六西格码方法在提升SMT回流焊过程质量中的应用研究REV A4.docx
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六西格码方法在提升SMT回流焊过程质量中的应用研究REVA4
申请上海交通大学工业工程硕士学位论文
六西格玛方法在提升SMT回流焊过程质量中的应用研究
学校:
上海交通大学
院系:
机械与动力工程学院
班级:
Z0802426
学号:
1080242164
硕士生:
焦进莉
研究方向:
质量管理
导师:
潘尔顺副教授
上海交通大学机械与动力工程学院
2011年3月26号
AThesisSubmittedtoShanghaiJiaoTongUniversityfortheDegreeofManagementMaster
THEAPPLICATIONSTUDYOFSIXSIGMAAPPROACHONQUALITYIMPROVEMENTOFSMTREFLOWPROCESS
Author:
JinLiJiao
Specialty:
QualityManagement
Advisor:
AssociateProf.ErshunPan
SchoolofMechanicalEngineering
ShanghaiJiaoTongUniversity
Shanghai,P.R.China
March26,2011
上海交通大学
学位论文原创性声明
本人郑重声明:
所呈交的学位论文,是本人在导师的指导下,独立进行研究工作所取得的成果。
除文中已经注明引用的内容外,本论文不包含任何其它个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。
对本文的研究做出重要贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式标明。
本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。
学位论文作者签名:
日期:
年月日
上海交通大学
学位论文版权使用授权书
本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定,同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版,允许论文被查阅和借阅。
本人授权上海交通大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。
保密□在__年解密后适用本授权书。
本学位论文属于
不保密□√
(请在以上方框内打“√”)
学位论文作者签名:
指导教师签名:
日期:
年月日日期:
年月日
六西格玛方法在提升SMT回流焊过程质量中的应用研究
摘要
电子电路表面组装技术(SurfaceMountTechnology,SMT)自20世纪60年代问世以来,经过50年的发展,已进入成熟阶段;为电子产品的进一步微型化、薄型化和轻量化开辟了广阔的前景。
在近20年获得了飞速的发展和应用,并正在向着更高密度、超微型化方向发展。
由于SMT元器件及其封装向着高度集成化、高性能化、多引线、多元化和窄间距化方向发展,对组装关键工艺之一的回流焊焊接工艺提出了严格的要求,即既能使焊接接点形成可靠的电气与机械连接,同时不能使越来越小、越来越薄的印刷电路板承受过大的变形,而且不能使越来越小、集成度越来越高的元器件承受过热而损坏。
回流焊焊接质量控制最关键的是回流焊曲线的控制,其控制是否得当,常常影响焊点结构与其可靠度。
回流焊温度曲线为回流焊参数设定值、PCB产品特性等综合输出效应,其需求呈现多样性与高复杂度。
传统的经反复试验、反复调整来确定回流焊焊接温度曲线的方法越来越不能适应这一要求,甚至很难完成温度曲线的设置。
同时,传统的方法既费时又耗费大量实验经费,不能适应当前电子产品更新速度快、竞争日益激烈的需求。
本文以六西格玛D-M-A-I-C的改进方法为主线,首先介绍了本文的研究背景及意义,其次介绍了六西格玛方法的相关理论研究;在理论研究基础上,对SMT回流焊过程质量进行展开分析研究。
界定以提升回流焊过程质量为终极改善目标,在保证测量系统(回焊炉及测量人员)稳定、可接受的基础上,对回焊炉温时曲线现况做制程能力分析,明确改善的具体方向。
分析阶段运用回归分析方法对多个自变量筛选,寻找显著因子,以改善制程能力。
对显著因子进行试验设计组合,寻求最优化参数设定,使回焊炉最佳化温时曲线之PWI值由原来的120%降低到60%,SMT回流焊过程质量提升、达成客户满意度、增强企业核心竞争力。
通过对X公司这一实际六西格玛项目的实施,建立起了适用于SMT回流焊过程品质质量等波动大,影响因素多的品质质量控制与改进模型。
关键词:
SMT,回焊炉,回焊炉温时曲线,多元回归,六西格玛,DMAIC方法
THEAPPLICATIONSTUDYOFSIXSIGMAAPPROACHONQUALITYIMPROVEMENTOFSMTREFLOWPROCESS
ABSTRACT
Sincethe1960sElectronicCircuitSurfaceMountTechnology(SurfaceMountTechnology,SMT),after50yearsofdevelopment,hasenteredthematurestage,SMTforthefurtherminiaturizationofelectronicproducts,thinandlightweightopensupbroadprospectsreceivedinthelast20years,rapiddevelopmentandapplication,andistowardhigherdensity,thedirectionofultra-miniaturedevelopment.SMTcomponentsofthepackagetowardshighlyintegrated,highperformance,multi-lead,narrowspacinginthedirectionofdiversificationandthedevelopmentofoneofthekeytechnologyofassemblyreflowsolderingprocessraisedastrictrequirementthatboththeweldcontactstoformareliableelectricalandmechanicalconnection,neithermakesmallerandthinnerprintedcircuitboardstoputtoomuchdistortion,normakesmallerandsmaller,moreintegratedcomponentstowithstandhighheatdamage.
Qualitycontrolofreflowsolderingofthemostcriticalisthecontroloftheprofileoftheirreflow,oftenaffectthestructureandsolderjointreliability.Reflowsolderingprofilefortheparametervalues,PCBproductfeaturessuchasintegratedoutputeffect,showingdiversityoftheirneedsandhighcomplexity.Afterthetraditionaltrialanderror,repeatedadjustmenttodeterminethemethodofreflowsolderingtemperatureprofileoftheincreasinglyunabletomeetthisrequirement,oreventocompletethesettemperaturecurve.Meanwhile,thetraditionaltime-consumingandexpensivemethodoffinancingalargenumberofexperimental,electronicproductscannotmeetthecurrentupdatespeed,theneedsofanincreasinglycompetitive.
SixSigmaDMAICthisimprovedmethodtothemainline,firstintroducedtheresearchbackgroundandsignificance,nextintroducedthetheoryofSixSigmamethods;intheory,basedontheSMTreflowprocesstoanalyzethequalityofresearch.Definedtoenhancethereflowprocesstoimprovethequalityoftheultimategoal,toensurethemeasurementsystem(ReflowOven,andsurveyors)stable,acceptable,basedonthereflowtemperaturecurveofthepresentpositionwhentheprocesscapabilityanalysis,aclearimprovementinthespecificdirection.Analysisstagemultipleregressionanalysistheindependentvariables,lookingforsignificantfactorstoimproveprocesscapability.Significantfactorsonthecombinationofexperimentaldesigntofindoptimalparametersettingstooptimizethereflowfurnacetemperature-timecurvesofthePWIvaluefrom120%to60%,SMTreflowprocessquality,achievecustomersatisfaction,enhancethecorecompetitivenessofenterprises.TherealXcompanyontheimplementationofSixSigmaprojects,establishedaqualitysuitableforSMTreflowprocessqualityandvolatilefactorsandmorequalitycontrolandqualityimprovementmodel.
Keyords:
SMT,Reflowsoldering,Reflowsolderingprofile,MultipleRegression,Sixsigma,DMAICMethod
目录
摘要I
ABSTRACTII
目录IV
第一章绪论1
1.1研究背景及意义1
1.2研究目标2
1.3国内外研究现状3
1.4研究内容5
1.5技术路线6
1.6论文框架7
第二章理论基础9
2.1六西格玛介绍9
2.1.1六西格玛起源与发展9
2.1.2六西格玛概念9
2.2六西格玛管理方法10
2.3六西格玛的改进方法
12
2.3.1定义阶段12
2.3.2测量阶段13
2.3.3分析阶段15
2.3.4改善阶段17
2.3.5控制阶段18
2.4本章小结18
第三章问题的界定及测量19
3.1表面贴装技朮19
3.1.1PCBA20
3.1.2SMT工艺流程21
3.2回流焊接22
3.2.1回焊炉23
3.2.2回焊炉温度曲线与设定24
3.2.3回流焊工艺制程窗口指数26
3.3问题的描述及定义27
3.3.1背景分析27
3.3.2问题描述28
3.3.3目标设定28
3.4SMT炉温曲线的测量与评估29
3.4.1炉温曲线的测量方法29
3.4.2测量系统分析30
3.5本章小结33
第四章回流焊温度曲线的分析和改善34
4.1分析阶段34
4.1.1炉温曲线与品质的关系34
4.1.2回流焊制程能力现况分析35
4.1.3因果分析39
4.1.4回归分析41
4.2改善阶段45
4.2.1自变量筛选45
4.2.2实验方案实施51
4.2.3实验结果分析54
4.2.4最优组合55
4.3本章小结57
第五章回流焊温度曲线改善后的控制和效果评价58
5.1验证制程能力58
5.2实施监控60
5.2.1标准化61
5.2.2管制计划61
5.3效果评价62
5.3.1过程质量提升62
5.3.2调试次数降低63
5.4本章小结63
第六章结论与展望65
6.1结论65
6.2展望65
参考文献67
致谢69
攻读学位期间发表的学术论文70
附录71
第一章绪论
一.1研究背景及意义
现今电子产品朝着体积越来越小、重量越来越轻、性能越来越好、速度越来越快、功能越来越多、越来越强、价格越来越便宜、无铅无卤环保再回收的趋势发展,随之而来的元器件更小、组装密度更高、组装精度更高、淘汰速度更快等这些给SMT电子组装业提出了前所未有的技术挑战。
当我们每天接触的最熟悉的个人消费性产品以及工作配备,如手机﹑计算机﹑数码相机﹑电子书﹑手表以及其它的个人电子产品,在持续不断的变化(体积变小﹑功能变强)时,对这些电子产品的核心组装技朮的持续改善与提升也事在必然。
电子产品的尺寸在持续的缩小,即其核心电路板(PrintCircuitBoard)的尺寸也要相应的压缩;产品的功能要求不断增加,单一电路板上的零件数也要大幅度增加,零件的引脚数也快速成长与多样化。
电子产品的高密度高性能电子组件进入电子组装产业,使得电子制造服务(EMS)产业必须要能够进行印刷电路板组装(PrintedCircuitBoardAssembly,PCBA)。
电子产品密度的提升,一方面鼓舞着电子产品的设计者,另一方面却挑战着电路的组装者[1]。
SMT作为电路组装者的重要成员,它的工艺将越来越富有挑战性。
目前对于SMT新技术发展与新型电子零件的研发不遗余力,以希望造就成熟的SMT生产技术与方法以更低生产成本制造出更高可靠度的电子产品,因此也促使了SMT制造过程趋于高复杂度与多样化[2]。
回流焊接作为SMT的重要工站之一在整个SMT工艺流程中扮演着至关重要的角色。
在实际生产过程中,“正确的温度曲线将保证高质量的焊接锡点。
”这是一句来自美国约翰.希罗与约翰.马尔波尤夫的话。
回流焊接过程控制在工艺上表现就是回流焊温度曲线(ReflowSolderingProfile)的控制,它是指印刷电路板(PrintCircuitBoard)与表面组装元器件之间的焊点温度随时间变化的曲线需要满足的一定的参数要求。
而在生产过程中,回流焊的温度分布曲线设定存在以下问题:
1.组装难度大,可调范围窄
既要保证所有的焊接接点形成可靠的电气与机械连接,同时不能使越来越小、越来越薄的印刷电路板(PCB)承受过大的变形,而且不能使越来越小、集成度越来越高的元器件承受过热而损坏。
2.调试费时间长
由于各种原材料(锡膏、元件、PCB、FPC…)属性的限制,给予组装工艺的范围相当的窄,要求相当的高。
传统的经反复试验、反复调整来确定回流焊焊接温度曲线的方法越来越不能适应这一要求,甚至很难完成温度曲线的设置。
3.客户指定需求
回流焊质量的控制在某种程度上来讲它实质上就是温度曲线的控制。
越来越多的客户已经意识到这点,很多客户要看产品的质量首先就是从炉温开始。
一些强势客户甚至直接提供炉温曲线,要求加工厂按照他们所指定的炉温进行生产。
炉温设置的是否恰当?
曲线是否符合客户的要求?
直接影响产品的质量以及客户的满意度。
恰当的炉温可以直接降低焊接缺陷率;可以提高焊接质量;提高生产的效率和效益。
SMT回流焊过程品质质量的改进和良品率的提高对于企业的利润提高和技术完善有着十分重要的意义。
而多因素多限制的影响因子又使得这一改进和提高变得异常的困难。
六西格码方法是一种以顾客的立场改变所有的观念和做事的方法。
它以客户满意度为驱动,以统计测量为手段,以数据为基础,以开发世界第一的产品为目的的经营哲学,是使公司收益持续扩大化的战略和手段。
如何灵活运用六西格玛方法彻底的、系统的解决SMT回流焊过程品质质量问题对公司持续发展和提高客户满意度有着积极的意义。
一.2研究目标
摩托罗拉最早提出的六西格玛管理,要求产品合格率达到6σ标准,虽然Motorola用了十年时间都没有达到6σ质量水平。
但当它的产品不合格率从百万分之6210(约四西格玛)减少到百万分之32(5.5西格玛)时,其节省成本已经超过了20亿美金。
随后通用电子公司将6σ继续推行升华,所产生的效益每年呈加速递增:
1997年3亿美金、1998年7.5亿美金、1999年12亿美金;利润率从1995年的13.6%提升到1998年的16.7%。
Motorola与GE两大公司推行6σ取得的骄人成绩,引起了世界的关注,各大企业、商场、学校甚至是政府都开始效仿引进和推行6σ。
6σ不仅仅是一种质量管理的方法,还是一种应用广泛、灵活度高、实用性强、高度有效的企业流程设计、改造和优化技术。
面对日益多变的电子产品,每个消费者都希望用同样的钱买到更多功能性整合完整的产品。
SMT作为电子产品的核心,其承载的组件将越来越多印组装工艺也愈来愈复杂、愈来愈具有挑战性。
特别是作为SMT质量咽喉的回流焊生产过程,它具备了高复杂度、多因素影响因子、不确定性以及多质量特性等特点,使现场工程师对于其生产过程的推论结果经常出现误差,生产调试时间长。
6σ方法在各大领域的运用已经取得了显着的成绩和效果,本文试图运用企业现有成熟且作业者熟练的D-M-A-I-C改进模型,利用多元回归的分析方法逐步找出关键因子,并建立回流焊温度设定与实际曲线之间的回归方程;使作业者能够迅速准确的设定出所需要的炉温曲线,达到提升SMT回流焊质量的目标。
一.3国内外研究现状
1.六西格玛研究现状
回流焊六西格玛管理在20世纪80年代由Motorola公司最早开始使用,并得到有效地改进产品质量,之后在美国联合信号等企业得到有效的应用和发展,直到1996年GE通过实施六西格玛管理方法,获得50亿美金的巨大收益,进一步将六西格玛的管理方法推向了整个西方的制造业。
20世纪90年代,在西方以致全球制造业里形成了一股学习六西格玛的热潮,实施后所取得的惊人收益,更让这些制造业者所向披靡。
专家告诉记者,“仅仅在美国公司前150强中,就有120强都在使用六西格玛进行管理[3]。
”比如诺基亚、苹果、柯达、福特、三星、索尼等财富500强公司都在使用“六西格玛”管理。
这些企业,通过使用“六西格玛”管理策略和技术手段,达到了世界级的质量和竞争力,已是不争的事实[4]。
六西格玛管理方法在造就了西方制造业神话的同时,又以其逻辑性强、易学、易用、改善成效显著、改善后带来的收益大等优势也在国内各行各业中受到追捧,并得以广泛的推广与运用。
武汉理工大学李昕把六西格玛与生产线平衡方法融合起来,以提高包装人均时产出15%为目标Y;通过对生产平衡率、现场物流情况的分析,判断出影响目标人均时产出的关键因子Xs;在对生产线数据和改进流程时检测的基础上,通过六西格玛常用工具(柏拉图,直方图…)和SOD分析与传统生产线改进方法动作研究、产线平衡率分析、物料分析等相结合的方法,逐一改进关键因子Xs,以达到提升人均时产出的目的,最后对新的方法制定相应的监控流程和方法以保证改善成果的长期有效[5]。
台湾逢甲大学潘永智以六西格玛管理手法的DMAIC流程步骤,针对SMT锡膏印刷制程品质改善,验证量测系统与制程能力,找出制程变异来源筛选重要的关键因子。
再利用实验设计寻求最佳化制程条件,找出最适印刷参数组合,锡膏厚度
由1.16提升到3.16,最后加以验证与管制[6],达到有效提升锡膏制程能力之目的。
而天津大学的项凌则利用六西格玛的管理方法,采用六西格玛DMAIC质量改进模式,对控制手机印刷电路板工艺中的焊锡膏印刷质量的检测系统进行改进,定义缺陷检出率为改善目标;在测量阶段对现况进行分析,对作业人员及设备GRR进行研究与改善,保证数据的准确性,为分析阶段奠定基础。
分析阶段运用多变量分析和回归分析等方法确定问题的根本原因以及Y=f(Xs)的函数关系,从而找到有效的改善变量与方向。
对分析阶段之变量进行DOE验证,挑选接近目标之参数设定与组合,并对其进行进一步分析与优化,使其从原始的68%的缺陷检出率提高至94.5%,以达到提高焊锡膏印刷质量的目的[7]。
最后为稳固改善成效,对改善参数进行标准化作业与持续过程控制计划。
很多人认为六西格玛无法改变服务流程,因为服务流程是看不见的、无形的合无法测量的[8]。
湖南大学工商管理学院旅游专业的方飞却坚信六西格玛的管理方法是提升酒店服务质量的有效方法。
他用DMAIC方法构建了一个管理模型,用六西格玛的分析方法将酒店问题点从质量化、文字化到具体化、数字化,以降低离职率转换成酒店改进项目、将员工的工作流程以及工作内容提炼成流程图及时间表进行分析改善,实现了六西格玛在酒店服务业中“软管理”的质量改进与提升[9]。
2.SMT回流焊过程质量的研究现状
对于PCBA工厂来讲,产品的质量好坏都集中关注在SMT回流焊这个工站,而最能体现SMT回流焊工艺能力的参数指标便是回流焊曲线。
很多焊点的缺陷,特别是目前较难控制与解决的空洞以及虚焊等隐性缺陷都来源于回流焊温度参数的设定。
回流焊过程质量的提升,实质上就是对回流焊输出曲线的改进。
在实际生产过程中回流焊的设定参数与回流炉炉膛内的实际温度存在一定的差异,要保证产品的质量,就得掌握住这种差异的规律,从而更好的管控好回流焊的整个过程质量。
而这种曲线的输入与输出差异目前没有确切的表达公式与函数,且这种差异会随着产品的特性不同而各异。
取得适当的回流焊温度参数值设定过程常常充满不确定性,工程师通常利用“试误法”反复地推测以满足焊接质量要求后才能获得较佳的回流焊炉温度参数[10]。
在以速度及成本取胜的年代,这种传统的“试误法”已经很难适应。
如何控制好回流焊过程的质量,以及如何准确预测回流焊曲线,已经引起国内外研究者的广泛关注。
国外制定回流焊工艺,主要是采用仿真
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