Chyby pri spájkovaní reflow: výzvy a riešenia

Úvod do lúhovania

Technológia lúhovania slúži ako základný proces pre modernú vysokokvalitnú výrobu zostav dosiek plošných spojov. Táto technika dosahuje elektrické prepojenie presným montovaním súčiastok pre povrchovú montáž (SMD) na určené miesta kontaktov na doskách obvodov. Keďže ide o prevládajúci spôsob v rámci technológia povrchového montáže (SMT) systému, lúhovanie vykazuje výrazné charakteristiky pri aplikáciách zahŕňajúcich miniaturizované elektronické súčiastky a návrhy hustých obvodov. V porovnaní s konvenčnými procesmi vlnového lúhovania vykazuje lúhovanie významnú prispôsobivosť procesu. Jeho flexibilita umožňuje rôzne konfigurácie súčiastok, zatiaľ čo škálovateľnosť systému rieši rôznitebné požiadavky na výrobnú kapacitu.

Proces spájkovania reflow pozostáva z troch postupne vykonávaných kľúčových prevádzkových krokov. Najprv musia operátori presne naniesť materiál spájkovej pasty na určené plochy kontaktov na doske plošných spojov. Špeciálne vybavenie typu pick-and-place potom presne umiestni elektronické komponenty na miesta pokryté pastou podľa naprogramovaných parametrov. Doska s umiestnenými komponentmi následne vstúpi do reflow peci s kontrolovanými teplotnými profilmi, aby dokončila proces spájkovania, počas ktorého materiál spájkovej pasty prechádza fyzikálnymi zmenami roztavenia a tuhnutia vo vnútri pece, čím vznikajú spoľahlivé spájkové spoje s mechanickou pevnosťou aj elektrickou vodivosťou. Tento komplexný proces spájkovania tvorí jadro systému moderných výrobných liniek elektronických zariadení. Jeho technické aplikácie sa plne rozšírili do oblastí spotrebnej elektroniky aj priemyselného riadenia, konkrétne zahŕňajú kategórie produktov ako prenosné zariadenia, napríklad smartfóny, alebo priemyselné zariadenia, ako sú automobilové riadiace systémy.

Pokračujúci trend miniaturizácie elektronických zariadení a stúpajúca integračná hustota dosiek s plošnými spojmi predstavujú nové technické výzvy pre procesy spájkovania reflow. Moderná výroba musí systematicky riešiť viaceré typické chyby pri spájkovaní, vrátane mostíkovania olova, tvorby olovianých guľôčok, studených spájkov, dutín a poškodenia spôsobeného tepelným namáhaním. Pre tieto kategórie chýb je nevyhnutné implementovať špecializované opatrenia na zlepšenie procesu. Výrobcovia musia systematicky hlboko skúmať mechanizmy vzniku chýb a na základe získaných poznatkov vytvárať presné systémy kontroly procesov. Aplikácia tohto prístupu technického riadenia poskytuje dvojakú istotu pre výrobky elektronických zostáv: z jednej strany zabezpečuje dostatočne vysokú mieru výrobnosti počas výrobného procesu a z druhej strany zaručuje konzistentné a stabilné fungovanie po celú dobu životnosti výrobku.

Proces spájkovania s pretečením vo technológii povrchovej montáže (SMT)

Proces spájkovania s pretečením možno zhrnúť do niekoľkých kľúčových etáp. Zóna predohrevu implementuje presnú kontrolu teploty na dosiahnutie aktivácie toku. Zóna pretečenia umožňuje metalurgické spojenie spájky, čím vznikajú spoľahlivé spájkové spoje. Každá fáza procesu rozhodujúcim spôsobom ovplyvňuje kvalitu spájkových spojov. Všetky tieto prvky spoločne tvoria základnú záruku celkovej spoľahlivosti obvodových súčiastok.

1. Aplikácia spájkovacej pasty

• Proces sitotlače: Pomocou šablón sa spájkovacia pasta nanáša na vybrané plošky plošného spoja. Proces tlače musí kontrolovať množstvo nanášanej spájkovacej peny, aby sa predišlo chybám, ako je nadmerné množstvo spájky (čo vedie k mostíkovaniu) alebo nedostatočné množstvo spájkovacej peny (čo spôsobuje neúplné spájkové spoje).
• Konzistencia aplikácie peny: Pokročilé linky používajú automatizované systémy na kontrolu spájkovacej peny na sledovanie objemu, tvaru a nanášania peny, ktoré okamžite signalizujú akékoľvek odchýlky.

2. Umiestnenie komponentov

• Stroje na umiestňovanie komponentov: Tieto stroje automatizujú rýchle a presné umiestňovanie komponentov na čerstvo nanesené plošky, čím zabezpečujú rýchlosť a presnosť po celej doske plošných spojov.
• Ovládanie umiestnenia: Dobre naladené stroje zabraňujú nesprávnemu otočeniu komponentov a znížia riziko ich nesprávneho zarovnania.

3. Spájkovanie reflow metódou

• Reflow pec: Skladba prechádza cez viaczónovú reflow pec, kde kontrolované a rovnomerné teplo roztaví spájkovú pastu. Správne ohrev po celej doske plošných spojov zabezpečuje, že všetky spoje tuhnú a vytvárajú pevné elektrické a mechanické prepojenia.
• Teplotné profily: Pájky s teplovzdušným režimom sú naprogramované s konkrétnym postupným zvyšovaním teploty, dobou výdrže, maximálnou teplotou a rýchlosťou chladenia, pričom všetko je prispôsobené konkrétnemu procesu montáže a materiálom.

4. Chladenie

• Rovnomerné odvádzanie tepla: Kontrolované chladenie zabraňuje tepelnému šoku a zabezpečuje pevné spoje bez dutín. Nerovnomerné chladenie môže spôsobiť napätie, skrútenie alebo praskliny.

5. Kontrola po montáži

• Automatická a manuálna kontrola: AOI , RENTGÉN , a manuálne kontroly overujú, či sa cín správne roztiahol a zmáčal, a že nezostali žiadne chyby pri pájaní (ako napríklad mostíky alebo guľôčkovanie cínu).

Bežné výzvy a chyby pri teplovzdušnom pájaní

Zváracia technológia sa stále vyvíja. Procesy teplovzdušného pájania však stále čelia viacerým bežným výzvam. Nevyriešené problémy povedú k problémom s kvalitou pri montáži dosiek plošných spojov.

Tieto sa prejavujú ako celkové zhoršenie kvality výrobku alebo funkčné poruchy.

1. Spájkové mostíkovanie

• Definícia: Spájkové mostíkovanie vzniká, keď nadbytočný spáj vytvorí neúmyselné elektrické spojenie medzi dvoma alebo viacerými susednými ploškami alebo vývodmi.
• Prečo k tomu dochádza: Zlý návrh stencila, nadmerné nanášanie spájkovej kaše alebo nesprávne nastavenie pecnice môžu viesť k tejto chybe.

2. Vznik guľôčok zo spájky

• Definícia: Malé guličky spájky zostávajú po doske plošných spojov rozptýlené po jej povrchu po reflow procese.
• Príčiny: Často spôsobené vlhkosťou v kaši, príliš rýchlym nárastom teploty alebo znečistenými doskami/stencilmi.

3. Efekt hrobky

• Definícia: Súčiastka stojí na jednom konci („ako manhattanské mrakodrapy“) kvôli nerovnomernému ohrevu alebo rozdielom veľkosti plošiek.
• Dopad: Spôsobuje prerušené obvody kvôli neúplnému vytvoreniu spájkového spoja.

4. Studené spáje

• Definícia: Spáj vyzerá matne, zrnnato alebo pózne; často zlyháva elektricky alebo mechanicky.
• Príčiny: Nízka teplota pece, nedostatočné množstvo cínového tuku alebo kontaminovaná ploška počas reflow procesu.

5. Dutiny a neúplné spáje

• Dutiny vo vnútri spája oslabujú schopnosť viesť prúd a odvádzať teplo, najmä na napájacích a uzemnených ploškách.
• Chyba je často spôsobená vylučovaním plynov, nevhodným výberom tuku alebo nedostatočnými režimami reflow procesu.

6. Nesprávne zarovnanie komponentov

• Počas reflow procesu môže dôjsť k posunutiu komponentov kvôli nerovnomernému povrchovému napätiu alebo nadmernému vibráciám, čo spôsobuje funkčné poruchy a náklady na opravy.

Zhrnutie: Bežné chyby a ich príčiny

Hlavné príčiny chýb pri spájkovaní

Riešenie týchto výziev vyžaduje prehĺbenie do koreňových príčin. Niektoré hlavné premenné, ktoré často vedú k vzniku chýb:

1. Výber a aplikácia spájkovej pasty

• Výber spájkovej pasty: Proces zahŕňa hodnotenie zliatiny, veľkosti častíc a chémie toku. Nesprávny výber môže viesť k neúplným spájkovým spojom, nadmernému zvyšku alebo krehkým spojeniam.
• Nanesenie cínovacej pásky: Tlačový proces musí kontrolovať množstvo dávkovaného spájkovacieho plesti. Automatická kontrola spájkovacieho plesti môže výrazne znížiť chyby pri tlači.

2. Návrh a údržba šablón

• Tvar a veľkosť otvoru: Priamo ovplyvňuje nanášanie a tým aj objem spájkovacieho plesti. Zlý návrh vedie k nadbytku (premostenie) alebo nedostatku spájky (studené alebo neúplné spoje).
• Údržba a čistenie: Znečistené šablóny znižujú rovnomernosť uvoľňovania plesti, čo spôsobuje nesúosnosti tlače a problémy so spojmi.

3. Nastavenia a kalibrácia reflow pecí

• Teplotný profil: Nastavenie správneho reflow profilu na dosiahnutie rovnomerného zmáčania a spojov bez chýb je životne dôležité.
• Kalibrácia reflow procesu: Neprimerané alebo chaoticky naprogramované pece spôsobujú nerovnomerné ohrevanie dosky plošných spojov, čo vedie k dutinám, skrúteniu alebo poruche spojov.

4. Návrh dosky a plôšok

• Veľkosť a usporiadanie plôšok: Príliš veľké/malé alebo nerovnomerne rozmiestnené plôšky môžu spôsobiť mostíkovanie a jav „hrobu“.
• Tepelné vývody a prechody: Pridanie tepelných prechodov a vyváženie oblastí medenej výplne znižuje riziko studených spájok a tepelného šoku.

5. Procesné parametre a okolité podmienky

• Vlhkosť a teplota: Nezvládnuté podmienky môžu viesť k deformácii cca, oxidácii a čiastočnému zmáčaniu cca.
• Proces vo SMT (Surface Mount Technology): Moderné SMT linky musia sledovať okolité podmienky a prípadne ich upravovať pre dosiahnutie konzistentných výsledkov.

Účinné riešenia pri opätovnom spájaní

Riešenia v opätovnom spájaní sa zameriavajú na každú základnú príčinu a sú nastavené tak, aby riešili celý rad procesných premenných:

1. Kontrola objemu a aplikácie pásky na spájkovanie

• Používajte automatické systémy kontroly pájkovej pasty po každom cykle tlače.
• Pravidelne kontrolujte čistotu šablónok a vymieňte opotrebované šablóny.
• Zhodnite pomer plochy otvoru šablóny s veľkosťou podložky pre konzistentné a spoľahlivé ukladanie pájkov.

2. Vráť sa. Optimalizácia profilu spätného prúdenia

• Používajte tepelné profiléry v reálnom čase: Umiestnite termopáry cez PCB, aby sa zhromaždili použiteľné údaje pre každú oblasť a typ komponentov. Tým sa zabezpečuje rovnomerné rozloženie tepla, pričom sa vyhne miestnemu prehriatiu alebo nedostatočnému spätnému prúdu, čo by inak mohlo viesť k chybám, ako sú súčasti studeného spájania alebo slabá adhézia.
• Postupné zvýšenie teploty: Proces reflow by mal zahŕňať kontrolované nastúpenie teploty, rovnomerné vydržanie, cieľový vrchol a postupné ochladzovanie. Rýchle skoky alebo nesprávne časy vydržania môžu spôsobiť chyby v dôsledku neúplného roztavenia alebo nerovnomerného zmáčania – najmä v oblastiach s rozdielmi tepelných hmot kvôli nerovnomernému rozmiestneniu komponentov.
• Prispôsobte nastavenia pece pre každú zostavu: Každý dizajn DPS môže vyžadovať jedinečné nastavenia pece vzhľadom na odlišné rozmiestnenie medi, hustotu komponentov a hrúbku dosky. Jemné ladenie procesných parametrov a overenie každej série zaisťuje vysokú kvalitu spojov a minimalizuje bežné chyby ako mostíkovanie alebo dutiny.

3. Zamedzenie tvorbe mostíkov a nadmernému nanášaniu spájkovej zmesi

Tvorba mostíkov je typickou chybou pri spájkovaní. Tento jav priamo spôsobuje skraty v obvode. Takéto skraty predstavujú významné riziká kvality pri elektronických zostavách.

Kľúčové opatrenia na prevenciu:

• Optimalizácia šablóny: Navrhnite otvory v šablóne tak, aby presne regulovali množstvo cínového spájkovacieho tuku. Z procesu tlače riďte aplikáciu tuku a jeho usadzovanie, aby ste predišli nadmernému spájkovaniu.
• Zlepšenie uvoľňovania cínového tuku: Vyberte šablóny s nano-povlakmi alebo leštenými otvormi a použite správny tlak rakvy. Tým sa zabezpečí úplné vyčistenie tuku zo šablóny a zníži sa riziko nežiaducich spájkových mostíkov.
• Automatická kontrola cínového tuku: Použite automatické systémy na monitorovanie a odmietanie dosiek plošných spojov s nadmerným množstvom cínu alebo chybným nánosením, čím sa problém odstráni už pred reflow procesom.

4. Znižovanie pórov, studených spájok a neúplného spájkovania

Vnútorne dutiny vo spájkovacom spoji znižujú prenos tepla. Vznik chybných studených spájkovacích spojov má dva hlavné príčiny: nerovnomerné rozloženie teploty počas ohrevu alebo nedostatočné množstvo spájkovej pasty pod procesnými štandardami. Nedostatočný ohrev spôsobuje lokálne neúplné roztavenie spájkovacieho materiálu, zatiaľ čo nedostatočné množstvo pasty vedie k oslabeniu pevnosti medzikovových väzieb. Tieto procesné odchýlky priamo kompromitujú mechanickú pevnosť spájkovacích spojov a výrazne znížia ich dlhodobú prevádzkovú spoľahlivosť za reálnych prevádzkových podmienok.

Účinné riešenia:

• Výber spájkovej pasty s nízkym tvorením dutín: Novšie typy pastí sú navrhnuté tak, aby minimalizovali tvorbu dutín pod BGAs a QFNs, čo je kritické pre konštrukcie s vysokým prúdom alebo riadenie tepelnej záťaže.
• Profilovanie pre rovnomerný ohrev: Upravte teplotný profil tak, aby sa dosiahlo rovnomerné roztavenie po celej doske plošných spojov bez prehrievania oblastí s malou hmotnosťou. Správne nanášanie a teplotný profil pomáhajú predísť neúplným spájkovacím spojom.
• Návrh pre montáž: Špecifikujte vhodnú veľkosť plošky a termálne vývody, aby teplo dosiahlo každý spoj, najmä pod veľkými súčiastkami s veľkým odvádzaním tepla.

5. Riešenie javu kamenového hrobu (tombstoning), tvorby guliek a posunu súčiastok

Jav kamenového hrobu a tvorba guliek cínu sú často spôsobené nerovnomerným ohrevom alebo nesprávnou aplikáciou cínovej pasty / umiestnením.

Kľúčové stratégie:

• Zabezpečte symetriu plošiek a zhodu s koncovkami súčiastok pre vyvážený tok cínu.
• Vyvažte teplotné profily počas fázy predohrevu a výdrže.
• Počas montáže dvojstranných dosiek plošných spojov by výrobný personál mal použiť lepiace predupevňovacie riešenia pre ťažké a presné súčiastky. Tento predupevňovací postup zabezpečuje stabilnú polohu všetkých typov súčiastok pred vstupom do reflow peci.

6. Zabezpečenie údržby cínovej pasty a stencily

Spoľahlivé výsledky závisia od údržby a kalibrácie:

• Protokoly čistenia šablón: Pravidelne čistite šablóny, aby ste zabránili zaschnutému taviacemu pastu v blokovani otvorov a ovplyvneniu kvality nanášania pasty.
• Kalibrácia reflow zariadení: Zaznamenávajte a pravidelne kalibrujte reflow peciace a umiestňovacie stroje. Tým sa zachová presné ohrevanie celej dosky plošných spojov a správny cyklus nanášania pasty od cyklu po cykle.

7. Využitie automatizovaného kontrolovania a dát

• Automatizovaná kontrola taviacej pasty (SPI): Inline SPI skenuje každú aplikáciu pasty na každej doske z hľadiska objemu, výšky a polohy a zachytí potenciálne chyby ešte pred následnými procesmi.
• AOI a RTG: Používajte automatizovanú kontrolu na overenie úplnosti spájok, kontrolu bežných problémov, ako je nedostatočné množstvo cínu, a detekciu skrytých vad.

Odporúčané postupy pre dosiahnutie spoľahlivých spájok

Výrobné podniky by mali stanoviť stabilné výrobné ciele pre vysokokvalitné spájkové spoje a spoľahlivé montáže dosiek plošných spojov. Výrobné oddelenia musia komplexne integrovať nasledujúce kľúčové optimalizačné riešenia do existujúcich montážnych procesov. Systémové zavedenie týchto technických opatrení môže účinne zvýšiť konzistenciu výrobkov a spoľahlivosť procesov.

• Komplexná kontrola spájkovacieho procesu:

Dokumentujte a monitorujte každý krok reflow spájkovania, od výberu spájkovej pasty cez profil pece až po inšpekciu.

• Neustále školenia a zlepšovanie:

Podniky by mali organizovať systematické školenia zručností pre operátorov. Výrobné oddelenia musia poskytovať špecializované technické školenia na základe noriem IPC. Závody by mali zriadiť pravidelné mechanizmy revízie procesov. Tieto opatrenia výrazne zvýšia schopnosť detekcie a prevencie chýb.

• Stabilita prostredia:

Udržiavajte kontrolovanú vlhkosť a teplotu v výrobnej oblasti, aby ste predišli problémom spôsobeným vlhkosťou vo vánku alebo extrémnymi zmenami prostredia.

• Implementujte optimalizáciu riadenú dátami:

Zbierajte, analyzujte a reagujte na trendy v údajoch z kontrol, aby ste odhalili skryté problémy – ako napríklad mikrospojenie, neúplné spoje alebo trendy špecifické pre danú dávku.

Stratégie kontroly, odstraňovania porúch a opráv

Výrobné podniky musia najskôr vytvoriť komplexný a štandardizovaný systém výrobného procesu. Následne by mali vypracovať systematické štandardy kvality pri kontrole a súčasne vytvoriť efektívne riešenia pre opracovanie. Tieto organizačné opatrenia spoločne zabezpečujú efektívne fungovanie výrobného systému. ：

• Automatická kontrola vánku a spojov olova: Začleňte SPI a AOI do svojho montážneho procesu, čím umožníte okamžité upozornenia na problémy, ako je mostíkovanie olova, nedostatočné množstvo vánku alebo nesprávne umiestnenie.
• Analýza základných príčin: Ak je zistená chyba, vyhľadajte jej zdroj: Bola to nadmerná pájka, nesprávne teplotné nastavenie alebo posun pri umiestňovaní?
• Techniky opráv a dododielania: Pri odstrániteľných chybách môžu kvalifikovaní technici použiť nástroje s horúcim vzduchom alebo lokálne prepaľovacie stanice – vždy musia zaznamenať vykonanú prácu, aby bolo možné sledovať pôvod chýb a miera dododielania.
• Spätná väzba: Riešenie týchto výziev nezlepšuje len okamžitú výťažnosť, ale tiež predchádza budúcim podobným problémom.

Pokročilá optimalizácia: od materiálov po kalibráciu pecí

Pokroky vo výbere materiálov a cien

• Inžinierstvo pájkovej ceny: Vyberte si ceny, ktoré zodpovedajú požiadavkám vašej montáže na deformáciu, lepkosť a vlastnosti prepaľovania – najmä pre veľmi jemné alebo vysokej hustoty DPS zostavy.
• Poznámky týkajúce sa bezolových materiálov: Dôsledne upravte profily prepaľovania pre novšie bezolové zliatiny s vyššou teplotou topenia, aby ste predišli defekty vyplývajúce z nedostatočného roztavenia.

Technológia rúry a prediktívna údržba

• Chytré rúry: Moderné reflowové rúry obsahujú snímače, ktoré v reálnom čase mapujú teplotu a upozorňujú na odchýlky alebo vznikajúce anomálie teplotného profilu ešte predtým, ako spôsobia masové chyby.
• Prediktívna údržba: Využite strojové učenie a údaje SPC na naplánovanie čistenia rúr, výmenu ventilátorov a kalibráciu ešte pred objavením sa chýb – a dokonca automatizujte upozornenia pri odchýlkach vo výnose alebo stúpajúcich falošne prijatých mierach.

IoT a chytrá výroba

• Integrujte reflowové linky do podnikovo širokých systémov MES pre plnú stopovateľnosť, monitorovanie prostredia a automatické hlásenie chýb.
• Prepojte dáta z linky pick-and-place, tlače, reflowu a inšpekcie, aby ste získali komplexný obraz celej svojej SMT linky.

Často kladené otázky

Otázka: Aký je hlavný rozdiel medzi reflow spájkovaním a vlnovým spájkovaním?

A: Reflow pájenie roztaví cievku len tam, kde sú umiestnené komponenty – čo podporuje jemné rozstupy, obojstranné a vysokej hustoty dosky. Vlnové pájenie vedie dosku cez vlnu roztaveného cínu, čo je najvhodnejšie pre montáž cez otvory a menej efektívne pre moderné SMT práce s jemným rozstupom.

Q: Prečo ešte stále vznikajú mostíkovanie a tvorba guliek pri pájaní aj napriek automatickej kontrole?

A: Aj napriek automatizácii môžu nadmerné množstvo cínu, nerovnaké veľkosti plôch, špinavé motívy alebo nepresné nastavenie pece spôsobiť tieto bežné problémy, ak sa neodstránia na základni procesu.

Q: Ako si môžem byť istý, že môj reflow profil je správny?

A: Optimalizujte ho pomocou tepelných analyzátorov, overte ho po celej doske plošných spojov a otestujte viacero dosiek. Upravte svoj profil pre každý nový dizajn, najmä keď meníte druh cievky alebo rozloženie hlavných komponentov.

Q: Eliminuje automatická kontrola cievky pri pájaní všetky chyby súvisiace s cievkou?

A: Automatická inšpekcia zachytí väčšinu problémov s objemom a tvarom cínovej zmesi, ale pre najlepšie výsledky musí byť sprevádzaná pravidelnou údržbou šablóny, správnym výberom cínovej zmesi a kontrolou prostredia.

Q: Čo mám robiť, ak sa mi opakovane vyskytujú dutiny alebo neúplné spoje pájkovania?

A: Skontrolujte kvalitu cínovej zmesi, kalibráciu rúry a možné znečistenie. Upravte dobu výdrže a rýchlosť nárastu teploty a v prípade potreby prejdite na cínové zmesi s nižším vznikom dutín.

Záver: Zvládnutie výziev a riešení procesu reflow pájkovania

Prekonávanie výziev a riešení procesu reflow pájkovania je nepretržitý proces. Porozumením bežných problémov pri reflow, ako je napríklad tvorba mostíkov v dôsledku nekontrolovaného nadbytku cínu, nerovnomerného ohrevu dosky plošných spojov alebo plôšok s nedostatočným množstvom cínu, môžu inžinieri a výrobcovia uplatniť efektívne riešenia – od výberu vhodnej cínovej zmesi až po optimalizáciu reflow profilu.

Pomocou starostlivého riadenia návrhu motíkovej dosky, kalibrácie pecí, aplikácie pasty a kontinuálnej kontroly môže váš tím spoľahlivo vyrábať kvalitné spájkované spoje, minimalizovať výskyt chýb a dosiahnuť spoľahlivé zostavy dosiek plošných spojov na svetovej úrovni. Pokročilá analýza dát a inteligentná výroba len posilňujú vaše nástroje na dosiahnutie úspechu.