לחיית גלים לעומת לחיית ריפלו

לחיית גלים לחמת גל ולחיית ריפלו היא אחת ההחלטות החשובות ביותר שעומדות בפני מהנדס ייצור. לחיית גלים מהווה עמוד תווך בהרכבת רכיבים דרך החור (through-hole) כבר עשורים רבים, ומציעה תפוקה גבוהה ויצירת חיבורים אמינה עבור היישום המתאים. הבנת ההבדלים בין לחיית גלים ללחיית ריפלו עוזרת לייצרנים להתאים את התהליך שלהם לסוגי הרכיבים, לעיצוב הלוחות ולדרישות נפח הייצור.

לידת גלים ולידת חזרה אינן טכנולוגיות מתחרות במובן של סכום אפס. כל שיטה משרתת מטרה מוגדרת בתוך מערכת היצור האלקטרונית. לידת גלים מציעה ביצועים יוצאי דופן בעיבוד רכיבים מסוג Through-Hole, באסמבליים מעורבים ובשיטות ייצור נפח גבוה שבהן מקדמים את יעילות הלידה על ידי מגע. לעומת זאת, לידת החזרה שולטת באסמבלי טכנולוגיית המontaž על פני השטח (SMT). בחירה לא נכונה בין שתי התהליכים הללו עלולה להוביל למחברים פגומים, לעלייה בעלויות העבודה מחדש ולפחת באמינות הלוחות. מאמר זה מסביר בבירור את ההבדלים כדי שתוכל לבחור בתהליך הנכון.

איך עובדת לידת גלים

זרימת התהליך של לידת גלים

לידוד גלים הוא תהליך לידה המוני שבו לוח מעגלים מודפס (PCB) עובר מעל מיכל של סגסוגת לידה נוזלית. במהלך לידוד הגלים, הלוח מטופל תחילה בחומר פלקס כדי להכין את רגלי המרכיבים ואת משטחי הפדים, לאחר מכן מחומם מראש כדי להפעיל את החומר הפלקס ולפחת את ההלם התרמי, ולבסוף עובר מעל גל מתמיד של סגסוגת לידה נוזלית. גל הסגסוגת נוגע בצד התחתון של הלוח, מרטיב את הרגליים ויוצר חיבורים בו זמנית על פני מספר מרכיבים. לידוד הגלים מבצע זאת בעברה אחת מבוקרת, מה שהופך אותו ליעיל ביותר ללוחות שמכילים מרכיבים מסוג through-hole.

מכונות לוגן גל עתידניות לרוב כוללות מערכות גל כפול, המשלבות גל 'מיקרו' טורבולנטי עם גל 'עיקרי' למינר. הגל המיקרו בהלוגן בגל מסיר שאריות פלקס ופockets אויר מפרצות צמודות בין רכיבים, בעוד שהגל העיקרי יוצר את חיבור הלוגן הסופי. גישה זו של לוגן בגל כפול קיצצה באופן משמעותי את החסרונות הנפוצים כגון חיבורים לא רצויים (Bridging) ומילוי בלתי מספיק, שהיו נפוצים יותר במערכות לוגן בגל יחיד ישנות. כל מחזור הלוגן בגל, מהחדרת הפלקס ועד הקירור הסופי, נמצא בשליטה הדוקה באמצעות פרמטרים כגון מהירות הרצפה, טמפרטורת ההתחממות המקדימה, טמפרטורת סירת הלוגן וגובה הגל.

חומרים והקמה בהלוגן בגל

לחישת גל דורשת מיכל סולדר שמתוחזק בקפידה, בדרך כלל ממולא באLOYים של עופרת-בדיל או ללא עופרת כגון SAC305. כימיה הפלקס שנבחרת לחישת גל נקבעת בהתאם לדרישות ניקיון הלוח והאם מעדיפים תהליך ללא ניקוי או ניתן לשליטה במים. לעיתים קרובות משתמשים בפלטות או בתשתיות בחישת גל כדי לכסות רכיבים מסוג SMT בצד התחתון של רכיבים מעורבים, כדי להגן עליהם מגל הסולדר המותך. תכנון תשתית מתוקן הוא חיוני בחישת גל כדי למנוע פגמים של צללים ולשפר את היווצרות החיבורים המלאה בכל מוליך דרך החור.

איך עובד תהליך חישת השחזרה

זרימת התהליך של חישת השחזרה

לחליקת החזרה (Reflow) משמשת חומר לחישוק, שהוא תערובת של חומר ניקוי (flux) וחלקיקים של חישוק, אשר מופעל על הלוח באמצעות הדפסת מסכה לפני הצבת הרכיבים. לאחר שרכיבי המתחם המשטחיים (SMD) מוצבים, הלוח עובר דרך תנור חילוק, שבו הוא מחומם לאורך עקומת טמפרטורה מדויקת. עקומה זו כוללת אזור חימום מקדים, אזור השהייה, אזור שיא החילוק ואזור הקירור. בניגוד לחישוק גל (wave soldering), בחישוק החזרה הלוח אינו בא במגע עם אמבט חישוק נוזלי. במקום זאת, חומר החישוק נמס במקומו ומחולק סביב כל פד של רכיב, ויוצר את החיבור בעת הקירור.

לידוד מחדש (Reflow) מתאים במיוחד לרכיבים מותקנים על פני השטח (SMD) בעלי פITCH עדין, למערכים ריבועיים של כדוריות (BGA) ולרכיבים אחרים הדורשים הצטברות מדויקת של דביקה ופרופילים תרמיים מבוקרים. תהליך הלידוד מחדש מאפשר צפיפות גבוהה מאוד של רכיבים, ולכן הוא שולט בייצור אלקטרוני צרכני מודרני ובלוחות פלטינה תעשייתיים קומפקטיים. עם זאת, לידוד מחדש אינו מעוצב כדי להתמודד עם רכיבים דרך-חורים (Through-Hole) בעלי פסי עופרת, אשר לידוד גל (Wave Soldering) מטפל בהם בצורה יעילה ביותר. ברוב הרכבות המתקדמות, נעשה שימוש הן בלידוד גל והן בלידוד מחדש באופן סדרתי באותה קו ייצור.

שליטה בפרופיל התרמי בלידוד מחדש

הבדל מרכזי אחד בין סולדרינג במחזור חום (reflow soldering) לסולדרינג בגלי סולדר (wave soldering) הוא רמת ההתאמה של פרופיל החום. תנור הסולדרינג במחזור חום מאפשרים למפתחים לקבוע אזורים נפרדים בטמפרטורה ומהירויות שונות של הרצפה, ויוצרים פרופיל ייחודי עבור כל סוג לוח. גם בסולדרינג בגלי סולדר ישנה ניהול תרמי, אך הרגלי המרכיבים בסולדרינג בגלי סולדר מוגעים לסולדר לתקופה קצרה בהשוואה לחשיפה התרמית המלאה שמקבלת הלוח במהלך מחזור הסולדרינג במחזור חום. לשני התהליכים יש צורך במיפוי מדוקדק של הפרופיל, אך צורות הכישלון וסוגי הפגמים שונים במידה רבה בין סולדרינג בגלי סולדר לסולדרינג במחזור חום.

בחירת בין סולדרינג בגלי סולדר לסולדרינג במחזור חום

סוג המרכיב כגורם ההכרעה העיקרי

הגורם העיקרי שמשפיע על הבחירה בין לחצנת גל ולתחמוצת חזרה הוא סוג הרכיבים שעל הלוח. לחצנת גל היא שיטת התקן התעשייתי לרכיבים עם חורים-דוקרים (through-hole), כגון מתחברים, קondenסטורים גדולים ומערכות טרנספורמטור. לרכיבים אלו יש פסי יציאה שעוברים דרך חורים נקבובים בלוח המעגל המודפס (PCB), ולחצנת הגל ממלאה את החורים האלה באבץ באופן יעיל ואמין. תחמוצת החזרה היא השיטה המועדפת לרכיבים המותקנים על פני השטח (SMD), כולל נגדים, קondenסטורים, מעגלים משולבים (ICs) ואריזות עם מבנה צפוף מאוד (fine-pitch) שלא יכולות לסבול טביעה בגל אבץ נוזלי. כאשר לוח מכיל גם רכיבים עם חורים-דוקרים וגם רכיבים המותקנים על פני השטח, לחצנת הגל מבוצעת לעיתים קרובות כפעולה שנייה לאחר שהשלב של תחמוצת החזרה הסתיים והשלים את הרכבת הרכיבים המותקנים על פני השטח.

נפח ייצור, עלות ומורכבות הלוח

לחליקת הגלים יש בדרך כלל עלות נמוכה יותר לנקודת חיבור אחת במערכות נפח גבוה, מכיוון שחליקת הגלים מחברת בו זמנית מספר רב של נקודות חיבור בעריכה אחת. עבור לוחות עם כמות גדולה של רכיבים מסוג through-hole, חליקת הגלים מקצרת את זמן המחזור ומצריכה פחות יד עבד בהשוואה לחליקת הבחירה או לחליקת היד. לחליקת החזרה (reflow) נדרשת שלב הדפסת משחת לחישוק והתקנת ציוד מדויק להצבת הרכיבים, מה שמוסיף מורכבות להגדרת התהליך, אך מספק תוצאות יוצאות דופן ללוחות SMT בעלי צפיפות גבוהה. במקרי ייצור של לוחות טכנולוגיים מעורבים בקנה מידה גדול, שילוב של חליקת הגלים וחילוקת החזרה לקו ייצור מלא הוא גם תקין טכנית וגם מוצדק כלכלית. שלב חליקת הגלים מטפל בכל נקודות החיבור מסוג through-hole, בעוד שחילוקת החזרה מטפלת בצד ה-SMT, ויוצרת תהליך הרכבה מלא ואמין.

ליצור בolumes נמוכים או ליצירת פרוטוטיפים, סגירת סלקטיבית עשויה להציע יתרונות על פני סגירה באמצעות גל, מאחר שהיא מונעת את הצורך בציוד מסיכה לסגירה. עם זאת, עבור כמויות ייצור שבהן סגירה באמצעות גל היא אפשרית, היא נשארת אחת השיטות לסגירה היקרות ביותר והמבוססות ביותר הזמינות לייצרני אלקטרוניקה. הערכת עיצוב הלוח, תערובת הרכיבים והכמות השנתית יחדיו תכוון את ההחלטה הסופית בין סגירה באמצעות גל, סגירה באמצעות ריפלו, או שילוב של שתיהן.

שאלה נפוצה

האם ניתן להשתמש בסגירה באמצעות גל לרכיבים מסוג Surface-Mount?

לידת גלים אינה משמשת בדרך כלל כתהליך העיקרי להרכבת רכיבים מסוג SMT (רכיבים לפסיפס שטח). עם זאת, לידת גלים יכולה לחבר את הרכיבים מסוג SMT הנמצאים בצד התחתון של הלוח, אשר נדבקו אליו בעזרת דבק לפני מעבר לידת הגלים. גישה זו ב-lidat גלים דורשת בחירה זהירה של רכיבים ובליעה מדויקת של הדבק, מאחר שלא כל רכיבי SMT יכולים לשאת מגע ישיר עם גל הלחיצה המותך. מכשירים בעלי פITCH צפוף במיוחד ורכיבי BGA מעולם לא עוברים תהליך לידת גלים בשל הסיכון ליצירת חיבורים לא רצויים (bridging) ולנזק תרמי.

אילו פגמים נפוצים ביותר בלידת גלים?

הפגמים הנפוצים ביותר בלחיצה בגלי סולדר כוללים חיבורים לא רצויים (Bridging), חוסר סולדר, דילוגי סולדר וטיפות סולדר (Icicles). חיבורים לא רצויים בלחיצה בגלי סולדר מתרחשים כאשר הסולדר מחבר שני פסי חיבור סמוכים שאמורים להישאר מבודדים זה מזה. חוסר סולדר בלחיצה בגלי סולדר נובע לרוב מפעילות לקויה של הפלקס, מהירות בלתי מתאימה של הרצפה המובילה או זמן מגע לא מספיק עם גל הסולדר. טיפות סולדר (Icicles) בלחיצה בגלי סולדר נוצרות כאשר הסולדר נדבק לפס החיבור כשמועצה היציאה מהגל. אופטימיזציה תקינה של פרמטרי הלחיצה בגלי סולדר ותחזוקה סדירה של מיכל הסולדר ופיה של הגל הם מפתחיים לצמצום הפגמים הללו.

האם הלחיצה בגלי סולדר עדיין רלוונטית בייצור מוצרי PCB מודרניים?

לידוד גלים נשאר רלוונטי מאוד בייצור מודרני של לוחות חיבור (PCB), במיוחד ביישומים תעשייתיים, אוטומוטיביים ואלקטרוניקה עוצמתית, שבהם רכיבי חור-עובר (through-hole) עדיין בשימוש נרחב בשל חוזקם המכאני והיכולת שלהם להעביר זרם. לידוד גלים הוא גם קריטי בהרכבות טכנולוגיות מעורבות, שבהן מחברים חור-עובר ורכיבי SMT קיימים יחד על אותו לוח. למרות שבלידוד החזרה (reflow soldering) התרחבה חלקה בשוק במקביל לצמיחת טכנולוגיית ההרכבה על פני השטח (SMT), לידוד גלים ממשיך למלא תפקיד חיוני ולא ניתן להחליפו בתהליכי ההרכבה המלאים של לוחות חיבור.