在过去约10年来，SMT界的在线工艺检验技术发展的十分快，自动化检验设备如AOI（自动光学监测）和AXI（自动X射线检测）技术蓬勃发展。到了最近几年来，更是扩展到锡膏印刷的检验上，也就是SPI（锡膏印刷检测）技术。监测技术的应用，并不能带给产品附加值，也就是说一个产品的制造质量，并不会因为经过检验而更加好。那为什么业界对检验技术如此的依赖呢？原因就在于目前许多制造技术以及质控技术，并未能达到客户对产品质量要求的水平。许多客户要求的制造质量水平，已经接近零缺陷的水平，但一般的制造商的一次通过率（或直通率）离开这目标还是有一相当的距离的。所以生产中“免检”对于目前的几乎所有SMT用户来说，是个不可实现的目标。几乎没有SMT制造商或制作部能够说服自己或其客户允许免检的作业进行日常操作。
基于直接成本的考虑，以往大多数的SMT用户所采取的检验技术，都是以MVI（人工目检）为主。后来随着封装技术的发展，一些器件如BGA，QFN，以及十分微小的0201等等的出现，MVI已经无法满足检验的需求了。对检验的依赖以及随着业界技术层次的发展，本区域也开始有了越来越多的用户进入采用自动检验设备的行列。例如使用AOI的用户，目前已经不是为数很少的现象了。
一条典型的SMT回流组装工艺生产线上，有3个主要的工艺模块。就是‘锡膏印刷’、‘贴片’、以及‘回流焊接’。在这三个主要工艺中，检验技术最早针对的是贴片后以及焊接后的检查。因为这两个站位被认为是最‘关键’的地方。其之所以‘关键’，从焊接前的站位来看，是因为一旦经过回流焊接后，返修工作和成本会显著较高。而从焊接后的角度来看，是因为整个组装工艺已经完成，成为了这阶段的成品了。
经过了十多年的技术发展，设备供应商对于回流前后的检验的技术，虽然还有不少改善空间，但也算已经有了相当的掌握。在竞争和需求的驱使下，也就开始对其他工艺进行检验处理。而下个目标是锡膏印刷工艺，所以近年来SPI技术也开始推广了。其实在AOI技术出现的初期，已经有对锡膏印刷工艺进行检验的考虑。当时主要是在二维检验上。但由于技术和应用焦点主要还是在贴片后，所以锡膏印刷的检验直到近年才比较完善的发展（注一）。
在焊接后的质量检验，目前的主要技术和应用还是限于外观方面的。这层次的检验是否足够呢？如果不足的话，那是否还有更好的做法呢？我们接下来就来探讨这个问题。
1 检验的目的和组装质量的定义
我们进行检验的目的，无非是为了知道所做的工作是否合乎标准。所以在评估以及选择所使用的检验技术和执行程度之前，用户必须先要对所谓的合格标准，也就是什么是良好质量这一问题先有个十分明确的认识或定义。
SMT电子组装工作，就是将元器件组装（贴焊）到基板PCB上。这工作所应该负起的质量责任是什么呢？简单来说，是需要确保焊接后的焊点能在设计部所定的用户使用模式与条件下，有足够的电性与机械寿命。也就是在产品的预期使用寿命期内，焊点不能失去机械或电性连接性。
这里需要强调的一点，就是质量定义中应该包含“使用寿命”这一元素。不少SMT用户的质量管理或质量保证体系，关注到的层次只是到了产品的最后功能测试合格这一环节，这样的管理理念是不足够的。这也许就是目前中国制造的产品仍然存在不少的可靠性问题的最根本原因。完整的质量定义中必须包含“使用寿命”这一概念。
2 焊接的质量定义
好的焊接工艺是什么？就是使PCBA上的每一个焊点都形成好的焊点。好的焊点应该具备6个基本条件，其中3个为外观条件。另外3个为内部结构条件。
3个外观条件有：
(1)良好与足够的润湿现象。良好的润湿表示焊接面的两种金属之间有条件形成合金界面。合金界面的形成是焊接的最基本要求。如果焊接材料之间的兼容性不好，或界面出现防碍合金形成的污染物或化合物，则合金层无法完好的形成，也体现在润湿性受到破坏的迹象上。因此从润湿的程度上可以做出一定程度的质量判断。润湿性的判断一般从两方面来评估，一是润湿或扩散程度；另一是最终形成的润湿角。
(2)适当的焊点大小。焊点的大小直接影响焊点的机械力以及可以承受的机械冲击力，所以也是个关键的质量指标。大焊点由于接触面大，焊点承受的应力可以分担在较大的面积上，以及在出现断裂情况时有较长的距离使失效时间得以延长，所以一般寿命较长。不过太大的焊点将影响组装后的检验效果，例如造成对润湿情况的判断不易等问题。
(3)良好的外形轮廓和表面状态。不同的焊点或焊端结构，其应力的集中位置与模式会有所不同。也就是说，各种不同的焊端都有其特定的关键焊点部位。例如“翼型”引脚或焊端的关键位置在于其“足跟”部位。这部位是焊点在产品的使用中应力最大的部分。所以如果要确保这里焊点的使用寿命，就必须确保在组装过程中能够有足够的焊料填充这个部位。此外，焊点的表面状况也是个重要的质量信息。表面发黑或粗糙的焊点显示了焊点可能受到金属或杂质污染等材料问题，也可能是溶蚀不足或过度等等工艺故障。这些故障都会影响焊点的可靠性。
除了上述的外观条件外，焊点质量的好坏也必须从以下3个内部结构条件来评估：
(1)适当厚度的合金层。当焊接工艺完成时，焊接面的两种金属之间必须形成一层适当厚度的合金层（IMC – Inter-Metallic Compound ）。在这合金层未形成时，焊点没有足够的机械结合力（即所谓的虚焊）。不过由于金属间合金层的质量都属于比较脆的，所以形成的合金层不能太厚。否则焊点的可靠性也会不良。
(2)焊点的微晶结构。焊点的强度也受到其微晶结构以及内部的合金成分与结构的影响。不同的工艺（例如焊接温度与时间，冷却速度等）将会形成不同的微晶结构，不同的金属和含量的配合也将形成不同的合金结构与成份。这些都将决定该焊点的坚固性或可靠性。
(3)焊点内部不能存在过量或过大的空洞。焊点除了必须形成适当的轮廓外，内部还应该是个实体最为理想。任何原因形成的空洞，如果出现在关键位置，而又有一定的体积或数量时，也会降低焊点的可靠性。
以上的6个和工艺相关的条件如果得到很好的保证的话，制造商就能够确保有良好质量的焊接工艺。上一节我们谈到质量的定义应该包含“使用寿命”这一元素。上面的这些焊点的基本条件中，就能保证到焊点的使用寿命。也就是说，如果能满足以上的条件的话，焊点或产品的设计寿命也可以得到保证。
那什么因素决定以上6个条件是否成熟呢？这可以分两方面来给予保证。首先是设计的工作，然后是制造的保证。也许读者们曾听过在质量管理学上的一句名言。就是“质量是设计和制造出来的，而不是检验出来的。”。这话描述得很准确。要确保好的质量，就必须从设计和制造这两大工作中着手。设计工作对质量的影响在于选择适当的材料以及提供可靠性以及可制造性设计。所以它是个走在前头的，决定最终质量水平的关键工作。而制造工作在于落实，通过良好的工艺设置与管控来确保发挥最佳的设计目标（质量水平目标）。
本文我们只讨论回流焊接工艺的制造质量这一方面的。也就是假设产品或PCBA，以及工艺设计上已经照顾到制造条件与能力方面的需求。而在制造技术上我们也只偏重于讨论‘回流焊接工艺管制’这一方面。
3 工艺设置与调制
为了使我们讨论的整个概念较完整和清楚，我这里用点篇幅略略解释一下在执行工艺管制前应该处理好的工作。也就是‘工艺设置与调制’的工作。在我们组装焊接每一种产品或PCBA设计时，我们首先必须要有所谓的工艺质量标准。这包括了‘工艺’和‘质量’两部分。‘工艺标准’指什么样的工艺种类、什么工艺参数、以及什么工艺参数值是推荐或允许的。‘质量标准’指什么质量特性和怎样的质量特性才算合格（注二）。决定工艺标准的是产品设计以及工艺设计所采用的规范，包括材料规范和工艺规范。而决定质量标准的是产品的用户特性，包括使用模式和预期寿命等等。这些都在设计工作和管理中应该生成的。
良好正确的规范都会指出一个可操作的范围（也就是可接受或允许的上限与下限），我们一般称这范围为‘窗口’。例如‘工艺窗口’表示某工艺参数允许的最大值与最小值之间的范围；‘质量窗口’表示某质量指标的合格上下限等等。在制造中，工艺工程部的一个主要责任，就是确保在设置工艺时，能够按照这些规范或标准的规定来设置，并能尽量设置到最佳、最优化、或最稳定的地方。
在回流焊接工艺中，最主要的一个工艺标准就是回流温度/时间曲线规范。这曲线的标准是取自于所使用的锡膏以及所有PCBA上的材料（包括器件和基板），更细的工程也会考虑到设备（回流炉）的性能波动在内。
由于各种产品或PCBA的热特性都不一样，以及还缺乏一套能直接量化评估PCBA热特性的做法，所以回流工艺不是属于‘设置工艺’类，而是一种‘调制工艺’类。这就要求用户对每种产品进行工艺测量，然后根据测量结果和规范进行参数调整，以确保所设置的参数值合乎规范。
回流温度/时间曲线虽然是个主要的工艺设置依据，但完全按照它来设置并不能保证不出现工艺问题。这是因为这规范的定义，以及目前的测温技术无法细化到足以照顾到所有的工艺问题。例如‘吸锡’（也称‘爬锡’问题）就是个不能单从回流温度/时间曲线上来解决的典型例子。再加上有时DFM/DFR的工作上无法完善。造成在调制工艺时就必须做出些牺牲取舍。这是用户们必须知道和掌握的工艺调制技巧。良好的工艺设置和调制能力可以使工艺管制工作更容易执行。
4 工艺管制
上述的工艺设置与调制工作，是协助用户确保工艺参数被定在一个能制造出好产品的定位上。而工艺管制的目的，是要协助确保在批量生产中，所有的每一块产品或PCBA都能做好。我们之所以需要工艺管制，是因为一般的工艺都存在不稳定性。这不稳定的因素来自材料的特性变化（例如可焊性的变化），前工序工艺的变化（例如锡膏印刷或贴片的偏位），以及本位工艺的变化（例如焊接温度的波动）。以上任何一个因素的变化都可能造成焊接出现不良品。由于这些因素在目前业界的常规水平下还无法有效进行预防性的控制在用户想要的范围内，所以工艺管制工作在回流焊接工艺中，目前还是个必须关注和执行的工作。
一套好的工艺管制做法，是具备能够事先或及时发现问题，能够快速的调整或对偏差的工艺进行补偿，以及能够提供有用的信息协助将来避免类似问题的重复出现。
5 目前常用的工艺管制做法
在回流焊接工艺上，目前可行的做法有以下几种。
(1)定时间进行人工温度/时间监测；
(2)在转换产品（或俗称‘换线’）时进行人工温度/时间监测；
(3)自动定时温度/时间监测；
(4)100% 实时自动温度时间监测。
其中第一种做法是目前最多用户采用的。而据笔者的了解，在国内用户中，采用间隔6小时或12小时进行检测的用户为数最多。这是一种习惯做法，目前多没有什么科学依据。稍后我们会来看看怎样的监测才比较有意义。让我们先来比较以上这些管制做法的差异和优缺点。
第一种做法的设备投资比较少，但人工投入比较多，监控的效益看工艺工程人员的监测设计能力而定。主要在于测温的做法以及检测频率的制定是否合理。不过这种技术无法达到最佳的质量保证。这做法适用于产品批量较大，质量责任较低，工艺难度不高以及较稳定的场合下。
第二种做法与第一种类似，不过给用户的‘信心感觉’好一些（因为每批产品在开始生产前都有认证工作和记录）。由于检测频率受到的批量的限制，所以在同样工艺难度以及稳定性的条件下，其效益或质量风险似乎批量大小来决定。由于这种以抽样检验为基础的技术还是无法达到最佳保证，所以适用范围和条件也和第一类做法相近。
业界也有不少用户采取以上两者的混合做法。也就是每次换产品时有检测，另外在批量足够大时同时采用定时间监测的做法。
第三类做法，在人工投入上以及对生产线停线浪费上比较节省。不过初期的设备（检测设备）投入比较大。由于是自动化的运作，所以检测频率可以提高。例如KIC的自动温度曲线仪可以做到每小时检测一次。而监测频率的提高就等于提高了监控效率或降低了质量风险。此外，自动系统的数据收集和处理能力较强，不但节省人力资源的投入，还可以增加数据量，有助于技术的研究、改善与提升。这技术适用于产品质量责任偏高，讲求质量数据管理，以及工艺能力和稳定性中等的场合。
第四类100%的监测做法，是质量监控的最保险做法。这做法针对每一块产品在加工过程中的温度时间关系进行检测、统计和处理。所以不论是在把关以及信息量上都是最佳的。不过用户的初期投资比较高。长期投资则未必是最高，主要得看产品的质量需求以及用户的工艺能力来决定。这类技术适用于产品质量责任较大，成本高，重视质量数据管理，以及工艺能力相对低或不稳定的场合。
6 产品检验与工艺检测
从上述的工艺管制中，读者也许会发现在工艺管制上，回流工艺和前工序的锡膏印刷以及贴片工艺有些明显的不同。锡膏印刷目前的所谓质量控制手段是采用MVI或SPI，贴片工艺的则是以AOI为主。而回流工艺我们也可以有焊接后的AOI，甚至是AXI检验。但为什么在回流工艺中我们还进行温度/时间的检测作业？
这牵涉到需求和质控层次的问题。传统的质量控制方法，是依赖对成品或半成品的质量检验结果，以及调整工艺和返修不良品来达到目的（其实锡膏印刷与贴片工艺还停在这阶段上）。这做法在效益和不断改善的角度上来说都存在一定的弊病。而更好的做法是通过对工艺，也就是制造过程的监控来达到避免出现不良品的做法。所以检测工艺特性（或参数）的做法，在质量管理层次上是高于或优于对成品进行检查的做法。另一方面，有些质量问题的特质，目前还没有存在有效的成品检验方法。例如焊点的寿命或可靠性就是个最好的例子。前面我们提到影响焊点寿命的要素中，许多如IMC厚度、微晶结构等都是无法通过有效的成品检验来评估的。即使如空洞故障，虽然X射线技术可以做到一定程度，但在准确性和效率上还是不理想。这些检验技术的不足之处，也就使业界需要寻找其他的质控方法。而测量工艺特性或参数，就是一个可行的做法。
7 工艺管制的意义和科学性
以上的任何一种工艺检测（4种温度/时间监测）的做法，都是为了确保工艺参数不会飘移到允许的工艺窗口以外。除了第四种的实时监控外，其余三种都是采用抽样检验的做法。如果要确保有效，抽样检验技术的抽样频率就必须频繁到系统飘移的速度之内。也就是说在系统参数飘移到足以造成不良产品之前要能够先进行测量并发现。这样才能及时反应过来。先前我提到目前许多用户的习惯做法都缺乏科学合理性。是因为在交流考察过程中，了解到许多用户的定时（6或12小时）的监测，多属于传统习惯做法，或是根随他人的做法。而事实上没有和自己的系统特性挂钩。也就是许多用户事实上没有去评估或了解本身系统的飘移特性，并采取一个相关和适当的抽样频率。
所以要有效的进行工艺管制，用户首先必须对工艺的能力进行评估和了解，而后才能采取适当的做法。
我们在先前的工艺管制一节中谈到的影响质量变化的三个主要因素中，只有最后一项的‘本位工艺的变化’能够通过这温度/时间监测做法来得到监控。而造成这本位工艺的变化的最主要因素，是设备（回流炉子）的性能波动。在以前的其他论文中，我曾较详细的解释过回流炉子存在的问题和应用上该有的做法（注三）。由于热风回流炉在设备技术上并不是十分可靠的，对于工艺难度以及产品质量责任较高的用户来说，仔细的评估、设计和推行适当程度的工艺管制或温度/时间监测是件重要的工作。
8 完整的焊接质量检测
从焊接质量的定义和特性中，我们知道如果要完整的评估焊接质量，需要有两方面的监测工作。一是外观检验，另一是内部结构的检验。外观检验除了一些隐蔽的焊点如BGA，QFN等封装的焊点外，基本上可以通过焊接后AOI来进行全面的检查。如果配合良好的选择和应用，在技术上AOI还是可以做到相当好的管控程度的。内部结构方面，在空洞的问题可以和隐蔽焊点一起在某些程度上借助于X射线技术。但对于微晶结构以及IMC的质量上则没有现成的非破坏性技术可以依赖。而由于X射线技术在应用上的操作性和速度限制，也不适合于100%检验的应用。所以目前的可行做法，是必须配合工艺管制的做法来执行。也就是通过良好的工艺开发和管制，来确保焊点在这些方面（空洞、微晶结构、IMC）得到适当和良好的控制。所以先前提到的温度/时间的监测就是个回流工艺管制中的重要部分了。而由于工艺参数的管制又无法保证产品绝对合格，因为有些故障并非本位工艺偏差所造成，所以单独的采用工艺参数检测管控也可能不到位。当然这对于用户来说不是件好事，但目前的技术方案所遇到的限制就是如此。在技术整合以及预防手段还无法更好的完善之前这是属于较可靠的做法。
简单的来说，在回流焊接质量的管控上，AOI协助外观问题的监控，温度/时间监测则协助保证内部和寿命相关的管控。缺乏其中任何一样，而又没有很好的技术整合管理的话，用户对焊接质量就无法做到较高的保证。
9 如何进行工艺监控？
工艺监控的基本做法，就是对关键工艺特性参数进行测量、量化分析和做出是否有需要调整或改善的判断。所以用户首先要指定其‘关键参数’。在回流焊接中，一般需要监控的关键参数有：
• 升温速度
• 降温速度
• 预热或浸泡时间
• 焊接峰值温度
• 焊接时间（或液态时间）（注四）
知道了什么是需要监控的特性参数后，用户必须对这些参数进行测量。测量的做法有几类。常用的是使用实际PCBA样板和热耦进行测量。这做法可以获得很准确的测量数据。但具有成本高，手工工作量较大，以及样板管理等问题。另一种做法是使用通用样板，可以较好的解决成本以及管理问题，但技术较不容易掌握，也还存在手工工作量大的问题。更进一步的做法，是采用炉子内置抽样监测系统。例如KIC公司的自动温度曲线测试仪属于这类。这类仪器可以解决手工以及人工工作量相关的问题。初期成本较高（但长期成本未必高）。以上这些做法较不理想的，是它们都属于抽样检查技术。而以目前的多数设备能力来说，在工艺难度较高以及质量目标较严格的情况下，抽样技术很可能无法有足够的监控把握。
解决这一问题的做法是采用实时监控系统。实时监控系统的主要优点是能对所有的，每一块产品的焊接过程进行温度/时间变化的监测。所以是种提供100% 检验的技术。这就排除了先前提到的抽样检验技术的弱点。而虽然初期投资较高，但一旦换算成对每个产品进行质量监控的成本时，对于多数需要严格质量管控的用户来说，其质量成本相对使用其他监控方法来说有可能是很低的。
实时监控系统还有一个很大的好处，就是其收集的数据量很大。这大量的数据量可以被用来协助用户对许多技术上的表现进行评估。包括如设备性能，材料质量质控，工艺技术能力，DFM能力等等。甚至可以进一步用来协助工厂的一些有效管理如设备的维护保养管理等等。
美国KIC公司数年前已经推出可以执行上述功能的系统（KIC自动温度曲线测试系统），不过也许由于用户对工艺管制课题的认识以及该系统应用的认识不深。有些高质量需求的用户还未能借助于这门技术。今年该公司在原有的技术上再做了些提升。将工艺管制的工作进行简化，使用户使用起来更加直观和方便。也提高了量化管理的层次。
10 量化管理
在提高科学性管理的工作中，量化管理是个十分被重视的条件。因为量化管理可以确保技术或决策的合理性和精确性。在工艺质量管理中，有几个常见和有用的量化单位与方法，目前也都在回流工艺管制中可以被用上了。这些量化的方法有dppm，dpmo，Cp / Cpk，PWI，直通率% 或 不良率%。这些方法都有其不同的应用范围或意义，现简单分述如下。
dppm与 dpmo 都为评估质量‘结果’的数量化不良品，表示每百万次（或每百万个）中的不良数。dppm 使用较简单，但缺乏工程精确性。而 dpmo 具有较好的工程意义和协助解决问题的能力，不过使用困难，不同用户可能计算时的定义会存在差异，造成可比性较差。dppm，dpmo 一般用于适合计数的场合中。
Cp 与 Cpk 的原意是用来量化评估工艺能力。可以协助推断批量以外的质量水平。不过使用上没有那么直观。和dppm，dpmo不同，Cp与Cpk一般上需要用在可以计量的特性参数上。使用上也比较复杂（虽然计算并不难），否则容易出现误判（例如系统未分化彻底或和飘移特性混淆）。
PWI是种计算简单和直观易懂的参数。用来很直接快速的评估所设定工艺的风险。PWI一般用来评估工艺的设置结果，也可以用来间接评估工艺能力以及DFM能力等。
直通率%或不良率%则是个大家都熟悉和日常使用最多的做法，一般用来做‘整体’或‘总’生产质量的表示。有易懂的好处而方便沟通。但多数时候缺乏协助解决问题所需要的详细信息，所以偏向于管理上的使用多于工程上的使用。
现在这些有用的量化方法，都可以在实时监控系统中直接整理和表现出来，很方便被用户使用，无疑是个好消息。用户若能应用得当，可以有效的协助本身提高生产质量的管理能力。
后语：
工艺管制是确保批量生产过程中每一个产品都能符合质量标准的重要工作。工艺管制有对成品以及工艺进行检测的两种做法。对工艺进行检测的做法层次较高，但两者有可能需要相互配合才有完整的效果。
在回流焊接作业中，良好的质量就必须通过外观检验以及工艺参数的监控两者的配合才能有较足够的保证。工艺参数监测的做法有好几类，必须按照用户本身的质量责任、工艺难度以及工艺能力和稳定性来决定。其中最可靠的做法，是采用实时监控系统。这类系统可以对所有产品的加工过程进行100% 不遗漏的监测，并提供大量的数据供用户进行长期的改善优化。而目前这技术的应用，更是发展到能够很简单的协助SMT制造部直接对其客户提供简单可靠的数据信息。这包括了质量量化管理中常用的dppm，dpmo，Cp / Cpk，PWI，直通率% 或 不良率%。
好好设计和执行您的监测工作，没有测量，没有量化报告，也没有事先的能力与预防评估。那我们怎知道自己做得好？怎么让中国产品也可以保证可靠性？
注一：锡膏印刷工艺的检验，必须拥有3维能力才较可靠。因为工艺上2维的问题如今在技术上已经不容易存在（目前技术成就上算是属于低档次问题）。而SPI技术的真正三维能力，在近年来才有较好的发展。早期的SPI多以二维为主，即使有三维技术也多是虚拟技术。
注二：质量标准还包括了质量偏差的处理，质量评估方法等。本文重点不在解释质量管理技术，因此从简。
注三：关于回流炉子性能方面的讨论，请参考KIC发表的论文“把握好回流设备因素”（2007年12月）以及“回流焊接技术整合中的设备因素 – 回流焊炉的性能效益”（2008年6月）。相关系列文章还未完整，以后还会有后续文章。
注四：关于关键参数对焊点质量的影响，读者可以参考KIC其他相关论文。 |
