编译注：在电子制造业进入无铅焊接时代，再流焊接设备的稳定性，重复性是绝对重要的。文章提出使用机器质量管理（MQM）专用工具，及数理统计方法对设备的性能进行评价。
关键词：再流焊炉，MQM，
1. 再流焊炉性能的表征
如今,对再流焊炉的稳定性及重复性是绝对重要的。如果焊炉的性能没有定期检测确认，那么在加工印制板时，为达到及维持一个优化的再流焊工艺窗口，所进行的工艺参数设置与调整都是不可靠的。
这对于进入无铅焊接的今天更为紧迫。众所周知，无铅焊料缩小的工艺窗口，其宽度只是常用共晶焊料的一部分。
焊炉性能检测使用FR4模拟组件，接上测温热电偶，与温度曲线测量装置连接。在日常使用中，人们都会体会到这套模拟组件经多次通过焊炉炉道后，印制板就发生弯曲变形，导致热电偶触点脱离。采用不锈钢或铝板仿真制造检测板，可多次经受再流焊高温环境。但这两种金属材料与FR4相比，明显是不称职的。材料的热导率存在根本差别，使得在焊炉设计过程中掩盖了潜在弱点。如需要准确表征焊炉的全部参数，选择简单测试工具应与这些物理特性匹配是十分重要的。进行正确的焊炉加热测试工作，必须使用专用设计的测试工具，而不是对上述的测试载体作一些改良。用于检测确认焊炉加热性能的专用平台是机器管理工具，也就是MQM。
MQM检测工具具有与FR4材料类似的隔热性能，可在高温环境长期反复使用，几何尺寸稳定性高。
在本实验中，作者使用MQM工具，对三种不同型号焊炉进行检测分析。使用测试工具测量焊炉热风气流的温度均匀性及热转换效率，从每个焊炉采集到的数据存入MQM软件进行比较分析。实验的目的是对给定设计的焊炉与其相关的再流焊工艺，如何容易地评价焊炉所具备的物理性能。判断这些检测结果是否表示焊炉性能的动态差异，特别是在炉道的径向与轴向温度均匀性及热转换效率。
使用MQM工具，就能够对每种类型的再流焊炉的物理性能进行表征评价，焊炉的设计是否与焊炉各温区以及整个炉道加热长度的稳定操作密切相关。假定沿炉道轴向和径向被测的空气温度是均匀的或欠均匀的，这对产品的加热均匀性及一致性有重大影响。空气与MQM工具高质量传感器测得的温度值之间存在差别，说明每台焊炉在再流焊过程的热效率。这两者的比值与热转换系数有关，但对某些焊炉也不完全是热转换系数。现有几种工具可来表征热转换系数，以及定义由红外辐射相关的热量部分。深入的研究要求明确在本实验过程红外辐射能量的大小。此项工作只有在使用MQM工具，确定焊炉全部基本参数稳定之后才能进行。
2. 实验过程
2.1 机器质量管理工具(MQM)
本实验,我们使用12”MQM工具如图 1 所示;
图 1 本实验使用的MQM工具
工具的基座结构是采用专利的耐热材料设计制成,其能长时间承受200℃,短时间承受300℃的耐高温性能。在基座的前沿对称布置6个热电偶，用来测量焊炉炉道内的温度变化。温度测量准确度为1.1℃(0.4%)。高质量传感器（圆形）由6061铝材棒制成，重17.713g。热电偶横排安装,从左边始间隔为1.25”,6.0”,10.75”。传感器A,B,C分别对应焊炉炉道的右,中,左。综合记录装置以每秒0.1点速度采集记录炉道温度数据。本实验使用的软件是MQM工具专用软件。
根据采集的时间与温度数据，绘制再流焊加热工艺曲线。固定时间与温度变量，所得的数值就是某种型号焊炉的热转换能力。因此，如果MQM工具在同一时间测得相同的温度（圆形传感器组测量空气温度），唯一在峰值温度的偏差值基本上就是该焊炉的热转换能力。
2.2 实验方案
在实验中,对每台不同长度炉道,通过调节传送带速度,达到固定的加热周期。与加热区的数量尺寸无关,传送带速度保持不变,MQM通过炉道加热区的时间为2分钟。这样可以比较在最后加热区终端采集的数据。焊炉所有的加热区设置同一温度，确定加热区间的温度准确度及偏差。全部加热区的设置温度为250℃。
2.3 焊炉温度变化曲线
焊炉各加热区的温度设置均为250℃,我们希望在MQM工具内的空气测温传感器在各加热区显示一致的温度,且在每个加热区内的径向位置也显示相同的温度。MQM是起到模拟实际产品的作用，其在焊炉的中间测量空气的温度与焊炉内置热电偶设置加热工艺参数测量的温度进行对比。结果MQM传感器测得的温度低于设置温度250℃。实验发现；不同类型的焊炉此温差值也不一样，这是由于焊炉设计，热转换值，热电偶安装位置的差异所致。
我们得到给定类型焊炉沿轴向长度的空气温度变化曲线图示；
图 2 MQM工具横向安装三个传感器测得的空气温度曲线
MQM工具横向安装的三个传感器能很好完成对每个加热区与整个炉道温度一致性及均匀性的测量。图 2所示三个传感器测得的焊炉炉道内空气温度曲线。。图 3 为4 个焊炉中央传感器测得的空气温度曲线。
图 3 中央空气热电偶测得的空气温度曲线
因为MQM工具热电偶的灵敏度，图 4 为使用MQM软件计算得到的每个加热区的平均空气温度。此平均值是各被测加热区近70%测量点的平均值。测量过程的前期及后期各15%的测量点不包含在内。每个传感器独立计算。图 4 为焊炉各加热区由中央传感器测量的平均空气温度。
图 4 MQM数据板记录的各加热区的平均空气温度。
即使每个温度设置点的设置温度一致，但在不同加热区，或加热区不同测量点，从MQM工具传感器测得的实际空气温度与设置温度之间存在很大差别。值得注意的趋势是，朝向炉道入口段的温度相对较低。
我们认为这有各种因素造成的，包括传送带，测试样板装载，环境温度，空气，热转换系数及与湍流相关的对流水平等。
表 1 焊炉炉道沿纵向长度的平均空气温度
（三个空气传感器测量数据）
表 1 所列焊炉炉道沿纵向长度的平均空气温度的变化，从三个空气温度传感器测量数据记录得。基于此表数据，我们可表征焊炉炉道横向的加热均匀性。温度均匀性优良的焊炉，则平均温度的范围最小。良好的温度均匀性表示在被加工的整个印制板表面具有相等的热转换，焊炉本身不会对造成温度梯度产生影响。
表 2 沿炉道纵向长度的平均空气温度范围
每个加热区平均空气温度的变化可表示各加热区间，各台焊炉间的重复性性能。如表 2 所列；
表 2 沿炉道纵向长度平均空气温度
表 3 炉道最后加热区横向测量得到的峰值温度
（空气传感器/圆盘传感器）
2.4 测量数据分析
分析MQM工具测量数据的下一步是鉴别与高质量或圆盘传感器有关的数据。内置的三个传感器必需测量峰值温度来表征焊炉的物理性能。这是因为圆盘峰值温度是传感器在空气温度变化环境中的直接结果。如时间不变，空气温度由空气传感器测得。此时圆盘峰值温度提供焊炉横向均匀性的信息，及焊炉热转换率，三个圆盘传感器峰值温度的差别是重要的。由空气平均温度的范围可以推断圆盘峰值温度的趋势。表 3 列示如焊炉显示空气热电偶的变化大，则圆盘峰值温度的变化范围也大，这给焊炉设计对印制板温度梯度作用的理论提供进一步的论证。
表 4 平均空气温度与平均圆盘温度的对比
需要分析的另一个参数是与圆盘传感器相关的热转换值。我们假定焊炉炉道横向的热转换是均匀的。这样对设置温度低，传送速度快，升温速率快，DT值低，是可达到高的热转换。使用下面方程可计算热转换值。
每单位面积热风对流能量转换速率，或采用‘Newton’冷却定律表示；
（1）
h 热风对流热转换系数
T 流体的温度
TS 物体的表面温度
若物体表面积已知，热转换率可从（2）方程式计算得到。
（2）
热转换率可测量已知物体的温度增量，由（3）式来确定；
（3）
w 物体的质量
Cp 材料的热容
（T2 – T1 ） 物体的温度变化
（t2 – t1 ） 经历时间
由（2），（3）得（4）方程；
（4）
由（4）式计算得对流热转换系数，使用相同的载体，如MQM工具，使得在测量时的质量，表面积保持不变。如测量在一个时间间隔内完成，则（t2 – t1 ）项也可保持不变。在此时，热转换系数可成为物体温度的变化与流体温度及物体温度差之比（5）；
（5）
假定物体质量很小，具有高热导性，物体的温差可不计，表面的温度等于物体的温度。
根据上述1-5方程，MQM工具的空气传感器与圆盘传感器两者测量值的差异与热转换值成比例。
图 5 MQM工具温度测量
空气温度/圆盘温度两差值与热转换的关系
如两测量值的差值增加，则热转换系数就减少，可图示计算得热转换系数与平均空气温度及平均圆盘峰值温度的测量值差的关系。从图 5 显示此关系呈指数关系。数值存在一些偏差可能使平均值的偏差所致，为进行对比在分析时，我们使用了平均温度值。另外，在测试载体进入炉道前的予热因素，由于焊炉设计原因增加了一些偏离。焊炉的这个非控区域不会影响这项计算，我们力图最大程度减少这个影响。
表 5 焊炉性能对比
3. 测量结果
根据表5MQM提供的数据,按下面类别对被测试的4台焊炉分为1,2,3,4级排序;
1 = (由测量结果定)
2 = (由测量结果定)
3 = (由测量结果定)
4 =(由测量结果定)
4个等级最低平均值的焊炉是全部MQM工具评价中完成最好的焊炉。空气温度的一致性与准确度；
l 焊炉A，焊炉炉道横向平均峰值空气温度3.3℃变化范围,具有最严格的一致性。（表 1）
l 焊炉C，沿焊炉炉道纵向各加热区间，温度变化范围30℃，具有最严格的一致性。
l 焊炉C，在设置温度250℃，具有最高的准确度，空气温度测量值低于设置温度26℃。（表 1）
圆盘均匀性；
焊炉A，在经受最低的峰值温度，高质量圆盘的温度均匀性最好。（表 3）
热转换特性；
焊炉B，空气温度及圆盘温度两测量值差值最小，计算得最高热转换系数。（表4）
4. 结 论
本实验得到三点结论,第一,用于再流焊炉性能确认及表征设计的专用工具,如MQM提供一种检验再流焊炉的定量化方法。 第二，MQM工具根据焊炉设计概念进行对比的准确测试载体与方法。最后，通过对4种类型焊炉的评价，使用MQM工具测量,焊炉A具有最好的性能。焊炉在使用期间各种性能重复性的准确确定，我们将继续使用MQM工具及现有的软件引入系统检测，建立用于性能重复性统计分析可靠的数据基础。
