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[简中]PWI 指数解析：精准量化回焊温度曲线，提升工艺控制

据我所知，回焊温度曲线的 PWI（Process Window Index，工艺窗口指数）概念由 KIC 提出（若有误，请指正）。从工程角度来看，PWI 的优势在于通过数学计算量化温度曲线的偏差，使用户能够依靠数据，快速判断回焊温度曲线是否符合工艺要求，而无需依赖经验或主观判断。此外，PWI 还能优化生产过程，提高质量控制效率，并降低制造成本。

（上图来源：KIC）

通过 PWI 分析，可以快速识别温度曲线中偏离工艺范围的温区，并进行针对性优化调整。此外，PWI 还可用于不同回焊生产线之间的温度曲线对比分析。除了回焊工艺，PWI 同样适用于波峰焊温度曲线，甚至可用于任何需要温度曲线评估的应用场景。

如何计算 PWI（工艺窗口指数）？

根据 KIC 的说明，PWI 计算公式应包括温度区间内所有热电偶的统计数据，并且取其中的最大值，也就是说，挑选最差的 PWI 作为该温度曲线的能力指数。PWI 计算公式如下：

• i = 1 到 N（热电偶数量）
• j = 1 到 M（每个热电偶的数据统计数量）
• 测量值[i,j] = 第 [i,j] 个数据统计的测量值
• average_limits[i,j] = 第 [i,j] 个数据统计的上下限平均值
• range[i,j] = 第 [i,j] 个数据统计的上限减去下限

工作熊個人对 PWI 的看法

其實這個PWI指數就只是把大家都很熟悉的Cpk中的Ck(也稱為Ca)拿過來用而已，只要學過統計製程(SPC)的人，應該都不會陌生，Ck代表著【準度】，以打靶來做說明，每一發子彈離靶心的位置越近，就表示Ck值越好（數字越低），也表示射擊能力越能接近靶心的位置，反推回製程，Ck越好就表示做出來的產品偏離規格中心越小。同樣的，回焊溫度曲線的PWI越小，就表示回焊爐中量出來的溫度越趨近於我們所設置的理想值，也就是規格。

其实，PWI 指数本质上就是将大家熟悉的 Cpk 中的 Ck（也称为 Ca）应用到回焊温度曲线分析中。只要学过统计制程控制（SPC），应该都会对 Ck 不陌生。Ck 代表【准度】，可以用射击来比喻，每一发子弹距离靶心越近，Ck 值越优（数值越低），也意味着射击能力越接近靶心。同样地，在制程中，Ck 越好，表示产品偏离规格中心的程度越小。换句话说，回焊温度曲线的 PWI 值越低，表示测得的温度越接近设定的理想温度范围，也就越符合制程要求。

光是口头描述可能不太直观，下面列出了 Ck 和 PWI 的计算公式，对比后应该就能清楚两者的关系。它们都是用“偏离规格中心的程度”来除以“规格宽度”。

C_k=|(M-X)|/(T/2)

M：产品规格中心，X：样本均值，T：规格宽度

PWI = [|(测量温度 – 工艺窗口平均温度)| ÷ 工艺窗口温度范围] x 100%

工艺窗口平均溫度值 = (工艺窗口上限温度 + 工艺窗口下限温度) ÷ 2

工艺窗口温度范围 = (工艺窗口上限温度 – 工艺窗口下限温度) ÷ 2

知道了PWI的计算式之后，我们就是可以来判断PWI优劣了：

• > 100%: out of specification (PWI > 100% 表示量测出来的温度已经超出了规格界线，当然是不合格啰！)

• < 100%: in specification (PWI < 100% 表示量测温度在规格界线内，所以当然就是合格的！只是如果真按照统计手法，如果量出来的PWI在50%~100%之间就表示还是有机会超出规格)

• =0: perfect (表示量测温度刚好与规格中心一致)

不过很多人都只知道要看PWI，却很少人用心去了解，真正影响到PWI结果的，除了实际量测出来的温度曲线外，还有温度及时间的规格上下界限。你知道，我们只要稍微调整规格上下界限，就可以让温度曲线从原本未达标变成符合标准吗？你知道回焊炉内的温度上下限及时间是如何定义出来吗？

不论是Ck或PWI，在实际运用前，个人强烈建议一定要搞清楚其规格，Ck及PWI都只是工具，而真正影响制程的是结果与设置的参数，对自动设备尤其重要。就像我们都知道肥胖不好，但你知道究竟超过多少公斤的人才叫肥胖，别人的标准是否适合你？是否还要配合身高、腰围、年龄、以及男女有别。回到生产制程，以回焊来说，我们一定要先了解何谓理想的温度曲线？如果你有对回焊温度稍微做过了解，就会知道回焊中最重要及次要的参数至少有下列几项，而这几项也正是PWI衡量回焊温度曲线是否合格的依据：

回焊温度曲线重要参数：

• 最高回焊温度 (Peak temperature)。
  这个温度要取决于PCB及电子零件的耐热程度，一般来说电子零件的规格书中都应该要提到这项要求才对，所以，要确认PCBA上所有电子零件的耐热能力。正常的情况下，如果是无铅的电子零件，基本上都应该要达到可以耐温260˚C至少10秒钟的能力。但是当然也有例外的，而这些例外的零件就需要特别受到关照。而回焊区的最高温，一般的峰值温度建议要比锡膏的正常熔点温度要高出约25~35°C，熔点越高的锡膏，这个温度差要越高（当然还得考虑时间因素，因为锡膏要从固态转变成液态，还牵扯到「熔化热」，建议参考锡膏厂商的规格书），这样才能顺利的完成焊接作业。温度如果太低或时间太短，则极有可能使得让锡膏无法完全液态化而造成冷焊与润湿不良的缺点。

• 液相以上时间 (TAL, Time Above Liquidus)。
  如果是SAC305锡膏，则是回流以上时间>217˚C (Time above 217˚C)。回焊区(TAL)的时间一般建议锡铅锡膏在30~60s之间，SAC305锡膏在60~90s之间，时间太短，锡膏可能无法完全润湿，时间太长，零件可能损坏。建议要参考锡膏厂商的规格书。

• 最高升温斜率 (slope, ramp-up rate)。
  升温斜率真正影响到的是升温的速度，升温速度如果太快，首先PCB就很有可能因为铜箔分布不均而发生变形。另外，电子零件通常由不同CTE的材质所构成，高速升温可能破坏其结构，再来就是锡膏内的助焊剂也会因为快速升温而急剧气化，将会造成喷溅，且将使得助焊剂过早挥发，无法充分去除氧化物，而可能让锡粉有机会提前氧化。升温斜率通常会控制在1.5°C～3°C/sec之间，而无铅锡膏由于回焊温度较高，为了降低回焊时间，也有人将升温斜率调高到5°C/sec，但调高前建议做过完整评估，确认没有质量问题才调高。

回焊温度曲线次要参数：

• 恒温时间 (Soak time，如果是SAC锡膏，则是恒温时间150~217˚C (Soak time between 150-217˚C)。

  大多数人称这段时间为恒温时间。如果是RSS区线，恒温时间通常会维持在150±10°C，但SAC305无铅锡膏则会往上维持在170°C+/-10°C，因为其融化温度比较高，但恒温区的温度越高，助焊剂的挥发就越快，而我们又不希望从恒温进到回焊区时升温斜率过大，才有此折衷的温度。如果是SAC305斜升式(RTS)温度曲线，则通常会把150～210°C之间的这段称为恒温区(soak zone)，只是斜升式在回焊前的温度都是缓步上升的，基本上也没有所谓的恒温区，所以这段温区应该叫做吸热区才比较恰当，只是为了要确保所有焊点的温度在进入回焊区前达到一致，让板面温度差△T接近最小值，才会特别要求控制这段回焊前的温度时间。此温区处于锡膏融化的前夕﹐锡膏中的挥发物也会被进一步去除﹐活化剂已经启动﹐并开始有效的去除焊接表面的氧化物﹐此温区的主要目的在使得不同大小、不同质地的零组件温度能在进去回焊区前达到一致的温度﹐让板面温度差△T接近最小值。如果把回焊区比喻为山头，吸热区就是在大战前集结大军，然后一举攻下山头。吸温区的时间通常建议要维持在60～120s之间。吸热时间如果太长，会导致助焊剂过度挥发，并造成被保护的锡粉过度氧化的问题﹐这将使得回流焊接无法顺利完成，导致焊接成拒焊、缩锡(dewetting)、焊点残留物发黑、焊点不光亮等问题。吸热时间如果太短，就无法使得所有焊点温度在进入回焊前达到一致，可能造成立碑(tombstone)、虚焊等问题。

• 最高冷却斜率 (slope, ramp-down rate)。

• 同一颗零件不同焊点进入回焊的温度差(Liquidus Time Delay)。

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