Since1984DOE试验在无铅波峰焊接品质控制中的应用
DOE试验在无铅波峰焊接品质控制中的应用
Since1984DOE试验在无铅波峰焊接品质控制中的应用
1、DOE方法提出的技术背景？
2、什么是DOE？
3、DOE方法有什么特点？
4、如何采用DOE方法控制波峰焊接品质？
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1
DOE方法提出的技术背景
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焊接缺陷率：
500ppm3000ppm
技术背景
工
艺
窗
口
的
缩
小
5000ppm0ppm
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如何有效地控制无铅波
峰焊的缺陷？
无铅波峰焊常见的焊
接缺陷有那些呢？
缺陷是怎么产生的？
跟甚么因素有关？
技术背景
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采用鱼骨图进行原因分析：
人机料法环
无铅波峰焊
接低缺陷率
生产制造过程中
工作人员的问题
钎料成分问题等
焊接工艺问题
PCB板的设计，运送
存储时出现的问题以及
元器件自生存在的问题
波峰焊机稳定
性能问题
温度/湿度/气压
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助焊剂
1不润湿/润湿不良；
2焊锡网
3桥连
4锡球
5助焊剂残留
6球状焊点
7冰柱
8填充不良
9焊点空洞
浸锡时间1过长：粘锡、气孔，拉尖等焊接缺陷2太短：锡量不足、漏焊，桥连等
预热温度
1不润湿/润湿不良；
2焊点空洞
3桥连
4锡球
5球状焊点
6冰柱
8填充不良
压波高度1波峰过高：拉尖、桥连等2波峰过低：吃锡量不够，锡点不饱满等
1传输角小：桥连等
2传输角大：焊接质量不好等轨道倾角
1焊点剥离
2焊点质量冷却速度
焊接温度1过低：易造成虚焊和拉尖等焊接缺陷2过高：元器件受高温而损坏，加速焊料的氧化
焊接工艺对缺陷的影响：
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制造系统（稳定）CpCpk
SPC维持
改善制造系统：是否有特殊原因
问题内型T型A型X型
原因明确明确不明确
条件明确不明确不明确
解决工具QC推测推算DOE
控制图相关回归
层别法DOE
DOE方法的提出
Since1984DOE试验在无铅波峰焊接品质控制中的应用
筛选主要因子（2N）
找出最佳生产条件组合（3N）
证实最佳生产条件有再现性
1因子拉丁方程；2因子希腊拉丁方程；3因子超希腊拉丁方程
DOE方法的提出
通过实验进行优化设计
通过实验控制其不良
的影响程度
，测
工艺问题不具有
完全复制性
必须针对个体实际情况
通过科学方法找到最佳组合
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什么是DOE方法
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DOE的定义
试验设计（DesignOfExperiment，简称DOE），是对过程或产品进
行改善或优化，找出最佳关键因子的方法。
DOE的作用
??寻找和验证影响过程的主要因素。
??优化因素的取值，找出因素的最佳水平搭配。
??提高过程和产品的质量，实现6σ管理。
??提高过程和产品的稳定性，减少受环境的影响。
??提高产品的可靠性，延长产品的使用寿命。
??减少不必要的工艺和材料，降低生产成本，缩短生产周期。
??通过提高产品的设计质量，减小对检验的依赖，降低管理成
本。
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DOE方法有什么特点
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实验设计（DOE）是指以概率论、数理统计和线性代数等为理论基础，
科学地安排实验方案，正确地分析实验结果，尽快获得优化方案的一种数学
方法。
主要方法：
西方统计质量专家（以G.E.BOX为代表）提出的经典方法
（重回归分析，适合单一产品大批量生产）
采用统计回归的思想拟合出质量特性和影响因素之间的函数关系，并进行
响应曲面分析，寻找工艺参数的最佳配置，从而使输出质量特性最优。
追求均值最优，统计推导较为严谨，实验阶段较为分明，有序贯性的特点
日本著名质量管理专家田口玄一博士创立的田口方法
（重试验设计，适合多品种少批量）
注重实验设计与工程技术的结合，提出稳健性设计的思想，在实验中综合
考虑误差因素，寻求设计参数的优化配置，从而获得较为稳定的输出质量特性
强调均值与方差的综合优化，寻求相对满意解，实验设计与分析过程相对
简单易用追求质量与成本的均衡，现在已经得到广泛使用。
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制定目标
要因分析
第一阶段试验
3k因子设计
弯曲
不
弯
曲
制定SPC标准
接近预
期目标
选定试验方案，确
定试验因子和水平
响应曲面设计
得出试验结果再现性试验
DOE基本策略：
田口方法经典方法
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典型的正交表：
“L”表示此为正交表；
“8”表示试验次数；
“2”表示两水平
“7”表示试验最多可以有
7个因素(包括单个因素
及其交互作用)。
正交表的表示方法：
一般的正交表记为Ln(mk)，n是表的行数，也就是要安排的试验数;
k是表中的列数，表示因素的个数；m是各因素的水平数；
常见的正交表：
2水平的有L4(23),L8(27),L12(211),L16(215)等；
3水平的有L9(34),L27(313)等；
4水平的有L15(45);
5水平的有L25(56);
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1）完全要因实验（也称为析因实验）
两水平因子实验（线性）
完全要因基础，插入中心点后判断
三水平因子实验（二次曲面）
采用基于中心复合设计或BOX-BEHNKEN法的响应曲面模型分析
2）部分要因实验（因子过多，筛选实验）
博克斯-亨特（BOX-Hunter）进行了分辨度设计：
⑴分辨度Ⅲ⑵分辨度Ⅳ⑶分辨度Ⅴ
部分2k因子试验设计
2k是指共有k个因子,每个因子只有2个水平
部分2k因子就是完全2k因子的一部分子集或一部分
筛选主要因子（2N）
找出最佳生产条件（3N）
经典实验设计方法4步走：
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对分辨度的解释：在DOE中，有个混淆的概念，比如：主效应和2级交
互作用混淆，2级交互作用和3级交互作用混淆等情况。
在做部分因子试验设计时有混淆情况，所以，III代表主效应与2级交互
作用混淆，IV代表主效应与3级交互作用混淆以及2级交互作用与2级交互作
用混淆，也可以这样理解：
III=1+2，1代表主效用，2代表2级交互作用；IV=1+3还等于2+2，1代
表主效用，3代表3级交互作用，同样，2还是代表2级交互作用。这里所说的
III和IV就是我上面提到的分辨度。
DOE中，2VIk-p表示就是k个因子2个水平的部分因析试验设计，其分
辩度为VI，2-p表示试验组数为全因析试验的1/2p。
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3）响应曲面模型（RSM）
选择响应曲面模型方法拟合二次回归方程，绘制响应曲面与等高线图
清晰直观地表达了重要影响因素水平与输出的关系，尤其当最优点不可取
时可以方便地追踪到次优点。
实验次数较多，实验周期较长，不利于在设计过程中使用
没有充分考虑到误差因素的影响
只适合连续的计量值的拟合，对于离散的计数值设计显得无能为力了
4）调优设计（EVOP）
一种是结合响应曲面求出响应曲面模型与等高线，按有限制条件次优
解求解-复杂
一种是使用经典调优设计试算求出满意解
经典实验设计方法4步走：
筛选主要因子（2N）
找出最佳生产条件组合（3N）
Since1984DOE试验在无铅波峰焊接品质控制中的应用
DOE基本概念：
主效应
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DOE基本概念：
主效应
Since1984DOE试验在无铅波峰焊接品质控制中的应用
DOE基本概念：
主效应
Since1984DOE试验在无铅波峰焊接品质控制中的应用
DOE基本概念：
交互作用
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30m
50Kg磷
25m
50Kg钾
20kg磷
30kg钾
40m
交互作用=总效果-(20kg磷的效果+30kg钾的效果)
DOE基本概念：
交互作用
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4.1
如何采用DOE方法控制波峰焊接品质
田口方法
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田口试验在波峰焊中应用实例（以缺陷率为控制对象）
Since1984DOE试验在无铅波峰焊接品质控制中的应用
田口试验在波峰焊中应用实例（以缺陷率为控制对象）
Since1984DOE试验在无铅波峰焊接品质控制中的应用
田口试验在波峰焊中应用实例（以缺陷率为控制对象）
Since1984DOE试验在无铅波峰焊接品质控制中的应用
田口试验在波峰焊中应用实例（以典型缺陷为控制对象）
L8(2)7
渗透情况与
工艺参数的关系
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田口试验在波峰焊中应用实例（以典型缺陷为控制对象）
L8(2)7
锡桥情况与
工艺参数的关系
L12(2)8
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AnalysisofVariance(ANOVA)
方差分析：样本数据存在变差
Since1984DOE试验在无铅波峰焊接品质控制中的应用
田口试验在波峰焊中应用实例（以典型缺陷为控制对象）
得到效应参数
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田口试验在波峰焊中应用实例（以典型缺陷为控制对象）
得到效应参数
得到效应参数
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4.2
如何采用DOE方法控制波峰焊接品质
经典方法
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试验设备及材料
物理特性日本TumuraEC-19S-8
成分乙醇、二丙基醇、甲苯、二甲苯、乙醛脂
稀释剂THINNER#4520
氯含量0.08±0.02%
状态液体
表观明亮的黄色，透明
比重（20℃）0.822±0.007
固体含量15±2%
粘度（30℃，
Redwood
method）
3.9±1.5mPa.s
最优焊接温度250-260℃
绝缘阻抗高于1×1012Ω
SWPC的波峰焊优化器，可测压波高度，浸锡时间等参数。
钎料采用Sn-3.5Cu-0.5Ag
经典试验在波峰焊中应用实例
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因子名称高水平(＋1)低水平(－1)
A助焊剂流量30ml/min60ml/min
B预热温度90℃110℃
C浸锡时间2s4s
D压波高度0.8mm1.2mm
E锡炉温度245265
F轨道倾角4°6°
试验因子及水平
第一阶段选择：部分2k因子试验设计助焊剂量
预热温度
锡炉温度
浸锡时间
轨道倾角
压波高度
波峰焊
焊剂部分
波峰部分
经典试验在波峰焊中应用实例
Since1984DOE试验在无铅波峰焊接品质控制中的应用
部分2k因子试验设计
因子:6基设计:6,32含区组的分辨度:IV
试验次数:36仿行:1（实验重复次数，考虑随机因子）
实施部分:?区组:2（实验分批次数，考虑人、机、料、环）
中心点（合计）:4（验证是否为线性关系）
试验中的3阶交互作用一般很弱，不考虑。
经典试验在波峰焊中应用实例
Since1984DOE试验在无铅波峰焊接品质控制中的应用
试验设计表经典试验在波峰焊中应用实例
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试验设计及结果表
注：以上统计结果以桥连为主。84
经典试验在波峰焊中应用实例
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S=0.739510PRESS=219.506
R-Sq=99.41%R-Sq（预测）=80.42%R-Sq（调整）=98.29%
Defect=
5.594-0.031A+0.031B-4.969C+0.719D
-1.469E+0.031F+0.156AB+...
从上面可以看出：
C，D和E是影响缺陷产生的显著因素。
经典试验在波峰焊中应用实例
拟合出质量特性和影响因素间的函数关系
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从图中可以看出：C、D、E对缺陷的影响是明显强于其他因素，
且可以了解到这些因素与缺陷的关系，比如C它在高水平的时候，
缺陷是最少的。
经典试验在波峰焊中应用实例
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很明显地，C与D、E有很强的交互作用，D与E有很强的交互作用，
其他的因素交互作用比较弱。
经典试验在波峰焊中应用实例
Since1984DOE试验在无铅波峰焊接品质控制中的应用
经典试验在波峰焊中应用实例
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经典试验在波峰焊中应用实例
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第二阶段的试验：响应曲面设计法
从上面的分析可以看出模型的弯曲，所以进行下一步的试验设计。
从上面的分析可以看出：
1）分析各因子对响应的显著性，筛选出C,D,E为影响焊接缺陷的显著因子
2）各个因子显著性排队，对所有的交互作用进行分析
经典试验在波峰焊中应用实例
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响应曲面设计表：
经典试验在波峰焊中应用实例
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响应曲面回归:缺陷与区组,浸锡时间,压波高度,焊接温度
Y=-1253.98-13.12C+137.66D+9.78E+0.29C2-30.29D2-0.02E2-2.5CD
+0.05CE-0.25DE
拟合出质量特性和影响因素间的函数关系
经典试验在波峰焊中应用实例
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经典试验在波峰焊中应用实例
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4°轨道倾角F
262℃锡炉温度E
0.95mm压波高度D
3.2s浸锡时间C
90℃预热温度B
30ml/min助焊剂流量A
参数因子名称
经典试验在波峰焊中应用实例
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桥连
浸锡时间压波高度锡炉温度
由DOE试验可得：
主要影响
经典实验设计
初始：桥连84个→调整后：桥连11个
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桥连形成的机理示意图
Fw——润湿力；
P——附加内压，P=f/R；
f——表面张力；
R——曲率半径。
桥连原理图
经典实验设计
FwFw
ff
P
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从部分要因实验与正交设计法的实验选点规律不难看出，对于2水平的实验选
点，部分要因实验与正交设计类似，符合哈达马（Hadamard）矩阵的规律；
但对于3水平的实验选点，正交设计可采取正交拉丁方构造实验表，具有均衡
分散、综合可比的特点，实验次数仅为水平值的平方；而对于化工行业设计中
常遇到的更高水平值的实验选点，目前可以使用我国方开泰教授等人创造的均
匀设计法来构造实验表，实验次数可以进一步降低为水平值。
然而凡事有利必有弊，3水平正交设计涉及到主效应的部分别名是二因子交互
作用，当其中一些交互作用很大时，可能会导致实验结果分析的失败；尽管因
子实验选点较正交设计多，但其考虑了因子之间的交互效应显得更加严密，因
子实验采用方差分析以及绘制正态分位图法，以找出重要影响因素的作用规律
，为进一步的响应曲面分析提供判定依据。
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浸锡时间浸锡深度
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