Pogreške pri lemljenju ponovnim zagrijavanjem: Izazovi i rješenja

Uvod u lemljenje s ponovnim topljenjem

Tehnologija lemljenja s ponovnim topljenjem predstavlja osnovni proces za modernu proizvodnju visokokvalitetnih sklopova ploča štampanih kola (PCB). Ova tehnika postiže električnu povezanost tačnim postavljanjem površinski montiranih uređaja (SMD) na određena mesta za kontakt na pločama kola. Kao dominantna metoda unutar sistema, lemljenje s ponovnim topljenjem pokazuje izražene karakteristike u primjenama koje uključuju minijaturizovane elektroničke komponente i dizajne kola sa velikom gustinom. U poređenju sa konvencionalnim procesima talasnog lemljenja, lemljenje s ponovnim topljenjem pokazuje izuzetnu prilagodljivost procesa. Njegova fleksibilnost omogućava različite konfiguracije komponenti, dok njegova skalabilnost sistema zadovoljava različite zahtjeve kapaciteta proizvodnje. tehnologija površinske montaže (SMT) sistema, lemljenje s ponovnim topljenjem pokazuje izražene karakteristike u primjenama koje uključuju minijaturizovane elektroničke komponente i dizajne kola sa velikom gustinom. U poređenju sa konvencionalnim procesima talasno lemljenja, lemljenje s ponovnim topljenjem pokazuje izuzetnu prilagodljivost procesa. Njegova fleksibilnost omogućava različite konfiguracije komponenti, dok njegova skalabilnost sistema zadovoljava različite zahtjeve kapaciteta proizvodnje.

Proces lemljenja preko taloženja sastoji se od tri kritična koraka koji se izvode uzastopno. Prvo, operateri moraju tačno nanijeti lemilni premaz na određena područja za lemljenje na ploči. Specijalizovana oprema za postavljanje zatim precizno pozicionira elektroničke komponente na područja premazana lemilnim materijalom, u skladu sa programiranim parametrima. Ploča sa montiranim komponentama potom ulazi u pećnicu za taloženje sa kontrolisanim temperaturnim profilima kako bi se dovršio proces lemljenja, tokom kojeg lemilni materijal prolazi kroz fizičke promjene topljenja i kristalizacije unutar pećnice, stvarajući na kraju pouzdane lemezne spojeve koji imaju i mehaničku čvrstoću i električnu provodljivost. Ovaj sveobuhvatni postupak lemljenja čini osnovni sistem procesa savremene proizvodnje elektronskih sklopova. Njegove tehničke primjene potpuno su se proširile na sektore potrošačke elektronike i industrijske kontrole, sa specifičnim kategorijama proizvoda koje obuhvataju prijenosne uređaje poput pametnih telefona i industrijsku opremu kao što su automobilske kontrolne sisteme.

Nastavak trenda minijaturizacije elektroničkih uređaja i povećane gustine integracije štampanih ploča postavlja nove tehničke izazove za procese lemljenja taloženjem. Savremena proizvodnja mora sistematski riješiti više tipičnih grešaka pri lemljenju, uključujući mostićenje lema, stvaranje loptica lema, hladna spojna zavarivanja, praznine i oštećenja usljed termičkog naprezanja. Za ove kategorije grešaka potrebno je implementirati specijalizirane mjere poboljšanja procesa. Proizvođači moraju sistematski provoditi detaljna istraživanja mehanizama formiranja grešaka i uspostaviti precizne sisteme kontrole procesa na osnovu rezultata istraživanja. Primjena ovog tehničkog upravljačkog pristupa osigurava dvostruku sigurnost za proizvode elektronskih sklopova: s jedne strane, osigurava dovoljno visok stepen ispravnosti proizvodnje tokom procesa proizvodnje, a s druge strane, jamči dosljedno i stabilno funkcionisanje tijekom čitavog vijeka trajanja proizvoda.

Proces lemljenja s ponovnim topljenjem u tehnologiji površinske montaže (SMT)

Proces lemljenja s ponovnim topljenjem može se sažeti u nekoliko ključnih faza. Zona predgrijavanja ostvaruje preciznu kontrolu temperature kako bi se aktivirao flus. Zona lemljenja omogućava metalurško povezivanje lema radi formiranja pouzdanih lemnih spojeva. Svaka faza procesa ima odlučujući uticaj na kvalitet lemnih spojeva. Svi ovi elementi zajedno čine osnovnu garanciju za ukupnu pouzdanost elektroničkih komponenti.

1. Nanosenje lemnog premaza

• Proces štampenja kroz šablon: Korištenjem šablona, lemovni premaz se nanosi na odabrane kontaktne površine na pločici. Proces štampe mora kontrolisati količinu nanijetog lemnog premaza kako bi se izbjegli defekti, uključujući prekomjerno lemljenje (što može dovesti do mostova) ili nedovoljnu količinu lemnog premaza (što uzrokuje nepotpune lemove spojeve).
• Dosljednost nanosenja premaza: Napredni sistemi koriste automatske sisteme za provjeru lemnog premaza kako bi nadzirali zapreminu, oblik i tačnost nanosenja, odmah upozoravajući na bilo kakva odstupanja.

2. Postavljanje komponenti

• Mašine za postavljanje: One automatski postavljaju komponente brzo i precizno na svježe nanijete kontaktne površine, osiguravajući brzinu i tačnost tokom cijele ploče.
• Kontrola postavljanja: Dobro podešene mašine sprječavaju zakretanje komponenti i smanjuju rizik od nepravilnog poravnanja.

3. Refluksnog zagrijavanja

• Refluksnih peć: Sklop prolazi kroz višezonsku refluksnu peć u kojoj kontrolisano i ravnomjerno zagrijavanje topi lemurinu paste. Pravilno zagrijavanje po ploči osigurava da se sve veze stvrdnu i formiraju čvrste električne i mehaničke konekcije.
• Profil temperature: Reflow pećima se programira određeno zagrijavanje, vrijeme zadržavanja, maksimalna temperatura i brzina hlađenja, sve prilagođeno specifičnom procesu montaže i materijalima.

4. Hlađenje

• Ravnomjerno rasipanje topline: Kontrolisano hlađenje sprječava termički šok i osigurava čvrste, spojeve bez šupljina. Neravnomjerno hlađenje može izazvati napetost, izobličenje ili pukotine.

5. Kontrola nakon montaže

• Automatska i ručna inspekcija: AOI , Rendgenskog snimanja , a ručne provjere potvrđuju da je lemljenje protjecalo i ravnomjerno navlažilo spojeve, te da ne postoje greške u lemljenju (poput mostova ili loptica lema).

Uobičajeni problemi i greške kod reflow lemljenja

Tehnologija zavarivanja nastavlja napredovati. Procesi reflow lemljenja i dalje suočavaju sa više uobičajenih izazova. Neizrješeni problemi mogu dovesti do kvalitetnih problema na sklopovima ploča.

Ovi se pojavljuju kao opće pogoršanje kvaliteta proizvoda ili funkcionalni kvarovi.

1. Mostić od lema

• Definicija: Mostić od lema nastaje kada višak lema stvori neželjeno električno spoj između dva ili više susjednih pločica ili izvoda.
• Zbog čega se dešava: Loš dizajn šablona, prekomjerno nanosenje paste za lemljenje ili netočne postavke pećnice mogu dovesti do ovog defekta.

2. Stvaranje kuglica od lema

• Definicija: Male kuglice od lema ostaju rasute po ploči nakon taljenja.
• Uzroci: Često uzrok je prisustvo vlage u pasti, brzi porast temperature ili prljave ploče/šabloni.

3. Tombstoning

• Definicija: Komponenta stoji na jednom kraju („kao manhattanski neboderi“) zbog neujednačenog zagrijavanja ili razlike u veličini padova.
• Utjecaj: Uzrokuje otvorene struje uslijed nepotpune formacije lemljenog spoja.

4. Hladni lemljeni spojevi

• Definicija: Spoj izgleda mutno, zrnatо ili porozno; često puca električno ili mehanički.
• Razlozi: Niska temperatura pećnice, nedovoljna količina pastе za lemljenje ili kontaminirani pad tijekom ponovnog zagrijavanja.

5. Šupljine i nepotpuni spojevi

• Šupljine unutar lemljenog spoja oslabljuju sposobnost vođenja struje i rasipanja topline, pogotovo na padovima za napajanje i uzemljenje.
• Greška je često uzrokovana oticanjem plinova, lošim izborom paste ili nedovoljnim profilima ponovnog zagrijavanja.

6. Neusklađenost komponenti

• Pomičanje komponenti tijekom reflow procesa može dovesti do funkcionalnih kvarova i troškova popravka uslijed neravnomjernog površinskog napetosti ili prekomjernih vibracija tijekom procesa reflow lemljenja.

Sažeta tabela: Uobičajeni kvarovi i uzroci

Osnovni uzroci grešaka pri lemljenju

Rješavanje ovih izazova zahtijeva analizu osnovnih uzroka. Neki od glavnih faktora koji često dovode do stvaranja grešaka:

1. Odabir i nanošenje lemilnog krema

• Odabir lemilnog krema: Proces uključuje procjenu legure, veličine čestica i hemije toka. Pogrešan odabir može dovesti do nepotpunih lemljenih spojeva, prekomjerne ostale mase ili krhkih veza.
• Nanosenje lemilnog paste: Proces tiskanja mora kontrolisati količinu nanijetog lemilnog krema. Automatizovana inspekcija lemilnog krema može drastično smanjiti greške pri tiskanju.

2. Dizajn i održavanje šablona

• Oblik i veličina otvora: Izravno utiče na deponovanje, a time i na zapreminu lemilnog krema. Loš dizajn dovodi do viška (mostova) ili nedostatka lemilnog materijala (hladni ili nepotpuni spojevi).
• Održavanje i čišćenje: Prljavi šabloni smanjuju jednolikost otpuštanja krema, što uzrokuje pogrešna poravnanja tiska i probleme sa prianjanjem.

3. Postavke i kalibracija reflow pećnica

• Profil temperature: Postavljanje pravilnog profila lemljenja kako bi se postiglo ravnomjerno namakanje i spojevi bez grešaka je od vitalnog značaja.
• Kalibracija lemljenja: Nekonzistentni ili nepravilno programirani pećnici uzrokuju neravnomjernu toplinu po ploči, što rezultira šupljinama, izobličenjem ili otkazivanjem spojeva.

4. Konstrukcija ploče i kontaktne površine

• Veličina i raspored kontaktne površine: Kontaktne površine koje su prevelike/premali ili nejednako razmaknute mogu potaknuti mostove i efekt grobnog kamena (tombstoning).
• Termalno olakšanje i prolazi (vias): Dodavanje termalnih prolaza i uravnoteženje područja bakarnog presvlaka smanjuje rizik od hladnih lemnih spojeva i termičkog udara.

5. Parametri procesa i okolni uslovi

• Vlažnost i temperatura: Nekontrolisani uslovi mogu dovesti do spljoštenja paste, oksidacije i djelomičnog navlaživanja lemljenja.
• Proces u tehnologiji površinske montaže: Savremene SMT linije moraju pratiti okolne uslove i prilagoditi ih kako bi se postigli konzistentni rezultati.

Učinkovita rješenja u lemljenju ponovnim zagrijavanjem

Rješenja u lemljenju ponovnim zagrijavanjem ciljaju svaki osnovni uzrok i podešavaju se za pokrivanje čitog spektra procesnih varijabli:

1. Kontrola količine i nanošenja lemilne paste

• Koristite automatske sisteme za provjeru lemilne paste nakon svakog ciklusa tiska.
• Redovno provjeravajte čistoću šablona i zamijenite istrošene šablone.
• Uskladite odnos otvora šablona i veličine kontaktne površine radi konzistentnog i pouzdanog nanošenja lemilne paste.

2. Optimizacija profila ponovnog topljenja

• Koristite termičke profilere u stvarnom vremenu: Postavite termoparove preko ploče kako biste prikupili upotrebljive podatke za svaku oblast i tip komponente. To osigurava ravnomjernu distribuciju topline, izbjegavajući lokalno pregrijavanje ili nedovoljno ponovno topljenje, što bi inače moglo dovesti do grešaka poput hladnih lemljenih spojeva ili slabog prianjanja.
• Postepeno povećanje temperature: Proces ponovnog topljenja treba uključivati kontrolisano povećanje, stabilno prožimanje, ciljani maksimum i postepeno hlađenje. Brzi skokovi ili neadekvatna vrijeme zadržavanja mogu prouzrokovati greške usljed nepotpunog topljenja ili neravnomjernog namakanja — pogotovo kod neravnoteže toplotne mase zbog neujednačene raspodjele komponenti.
• Prilagodite postavke pećnice svakoj ploči: Svaki dizajn ploče može zahtijevati jedinstvene postavke pećnice zbog različite raspodjele bakra, gustine komponenti i debljine ploče. Precizno podešavanje procesnih parametara i validacija svake serije održava visokokvalitetne lemljene spojeve i smanjuje uobičajene greške kao što su mostovi ili šupljine na lemljenju.

3. Sprječavanje mostova između lemljenih spojeva i prekomjernog taloženja lema

Stvaranje mosta između lemljenih spojeva je uobičajena greška u procesu lemljenja. Ovaj fenomen direktno uzrokuje kratke spojeve u kolu. Takvi kratki spojevi predstavljaju značajne rizike od kvaliteta u elektronskoj montaži.

Ključne mjere sprječavanja:

• Optimizacija šablona: Projektirajte otvore na šablonu tako da tačno regulišu količinu paste za lemljenje. Iz procesa tiska, upravljajte nanošenjem paste i taloženjem kako biste spriječili prekomjerno lemljenje.
• Unapređenje otpuštanja paste za lemljenje: Odaberite šablone s nano-prevlacima ili poliranim otvorima i koristite odgovarajući pritisak brisača. To osigurava potpuno uklanjanje paste sa šablona, smanjujući nepoželjne lemne mostove.
• Automatska inspekcija paste za lemljenje: Uvedite automatizovane sisteme za nadzor i odbacivanje sklopova ploča s prekomjernim lemom ili lošim taloženjem, ispravljajući problem prije procesa reflow lemljenja.

4. Smanjenje šupljina, hladnih spojeva i nepotpunog lemljenja

Praznine unutar lemnog spoja smanjuju prenos toplote. Stvaranje hladnih lemnih spojeva uglavnom proizilazi iz dva tipična uzroka: neravnomjerna raspodjela temperature tokom zagrijavanja ili nedovoljno taljenje olova ispod standarda procesa. Nedovoljno zagrijavanje rezultira djelomičnim nepotpunim taljenjem lemnog materijala, dok premalo količine paste dovodi do oslabljenja čvrstoće međumetalurškog spoja. Ovi poremećaji u procesu direktno ugrožavaju mehaničku čvrstoću lemnih spojeva i znatno smanjuju njihovu dugoročnu pouzdanost u radnim uslovima.

Učinkovita rješenja:

• Odabir lemnih pasta sa niskim stvaranjem praznina: Nove paste su konstruisane tako da smanje stvaranje praznina ispod BGAs i QFNs, što je ključno za dizajne sa visokom strujom ili upravljanje toplotom.
• Profiliranje za ravnomjerno zagrijavanje: Prilagodite temperaturni profil kako biste maksimalno ravnomjerno stopili lemovu masu po ploči bez pregrijavanja područja sa malom masom. Ispravna depozicija i profil pomažu u sprečavanju nepotpunih lemnih spojeva.
• Dizajn za montažu: Navedite odgovarajuću veličinu povezne površine i termalne vije za provođenje toplote do svakog spoja, posebno ispod velikih dijelova koji rasipaju toplotu.

5. Rješavanje problema s kamenom grobnice, stvaranjem kuglica i pomicanjem komponenti

Pojava kamena grobnice i stvaranje olovnih kuglica često se povezuje s neravnomjernom toplinom ili neispravnim nanosenjem paste/postavljanjem.

Ključne strategije:

• Osigurajte simetriju poveznih površina i uskladite ih s krajevima komponente radi uravnoteženog toka lema.
• Uravnotežite temperature profile tijekom faza predgrijavanja i izlaganja toploti.
• Tijekom montaže dvostrano štampanih ploča, proizvodni osoblje treba primijeniti ljepila za prethodno fiksiranje teških i preciznih komponenti. Ova procedura prethodnog fiksiranja osigurava da sve vrste komponenti zadrže stabilan položaj prije ulaska u pećnicu za taloženje.

6. Osiguravanje održavanja lemilne paste i kalibracije šablona

Pouzdani rezultati ovise o redovitom održavanju i kalibraciji:

• Protokoli čišćenja šablona: Redovno čistite šablone kako biste spriječili zasuhnuo lemilni premaz da blokira otvore i utiče na kvalitet nanosenja premaza.
• Kalibracija opreme za reflow: Evidentirajte i redovno kalibrišite reflow pećnice i mašine za postavljanje. Ovo očuvava tačno zagrijavanje po ploči i ispravno nanosenje premaza ciklus za ciklusus.

7. Iskorištavanje automatske inspekcije i podataka

• Automatska inspekcija lemilnog premaza (SPI): Ugradbeni SPI provjerava svako nanošenje na svakoj ploči po zapremini, visini i lokaciji, hvatajući potencijalne greške prije narednih procesa.
• AOI i rendgen: Koristite automatsku inspekciju za potvrdu potpunosti lemilnih spojeva, provjeru uobičajenih problema poput nedovoljno lema i otkrivanje skrivenih nedostataka.

Preporučene prakse za postizanje pouzdanih lemilnih spojeva

Proizvodna preduzeća bi trebala da uspostave stabilne proizvodne ciljeve za visokokvalitetne lemljene spojeve i pouzdane sklopove štampanih ploča (PCB). Odjeli za proizvodnju moraju potpuno integrisati sljedeća jezgra rješenja za optimizaciju u postojeće procese montaže. Sistematizovana primjena ovih tehničkih mjera može učinkovito poboljšati konzistentnost proizvoda i pouzdanost procesa.

• Kontrola lemjenja od početka do kraja:

Dokumentujte i nadgledajte svaki korak reflow lemjenja, od izbora lemnog tapeta do profila pećnice i inspekcije.

• Neprekidno obučavanje i unapređenje:

Preduzeća bi trebala organizovati sistematske kurseve stručnog obučavanja za operatere. Proizvodni odjeli moraju provoditi specijalizirano tehničko obučavanje na osnovu IPC standarda. Fabrike bi trebale uspostaviti redovne mehanizme revizije procesa. Ove mjere značajno će povećati sposobnost detekcije i sprečavanja grešaka.

• Stabilnost okoline:

Održavajte kontrolisanu vlažnost i temperaturu u proizvodnom prostoru kako biste spriječili probleme uzrokovane vlagom u lemilu ili ekstremnim promjenama okoline.

• Implementirajte optimizaciju zasnovanu na podacima:

Prikupljajte, pregledavajte i reagujte na trendove u podacima inspekcije kako biste otkrili skrivene probleme — poput mikromostova, nepotpunih lemljenih spojeva ili trendova specifičnih za seriju.

Inspekcija, otklanjanje kvarova i strategije popravke

Proizvodna preduzeća prvo moraju uspostaviti potpuni i standardizovani sistem proizvodnog procesa. Zatim bi trebala razviti sistematske standarde kvaliteta inspekcije, istovremeno formulišući učinkovita rješenja za preradu. Ove upravljačke mjere zajedno osiguravaju učinkovito funkcionisanje proizvodnog sistema. ：

• Automatizovana inspekcija lemilne paste i spojeva: Integrišite SPI i AOI u svoj montažni proces, omogućivši alarma u realnom vremenu za probleme poput mostova u lemljenju, nedovoljne količine lemilne paste ili pomjerene postavke.
• Analiza korenskog uzroka: Kada se otkrije greška, potražite njen izvor: da li je to bio prekomjeran lemljeni materijal, neispravno termičko profilisanje ili pomicanje pri postavljanju?
• Tehnike popravke i prerade: Za otklanjive defekte, vješti tehničari za popravke mogu koristiti alate s zagrijanim vazduhom ili lokalne stanice za ponovno topljenje — uvijek evidentirajući svaki zahvat kako bi pratili izvore grešaka i stope prerade.
• Povratna sprega: Rješavanje ovih izazova ne samo da poboljšava trenutnu isplativost, već također sprječava buduće slične probleme.

Napredna optimizacija: od materijala do kalibracije pećnica

Napredak u izboru materijala i paste

• Inženjering lemilne paste: Odaberite paste koje odgovaraju zahtjevima vaše montaže u pogledu oticanja, ljepljivosti i karakteristika ponovnog topljenja — posebno za fine žice ili visokogustotne PCB sklopove.
• Aspekti bezolovnih rješenja: Pažljivo podešavajte profile reflow lemljenja za nove legure bez olova sa višom tačkom topljenja kako biste izbjegli defekata koje nastaju zbog nedovoljnog topljenja.

Tehnologija pećnica i prediktivno održavanje

• Pametne pećnice: Savremene reflow pećnice uključuju senzore koji u stvarnom vremenu mapiraju temperaturu, upozoravajući na odstupanja ili razvoj anomalija u termičkom profilu prije nego što uzrokuju masovne greške.
• Prediktivno održavanje: Koristite mašinsko učenje i SPC podatke za planiranje čišćenja pećnica, zamjenu ventilatora i kalibraciju prije nego što se pojave greške — čak i automatski slanje upozorenja kod odstupanja prinosa ili rastućih stopa lažnih prihvatanja.

IoT i pametna proizvodnja

• Integrišite linije za reflow lemljenje u sisteme MES širom fabrike radi potpune praćivosti, nadzora životne sredine i automatskog izvještavanja o greškama.
• Povežite podatke iz postupaka postavljanja, štampanja, reflow lemljenja i inspekcije kako biste dobili sveobuhvatnu sliku cijele SMT linije.

Često postavljana pitanja

P: U čemu je glavna razlika između lemljenja ponovnim zagrijavanjem i lemljenja talasom?

O: Lemljenje ponovnim zagrijavanjem topli lemilski paste samo tamo gdje su komponente postavljene — podržava fine-pitch, dvostrane i visokogustotske ploče. Lemljenje talasom provodi ploču preko talasa rastopljenog lema, najbolje za sklopove kroz rupe i manje učinkovito za moderne fine-pitch SMT poslove.

P: Zašto još uvijek dolazi do mostova i kuglica lema iako postoji automatska inspekcija?

O: Čak i uz automatizaciju, prekomjerna količina lema, neujednačene veličine površina, prljave šablone ili neprecizno programiranje pećnica mogu uzrokovati ove uobičajene probleme ako se ne otklone na korijenskom nivou procesa.

P: Kako mogu biti siguran da je moj profil lemljenja ponovnim zagrijavanjem ispravan?

O: Optimizirajte korištenjem termalnih profiler-a, validirajte po cijeloj ploči i testirajte više uzoraka ploča. Prilagodite svoj profil za svaki novi dizajn, pogotovo kada mijenjate lemilsku pastu ili raspored ključnih komponenti.

P: Da li automatska inspekcija lemilskih pasta eliminira sve greške vezane za lemljenje?

A: Automatizirana inspekcija otkriva većinu problema sa količinom i oblikom paste, ali mora biti kombinovana sa dobrim održavanjem šablona, ispravnim izborom paste i kontrolom okoline radi najboljih rezultata.

P: Šta trebam uraditi ako redovno primjećujem praznine ili nepotpune zavarivanje spojeva?

A: Provedite reviziju kvaliteta paste, kalibraciju pećnice i provjerite kontaminaciju. Podesite vrijeme zadržavanja i brzinu zagrijavanja te pređite na paste sa manje praznina ukoliko je potrebno.

Zaključak: Ovladavanje izazovima i rješenjima u reflow lemljenju

Savladavanje izazova i rješenja u reflow lemljenju je stalni proces. Razumijevanjem uobičajenih problema u reflow procesu—poput mostova lema koji nastaju kada višak lema nije pod kontrolom, neravnomjernog zagrijavanja po ploči PCB ili kontaktne površine tijekom reflow-a zbog nedovoljne količine lema—inženjeri i proizvođači mogu primijeniti učinkovita rješenja, od izbora lemilne paste do optimizacije reflow profila.

Kroz pažljivu kontrolu dizajna šablona, kalibraciju pećnica, nanošenje paste i kontinuiranu inspekciju, vaš tim može dosljedno isporučivati lemljene spojeve visokog kvaliteta, smanjiti pojavu grešaka i postići pouzdane sklopove PCB-a svjetske klase. Napredna analitika i pametna proizvodnja dodatno jačaju vaša oruđa za uspjeh.