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用PWI(製程窗口指數)量化並快速確認回焊溫度是否合格
印象中這個回焊溫度曲線的PWI（Process Window Index，製程窗口指數）好像是由KIC所提出來的一個觀念，如果有錯，請幫忙指正。就我個人了解，PWI的優點是可以透過計算式來量化指數，讓使用者可以用數字快速地判斷自己的溫度曲線是否合格，不再看不懂、瞎猜，還可以進一步協助產線提高品質的管控，並降低生產成本。
(上面的圖片來自KIC)
經由PWI的分析後，還可以快速了解溫度曲線中那個溫區的參數可能有問題，然後對症下藥，也可以拿來與其回焊線體的溫度曲線做效果比較。PWI除了被運用在回焊曲線外，波焊的溫度曲線也可以適用。其實只要是溫度曲線應該都可以適用。
現在我們就來看看要如何計算PWI（Process Window Index，製程窗口指數）
- i=1到N (熱電偶數量)
- j=1 到M (每個熱電偶的資料統計數量)
- 測量值[i,j]=第[i,j] 個資料統計的值
- average_limits[i,j]= 第 [i,j]個 的資料統計的上限和下限的平均值
- range[i,j]= 第 [i,j]個資料統計的上限減去下限
工作熊個人對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。
光用講的可能大家還不是很能理解，下面我把Ck及PWI各自的計算式給列出來，大家看看應該就可以很容易將這兩者給對上號了。都是用用偏移規格中心來除以規格寬度。
Ck=|(M-X)|/(T/2)
M：產品中心位置（規格中心），X：樣品的中心（平均值），T：規格寬度
PWI = [|(量测温度 – 製程窗口平均温度值)| ÷ 製程窗口温度范围] x 100%
製程窗口平均溫度值 = (製程窗口上限溫度 + 製程窗口下限溫度) ÷ 2
製程窗口溫度範圍 = (製程窗口上限溫度 – 製程窗口下限溫度) ÷ 2
知道了PWI的計算式之後，我們就是可以來判斷PWI優劣了：
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> 100%: out of specification (PWI > 100% 表示量測出來的溫度已經超出了規格界線，當然是不合格囉！)
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< 100%: in specification (PWI < 100% 表示量測溫度在規格界線內，所以當然就是合格的！只是如果真按照統計手法，如果量出來的PWI在50%~100%之間就表示還是有機會超出規格)
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=0: perfect (表示量測溫度剛好與規格中心一致)
不過很多人都只知道要看PWI，卻很少人用心去了解，真正影響到PWI結果的，除了實際量測出來的溫度曲線外，還有溫度及時間的規格上下界限。你知道，我們只要稍微調整規格上下界限，就可以讓溫度曲線從原本未達標變成符合標準嗎？你知道回焊爐內的溫度上下限及時間是如何定義出來嗎？
不論是Ck或PWI，在實際運用前，個人強烈建議一定要搞清楚其規格，Ck及PWI都只是工具，而真正影響製程的是結果與設置的參數，對自動設備尤其重要。就像我們都知道肥胖不好，但你知道究竟超過多少公斤的人才叫肥胖，別人的標準是否適合你？是否還要配合身高、腰圍、年齡、以及男女有別。回到生產製程，以回焊來說，我們一定要先了解何謂理想的溫度曲線？如果你有對回焊溫度稍微做過了解，就會知道回焊中最重要及次要的參數至少有下列幾項，而這幾項也正是PWI衡量回焊溫度曲線是否合格的依據：
回焊溫度曲線重要參數：
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最高回焊溫度 (Peak temperature)。
這個溫度要取決於PCB及電子零件的耐熱程度，一般來說電子零件的規格書中都應該要提到這項要求才對，所以，要確認PCBA上所有電子零件的耐熱能力。正常的情況下，如果是無鉛的電子零件，基本上都應該要達到可以耐溫260˚C至少10秒鐘的能力。但是當然也有例外的，而這些例外的零件就需要特別受到關照。而回焊區的最高溫，一般的峰值溫度建議要比錫膏的正常熔點溫度要高出約25~35°C，熔點越高的錫膏，這個溫度差要越高（當然還得考慮時間因素，因為錫膏要從固態轉變成液態，還牽扯到「熔化熱」，建議參考錫膏廠商的規格書），這樣才能順利的完成焊接作業。溫度如果太低或時間太短，則極有可能使得讓錫膏無法完全液態化而造成冷焊與潤濕不良的缺點。 -
液相以上時間 (TAL, Time Above Liquidus)。
如果是SAC305錫膏，則是回流以上時間>217˚C (Time above 217˚C)。回焊區(TAL)的時間一般建議錫鉛錫膏在30~60s之間，SAC305錫膏在60~90s之間，時間太短，錫膏可能無法完全潤濕，時間太長，零件可能損壞。建議要參考錫膏廠商的規格書。 -
最高升溫斜率 (slope, ramp-up rate)。
升溫斜率真正影響到的是升溫的速度，升溫速度如果太快，首先PCB就很有可能因為銅箔分布不均而發生變形。另外，電子零件通常由不同CTE的材質所構成，高速升溫可能破壞其結構，再來就是錫膏內的助焊劑也會因為快速升溫而急劇氣化，將會造成噴濺，且將使得助焊劑過早揮發，無法充分去除氧化物，而可能讓錫粉有機會提前氧化。升溫斜率通常會控制在1.5°C～3°C/sec之間，而無鉛錫膏由於回焊溫度較高，為了降低回焊時間，也有人將升溫斜率調高到5°C/sec，但調高前建議做過完整評估，確認沒有品質問題才調高。
回焊溫度曲線次要參數：
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恆溫時間 (Soak time，如果是SAC錫膏，則是恆溫時間150~217˚C (Soak time between 150-217˚C)。
大多數人稱這段時間為恆溫時間。如果是RSS區線，恆溫時間通常會維持在150±10°C，但SAC305無鉛錫膏則會往上維持在170°C+/-10°C，因為其融化溫度比較高，但恆溫區的溫度越高，助焊劑的揮發就越快，而我們又不希望從恆溫進到回焊區時昇溫斜率過大，才有此折衷的溫度。如果是SAC305斜昇式(RTS)溫度曲線，則通常會把150～210°C之間的這段稱為恆溫區(soak zone)，只是斜昇式在回焊前的溫度都是緩步上昇的，基本上也沒有所謂的恆溫區，所以這段溫區應該叫做吸熱區才比較恰當，只是為了要確保所有焊點的溫度在進入回焊區前達到一致，讓板面溫度差△T接近最小值，才會特別要求控制這段回焊前的溫度時間。此溫區處於錫膏融化的前夕﹐錫膏中的揮發物也會被進一步去除﹐活化劑已經啟動﹐並開始有效的去除焊接表面的氧化物﹐此溫區的主要目的在使得不同大小、不同質地的零組件溫度能在進去回焊區前達到一致的溫度﹐讓板面溫度差△T接近最小值。如果把回焊區比喻為山頭，吸熱區就是在大戰前集結大軍，然後一舉攻下山頭。吸溫區的時間通常建議要維持在60～120s之間。吸熱時間如果太長，會導致助焊劑過度揮發，並造成被保護的錫粉過度氧化的問題﹐這將使得回流焊接無法順利完成，導致焊接成拒焊、縮錫(dewetting)、焊點殘留物發黑、焊點不光亮等問題。吸熱時間如果太短，就無法使得所有焊點溫度在進入回焊前達到一致，可能造成立碑(tombstone)、虛焊等問題。 -
最高冷卻斜率 (slope, ramp-down rate)。
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同一顆零件不同焊點進入回焊的溫度差(Liquidus Time Delay)。
延伸閱讀：
- 可以用空板來製作回焊測溫板(profile board)嗎？
- SMT回流焊的溫度曲線(Reflow Profile)解說與注意事項
- 回流焊的爐溫曲線應該使用RSS(馬鞍)型?還是RTS(斜昇)型?
- 瞭解熱電偶(thermocouple)、測溫線、感溫線的基本原理與選擇注意事項
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