюйм в соответствии с методом испытаний IPC-TM-650 для ионных загрязнения (IC). Сегодня компания получила возможность расширить спектр деятельности, однако квалификационные испытания производственного процесса налагают дополнительные требования: проведение SIR-испытаний.

Рис. 2 Измерение сопротивления проводящего рисунка периметра

В качестве неотъемлемой части технологии поверхностного монтажа компания DLT использовала систему струйной отмывки в воздухе, которая до настоящего момента соответствовала требованиям компании. Однако после рассмотрения требований нового заказчика и проведения квалификационных испытаний производственного процесса специалисты DLT обнаружили, что на основе имеющихся процессов невозможно соответствовать требованиям заказчика: результаты нескольких SIR-испытаний оказались неудовлетворительными. Более того, первый неудовлетворительный результат был связан с остатками флюса, в особенности под компонентами.

Рис. 3 Измерение сопротивления проводящего рисунка последовательной структуры

Первоначально были предприняты три квалификационные попытки для прохождения SIR-испытания.

Все три попытки не увенчались успехом. После каждой попытки в процесс были привнесены изменения в надежде на положительный результат при последующей попытке, однако положительного результата добиться не удалось. После второй неудачной попытки компания DLT объединилась с ZESTRON для проведения оценки процесса отмывки и разработки плана эксперимента, в ходе которого удалось бы построить процесс, способный удовлетворять новым квалификационным требованиям.

Первоначальная процедура испытаний — попытки пройти квалификационные испытания производственного процесса

Требования нового заказчика заключались в том, что печатные узлы должны быть собраны с использованием паяльной пасты, не требующей отмывки, и жидкого канифольного слабоактивного флюса. Оба эти компонента уже использовались в DLT при изготовлении продукции для имеющихся заказчиков. Таким образом, компания DLT подошла к данному вопросу, исходя из своего производственного процесса, с полной уверенностью ожидая, что продукция будет удовлетворять требованиям заказчика, включая успешное прохождение SIR-испытаний. Чтобы провести квалификационное испытание технологического процесса для нового заказчика, компания DLT использовала образцы для испытания IPC-B-36 и следовала существующим процедурам в рамках собственной технологии монтажа печатных плат. Для дополнительной проверки качества продукции на протяжении всего процесса проводилось несколько процедур исследования на ионное загрязнение, несмотря на то, что для квалификационного испытания этого не требуется. Эти испытания проведены в DLT с результатами, последовательно удовлетворяющими существующим стандартам качества. По завершении процесса сборки печатные платы были направлены в сертифицированную лабораторию на SIR-испытания согласно требованиям квалификационной процедуры.

Получив результаты SIR-испытаний первого набора плат, в DLT с удивлением обнаружили, что ни один из образцов не прошел испытание. Более того, результаты испытаний показали, что основной причиной неудачи стала неудовлетворительная отмывка. Специалисты компании проинспектировали процесс отмывки, внеся необходимые корректировки в целях улучшения результатов и успешного прохождения SIR-испытаний. В итоге результатом всех трех квалификационных попыток явилось получение продукции, не прошедшей SIR-испытание.

Протокол испытаний процесса отмывки, составленный по результатам первых трех квалификационных попыток, выглядит следующим образом:

Первая попытка

Конфигурация технологической линии отмывки:

Протокол процесса:

Результаты SIR-испытаний приведены на рис. 1, 2 и 3.

Критерии оценки в SIR-испытаниях подробно описаны в документе J-STD-001E, прил. C.

Согласно разд. С-6, минимальное значение величины поверхностного сопротивления изоляции флюса (SIR) от каждого испытательного образца должно быть преобразовано в значение по логарифмической шкале (log10). Среднее по этим логарифмическим значениям, не превышающее трех стандартных отклонений (для логарифмических значений), должно быть не менее 8,0 (1E8 Ом). Когда на испытываемом образце используется несколько проводящих рисунков, каждый набор данных должен удовлетворять требованиям. Как можно заметить на рис. 2 и 3, измеренные величины сопротивления на проводящем рисунке периметра и последовательной структуры значительно ниже порогового значения 8,0.

Вторая попытка

Конфигурация технологической линии отмывки была такой же, что и для первой попытки.

Плата №

Реагент

Концентрация

(%)

Температура

(˚F)

Скорость ленты конвейера

(фут/мин)

Результаты

Кол-во промывочных сопел

На поверхности

Под компонентом

1

ATRON® AC 205

10

140

1,6

++

4

2

ATRON® AC 205

10

140

1

++

4

3

ATRON® AC 205

10

140

0,8

++

4

4

ATRON® AC 205

10

150

0,8

++

4

5

ATRON® AC 205

10

155

0,6

++

0

4

6

ATRON® AC 205

10

155

0,6

++

0

8

7

VIGON® A 201

10

155

0,6

++

+

8

8

ATRON® AC 205

10

155

0,6

++

+

16

9

ATRON® AC 205

15

155

0,6

++

+

16

10

VIGON® A 201

10

155

0,6

++

+

16

11

VIGON® A 201

15

155

0,6

++

+

16

Таблица 1. Результаты и параметры плана эксперимента.


Протокол процесса аналогичен протоколу для первой попытки со следующими изменениями:

Третья попытка

В данном случае имели место следующие изменения в операциях, последовавших за процессом отмывки:

Для той же конфигурации технологической линии отмывки концентрация отмывочной жидкости была увеличена с 12 до 16 %. Все остальные параметры оставались без изменений.

Протокол процесса аналогичен таковому для второй попытки со следующими изменениями:

По завершении процесса отмывки для всех печатных узлов был выполнен анализ на ионные загрязнения, как и в первом случае.

И снова полученный результат составил в среднем 2 мкг/кв. дюйм. Все платы были направлены в сертифицированную лабораторию на SIR-испытания. Результаты SIR-испытаний:

Это стало значительным достижением, так как предполагалось, что плату IPC-B-52 будет легче отмыть; однако с использованием существующей отмывочной жидкости компания DLT по-прежнему не могла пройти SIR-испытания. Следующие наблюдения были выполнены в отношении концентрации отмывочной жидкости:

Рис. 4 До отмывки — остатки флюса вокруг контактных площадокРис. 5 До отмывки — остатки флюса под компонентомРис. 6 До отмывки — остатки флюса на обратной стороне компонента

Рис. 7 После очистки — результат визуального осмотра: –: < 75 % остатков флюса удалено Рис.8 После очистки — результат визуального осмотра: –: 0: > 75 % остатков флюса удаленоРис. 9 После очистки — результат визуального осмотра: +: > 95 % остатков флюса удалено

В результате отмывки была удалена маркировка компонентов, цель в плане качества отмывки по-прежнему не достигнута. Однако специалисты DLT продолжили использовать более высокую концентрацию там, где это возможно.

Планирование эксперимента

Процесс отмывки

В технологической линии

VIGON® A 201 концентрация

10 %

Скорость ленты конвейера

0,6 фут/мин

Давление отмывки (сверху/снизу)

55 фунт/кв. дюйм / 30 фунт/кв. дюйм

Давление при отмывке насадкой типа «циклон» (сверху)

0 фут/мин

Температура отмывки

155 °F / 68 °C

Ополаскивание

Жидкость для ополаскивания

Деионизованная вода

Давление ополаскивания (сверху/снизу)

85 фунт/кв. дюйм / 80 фунт/кв. дюйм

Давление ополаскивания насадкой типа "циклон"

85 фунт/кв. дюйм

(сверху/снизу)

Температура ополаскивания

150 °F / 65 °C

Расход при финишном ополаскивании

2 галлон/мин

Температура при финишном ополаскивании

Комнатная температура

Сушка

Метод сушки

Горячий циркулирующий воздух

Температура сушки

140—160 °F / 60—71 °C

Таблица 2. Рабочие параметры технологической линии

По мере выполнения квалификационных испытаний специалисты DLT поняли, что при существующем процессе отмывки удовлетворительный результат, вероятно, вообще невозможен. Тогда они начали анализировать все стадии процесса отмывки, включая настройку технологического оборудования и выбор отмывочной жидкости. Для помощи в этом вопросе компания DLT объединила свои усилия с ZESTRON, чтобы выполнить оценку существующего процесса и разработать план эксперимента по идентификации процесса производства печатных узлов, которые успешно проходили бы требуемые SIR-испытания и, таким образом, удовлетворяли бы квалификационным стандартам нового заказчика.

Компания DLT так определила проблемы своего процесса отмывки:

  • Недостаточная степень чистоты в существующем процессе отмывки в технологической линии даже после нескольких проходов.
  • Необходимость предварительной отмывки плат.
  • Повышение концентрации отмывочной жидкости не позволяет достичь цели в плане качества чистоты и ведет к несовместимости с материалом маркировки компонентов.

В сотрудничестве с ZESTRON компания DLT определила цели планирования эксперимента следующим образом:

  • Повышение эффективности процесса отмывки путем отмывки поверхности платы под всеми компонентами за один проход и, в конечном счете, успешное прохождение SIR-испытания.
  • Снижение расхода отмывочной жидкости и, как следствие, снижение производственных затрат.
  • Выбор отмывочной жидкости, которая полностью совместима со всеми материалами печатной платы.

Специалисты ZESTRON понимали, что в отношении процесса отмывки плат от остатков флюса с помощью струйной системы по партиям или в непрерывной технологической линии имеются четыре основных фактора, влияющих на качество процесса: химическая энергия, механическая энергия, тепловая энергия и время отмывки или время выдержки плат в среде отмывочной жидкости. Для любого заданного процесса отмывки эти факторы должны быть оптимизированы с целью достижения желаемого результата в плане качества.

Рис. 10 Образец IPC-B-36 с установленными на нем компонентами

Обзор технологического процесса ZESTRON

Отмывочная жидкость:

  • Исходя из начальных данных: паяльная паста, не требующая отмывки, и жидкий флюс, использовавшиеся в продукции для данного заказчика, были выбраны две щелочных отмывочных жидкости: ATRON® AC 205 — жидкость на основе технологии FAST®, и VIGON® A 201 — жидкость на основе технологии MPC®. Обе жидкости для отмывки специально разработаны для удаления остатков флюса с низким содержанием твердых веществ и канифольного флюса в технологическом оборудовании струйной отмывки. Судя по производственному опыту ZESTRON, ожидалось, что с помощью любой из новых отмывочных жидкостей можно достичь желаемого результата при концентрации 10 %, что намного ниже концентрации жидкости, использовавшегося на тот момент в DLT.

Механическая энергия:

  • Конфигурация технологической линии включала четыре промывочных сопла и одну насадку типа «циклон» в зоне отмывки, а также нанос мощностью 10 л. с. Основываясь на опыте специалистов ZESTRON и на том факте, что платы содержали низкопрофильные компоненты, механическую энергию следовало увеличить. Таким образом, было рекомендовано добавить дополнительные распылительные сопла и модернизировать насос с повышением мощности до 15 л. с.

Тепловая энергия:

  • Текущая температура отмывки составляла 145 ˚F (63 °C).
  • Повышение температуры отмывки или тепловой энергии влечет за собой повышение рабочих характеристик отмывочной жидкости. Таким образом, испытания были проведены при различных температурах отмывки с повышением до максимального значения 155 ˚F (68 °C) с целью определить оптимальную температуру отмывки.

Время отмывки:

  • Время отмывки может существенно повлиять на качество отмывки, в особенности для низкопрофильных компонентов. Для этого варьировали такой параметр, как скорость ленты конвейера.

В конечном счете, все эти параметры в рамках технологического процесса отмывки требовалось оптимизировать с целью максимального повышения экономичности процесса, который при этом позволял бы достигать желаемых результатов в отношении качества.

По рекомендациям ZESTRON с использованием заново выбранных отмывочных жидкостей был разработан план эксперимента в две фазы, который и реализовали в техническом центре ZESTRON в Манассасе, шт. Вирджиния, США.

В фазе 1 была разработана точная копия существующего в DLT процесса отмывки; с помощью варьирования параметров стремились улучшить результаты отмывки. В случае положительных результатов фазы 1 выполнялось исследование фазы 2. Данное исследование ставило цель осуществления качественной отмывки для последующего прохождения SIR-испытания с использованием оптимальных параметров процесса, определенных в исследованиях фазы 1.

Для исследований фазы 1 использовались те образцы, пайка которых производилась в ходе второй попытки DLT пройти квалификационные испытании (см. выше); образцы были выдержаны 48 часов до отмывки в техническом центре ZESTRON. Эти платы представляли собой худший сценарий для процесса отмывки.

Для фазы 2 платы были спаяны в DLT и отправлены в ZESTRON. Эти платы были подвергнуты отмывке спустя не более 24 часов с момента пайки.

Результаты эксперимента, проведенного по плану

Параметры испытания фазы 1

Конфигурация технологической линии отмывки:

  • ATRON® AC 205 и VIGON® A 201, концентрация: каждая жидкость использовалась в концентрациях 10 и 15 %.
  • Температура отмывки: 140 ˚F (60 °C), 150 ˚F (66 °C) и 155 ˚F (68 °C).
  • Скорость ленты конвейера: 1,6 фут/мин, 1 фут/мин, 0,8 фут/мин и 0,6 фут/мин.
  • Конфигурация зоны отмывки:
    • Промывочные сопла: 4, 8 и 16 шт.
    • Одна насадка типа «циклон».
    • Насос мощностью 15 л. с.

Протокол процесса:

  • Соблюдение процедур, связанных с защитой от электростатических разрядов, на всей протяженности процесса.
  • Образцы для испытаний: одиннадцать односторонних образцов IPC-B-36 с четырьмя установленными на них компонентами LCC-68.
  • Все образцы однократно прошли процесс отмывки в технологической линии. 

Результаты испытаний и параметры процесса приведены в табл. 1.

На рис. 4, 5 и 6 представлены платы до проведения отмывки.

На рис. 7, 8 и 9 проиллюстрированы различные оценки степени чистоты плат после отмывки.

В ходе данных испытаний замечено, что для удаления остатков флюса из-под низкопрофильных компонентов, за один проход требуются более низкие скорости конвейерной ленты и более высокие температуры. Для первых пяти исследований была использована конфигурация из четырех распылительных форсунок. Их число было увеличено до восьми и, наконец, до шестнадцати в ходе проведения испытания, чтобы увеличить силу, действующую на поверхность платы, а также повысить степень воздействия отмывочной жидкости.

Платы с 1-й по 7-ю до отмывки выдерживались два дня (время между сборкой и отмывкой). Те платы, что подвергались отмывке с помощью струйной отмывки на 16 сопел, были выдержаны четыре дня. Как можно заметить, на платах 7, 8, 9 и 10 с помощью обеих жидкостей, ATRON® AC 205 и VIGON® A 201, удалось отмыть более 95 % остатков флюса из-под компонентов за один проход вне зависимости от времени выдержки с момента сборки до отмывки.

Таким образом, оптимальные параметры технологической линии определены следующим образом:

  • Концентрация отмывочной жидкости: 10 %.
  • Температура отмывки: 155 ˚F (68 °C).
  • Скорость конвейерной ленты линии: 0,6 фут/мин.
  • Конфигурация зоны отмывки: 16 распылительных сопел / насос мощностью 15 л. с.

На основе этой информации компания DLT модифицировала зону отмывки в своей технологической линии. С использованием имеющейся отмывочной жидкости, но в концентрации 16 %, была предпринята попытка воспроизвести результаты отмывки, достигнутые в ходе фазы 1 плана эксперимента на образцах для испытаний IPC-B-36. Все платы были направлены в сертифицированную лабораторию на SIR-испытания, где в очередной раз не прошли данные испытания.

По причине этих неудовлетворительных результатов, полученных на существующей отмывочной жидкости, и благодаря положительным результатам ZESTRON, полученным в ходе исследований фазы 1, компания DLT дала согласие на продолжение экспериментов согласно плану с переходом к фазе 2. Однако для данных исследований было решено выбрать VIGON® А 201 по причине его общей технологической совместимости. При использовании имевшейся в DLT отмывочной жидкости ванна менялась каждые две недели. Использование VIGON® A 201 позволило существенно увеличить срок эксплуатации раствора ванны, что еще больше сократило производственные затраты.

Параметры испытания фазы 2

Компания DLT предоставила ZESTRON двенадцать тестовых плат IPC-B-36. Десять из них имели по четыре установленных на них компонента LCC-68 (рис. 10), остальные две не содержали компонентов и использовались в качестве контрольных образцов.

После процесса отмывки все платы были герметично запечатаны и возвращены в DLT для SIR-испытаний. Как и в предыдущем случае, эти платы были направлены в сертифицированную лабораторию SIR-испытаний.

Фаза 2. Результаты SIR-испытаний

Компания DLT направила пять образцов IPC-B-36 в сертифицированную лабораторию на SIR-испытания. На всех платах гребенчатого проводящего рисунка, проводящего рисунка периметра и проводящего рисунка последовательной структуры было измерено сопротивление (рис. 11, 12 и 13).

Рис. 11. Измерение сопротивления гребенчатого проводящего рисунка
Рис. 12 Измерение сопротивления проводящего рисунка периметра
Рис. 13 Измерение сопротивления проводящего рисунка последовательной структуры

Квалификационные испытания производственного процесса

На основании результатов, полученных в ходе реализации плана эксперимента, в частности результатов SIR-испытаний в ходе исследований фазы 2, компания DLT прошла процедуру квалификации своего технологического процесса под требования нового заказчика. Однако данный процесс также показал, что качество отмывки в существующей технологической линии может быть значительно повышено путем использования технологических параметров, полученных в результате исследований фазы 2, включая замену отмывочной жидкости. Но поскольку большинство заказчиков DLT — предприятия военной отрасли, производственные процессы, в частности, отмывка, должны проходить процедуру переквалификации. Компания DLT представила все данные исследования фазы 2 заказчикам из своей клиентской базы, и в течение следующих нескольких недель получила от всех одобрение на изменение технологических параметров процесса отмывки, в том числе на использование новой отмывочной жидкости. По заявлению Кена Ван Зилла (Ken Van Zill), старшего инженера по качеству DLT, «что труднее всего сделать в данной отрасли промышленности, так это получить от всех лиц, принимающих решения, согласие на существенное изменение технологического процесса. Хотя на это потребовалось определенное время и многочисленные телефонные конференции, чтобы разрешить все имеющиеся вопросы и дать необходимые разъяснения, в конечном итоге нам удалось получить одобрение на эти изменения от всех наших заказчиков».

Таким образом в результате улучшений технологической линии отмывки DLT и использования на практике технологических параметров, определенных в фазе 2 плана эксперимента, жидкость VIGON® А 201 была внедрена на предприятии. В результате устранены всяческие препятствия к сотрудничеству с новым заказчиком, и общее качество производства повысилось по всей цепочке производственного цикла DLT. Отчеты о совместимости материалов также представлены DLT. В них приведено доказательство совместимости VIGON® А 201 со всеми основными материалами печатных плат.

Заключение

DLT и ZESTRON успешно выбрали отмывочную жидкость и оптимизировали процесс, что позволило достичь трех целей, определенных на этапе планирования эксперимента:

  • Повышение эффективности процесса путем отмывки поверхности платы под всеми компонентами за один проход и успешное проведение SIR-испытания.
  • Снижение расхода отмывочной жидкости, и, как следствие, сокращение производственных затрат.
  • Определение и рекомендация к использованию отмывочной жидкости, полностью совместимой со всеми материалами печатных плат.

Помимо достижения более высокого качества продукции новый процесс обеспечил многочисленные преимущества для DLT в плане сокращения расходов, которого удалось достигнуть в следующие месяцы после внедрения.

К таковым относятся:

  • Снижение концентрации отмывочной жидкости с 16 до 10 %, что позволило еще больше сократить расходы.
  • Увеличение срока эксплуатации ванны с раствором отмывочной жидкости с двух недель до трех месяцев, что составило шестикратное увеличение. Чистота замены ванны снижена с 26 до 4 раз в год.
  • Снижение расходов на транспортировку отмывочной жидкости в результате более низкой рабочей концентрации и увеличения срока эксплуатации ванны.
  • Снижение затрат трудовых ресурсов на обслуживание в результате уменьшения количества замен ванн.

В плане взаимоотношений с потребителями поставщик отмывочной жидкости — больше чем просто поставщик химических веществ. Поставщик отмывочных жидкостей должен быть экспертом в своей области и использовать возможности сотрудничества с потребителями для оценки всего процесса в рамках технологии поверхностного монтажа с полным пониманием того, какое влияние оказывают используемые пасты и флюсы, их параметры при пайке и растворимость в предложенной отмывочной жидкости. Все это, в сочетании с экспертными знаниями в области оборудования для отмывки, позволяет разрабатывать планы экспериментов и обеспечивать ресурсы для оценки результатов и реализации технологических решений на практике в пользу всех заинтересованных сторон. Именно таким было совместное исследование DLT и ZESTRON.

Автор, должность:
Кен Ван Зилл (Ken Van Zill), Ducommun LaBarge Technologies и Naveenkamal Ravindran, компания ZESTRON (Америка)
Издание:
Global SMT & Packaging