Дефекти при рефлуксно леене: Предизвикателства и решения

Въведение в рефлуксното лепене

Технологията на рефлуксно лепене е основният процес при производството на съвременни висококачествени сглобки за печатни платки. Този метод осъществява електрическа връзка, като точно монтира повърхностно-монтажирани компоненти (SMD) на предварително определени контактни площи върху платките. Като преобладаващ метод в технология за повърхностно монтиране (SMT) системата, рефлуксното лепене демонстрира отличителни характеристики при приложения с миниатюрни електронни компоненти и високоплътни схемни решения. В сравнение с традиционните процеси на вълново лепене, рефлуксното лепене притежава значителна технологична гъвкавост. Неговата адаптивност позволява работа с различни конфигурации на компоненти, а мащабируемостта на системата отговаря на разнообразни изисквания за производствена мощност.

Процесът на рефлуксно лепене се състои от три последователно изпълнявани критични операционни стъпки. Първо, операторите трябва точно да нанесат материал за лепилна паста върху определените контактни площи на платката. След това специализирано оборудване за монтиране поставя електронните компоненти точно върху местата, покрити с паста, според зададените програмни параметри. Платката с монтирани компоненти след това навлиза в пещ за рефлуксно лепене с контролирани температурни профили, за да се довърши процесът на лепене, при който лепилната паста преминава през физически трансформации на стопяване и затвърдяване в пещта и в крайна сметка образува надеждни лепи, които притежават както механична якост, така и електрическа свързаност. Тази комплексна процедура за лепене представлява основната процесна система на съвременните производствени линии за електронна сглобяване. Нейните технически приложения са напълно разширени както в потребителската електроника, така и в индустриалните системи за управление, като конкретните продуктови категории включват преносими устройства като смартфони и индустриално оборудване като автомобилни системи за управление.

Продължаващата тенденция на миниатюризация в електронните устройства и увеличаването на плътността на интеграция на печатни платки поставят нови технически предизвикателства пред процесите на рефлуксно леене. Съвременното производство трябва системно да отстранява няколко типични дефекта при леенето, включително мостове от лой, образуване на капчици от лой, студени лепенки, пори и повреди от термичен стрес. За тези категории дефекти трябва да се прилагат специализирани мерки за подобряване на процеса. Производителите трябва системно да извършват задълбочени проучвания на механизмите на образуване на дефекти и да създават прецизни системи за контрол на процеса въз основа на резултатите от проучванията. Прилагането на този подход за техническо управление осигурява двойна гарантия за продуктите от електронни сглобки: от една страна, осигурява достатъчно висок процент доброкачествена продукция по време на производствения процес, а от друга страна, гарантира последователна и стабилна работа през целия експлоатационен срок на продукта.

Процесът на рефлуксно лепене в технологията за повърхностно монтиране (SMT)

Процесът на рефлуксно лепене може да бъде обобщен в няколко ключови етапа. Зоната за предварително нагряване осъществява прецизно регулиране на температурата, за да се активира флюсът. Зоната за рефлукс осигурява металургично свързване на лепящия припой, за да се получат надеждни лепени връзки. Всеки етап от процеса оказва решаващо влияние върху качеството на лепените връзки. Всички тези елементи заедно осигуряват основната гаранция за общата надеждност на електронните компоненти.

1. Нанасяне на припоен паста

• Процес на печат с шаблон: Чрез използване на шаблони припоената паста се нанася върху избраните контактни площи на платката. Процесът на печат трябва да контролира количеството нанасяна припоена паста, за да се избегнат дефекти като прекалено много припой (което води до мостове) или недостатъчно количество припоена паста (което причинява непълни лепени връзки).
• Последователност при нанасянето на пастата: Напредналите производствени линии използват автоматизирани системи за проверка на припоената паста, които следят обема, формата и нанасянето ѝ, незабавно сигнализирайки при всякакви отклонения.

2. Разположение на компоненти

• Машини за поставяне: Те автоматизират бързото и прецизно поставяне на компоненти върху ново нанесени пастообразни контактни площи, осигурявайки скорост и точност по цялата платка.
• Контрол на поставянето: Добре настроени машини предотвратяват накланянето на компонентите и намаляват риска от тяхното неправилно подравняване.

3. Нагряване при преваряване

• Печка за преваряване: Сборката минава през многозонна печка за преваряване, където контролираното и равномерно топлина стопява паячната паста. Правилното нагряване по цялата платка осигурява засихването на всички връзки, като се получават здрави електрически и механични съединения.
• Температурни профили: Рефлуксните фурни се програмират с определено повишаване на температурата, време за изравняване, максимална температура и скорост на охлаждане, всички адаптирани към конкретния процес на сглобяване и материали.

4. Охлаждане

• Равномерно разсейване на топлината: Контролираното охлаждане предотвратява топлинен шок и осигурява здрави, без вакууми спойки. Неравномерното охлаждане може да причини напрежение, деформация или пукнатини.

5. Инспекция след сглобяване

• Автоматизирана и ръчна инспекция: AOI , Рентген , а ръчни проверки потвърждават, че споята е потекла и смачкала правилно и че няма останали дефекти при спояването (като спойни мостове или образуване на спойни топчета).

Чести предизвикателства и дефекти при рефлуксно спояване

Технологията на заваряване продължава да напредва. Процесите на рефлуксно спояване все още се сблъскват с множество чести предизвикателства. Нерешените въпроси ще доведат до проблеми с качеството на сглобките на печатни платки.

Те се проявяват като влошаване на общото качество на продукта или функционални повреди.

1. Съединяване с оловно лепило

• Дефиниция: Съединяването с оловно лепило възниква, когато излишното оловно лепило създава нежелана електрическа връзка между две или повече съседни контактни площи или изводи.
• Поради какво се случва: Лош дизайн на шаблона, прекомерно нанасяне на паста за оловно лепило или неправилни настройки на фурната могат да доведат до този дефект.

2. Образуване на оловни топчета

• Дефиниция: Малки сфери от оловно лепило (оловни топчета) остават разпръснати по платката след прехода през фурната.
• Причини: Често причината е влага в пастата, бързо увеличаване на температурата или мръсни платки/шаблони.

3. Погребване

• Дефиниция: Компонентът стои на единия си край („като манихатънски небостъргачи“) поради неравномерно нагряване или разлика в размерите на контактните площи.
• Влияние: Причинява прекъснати вериги поради непълно формиране на оловния фуг.

4. Студени спойки

• Дефиниция: Спойката изглежда матова, зърнеста или пореста; често води до електрически или механични повреди.
• Причини: Ниска температура на фурната, недостатъчен припой паста или замърсен контакт по време на рефлоу процеса.

5. Празнини и непълни спойки

• Празнините в спойката намаляват способността за провеждане на ток и отвеждане на топлина, особено при контактите за захранване и заземяване.
• Дефектът често се причинява от отделяне на газове, неподходящ подбор на паста или неадекватни рефлоу профили.

6. Неправилно подравняване на компоненти

• По време на рефлоу процеса контактите могат да изместят компонентите, което води до функционални повреди и разходи за преработка поради нееднакво повърхностно напрежение или прекомерна вибрация.

Таблица за обобщение: Чести дефекти и причини

Основни причини за дефектите при запояване

Решаването на тези предизвикателства изисква задълбочено проучване на основните причини. Някои от ключовите фактори, които често водят до образуване на дефекти:

1. Избор и нанасяне на припоен паста

• Избор на припоен паста: Процесът включва оценка на сплавта, размера на частиците и химичния състав на флюса. Неправилни избори могат да доведат до непълни запоени връзки, прекомерни остатъци или крехки съединения.
• Нанасяне на паялна паста: Процесът на печат трябва да контролира количеството оловно разпределено. Автоматичната инспекция на паста за олово може значително да намали дефектите при печат.

2. Дизайн и поддръжка на шаблона

• Форма и размер на отвора: Влияе директно върху депозирането и съответно обема на пастата за олово. Лош дизайн води до излишък (съединяване) или недостатъчно олово (студени или непълни връзки).
• Обслужване и чистене: Мръсните шаблони намаляват еднородността на освобождаването на пастата, което води до несъответствия при печата и проблеми със залепването.

3. Настройки и калибриране на пещта за рефлоу

• Температурен профил: Задаването на правилния рефлоу профил за постигане на равномерно напояване и връзки без дефекти е от съществено значение.
• Калибриране на рефлоу процеса: Неконсистентни или произволно програмирани пещи причиняват неравномерно топлина по платката, което води до образуване на мехурчета, деформации или повреда на връзките.

4. Дизайн на PCB и контактни площи

• Размер и подредба на контактните площи: Твърде големи/малки или неравномерно разположени площи могат да предизвикат мостове и ефекта 'гробница'.
• Топлинно разтоварване и преходни отвори (vias): Добавянето на топлинни преходни отвори и балансирането на областите с медно покритие намалява риска от студени лепенки и топлинен шок.

5. Процесни параметри и околните условия

• Влажност и температура: Неконтролирани условия могат да доведат до омекване на пастата, оксидиране и частично смачкване на повърхността при лепенето.
• Процес в технологията за повърхностно монтиране: Съвременните SMT линии трябва да следят околни условия и при необходимост да ги коригират за постигане на последователни резултати.

Ефективни решения при рефлусно леене

Решенията при рефлусно леене отстраняват всяка основна причина и са настроени да отчитат целия диапазон от процесни променливи:

1. Контрол на обема и нанасянето на лепяща паста

• Използвайте автоматизирани системи за инспекция на лепящата паста след всеки цикъл на печат.
• Редовно проверявайте чистотата на шаблоните и подменяйте износените шаблони.
• Съгласувайте съотношението на отвора в шаблона с размера на контактната площадка за последователно и надеждно нанасяне на лепилото.

2. Оптимизиране на рефлусния профил

• Използвайте термални профилиращи устройства в реално време: Поставете термопреси по цялата платка, за да събирате полезни данни за всяка зона и тип компонент. Това осигурява равномерно разпределение на топлината, избягвайки местно прегряване или недостатъчно стопяване, които биха могли да доведат до дефекти като студени леци или слабо залепване.
• Постепенно увеличаване на температурата: Процесът на рефлоу трябва да включва контролирано повишаване, стабилно излагане, целеви пик и постепенно охлаждане. Бързи скокове или неправилни времена на задържане могат да доведат до дефекти поради непълно стопяване или неравномерно смачкване, особено при дисбаланс на топлинната маса поради неравномерно разпределение на компонентите.
• Настройте параметрите на фурната според всяка сглобка: Всяка конструкция на PCB може да изисква уникални настройки на фурната поради различия в разпределението на медта, плътността на компонентите и дебелината на платката. Прецизното настройване на процесните параметри и валидирането на всяка партида гарантират висококачествени спойки и минимизират често срещани дефекти като спойни мостове или празнини.

3. Предпазване от спойни мостове и прекомерно отлагане на спойка

Спойният мост е типичен дефект при процеса на спояване. Това явление директно причинява къси съединения във веригата. Такива къси съединения представляват значителни рискове за качеството при електронните сглобки.

Основни мерки за предпазване:

• Оптимизация на шаблона: Конструирайте отвори на шаблон за прецизно регулиране на количеството лепило за оловяво спояване. От процеса на търкаляне контролирайте нанасянето и депозитите на пастата, за да се борите с излишно количество олово.
• Подобряване на отделянето на паста за оловяво спояване: Изберете шаблони с нано-покрития или полирани отвори и използвайте правилното налягане на ракелата. Това гарантира напълно изчистване на пастата от шаблона, намалявайки нежеланите мостове от олово.
• Автоматизирана инспекция на паста за оловяво спояване: Въведете автоматизирани системи за наблюдение и отхвърляне на платки с прекомерно количество олово или лошо нанесени депозити, коригирайки проблема преди процеса на рефлоу.

4. Намаляване на вакуумни мехурчета, студени връзки и непълно спояване

Празнините в лота намаляват преноса на топлина. Образуването на дефекти от тип „студен лот“ идва основно от две типични причини: нееднородно разпределение на температурата по време на нагряване или недостатъчно количество лот за отлагане под процесните стандарти. Недостатъчното нагряване води до локално непълно стапяне на лота, докато недостатъчното количество паста води до ослабена якост на интерметаличната връзка. Тези аномалии в процеса директно компрометират механичната цялостност на лотовите съединения и значително намаляват тяхната дългосрочна експлоатационна надеждност при реални работни условия.

Ефективни решения:

• Избор на лот с ниско образуване на празнини: Новите пастообразни лотове са проектирани да намалят образуването на празнини под BGAs и QFNs, което е критично за конструкции с висок ток или управление на топлината.
• Настройка на температурния профил за равномерно нагряване: Коригирайте температурния профил, за да осигурите максимално равномерно стапяне по цялата платка, без прегряване на областите с малка маса. Правилното отлагане и профилиране помагат да се предотвратят непълни лотови връзки.
• Проектиране за сглобяване: Задайте подходящ размер на контактните площи и термални преходи, за да се осигури преминаването на топлината към всеки фасон, особено под големи компоненти с високо топлинно разсейване.

5. Решаване на проблемите с 'гробници', образуване на топчета и движение на компоненти

Феноменът 'гробници' и образуването на оловни топчета често се дължат на неравномерна температура или неправилно нанасяне на паста/поставяне на компоненти.

Основни стратегии:

• Осигурете симетрия на контактните площи и съвпадение с крайните възли на компонента за балансирано течение на лота.
• Балансирайте температурните профили по време на фазите на предварително загряване и изравняване.
• По време на сглобяването на двустранни печатни платки, производственият персонал трябва да прилага адхезивни решения за предварително фиксиране на тежки и прецизни компоненти. Тази процедура за предварително фиксиране гарантира, че всички видове компоненти запазват стабилно положение преди влизане в рефлуксната пещ.

6. Осигуряване на поддръжка на лотарската паста и шаблона

Надеждните резултати зависят от поддръжката и калибрирането:

• Протоколи за почистване на шаблони: Редовно почиствайте шаблоните, за да предотвратите втвърдяването на лепящата паста, което може да запуши отворите и да повлияе неблагоприятно на качеството на нанасянето.
• Калибриране на оборудване за рефлуксно запояване: Документирайте и редовно калибрирайте фурните за рефлуксно запояване и машините за монтаж. Това осигурява точен нагрев по цялата платка и коректно нанасяне на паста от цикъл в цикъл.

7. Използване на автоматизирана инспекция и данни

• Автоматизирана инспекция на солдерна паста (SPI): SPI проверява всеки нанесен слой на всяка платка по обем, височина и местоположение и засича потенциални дефекти преди последващите процеси.
• AOI и рентген: Използвайте автоматизирана инспекция, за да проверите пълнотата на солдерните връзки, типични проблеми като недостатъчно количество солдер и скрити дефекти.

Най-добри практики за постигане на надеждни солдерни връзки

Производствените предприятия трябва да установят стабилни производствени цели за висококачествени лекови връзки и надеждно монтаж на печатни платки. Производствените отдели трябва комплексно да включат следните основни оптимизационни решения в съществуващите процеси на монтаж. Системното прилагане на тези технически мерки може ефективно да подобри съгласуваността на продуктите и надеждността на процеса.

• Контрол по целия процес на леене:

Документиране и наблюдение на всяка стъпка от рефлуксния процес, от избора на лекова паста до профила на фурната и инспекцията.

• Непрекъснато обучение и подобрение:

Предприятията трябва да организират системни курсове за усъвършенстване на уменията за операторите. Производствените отдели трябва да провеждат специализирани технически обучения според стандарти на IPC. Заводите трябва да установят редовни механизми за преглед на процесите. Тези мерки ще повишат значително възможностите за откриване и предотвратяване на дефекти.

• Стабилност в средата:

Поддържайте контролирана влажност и температура в производствената зона, за да се предотвратят проблеми от влага в оловната паста или рязки промени в околната среда.

• Внедряване на оптимизация, базирана на данни:

Събирайте, анализирайте и реагирайте на тенденциите в данните от инспекцията, за да разкривате скрити проблеми — като микроскопични мостове, непълни оловни връзки или тенденции, специфични за дадена партида.

Стратегии за инспекция, диагностика и ремонт

Производствените предприятия първо трябва да създадат пълна и стандартизирана система за производствен процес. След това следва да разработят систематизирани стандарти за качеството на инспекцията, като едновременно формулират ефективни решения за обработка на преработката. Тези управленски мерки общо гарантират ефективното функциониране на производствената система. ：

• Автоматизирана инспекция на оловна паста и връзки: Интегрирайте SPI и AOI в процеса на сглобяване, като осигурите възможност за незабавни известия при проблеми като оловни мостове, недостатъчно количество оловна паста или нецентрирано поставяне.
• Анализ на коренната причина: Когато се открие дефект, проследете неговия източник: дали е причинен от прекалено много оловно разтвор, неправилно термично профилиране или отместване при поставяне?
• Методи за ремонт и преработка: При поправими дефекти, квалифицирани техници могат да използват въздушни инструменти с подгряване или локални станции за рефлоу — винаги регистрирайте извършената работа, за да проследявате произхода на дефектите и честотата на преработката.
• Обратна връзка: Отстраняването на тези предизвикателства не само подобрява незабавния добив, но и предотвратява бъдещи подобни проблеми.

Разширена оптимизация: От материали до калибриране на пещи

Напредък в избора на материали и паста

• Инженерство на оловна паста: Избирайте паста, която отговаря на изискванията на вашата сглобка относно проседналост, лепкавост и характеристики при рефлоу — особено за PCB сглобки с малки стъпки или висока плътност.
• Аспекти при безоловни сплави: Точно коригирайте профилите за рефлоу за новите безоловни сплави с по-висока температура на стопяване, за да избегнете дефекти вследствие на непълно стопяване.

Технология на пещите и предиктивно поддържане

• Умни Печки: Съвременните рефлуксни пещи включват сензори, които в реално време проследяват температурата и предупреждават за отклонения или възникващи аномалии в температурния профил, преди те да доведат до масови дефекти.
• Прогнозиращо поддръжка: Използвайте машинно обучение и данни от статистически контрол на процесите (SPC), за да планирате почистване на пещите, смяна на вентилатори и калибриране преди появата на дефекти, дори автоматизирайте известия при отклонения в добива или растящи проценти на погрешно приети продукти.

Интернет на нещата и интелигентно производство

• Интегрирайте рефлуксните линии в заводски системи за управление на производството (MES) за пълна проследимост, наблюдение на околната среда и автоматично докладване на дефекти.
• Свържете данни от машини за поставяне, печат, рефлукс и инспекция, за да получите цялостна картина на целия SMT линий.

Често задавани въпроси

В: Каква е основната разлика между рефлуксно лекуване и вълново лекуване?

A: Преплаващото леене стопява само оловна паста, където са монтирани компонентите – поддържа тесни разстояния между изводите, двустранно и високоплътни платки. Вълновото леене преминава през платката над вълна от разтопено олово и е най-подходящо за чрезотворно монтиране и по-малко ефективно за съвременни SMT работи с фини разстояния.

В: Защо все още възникват мостове и топчета от олово, дори и при автоматична инспекция?

A: Дори и при автоматизация, прекомерно количество олово, неравни размери на контактните площи, мръсни шаблони или неточна програма на печа може да причинят тези чести проблеми, ако не бъдат отстранени в корена на процеса.

В: Как мога да бъда сигурен, че моят профил за преплаване е правилен?

A: Оптимизирайте чрез използване на термални профилиращи устройства, валидирайте данните по цялата PCB и анализирайте множество платки. Направете корекции в профила за всяка нова конструкция, особено при смяна на оловната паста или основно разположение на компонентите.

В: Премахва ли напълно автоматичната инспекция на оловна паста всички дефекти, свързани с пастата?

A: Автоматизираната инспекция засича повечето проблеми с обема и формата на пастата, но трябва да се комбинира с добро поддържане на шаблоните, правилен избор на паста и контрол на околната среда за най-добри резултати.

В: Какво трябва да направя, ако постоянно виждам празнини или непълни спойки?

A: Проверете качеството на пастата, калибрирането на фурната и търсете замърсяване. Регулирайте времето на задържане и скоростта на нагряване и преминете към паста с по-малко образуване на празнини, ако е необходимо.

Заключение: Преодоляване на предизвикателствата и решения при рефлуксно леене

Преодоляването на предизвикателствата и намирането на решения при рефлуксно леене е непрекъснат процес. Като разберат често срещаните предизвикателства при рефлукса — като например съединяване на спойка, когато излишната споя не се контролира, неравномерно нагряване по платката или контактните площи по време на рефлукс с недостатъчно спойка — инженерите и производителите могат да прилагат ефективни решения, от избора на спояща паста до оптимизиране на рефлуксния профил.

Чрез внимателен контрол на дизайна на шаблона, калибриране на пещта, нанасяне на паста и непрекъснато инспектиране, вашият екип може постоянно да осигурява висококачествени спойки, да минимизира възникването на дефекти и да постига надеждни, продукти от световна класа за сглобяване на PCB. Напредналата аналитика и умното производство още повече засилват вашите инструменти за успех.