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使用KIC2000软件的Auto-Focus功能找出最佳的炉温设定

Introduction

[Ronald 'Khai' Chau, QA Leader, KIC]
Ronald (Khai) Chau
Quality Assurance Leader, KIC
SlimKIC 2000?可以记录回流焊接过程中的温度曲线,KIC的软件可以帮助用户判断曲线是否合格,也可以帮助用户调整炉温已达到合格标准。
KIC研发部门为slimKIC 2000研发出了一项功能,名为Auto-Focus?,它可以利用产品的信息计算出炉温的首次设定参数。KIC被要求制定出一套完善的测试来显示SlimKIC2000配合上Auto-Focus选项如何出色地找出炉子参数。
我们被要求回答以下问题:
l  平均而言,需要几次才能为一个新产品找到炉子参数的设置?
l  需要多少测试板来满足Auto-Focus的信息(数据库) 以使我首次成功自动计算过炉的炉子
参数?
l  Auto-Focus是否足够可靠计算首次温度设置,可以放心使用于没有运行过曲线测试的新产
品生产?
该报告将描述测试过程并显示测试结果。

[SlimKIC 2000 System]
The SlimKIC 2000 System
设备使用
安装和测温工具
基本的Slimkic 2000包装里包含Slimkic2000,9通道或12通道的K型热电偶仪器(我们所有的
测试全以9通道来完成)。我们使用无线接收功能进行测试。
对于SlimKIC 2000,您可以购买两个软件选项。较便宜的选项是Navigator。Navigator 是一
个“炉子参数搜索引擎”,能在曲线运行后自动找出最佳的炉子参数。Navigator已被有效使用
多年。更加完善的一个选项被称为Auto-Focus,它包含Navigator的所有功能,另外能在运行首
次测温前找出适当的炉子参数。这一选项发布于2003年3月。本文中的测试采用了Auto-Focus 选
项(包含所有Navigator功能)



SlimKIC 2000是一个非常有用的工具,它的目的是帮助用户发现最理想的炉子参数,以使工艺处于制程窗口中心!
The process window used for all profiles in this report
所有报告中使用的制程一致
炉子
我们在两台不同的回流焊炉中测试SlimKIC2000:
? 2000年 BTU 150 (10 个加热温区,2个冷却温区)
? 1995年Vitronics Unitherm II SMR 1200N(12热温区,4冷却区)

[BTU Paragon 150]
BTU Paragon 150

[Vitronics SMR 1200N]
Vitronics SMR 1200N
测试板
我们给每一台炉子装上20块不同的印刷线路板。3至8个热电偶连接到板上。热电偶被铝胶带所
固定,一个能使印刷线路板被精确且可重复温度测量的行之有效的方法。热电偶被定位在同时
能读出最高和最低温度的位置,且更多的热电偶被使用于大板上以确保在整个温度范围内。炉
子按显示顺序为每一块板子进行测试曲线。
注意Auto-Focus选项要求我们输入每块板的长,宽,高。这一信息被Auto-Focus所使用,因为
它使用以前测过的板子的数据库来计算一个合适的首次炉子参数。

Board # Length
(Inches)
Width
(Inches)
Weight
(Grams)
1 11.258.25404
2 10.507.50158
3 8.2511.25190
4 13.0010.50749
5 8.506.2066
6 20.007.75550
7 16.006.50490
8 13.009.00484
9 6.754.00103
10 4.0012.50192

Board # Length
(Inches)
Width
(Inches)
Weight
(Grams)
11 13.354.75304
12 9.008.30319
13 5.204.3022
14 13.504.20290
15 6.108.50142
16 13.609.00485
17 6.603.10106
18 8.7013.00676
19 12.304.00191
20 14.207.80423

Board #1
Board #1: 11.25″ x 8.25″
404 grams
Board #2
Board #2: 10.50″ x 7.50″
158 grams
Board #3
Board #3: 8.25″ x 11.25″
190 grams
Board #4
Board #4: 13.00″ x 10.50″
749 grams
Board #5
Board #5: 8.50″ x 6.20″
66 grams
Board #6
Board #6: 20.00″ x 7.75″
550 grams
Board #7
Board #7: 16.00″ x 6.50″
490 grams
Board #8
Board #8: 13.00″ x 9.00″
484 grams
Board #9
Board #9: 6.75″ x 4.00″
103 grams
Board #10
Board #10: 4.00″ x 12.50″
192 grams
Board #11
Board #11: 13.35″ x 4.75″
304 grams
Board #12
Board #12: 9.00″ x 8.30″
319 grams
Board #13
Board #13: 5.20″ x 4.30″
22 grams
Board #14
Board #14: 13.50″ x 4.20″
290 grams
Board #15
Board #15: 6.10″ x 8.50″
142 grams
Board #16
Board #16: 13.60″ x 9.00″
485 grams
Board #17
Board #17: 6.60″ x 3.10″
106 grams
Board #18
Board #18: 8.70″ x 13.00″
676 grams
Board #19
Board #19: 12.30″ x 4.00″
191 grams
Board #20
Board #20: 14.20″ x 7.80″
423 grams
制程窗口指标PWI
KIC 2000使用PWI值来描述曲线好坏,小于100%表示曲线合格的,大于100%表示不合格,0%表明处于制程的中心位置。
[The Process Window Index]
利用PWI可以来比较不同的温度设定,每个制程/每根TC都会计算出PWI



[How PWI is Determined]
我们的客户有四个制程规格, 如果有3根热电偶的话,就会计算出12PWI
其中最大(差)的一个值显示为曲线的PWI


测试规则
下面列出的步骤是我们依照SlimKIC2000和Auto-Focus的测试结果而来。注意我们跟了这个过程40次(20块不同的板和2个不同的炉子)
 
1.输入板的长度,宽度和重量.通过Auto-Focus来决定最好的首次炉温参数。如果Auto-Focus数据库中没有足够的曲线板子来定义,我们只能利用炉子现有温度进行测试。
2.板子附上了热电偶并且通过使用SlimKIC 2000来运行以记录温度曲线测试的数据。
3.温度曲线测试的PWI(工艺窗口指数)值被自动计算出来,且Navigator软件工具能自动搜索炉子参数以提供最佳的PWI值,如果实际的PWI值低于60%,炉子设置就会被确定为该测试的设置。如果实际的PWI值高于60%,通过Navigator能提高再次优化20个百分点。则使用Navigator对炉子设置再次优化并且回到第二步。
注意上述过程,测试仪在运行期间完全自动。
SlimKIC2000和Auto-Focus指定设置点的温度和链速以供使用,当测温曲线被优化时,我们遵循一套简单的规则来定义。这简化了测试培训。因为他们不需要理解关于炉子设置(设置点温度和链速)和曲线统计(平均温度,最大上升斜率,回流时间等)之间的关系。
BTU Paragon 150
 
我们开始测试BTU Paragon 150。 这是为我们测试用的更现代的炉子,造于2000年9月。由于这
是我们的第一块板,数据库是空的,Auto-Focus没能为我们的第一次测温提供”第一假设”参
数。我们仅仅使用了炉子开始运行时的参数。 SlimKIC2000为这块板子符合规格范围的炉子参
数找出三种温度曲线
BTU Paragon 150
 
Board # First Profile
Predicted
PWI
First Profile
Actual
PWI
Second Profile
Predicted
PWI
Second Profile
Actual
PWI
Third Profile
Predicted
PWI
Third Profile
Actual
PWI
1None231%52%102%60%67%
通过3次测试得到了需要的曲线
从上述表格中可以看到,首次温度曲线的PWI值是231%。因为符合工艺窗口就必须低于100%,因此这个温度设置已远远超出工艺窗口。于是Navigator可以建议炉子参数应该低于PWI值至52%。我们让KIC 2000软件自动拷贝建议温度设置至BTU炉子上。我们一直等到炉子温度后,于是开始第二次曲线测试。第二次曲线测试测出PWI值等于102%。这次Navigator发现了一个预测PWI值为60%的炉子设置。我们使用建议的参数并且运行第三次曲线测试。结果是PWI值等于67%。在这一
点上我们相当的开心,因为KIC2000软件找出了板子工艺窗口的炉子设置。
[Auto-Focus Measure Length, Width and Weight screen]
Auto-Focus 软件只需输入长度宽度链速,就能计算出炉温设定
[Auto-Focus No Recipe screen]
第一次测试时, Auto-Focus没能找到参数设定

[Board #1, Profile #1, KIC 2000 Profile Graph screen]
这是第一次测试的曲线,我们使用原有的温度设定,测出的PWI 231%, 超出了范围。.
 
[Board #1, Profile #3, KIC 2000 Profile Graph screen]
这是测温板#1的第三次测试. PWI已在范围之内

[Board #3, Auto-Focus Confirm Recipe Find screen]
以上是第三块测温板的尺寸规格

[Auto-Focus Found Recipe screen]
Auto-Focus找到了第三块板的参数设定



[Auto-Focus Confirm First Recipe Settings screen]
Auto-Focus提示用户

第一个测温板的炉温设定好后,我们用同样的方法设定2-10. 这里是在BTU oven运行的产品:
 
BTU Paragon 150
Board # First Profile
Predicted
PWI
First Profile
Actual
PWI
Second Profile
Predicted
PWI
Second Profile
Actual
PWI
Third Profile
Predicted
PWI
Third Profile
Actual
PWI
1None231%52%102%60%67%
2None99%17%23%

372%62%35%


4None102%41%43%

5100%83%11%20%

6134%62%29%47%

7109%65%33%42%

890%78%



985%100%25%28%

1083%80%36%48%

BTU 回流炉上测试的10个产品
Auto-Focus给出了第三个测温板的设定以及5-10的设定
以下为10个测温板的总结:
 
Board # First Profile
Predicted
PWI
First Profile
Actual
PWI
Final Profile
Actual
PWI
Number of
Profiles
Required
1None231%67%3
2None99%23%2
372%62%62%1
4None102%43%2
5100%83%20%2
6134%62%47%2
7109%65%42%2
890%78%78%1
985%100%28%2
1083%80%48%2
Average 96%97%46%1.9
数据:
·         预测的第一个PWI平均值为96%.
·         平均测出的第一个 97%.
·         平均测出的最后一个PWI 为46%.
·         使用KIC 2000的Auto-Focus, 平均每个测温板只需要1.9次就能找到合适的炉温设定

以下是BTU回流炉上测试的产品11-20的记录:
 
BTU Paragon 150
Board # First Profile
Predicted
PWI
First Profile
Actual
PWI
Final Profile
Actual
PWI
Number of
Profiles
Required
1184%49%49%1
1284%62%62%1
1387%74%37%2
1467%72%59%2
15105%66%21%2
1682%65%65%1
1770%51%42%2
18112%91%76%2
1982%73%40%2
2072%50%50%1
Average 84%65%50%1.6
在 产品11-20的结果中, 我们发现3点:
·         所有产品一次测试合格.
·         平均只需1.6次就可以找到合格的炉温设定.
·         每个测试的PWI值都低于软件的推荐值.
在测试完这20个产品后,我们的品保部门确定在这台BTU Paragon 150上,如果Auto-Focus的预测值低于90%,那就不需要测试曲线也能生产了。
Vitronics Unitherm II SMR 1200N
BTU炉子问世还不到三年时间,在先进的回流炉技术领域是颇具代表性的。另一方面,我们所测试的Vitronics炉子已有8年的时间,并且花了6年时间进行主要合作直至重复升级到普及。我们想要确定是否Auto-focus在老式炉子上的成功是否与现代化多的炉子一样。我们在Vitronics炉子上作了与BTU炉子相同的设置,使用相同的板子用相同的方法测试。以下是前10块板子的结果
:
 
Vitronics Unitherm SMR 1200N
Board # First Profile
Predicted
PWI
First Profile
Actual
PWI
Final Profile
Actual
PWI
Number of
Profiles
Required
1None137%76%2
2None137%34%2
370%77%36%2
4None94%59%2
5101%83%8%2
6126%43%43%1
7117%75%32%2
882%107%73%4
9102%73%54%2
1077%57%57%1
Average 96%88%47%2.0
实际上每块板首次测温的平均PWI值,Vitronics炉子上测的要比BTU炉子上测的低,这主要是由于首次BTU测温时AutoFocus无法给出一个建议的方案。如果去除了Autofocus, 结果大约将和BTU的一样。11至20号板的结果如下:
 
 
Vitronics Unitherm SMR 1200N
Board # First Profile
Predicted
PWI
First Profile
Actual
PWI
Final Profile
Actual
PWI
Number of
Profiles
Required
1183%55%55%1
1288%87%49%2
1383%32%32%1
1461%103%53%2
1595%15%15%1
1674%52%52%1
1773%49%49%1
18123%70%45%2
1974%56%56%1
2057%61%61%1
Average 81%58%47%1.3
Victronics上的平均值比BTU上的稍好一些.然而,Vitronics上有一块板的首次测温超出了规格范围(板14=103%)。所有的板子都在首次通过BTU炉子时符合工艺范围。总而言之,两个炉子的结果相当类似。
结论
我们现在可以回答在本文开头提出的问题:
l  从概率上看,为一个新产品多少次测温能找出一个好的炉子参数设置方案。
l  我们测试总共40次,并且每次测试1.7次假如我们只注意每台炉子上第二批10块板,则炉子每次安装平均1.45次测温。
l  在Auto-Focus有足够信息前,我必须测多少块板,才能给出一个有用的第一次测温就能通过的炉子设置方案?
l  这在很大程度上将取决于被测板的范围。即使您测试”重”100的产品,Auto-Focus将不能因为首次测量的是”轻”的板子而为您指定一个炉子参数设置方案。然而,在我们针对多种多样板子的测试中,Auto-Focus将在首次少量板子的测试或10块板子的测试后给出建议方案,由此得出的测温曲线几乎总是附合规格范围。
Auto-Focus可以足够可靠自信地对从没有跑过曲线的新产品进行炉子方案的设置么?
在这两台炉子里我们总共跑了20块板。如果我们注意每个炉子的第二批10块板,我们能看见20块板中有19块的PWI低于92%,并且只有一块板的PWI超过100%,是刚刚超出规格范围的103%。它是我们所寻找的现代的具有良好维护能力的具有典型的有铅锡膏焊接回流炉,SlimKIC 2000配上Auto-Focus是可以通过简单测量和称重板子来真正妥善设置炉子参数。假如预先测试板子的数据库完成了,最终炉子的参数设置将需要通过跑生产线温度曲线来验证。
KIC 花了超过2年的时间来研发这个具有革命性意义的工具,并且我们已经为这一平台的一部份赢得了主要业内大奖。我们希望您考虑将SlimKIC配上Auto-Focus作为提升您工艺设置及质量的一种方法

附录
SlimKIC 2000”炉子安装系统”与常规”热工艺曲线测试仪”
KIC Q/A部门有机会测试它牌测试仪来看它们之间的比较。最大的不同在于其它公司制造“热工艺曲线测试仪”,但是SlimKIC 2000?是仅有正确的“炉子设置系统”。使用常规的“热工艺曲线测试仪”设置一台炉子包含以下步骤:
1、使用你的技术和经验,定义“首次推测”生产工艺符合规格范围的板子的炉子参数设置方案。
2、将产品附贴上热电偶,并且记录下它通过炉子时的热工艺曲线。
查看热工艺曲线图表所示及关键曲线统计数据如平均温度和回流上述时间。从这个信息来看,如果工艺足够符合规范就可手动定义启动生产。
3、如果工艺不在规格范围内,使用您的技术和经验来手动定义更换炉子的设置点和链速以尽可能将工艺制于规格范围内并且回到第二步。

使用SlimKIC2000“炉子设置系统”来设置炉子包含以下步骤:
1、测量出板子的长、宽和重量并且输入这个信息量至SlimKIC 2000软件中。Auto-Focus将指定一个炉子设置参数方案用于随着PWI预期值的首次炉温测试。
2、产品上附上热电偶并且记录下产品通过炉膛的曲线测量数据。
3、PWI将会自动被计算显示工艺是否在规格范围内并且具体数值是多少?
4、如果PWI低于所要求的,则工艺被安装。如果PWI高于所要求的并且KIC 2000软件的Navigator选项不能低于PWI,则没有炉子参数设置方案能将生产工艺置于规格范围内。如果Navigator被指定一个炉子参数方案将低于PWI值,则装载这个方案进炉子并且回到步骤2。

SlimKIC 2000相比常规炉温设置方法的关键优势如下:
1、最后确定工艺是否符合规范是由一个公式来完全定义,不由任何人的主观意愿来左右。如果PWI低于100%,工艺在规格范围内,PWI值越低,工艺越符合规范。从产品到炉子到工厂都将获得一致的结果。操作人员不必理解炉子设置点温度和链速之间的关系,也不必理解“上升时间”“恒温时间”或“液相线上时间”。当然,使用SlimKIC 2000,操作都能发现比最有经验的预期好的甚至更好的炉子参数设置。

SlimKIC 2000配上Auto-Focus,操作者只被要求作出两个决定:
a.哪一个工艺窗口被使用(他们从工程师提供的列表中选择)。
b.热点偶贴在板子的哪个位置。SlimKIC 2000带着他们穿过炉子设置的工艺。最后他们是否发现一个符合“规格范围”的炉子参数设置,
或者SlimKIC2000被定义在所选择的工艺窗口中,没有为这一特殊的产品制定工艺进程的炉子参数设置。

注:如果SlimKIC 2000 直接与炉子通讯,操作者需要掌握炉子控制软件培训,错误的设定数据传输到回流炉,可能导致问题。
Tips
小贴士
为这个报告运行这次测式以及与客户一起工作以发现问题所在,我们想出了一些技巧的清单以避免最常见的一些测温错误。如果我们不遵循这些规则,这份报告的结果将几乎不会对人留有太深的印象。注意贴士1-4应用于测温工作的执行是非常重要的,且不仅限于KIC产品的使用:
1、热电偶附件是非常关键的。活络的热电偶(简称TC)将不能给出一次次曲线测试后的相同结果并且预测试的曲线也将不正确。我们附上全部的带有铝带的热电偶,它提供了极其可靠重复的热电偶链接。铝带通常至少要在5次测温前更换。
2、热电偶的放置也是极其关键的。热电偶必须包括整个电路板的温度范围,否则,结果中的PWI值将不是电路板正确的PWI值。并且看似符合规格的工艺却仍要发生回流焊返工的事件。
1 还有,这些曲线测试将篡改数据库并且降低Auto-Focus的精度。当有疑问的时候,增加另一个热电偶。
3、炉子稳定性也是极其重要的。炉子控制热电偶温度必须在温度设置点的2度以内。如果您在炉子稳定前运行一个测温曲线,Navigator将无法准确预测。现代的回流炉通常将控制在1度以内。如果上述现象没有发生,那您的炉子可能出现问题了。
4、在开始下一个测温前板子必须是冷的。在下一个测温开始前,我们小心地让所有板上的热电偶得到空气线温度在3度以内。用一块热的板子开始一个温度曲线测试将降低曲线测试预测值的准确性。
5、炉子的名字应该一致,因为Auto-focus只使用与数据库中的板子有相同炉子名字的新板。如果KIC 2000软件与炉子的控制软件进行通信,则当您首次安装KIC软件时,给您的炉子一个名字就是一个很简单的问题,并且永远不用改变这个名字。在这个案例中,炉子名字被设为GlobalPreferences。 然而,如果KIC 2000软件不与炉子控制软件进行通信,则您经常为每台进行曲线测试的炉子使用相同的名字就显得非常重要。在这个模式中,炉子名字在下拉列表中以降低混淆。
6、产品的长,宽和重量必须正确输入,否则Auto-focus的精确度将被减小。
7、Auto-Focus和Navigator链速限制。Auto-Focus和Navigator都允许您定义最大和最小链速。我们发现在Vitronics炉子上,如果我们设置最大链速为45inches/min,Navigator将给我们较低的PWI值。BTU炉子上也一样。

利用好现有的温度曲线
如果你使用的旧版的KIC2000软件,你可以在软件中加入产品长度,宽度,质量等参数。
[KIC 2000 Profile Explorer - Auto-Focus Product Dimension screen]
Auto-Focus 会利用你输入的参数

References
1.     Cameron Sinohui, “A Comparison of Methods for Attaching TCs to PCBs for Thermal Profiling”, Presented at Nepcon West 1999
2.     Jim Hall and Phil Zarrow, “PWI: Process Optimization Made Simple”, Circuits Assembly Magazine, February 2002
Additional materials and resources on PWI can be found at: www.kicthermal.com/pwi
 

Ronald “Khai” Chau is the Quality Assurance Leader for KIC.
Khai can be contacted at:
15950 Bernardo Center Dr, #E
San Diego, CA 92127
khai@kicmail.com

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