Pogreške tijekom lemljenja ponovnim zagrijavanjem: izazovi i rješenja

Uvod u lemljenje ponovnim zagrijavanjem

Tehnologija lemljenja ponovnim zagrijavanjem osnovni je proces za proizvodnju modernih visokokvalitetnih sklopova tiskanih ploča. Ova tehnika postiže električnu povezanost točnim postavljanjem površinski montiranih komponenti (SMD) na odgovarajuća mjesta na ploči. Kao vodeća metoda unutar tehnologija površinske montaže (SMT) sustava, lemljenje ponovnim zagrijavanjem pokazuje izražite karakteristike u primjenama koje uključuju minijaturizirane elektroničke komponente i visokokoncentrirane dizajne ploča. U usporedbi s konvencionalnim postupcima talasastog lemljenja, lemljenje ponovnim zagrijavanjem pokazuje iznimnu prilagodljivost procesa. Njegova fleksibilnost omogućuje korištenje različitih konfiguracija komponenti, dok njegova skalabilnost sustava zadovoljava različite zahtjeve u pogledu kapaciteta proizvodnje.

Postupak lemljenja u talilnom peću sastoji se od tri uzastopno izvedene kritične operacije. Prvo, operateri moraju točno nanesiti lemilni premaz na određena područja za kontakt na pločici. Posebna oprema za postavljanje zatim precizno pozicionira elektroničke komponente na područja premazana lemilnim premazom prema programiranim parametrima. Pločica s montiranim komponentama potom ulazi u pećnicu za taljenje s kontroliranim temperaturnim profilima kako bi se dovršio proces lemljenja, tijekom kojeg lemilni premaz prolazi fizičke promjene taljenja i kristalizacije unutar pećnice, konačno stvarajući pouzdane lemezne spojeve koji imaju i mehaničku čvrstoću i električnu vodljivost. Ovaj sveobuhvatan postupak lemljenja čini osnovni procesni sustav modernih proizvodnih linija za elektroničku montažu. Njegove tehničke primjene potpuno su proširene kako na području potrošačke elektronike tako i na području industrijske kontrole, sa specifičnim kategorijama proizvoda koje obuhvaćaju prijenosne uređaje poput pametnih telefona i industrijsku opremu kao što su automobilske upravljačke sustave.

Nastavak trenda minijaturizacije elektroničkih uređaja i povećana gustoća integracije tiskanih ploča postavljaju nove tehničke izazove procesima lemljenja taljenjem. Savremena proizvodnja mora sustavno rješavati više tipičnih grešaka pri lemljenju, uključujući mostove lema, stvaranje kuglica lema, hladne lemezne spojeve, praznine i oštećenja uzrokovana termičkim naprezanjem. Za ove kategorije grešaka potrebno je implementirati specijalizirane mjere poboljšanja procesa. Proizvođači moraju sustavno provoditi dubinska istraživanja mehanizama nastanka grešaka te na temelju rezultata istraživanja uspostaviti precizne sustave kontrole procesa. Primjena ovog tehničkog upravljačkog pristupa osigurava dvostruku sigurnost za proizvode elektroničkih sklopova: s jedne strane osigurava dovoljno visok stupanj ispravnosti proizvodnje tijekom proizvodnog procesa, a s druge strane jamči dosljedno i stabilno funkcioniranje tijekom cijelog 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 aktivirala tok. Zona lemljenja omogućuje metalurško povezivanje lema radi stvaranja pouzdanih lemnih spojeva. Svaka faza procesa odlučujuće utječe na kvalitetu lemnih spojeva. Svi ovi elementi zajedno čine osnovnu jamstvo za ukupnu pouzdanost elektroničkih komponenti.

1. Nanosenje leme masе

• Proces tiskanja kroz šablon: Korištenjem šablona, lema masa se nanosi na odabrane kontaktne površine pločice. Postupak tiskanja mora kontrolirati količinu nanesene leme mase kako bi se izbjegli nedostaci, poput prekomjerne količine leme (što može dovesti do mostova) ili premale količine leme mase (što uzrokuje nepotpune lemove spojeve).
• Dosljednost nanosenja mase: Napredni proizvodni sustavi koriste automatizirane inspekcijske sustave za kontrolu volumena, oblika i točnosti nanosenja leme mase te odmah označavaju svako odstupanje.

2. Postavljanje komponenti

• Strojevi za postavljanje komponenti: Oni automatski brzo i precizno postavljaju komponente na svježe nanošene kontaktne površine, osiguravajući brzinu i točnost na ploči.
• Kontrola postavljanja: Dobro podešeni strojevi sprječavaju zakretanje komponenti i smanjuju rizik od nepravilnog poravnanja.

3. Reflow zagrijavanje

• Reflow peć: Sklop prolazi kroz višezonsku reflow peć u kojoj kontrolirano i jednoliko zagrijavanje taloži lemiljku. Ispravno zagrijavanje po ploči osigurava da se sve veze zadrže i stvore čvrste električne i mehaničke spojeve.
• Profil temperature: Peći za lemljenje su programirane s određenim porastom temperature, vremenom zadržavanja, maksimalnom temperaturom i brzinom hlađenja, sve prilagođeno specifičnom procesu montaže i materijalima.

4. Hlađenje

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

5. Kontrola nakon montaže

• Automatska i ručna kontrola: AOI , Rentgen , a ručne provjere potvrđuju da je lema pravilno protjecala i navlažila spojeve te da ne postoje greške u lemljenju (poput mostova leme ili kuglica leme).

Uobičajeni problemi i greške kod lemljenja u peći

Tehnologija zavarivanja se stalno razvija. Procesi lemljenja u peći i dalje suočavaju sa više uobičajenih problema. Neizrješeni problemi dovode do kvalitetnih nedostataka na sklopovima pločica.

To se očituje kao opće pogoršanje kvalitete proizvoda ili funkcijski kvarovi.

1. Mostić od lema

• Definicija: Mostić od lema nastaje kada višak lema stvori neželjenu električnu vezu između dva ili više susjednih spojnica ili izvoda.
• Zbog čega se događa: 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 lema ostaju rasute po tiskanoj ploči nakon taljenja.
• Uzroke: Često uzrokovano vlagom u pasti, brzim porastom temperature ili prljavim pločama/šablonima.

3. Tombstoning

• Definicija: Komponenta stoji na jednom kraju („poput manhattanskih nebodera“) zbog neravnomjernog zagrijavanja ili razlike u veličini spojnica.
• Uticaj: Uzrokuje otvorene strujne krugove zbog nepotpune formacije lemnog spoja.

4. Hladni lemezni spojevi

• Definicija: Spoj izgleda mutno, zrnatо ili porozno; često uzrokuje električne ili mehaničke kvarove.
• Razlozi: Niska temperatura pećnice, nedovoljna količina lemežne paste ili kontaminirana površina tijekom procesa lemljenja.

5. Šupljine i nepotpuni spojevi

• Šupljine unutar lemezni spoj smanjuju sposobnost vođenja struje i odvođenja topline, posebno na priključnim površinama za napajanje i uzemljenje.
• Greška je često uzrokovana otapanjem plinova, lošim izborom paste ili neadekvatnim profilima lemljenja.

6. Nepravilno poravnanje komponenti

• Tijekom procesa lemljenja dolazi do pomaka komponenti zbog neuravnoteženog površinskog napetosti ili prekomjerne vibracije, što uzrokuje funkcionalne kvarove i troškove popravka.

Sažeta tablica: Uobičajeni kvarovi i njihovi uzroci

Glavni uzroci grešaka pri lemljenju

Rješavanje ovih izazova zahtijeva istraživanje temeljnih uzroka. Neke od glavne varijable koje često dovode do nastanka grešaka:

1. Odabir i nanošenje paste za lemljenje

• Odabir paste za lemljenje: Postupak uključuje procjenu legure, veličine čestica i kemijskog sastava toka. Pogrešan odabir može dovesti do nepotpunih lemnih spojeva, prekomjerne ostale mase ili krhkih veza.
• Nanosenje lemilnog premaza: Tiskarski proces mora kontrolirati količinu isporučenog lema. Automatizirana inspekcija lemnog testa može drastično smanjiti greške tiskanja.

2. Dizajn i održavanje šablona

• Oblik i veličina otvora: Izravno utječe na deponiranje, a time i na volumen lemnog testa. Loš dizajn dovodi do viška (mostova) ili nedovoljno lema (hladni ili nepotpuni spojevi).
• Održavanje i čišćenje: Prljavi šabloni smanjuju jednolikost otpuštanja testa, što uzrokuje pogrešna poravnanja tiska i probleme sa prianjanjem.

3. Postavke i kalibracija pećnica za ponovno topljenje

• Profil temperature: Postavljanje odgovarajućeg profila ponovnog topljenja kako bi se postiglo jednoliko namakanje i spojevi bez grešaka, od vitalne je važnosti.
• Kalibracija pećnice za ponovno topljenje: Nekonzistentne ili nepravilno programirane pećnice uzrokuju nejednaku toplinu po pločici, što rezultira šupljinama, izobličenjima ili otkazivanjem spojeva.

4. Projekt pločice i izvedba spojnica

• Veličina spojnica i raspored: Spojnice koje su prevelike/premali ili neujednačeno razmaknute mogu potaknuti mostićenje i pojave tombstoninga.
• Termalno olakšanje i prolazi (vias): Dodavanje termalnih prolaza i uravnoteženje područja bakrenih presjeka smanjuje rizik od hladnih lemljenih spojeva i termičkog udara.

5. Procesni parametri i uvjeti okoline

• Vlažnost i temperatura: Nekontrolirani uvjeti mogu dovesti do proklizavanja paste, oksidacije te djelomičnog navlaživanja lemilnog filma.
• Proces u tehnologiji površinske montaže: Suvremene SMT linije moraju pratiti okolišne uvjete i prilagoditi ih kako bi se postigli dosljedni rezultati.

Učinkovita rješenja u lemljenju refukom

Rješenja u lemljenju refukom ciljaju svaki osnovni uzrok i prilagođena su za obuhvaćanje cijelog raspona procesnih varijabli:

1. Kontrola količine i nanošenja paste za lemljenje

• Koristite automatizirane sustave za inspekciju paste za lemljenje nakon svakog ciklusa tiska.
• Redovito provjeravajte čistoću šablona i zamijenite istrošene šablone.
• Uskladite omjer otvora šablona s veličinom padova za dosljedno i pouzdano nanošenje paste za lemljenje.

2. Optimizacija profila reflowa

• Koristite termalne profilere u stvarnom vremenu: Postavite termoparove preko ploče kako biste prikupili uporabljive podatke za svaku površinu i vrstu komponente. To osigurava jednoliku distribuciju topline, izbjegavajući lokalno pregrijavanje ili nedovoljno lemljenje, što inače može dovesti do grešaka poput hladnih spojeva ili slabog prianjanja.
• Postupno povećanje temperature: Proces reflow-a treba uključivati kontrolirani porast temperature, stabilno izlaganje, ciljani maksimum i postupno hlađenje. Nagli skokovi ili nepravilna vremena zadržavanja mogu uzrokovati greške nastale uslijed nepotpunog taljenja ili neravnomjernog namakanja — posebno kod neraspodjele toplinske mase zbog neravnomjerne raspodjele komponenti.
• Prilagodite postavke pećnice svakoj ploči: Svaki dizajn PCB-a može zahtijevati jedinstvene postavke pećnice zbog različite raspodjele bakra, gustoće komponenata i debljine ploče. Precizno podešavanje parametara procesa i provjera svake serije osigurava visokokvalitetne lemezne spojeve i smanjuje uobičajene greške kao što su mostovi ili šupljine.

3. Sprječavanje lemeznih mostova i prekomjernog nanosenja lemeza

Lemezni most je uobičajena greška u lemeznom procesu. Ovaj fenomen izravno uzrokuje kratke spojeve. Takvi kratki spojevi predstavljaju značajne rizike kvalitete u elektroničkoj montaži.

Ključne mjere sprječavanja:

• Optimizacija šablona: Dizajnirajte otvore šablona za precizno reguliranje količine leme za lemljenje. Iz procesa tiskanja, upravljajte nanosenjem leme i njezinim talozima kako biste spriječili prekomjerno lemljenje.
• Poboljšanje otpuštanja leme za lemljenje: Odaberite šablone s nano-pokrivačima ili poliranim otvorima te koristite odgovarajući tlak brisača. To osigurava potpuno uklanjanje leme iz šablona, smanjujući neželjene mostove lema.
• Automatska inspekcija leme za lemljenje: Uvedite automatizirane sustave za nadzor i odbacivanje sklopova pločica s prekomjernom lemom ili lošim taloženjem, ispravljajući problem prije procesa reflow lemljenja.

4. Smanjenje šupljina, hladnih spojeva i nepotpunog lemljenja

Praznine unutar lemezg spajanja smanjuju prijenos topline. Stvaranje hladnih lemezga nastaje uglavnom iz dva tipična razloga: neravnomjerna raspodjela temperature tijekom zagrijavanja ili nedovoljna količina lemeza ispod procesnih standarda. Nedovoljno zagrijavanje rezultira djelomičnim nepotpunim taljenjem lemezga, dok premala količina lemeza vodi slabijoj čvrstoći međumetalnih veza. Ovi procesni odstupanja izravno ugrožavaju mehaničku stabilnost lemezanih spojeva i znatno smanjuju njihovu dugoročnu pouzdanost u stvarnim radnim uvjetima.

Učinkovita rješenja:

• Odabir lemeza s niskim udjelom praznina: Noviji lemezgi su konstruirani tako da smanje stvaranje praznina ispod BGAs i QFNs, što je ključno za dizajne s visokim strujama ili upravljanje temperaturom.
• Profiliranje za ravnomjerno zagrijavanje: Prilagodite temperaturni profil kako biste osigurali maksimalno ravnomjerno taljenje po ploči bez pregrijavanja područja s malom masom. Ispravna količina lemeza i profil pomažu u sprečavanju nepotpunih lemezanih spojeva.
• Dizajn za montažu: Navedite odgovarajuću veličinu kontaktne površine i termalne vije za prijenos topline na svaki spoj, osobito ispod velikih komponenti koje disipiraju toplinu.

5. Rješavanje pojave podizanja komponenti (tombstoning), stvaranja kuglica i pomaka komponenti

Podizanje komponenti (tombstoning) i stvaranje kuglica lemlja često su posljedica neujednačene topline ili netočne paste/postavljanja.

Ključne strategije:

• Osigurajte simetriju kontaktne površine i uskladite krajeve komponente za uravnoteženi tok lemlja.
• Uravnotežite temperature profile tijekom faza predgrijavanja i izlaganja toplini.
• Tijekom montaže dvostrano pločica, 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 lemljenje.

6. Osiguravanje održavanja lemilnog filma i kalibracije šablona

Pouzdani rezultati ovise o redovitom održavanju i kalibraciji:

• Protokoli čišćenja šablona: Redovito čistite šablone kako biste spriječili zasuhu leme koja može blokirati otvore i utjecati na kvalitetu nanošenja paste.
• Kalibracija opreme za ponovno topljenje: Vodite evidenciju i redovito kalibrirajte pećnice za ponovno topljenje i strojeve za postavljanje. To osigurava točno zagrijavanje po ploči i ispravno nanošenje paste ciklus nakon ciklusa.

7. Korištenje automatizirane inspekcije i podataka

• Automatizirana inspekcija lemljenja paste (SPI): Ugradbeni SPI provjerava svako nanošenje na svakoj ploči s obzirom na volumen, visinu i položaj, te otkriva potencijalne nedostatke prije narednih procesa.
• AOI i rendgensko snimanje: Koristite automatiziranu inspekciju za provjeru potpunosti lemnih spojeva, otkrivanje uobičajenih problema poput nedovoljno leme te otkrivanje skrivenih nedostataka.

Preporučene prakse za postizanje pouzdanih lemnih spojeva

Proizvodna poduzeća trebaju utvrditi stabilne proizvodne ciljeve za visokokvalitetne lemezne spojeve i pouzdano sklop PCB-a. Odjeli za proizvodnju moraju sveobuhvatno integrirati sljedeća temeljna rješenja za optimizaciju u postojeće procese sklopa. Sustavna provedba ovih tehničkih mjera može učinkovito poboljšati dosljednost proizvoda i pouzdanost procesa.

• Kontrola lemeljenja od početka do kraja:

Dokumentirajte i nadzirite svaki korak ponovnog taloženja, od odabira lemeza do profila pećnice i inspekcije.

• Stalno obrazovanje i unapređenje:

Poduzeća bi trebala organizirati sustavne tečajeve stručnih vještina za operatere. Proizvodni odjeli moraju provoditi specijalizirano tehničko osposobljavanje prema IPC standardima. Tvornice bi trebale uspostaviti redovite mehanizme pregleda procesa. Ove mjere značajno će povećati sposobnost otkrivanja i sprječavanja grešaka.

• Stabilnost u okruženju:

Održavajte kontroliranu vlažnost i temperaturu u proizvodnom području kako biste spriječili probleme uzrokovane vlago u lemilu ili ekstremnim promjenama okoliša.

• Primijenite optimizaciju temeljenu na podacima:

Prikupljajte, pregledavajte i reagirajte na trendove iz podataka inspekcije kako biste otkrili skrivene probleme – poput mikro-spajanja, nepotpunih lemljenih spojeva ili trendova specifičnih za seriju.

Strategije inspekcije, otklanjanja poteškoća i popravka

Proizvodna poduzeća prvo moraju uspostaviti potpuni i standardizirani sustav proizvodnog procesa. Zatim bi trebala razviti sustavne standarde kvalitete inspekcije istovremeno formirajući učinkovita rješenja za ponovno obradu. Ove upravljačke mjere zajednički osiguravaju učinkovito funkcioniranje proizvodnog sustava ：

• Automatizirana inspekcija lemilnog pasta i spojeva: Integrirajte SPI i AOI u svoj montažni proces, omogućujući stvaranje obavijesti u realnom vremenu o problemima poput lemljenja mostova, nedovoljne količine lemilnog paste ili pomaka u postavljanju.
• Analiza temeljnog uzroka: Kada se otkrije greška, potražite njezin uzrok: je li to bio višak lema, netočno termičko profiliranje ili pomak pri postavljanju?
• Tehnike popravka i prerade: Za ispravljive greške, vješti tehničari za popravak mogu koristiti alate s zagrijanim zrakom ili lokalne stanice za ponovno taljenje — uvijek evidentirajući svaki zahvat kako bi pratili izvore grešaka i stope prerade.
• Petlja povratne informacije: Rješavanje ovih izazova ne samo da poboljšava trenutnu isplativost, već također sprječava buduće slične probleme.

Napredna optimizacija: od materijala do kalibracije pećnica

Napretci u izboru materijala i paste

• Inženjering lemilne paste: Odaberite paste koje odgovaraju zahtjevima vaše montaže u pogledu propadanja, ljepljivosti i karakteristika ponovnog taljenja — posebno za fine žice ili visokokoncentrirane PCB sklopove.
• Aspekti bezolovnih rješenja: Pažljivo prilagodite profile reflow lemljenja za nove legure bez olova s višom točkom taljenja kako biste izbjegli nedostaci koje nastaju zbog nedovoljnog taljenja.

Tehnologija pećnica i prediktivno održavanje

• Pametne pećnice: Suvremene reflow pećnice uključuju senzore koji u stvarnom vremenu mapiraju temperaturu, upozoravajući na odstupanja ili razvoj anomalija u profilu temperature prije nego što uzrokuju masovne greške.
• Prediktivno održavanje: Koristite strojno učenje i SPC podatke za planiranje čišćenja pećnica, zamjenu ventilatora i kalibraciju prije nego što se pojave greške — čak i automatski upozorenja za odstupajuće prinose ili rastuće lažne prihvate.

IoT i pametna proizvodnja

• Integrirajte reflow linije u MES sustave cijele tvornice radi potpune praćivosti, nadzora okoliša i automatskog izvješćivanja o greškama.
• Povežite podatke iz pick-and-place, tiskanja, reflow i inspekcije kako biste dobili sveobuhvatnu sliku cijele SMT linije.

Često postavljana pitanja

P: Koja je glavna razlika između reflow lemljenja i valnog lemljenja?

A: Reflow lemljenje topi lemilni premaz samo ondje gdje su postavljeni komponenti — podržava fine-pitch, dvostrane i visokogustotne ploče. Lebljenje valom prolazi ploču preko taline leme, najbolje za through-hole sklop i manje učinkovito za moderne fine-pitch SMT poslove.

P: Zašto dolazi do mostova i kuglica lema i dalje, čak i uz automatiziranu inspekciju?

A: Čak i uz automatizaciju, prekomjerna količina lema, neujednačene veličine padova, prljave šablone ili neprecizno programiranje pećnice mogu uzrokovati ove uobičajene probleme ako se ne isprave na korijenu procesa.

P: Kako mogu biti siguran da je moj reflow profil točan?

A: Optimizirajte korištenjem termalnih profiler-a, provjerite po cijeloj ploči i testirajte više uzoraka ploča. Prilagodite svoj profil za svaki novi dizajn, osobito kada mijenjate vrstu lemilnog premaza ili glavnu raspodjelu komponenata.

P: Je li automatizirana inspekcija lemilnog premaza dovoljna da eliminira sve greške vezane uz premaz?

A: Automatska inspekcija otkriva većinu problema s količinom i oblikom paste, ali mora se kombinirati s redovitim održavanjem šablona, ispravnim odabirom paste i kontrolom okoliša za najbolje rezultate.

P: Što trebam učiniti ako stalno primjećujem šupljine ili nepotpune lemezne spojeve?

A: Provjerite kvalitetu paste, kalibraciju pećnice te tražite onečišćenja. Podesite vremena zadržavanja i brzine zagrijavanja te prebacite na paste s nižim stvaranjem šupljina ako je potrebno.

Zaključak: Ovladavanje izazovima i rješenjima lemljenja ponovnim zagrijavanjem

Svladavanje izazova i rješenja kod lemljenja ponovnim zagrijavanjem je trajni proces. Razumijevanjem uobičajenih problema poput mostova lemeza koji nastaju kada višak lemeza nije pod kontrolom, nejednolikog zagrijavanja po tiskanoj ploči ili metaliziranim površinama tijekom lemljenja zbog nedovoljno lemeza, inženjeri i proizvođači mogu primijeniti učinkovita rješenja, od odabira lemezne paste do optimizacije profila ponovnog zagrijavanja.

Kroz pažljivu kontrolu dizajna šablona, kalibraciju pećnica, nanošenje paste i kontinuiranu inspekciju, vaš tim može dosljedno isporučivati lemljene spojeve visoke kvalitete, smanjiti pojavu grešaka te postići pouzdane sklopove ploča svjetske klase. Napredna analitika i pametna proizvodnja dodatno osnažuju vaša alata za uspjeh.