PFMEA方法在印制板组合装配中的应用研究

任玲

（沈阳航天新乐有限责任公司，辽宁沈阳，110034）

0 引言

PFMEA方法又称为Process Failure Mode and Effects Analysis。在实际应用过程中，担任印制板组合装配的人员，可以采用PFMEA方法，以制程失效模型构建的方式，对印制板组合装配过程中各种潜在风险进行失效分析，结合不同风险影响程度及其产生机理的分析，可为印制板组合装配效果的提升提供依据。因此，对PFMEA方法在印制板组合装配中的应用进行适当分析具有非常重要的意义。

1 PFMEA方法在印制板组合中的应用原理

PFMEA方法在实际应用中主要包括确定与印制板组合装配过程潜在模式及起因、失效对印制板组合装配质量潜在影响评价、寻找减少失效发生、或者寻找减少失效条件的过程控制变量[1]。同时制定印制板组合装配中风险纠正方案，结合潜在失效模式分级表的验证，可在优化控制严重失效模式的基础上，依据控制实际失效发生因素，结合印制板组合装配情况及印制板组合纠正控制要点，以每一个潜在失效控制节点为入手点，在一定范围内，明确相应失效模型影响因素及影响程度，进而了解印制板组合装配失效过程及最高风险等级，从而为针对性管控方案的制定提供依据。以场效应管为例，其主要失效原因为焊接不当、零件装配错误、助焊剂失活等，根据具体失效原因，可利用PFMEA方法，结合现行控制方法，如SPC技术等，依据具体风险严重程度制定合理的措施，并对措施实施后失效因素变化情况进行适当分析。

2 PFMEA方法在印制板组合装配中的应用

2.1 PFMEA方法在通孔插装元器件组装配中的失效模式

通孔插装元器件装配方法主要是针对电容器、电阻器、二极管、场效应管、三极管等电子元器件的装配方法。其可以利用元器件的引脚，将元器件插入印刷电路板上已有的孔中，随后通过手工装配方式，对电容器、电阻器、二极管、等电子元器件实施软钎焊。通孔插装元器件装配主要依据手工焊接要点，在元器件插装的基础上，通过助焊剂预先涂抹、温度预先加热、焊接冷却得到所需元件。在通孔插装元器件组装过程中，常见的PFMEA方法失效模式主要由空洞、桥连、虚焊、焊点拉尖等模块[2]。其中空洞又可称为气泡，其主要为电子元器件引脚、焊盘之间出现空洞情况。在上述问题发生之后，引线根部位置还会出现喷火形式的焊料突出，其内部具有气泡，不仅会影响印制板组合焊接强度，而且会导致脱焊现象的发生；桥连主要为焊点间连接情况，其极易导致电气短路问题发生；虚焊主要是由于焊锡、元器件引线、铜箔间具有突出的深色界限，且焊锡呈界限内凹陷状态。这种现象主要是由于焊锡、基体金属截面间没有合金层，其由于焊点机械强度不足，导致整体电路板短路风险较大；焊点拉尖主要是焊点表层由于没有完全浸润成球，从而出现拉尖状态。焊点拉尖不仅会影响印制板组合外部观感，而且会导致电路板污染、虚焊等问题的发生。

图1 通孔装配元器件在印制板组合中的应用

2.2 PFMEA方法在通孔插装元器件中的影响分析

PFMEA方法失效模式检测主要采用风险级RpN对严重度、频度、检测难度进行分析。

首先，空洞失效模式影响分析，上述失效模式发生的原因主要由PCB孔内湿度过大、元器件引线直径与插装孔内比例不当、助焊剂活动不足、焊盘局部清洁程度不足、通孔周边老化等；严重程度为7级；上述失效原因PFMEA检测频度分别为现3/2/6/2/0，检测难度分别为9/8/3/2/2；风险等级分别为188/113/85/28/27；其中PCB孔内空气湿度过大为高风险等级，现行可用控制措施除改善存储条件之外，还可以在装配前进行干燥措施。在这个基础上，可合理调整印制板孔径大小，结合助焊剂的更换及焊盘、氧化层的清理，可有效控制空洞风险[3]。

其次，对于桥连失效模式而言，桥连失效模式严重程度为4，其主要失效原因为设计不合理或焊盘间距不当，频度为8，检测难度为8，风险级为359，由于该失效原因为高风险级，因此可依据PCB具体特点，进行相邻焊盘距离的合理调整；元器件引脚不规范、或者元器件引脚插装歪斜等，这一失效原因频度为5，检测难度为3，风险级为45。在实际印制板组合装配过程中，可以依据板孔径装置要求进行插装元器件引脚的合理调整；助焊剂活性不足、焊接温度不到位或传送带速度过快检测频度为2，检测难度为3，风险级为30。可通过更换助焊剂、调节焊接温度或者传送带速度进行合理控制。

再次，针对严重度为8的虚焊失效模式，其主要失效原因为元器件引线氧化层润湿度不足、PCB表面预处理不当、助焊剂活性不足、焊锡流动性差等，上述失效原因PFMEA检测频度分别为8/5/6/2，检测难度分别为9/8/5/2；风险等级分别为512/198/185/42；对于上述失效因素，可以通过是氧化现象，并在焊接前期进行清洁措施，必要情况下可更换助焊剂、焊锡。

最后，针对严重度为5的焊点拉尖失效模式，其主要失效原因除高风险级“焊接温度不当”这一因素之外，还包括预先加热温度不足、焊料清洁程度不足、元器件引脚长度过长等因素。上述失效原因PFMEA检测频度分别为8/5/1/1，检测难度分别为9/3/9/8；风险等级分别为360/78/48/30。在实际焊接阶段，除调整焊接温度及预先加热温度参数之外，还需要控制元器件引脚露出板面高度在1.0-2.0mm以内。

图2 印制板组合装配

3 印制板组合装配控制方案实施后效果验证

由于PFMEA方法并不是单一循环的分析方式，而是不断优化完善的过程。因此，为了了解PFMEA方法应用效果，本次试验主要包括PFMEA方法信息考察、风险试验、效果分析3个模块。其中在PFMEA方法收集阶段，主要采用了北京大学、河南大学图书资料及万方数据库、中国知网数据库关于印制板组合装配失效信息，并对整体资料进行了概括汇总。在这个基础上，与相关专业研究人员对PFMEA方法失效影响因素进行了探究，明确了整体印制板组合PFMEA方法失效分析的潜在因素。经过进一步计算，可得出失效严重程度得到有效的下降，实现了印制板组合装配的良性循环。

4 总结

在印制板组合装配过程中，因装配维修导致的组件疲劳实效占总疲劳实效参数的50%以上。因此，在实际印制板组合装配过程中，为了保证电子元件装配的稳定性，印制板组合装配管理人员可利用PFMEA方法对电阻、电容、运算放大器、二极管等电子元件装配阶段失效因素产生机理进行分析，并针对高风险失效因素以事前预防的方式进行强化预防管制，从而保证印制板电子元件装配质量。