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可靠性入门——SMT视角
  2022-02-15      175

Dr. Jennie S. Hwang

CEO, H-Technologies Group

制造商和客户都将产品的可靠性视为首要任务。因此如果我说“可靠性”是一个相对性的术语时,有人会问“为什么是相对的?”好吧,当我们考虑可靠性时,无论是与实际产品还是虚拟服务相关,用户或客户都会有一组性能期望值。以智能手机或汽车为例;制造商为产品保修设定时间和其他细节要求。如果产品在保修期内不能正常运行,制造商或授权经销商将免费修复产品问题,即使用户(客户)不希望退货或维修因为可能会很麻烦。同样,如果产品在保修范围之外发生问题,例如,一辆新车不幸发生撞车事故,那么将无法履行保修。

另一个值得注意的事实是,一个真正“完美”的产品是很难得到的。自25年前智能手机首次面世以来,产品的不断更新换代即可说明这一点。每款新型智能手机都会提供有用且吸引人的新功能,并将完美和可靠性提升到了新的高度。

What does this mean to us? Is perfect the enemy of the good?

这对我们意味着什么?完美是商品的敌人吗?

可靠性是什么

在《牛津词典》中,“可靠性”被定义为值得信赖或表现一贯良好的品质;可信赖是指系统按照预期或设计的要求完成功能。

产品的可靠性是指运行可靠性,可以定义为在指定的时间内,在一组预期的服务条件下执行其预期功能的产品。产品的设计和制造不应该是为了达到最高的可靠性,而是为了达到能够满足实际需求和期望的运行可靠性,例如目标上市时间、可接受的制造成本、总体可制造性和总拥有成本。

成本是影响因素吗?

总拥有成本覆盖了产品从采购到生产、再到可以提供可靠服务的整个生命周期。生产良率、缺陷、返工、一组产品功能和目标可靠性等因素加起来即产品总成本。

但任何公司都不会一味追求绝对的可靠性,因为可靠性是要付出成本的。图1给出了在发货前和发货后,系统成本和系统可靠性水平之间的定性关系。

image.png

图 1:可靠性与发货前成本及发货后成本的关系。

在表面贴装技术(SMT)领域,成本的评估需要考虑总拥有成本,包括:

•每单位重量的焊料成本

•工艺操作成本

•组件成本

•PCB成本

•设备资产的支出和折旧

•生产良率和缺陷

•返工成本(如果有)

•产品可靠性

因此,好的产品是性能、可制造性、成本和商业条款之间权衡和平衡的结果,以提供预期的可靠性。

SMT运行对可靠性的影响

在SMT制造作业中,可靠性主要由PCB裸板、组装操作前的所有元件、组装后的所有元件、焊接互连以及可制造性因素决定。而最终系统的可靠性取决于每个因素的质量、实用性、兼容性和可靠性,以及它们之间的相互作用。

对于PCB,回流焊、波峰焊等工艺步骤前的可焊性、表面涂层的平整度、PCB内部结构完整性,及这几个工艺步骤后的PCB内部结构完整性,以及其他工艺步骤是需要关注的关键参数。特别是当PCB在高温偏移的情况下表现出的脆弱性随着PCB复杂程度(例如,更多的层数、更大的尺寸、更厚的厚度)的增加而增加。为了避免生产缺陷和/或产品故障,如焊盘坑裂,焊盘浮起,或分层,必须确保PCB内部结构完整性在高温处理后没有退化。

对于焊料互连,所选的初始焊料合金和由制造相关因素导致的焊点完整性同样重要。两者的结合决定了焊料互连的质量和可靠性。关于焊料合金,值得注意4个基本关系:

1.合金成分决定了所要求的工艺温度。

2.合金的成分构成决定了微结构,而微结构反过来又会影响产品使用寿命期间的焊点性能。

3.微结构及其演变决定了失效机制。

4.本质上劣质的合金不能提供极佳的性能,即最佳性能受合金固有性能的限制。

从SMT可靠性角度出发,选择最佳焊点材料的目标是在不要求提高工艺温度的前提下,提供合理的冶金属性和预期功能,也就是说,使工艺温度尽可能接近锡铅合金的温度。为了在现有的制造基础设施上实现这一目标,无铅成分必须采用4元合金(非掺杂元素)的冶金;过去的25年,我在各种国际活动和众多专业课程中都介绍了这一科学预测。

可制造性发挥作用的方式

可制造性是产品可靠性的关键因素吗?

答案是肯定的;可靠性和可制造性密切相关。想要拥有稳定的可制造性,应遵守以下4个基本方法:

1.足够的工艺窗口(例如,回流曲线设置)。

2.足够的材料性能范围(例如,焊膏润湿能力)。

3.工艺和材料之间的兼容性(例如,回流曲线与焊膏的特性同步)。

4.工艺控制

每个工艺步骤都必须提供足够的工艺窗口,每种所选材料都应该具有足够的性能范围。在回流步骤中尤其如此——狭窄的工艺窗口会使工艺边缘化,常常导致生产车间出现更高缺陷率和产品可靠性问题。

结束语

为确保达到可靠性,应采取全面的方法进行可靠性规划、可靠性设计、可靠性材料选择、可靠性元件选择和可靠性制造。此外利用已知的故障来源及相关的故障机理,结合实践经验,预防可能发生的故障,可以进一步提高产品的可靠性。

最终,热力学第二定律和冶金位错理论并没有改变。简而言之,黄金法则就是整合3个最佳实践方法:

1.有意识地、系统地防止可能的已知故障原因。

2.努力建立稳健的生产运营。

3.谨慎地利用科学和工程原理来处理未知问题。

个人简介

黄博士是一位国际商务女强人、国际演讲人、商务与技术顾问,她一直致力于SMT技术及无铅电子的发展,是该行业的领军人。她曾荣获多项殊荣,入选《技术女性》的国际名人堂,入选美国国家工程院,被授予R&D-Stars-To-Watch和YWCA成就奖。她曾在洛克希德马丁公司、Sherwin Williams Co.,SCM Corp和IEM Corp.担任高级管理职位,目前是H-Technologies Group的首席执行官,负责提供业务、技术和制造解决方案。她同时担任国防部陆军研究实验室董事会评估主席、商务部出口委员会成员、国家材料与制造委员会成员、财富500强纽约证券交易所以及民间和大学委员会成员。黄女士还拥有多个国际领导职位。她发表了500多篇文章,并出版了多本书籍,并担任贸易、商业、教育和社会问题的演讲者。她获得了4个专业课程的学位,还完成了哈佛商学院执行课程和哥伦比亚大学企业管理课程。欲了解更多信息,请访问www.JennieHwang.com。

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