Napake pri lutanju z reflow postopkom: izzivi in rešitve

Uvod v reflow lemljenje

Reflow tehnologija lemljenja predstavlja osnovni postopek pri proizvodnji sodobnih visokokakovostnih sestavov tiskanih vezij (PCB). Ta tehnika omogoča električno povezovanje z natančnim nameščanjem površinskih montažnih komponent (SMD) na določena mesta kontaktov na tiskanih vezjih. Kot prevladujoča metoda znotraj tehnologija površinske montaže (SMT) sistema reflow lemljenje kaže značilne lastnosti pri uporabi v aplikacijah, ki vključujejo miniaturizirane elektronske komponente in visoko gostote vezij. V primerjavi s konvencionalnimi postopki valovnega lemljenja reflow lemljenje kaže izjemno prilagodljivost procesa. Njegova fleksibilnost omogoča različne konfiguracije komponent, hkrati pa njegova razširljivost sistema zadostuje različnim zahtevam po zmogljivosti proizvodnje.

Postopek reflow-lutanja sestoji iz treh zaporedno izvedenih kritičnih operativnih korakov. Najprej morajo operaterji natančno nanašati lutno pasto na določena področja ploščic na tiskanem vezju. Specializirana oprema za postavljanje nato točno postavi elektronske komponente na mesta, prekrita s pasto, v skladu z programiranimi parametri. Plošča s postavljenimi komponentami nato vstopi v reflow-peč z nadzorovanimi temperaturnimi profili, da se zaključi proces lutanja, pri katerem lutna pasta preide fizikalne spremembe taljenja in strjevanja znotraj peči ter končno oblikuje zanesljive lutne spoje, ki imajo tako mehansko trdnost kot tudi električno povezavo. Ta celovit postopek lutanja predstavlja osrednji procesni sistem sodobnih proizvodnih linij za sestavljanje elektronike. Njegove tehnične uporabe so se v polnosti razširile na področja potrošniške elektronike in industrijske kontrole, s specifičnimi kategorijami izdelkov, ki zajemajo prenosne naprave, kot so pametni telefoni, in industrijsko opremo, kot so avtomobilske kontrolne sisteme.

Nadaljujoča tendenca pomanjševanja elektronskih naprav in naraščajoča integracijska gostota tiskanih vezij postavlja nove tehnične izzive procesom reflow vpenjanja. Sodobna proizvodnja mora sistematično obravnavati več tipičnih napak pri vpenjanju, vključno s premostitvami, kroglicami kalaja, mrzlimi vpenjalnimi spoji, prazninami in poškodbami zaradi toplotnega napetosti. Za te kategorije napak je treba uvesti specializirane ukrepe izboljšanja procesa. Proizvajalci morajo sistematično izvajati podrobna raziskave mehanizmov nastanka napak ter ustanoviti natančne sisteme nadzora procesov na podlagi rezultatov raziskav. Uporaba tega tehničnega upravljalnega pristopa zagotavlja dvojno varnost za izdelke elektronskih sestavov: z ene strani zagotavlja dovolj visoko stopnjo donosa med proizvodnim procesom, z drugo strani pa zagotavlja dosledno in stabilno delovanje v celotnem življenjskem ciklu izdelka.

Postopek reflow-lutkanja v tehnologiji površinske montaže (SMT)

Postopek reflow-lutkanja se lahko povzame v več ključnih faz. V predgrevnem območju se izvaja natančna regulacija temperature za aktivacijo fluksa. V reflow-območju poteka metalurška vezava lutkine, da se oblikujejo zanesljivi lutkovni spoji. Vsaka stopnja procesa odločilno vpliva na kakovost lutkovnih spojev. Vsi ti elementi skupaj predstavljajo osnovno zagotovilo za splošno zanesljivost električnih komponent.

1. Nanos lutkine paste

• Postopek tiskanja skozi šablono: S pomočjo šablon se lutkina pasta nanese na izbrane ploščice tiskanih vezij. Postopek tiskanja mora nadzorovati količino nanesene lutkine paste, da se izognemo napakam, kot so prekomerna količina lutkine (kar lahko povzroči mostičenje) ali premajhna količina lutkine paste (kar povzroči nepopolne lutkovne spoje).
• Zanesljivost nanosa paste: Napredne proizvodne linije uporabljajo avtomatizirane sisteme za pregled lutkine paste, ki spremljajo prostornino, obliko in položaj nanašanja paste ter takoj opozorijo na kakršnekoli odstopanja.

2. Postavitev komponent

• Stroji za postavitev komponent: Ti stroji avtomatizirajo hitro in natančno postavitev komponent na sveže nanesele pasto, kar zagotavlja hitrost in natančnost po celotni tiskani vezni plošči.
• Kontrola postavitve: Dobro nastavljeni stroji preprečujejo nagnjenost komponent in zmanjšujejo tveganje nepravilne poravnave komponent.

3. Segrevanje pri spajkanju

• Peč za spajkanje: Sestav se premika skozi večstopenjsko peč za spajkanje, kjer nadzorovano in enakomerno segrevanje stopi spajkalo. Ustrezen proces segrevanja po celotni tiskani vezni plošči zagotavlja, da se vse spojke strdijo in ustvarijo trdne električne in mehanske povezave.
• Temperaturni profili: Refleksne peči so programirane z določenim dvigom temperature, časom izpostavljanja toploti, najvišjo temperaturo in hitrostjo hlajenja, vse prilagojeno določenemu procesu sestavljanja in materialom.

4. Hlajenje

• Enakomerna razporeditev toplote: Kontrolirano hlajenje preprečuje termični šok in zagotavlja trdne, brezpraznine leme zveze. Neenakomerno hlajenje lahko povzroči napetost, upogibanje ali razpoke.

5. Kontrola po sestavljanju

• Avtomatizirana in ročna kontrola: AOI , Rentgen , ročne preverbe pa potrdijo, da je lemilno sredstvo pravilno zateklo in navlažilo, ter da niso ostali nobeni napaki pri lemljenju (kot so mostovi ali kroglice lemilnega sredstva).

Pogoste težave in napake pri refleksnem lemljenju

Tehnologija varjenja se vedno bolj razvija. Procesi refleksnega lemljenja še vedno srečujejo več pogostih izzivov. Nerešene težave bodo povzročile probleme s kakovostjo pri sestavi tiskanih vezij.

To se kaže kot poslabšanje splošne kakovosti izdelka ali funkcijske okvare.

1. Premostitev s soldrom

• Definicija: Premostitev s soldrom nastane, ko presežni solder ustvari neželeno električno povezavo med dvema ali več sosednjima ploščicama ali priključki.
• Zakaj se to zgodi: Slabo načrtovanje stencile, prekomerno nanašanje paste za solderjenje ali napačne nastavitve peči lahko vse povzročijo to napako.

2. Solderne kroglice

• Definicija: Majhne kroglice s solrdrom (solderne kroglice) ostanejo raztresene po tiskanini po prelivanju.
• Vzroki: Pogosto zaradi vlage v pasti, hitrega povečevanja temperature ali umazanih plošč/stencil.

3. Pokopnicenje

• Definicija: Komponenta stoji na enem koncu (»kot manhatanske nebotičnike«) zaradi neenakomernega segrevanja ali razlik v velikosti ploščic.
• Vpliv: Povzroča odprte tokokroge zaradi nepopolnega oblikovanja lotnih spojev.

4. Hladni lotni spoji

• Definicija: Spoj izgleda mat, zrnat ali porozno; pogosto odpove električno ali mehansko.
• Razlogi: Nizka temperatura peči, premalo lotne paste ali onesnažen kontakt med reflow postopkom.

5. Poroznosti in nepopolni spoji

• Poroznosti znotraj lotnega spoja podkopavajo sposobnost prenosa toka in odvajanja toplote, še posebej na močnostnih in ozemljitvenih ploscih.
• Pomanjkljivost je pogosto posledica izpuščanja plinov, neustrezne izbire paste ali neustreznih reflow profilov.

6. Nepravilna poravnava komponent

• Med reflow postopkom se lahko komponente premaknejo zaradi nesimetričnega površinskega napetosti ali prekomernega tresenja, kar povzroči funkcijsko odpoved in stroške popravila.

Povzetek: pogosti napaki in njihove vzroke

Koreninski vzroki za napake pri spajkanju

Za reševanje teh izzivov je potrebno iskati korenine. Nekatere glavne spremenljivke, ki pogosto vodijo do nastanka okvar:

1. - Vprašanje: Izbira in uporaba spajkalne mase

• Izbira spajkalne mase: Postopek vključuje oceno zlitine, velikosti delcev in kemijske sestave toka. Napačne izbire lahko povzročijo nepopolne lotne spoje, prekomerno ostankov ali krhke povezave.
• Nanašanje lemilnega pasta: Tiskalni postopek mora nadzorovati količino nanesenega lota. Avtomatsko preverjanje testenine za lot lahko dramatično zmanjša napake pri tiskanju.

2. Načrtovanje in vzdrževanje mask

• Oblika in velikost odprtine: Neposredno vpliva na nanašanje in s tem na prostornino testenine za lot. Slabo načrtovanje vodi do prekomerne količine (mostičenje) ali premajhne količine lota (hladni ali nepopolni spoji).
• Održevanje in čiščenje: Umazane maske zmanjšujejo enakomernost sprostitve testenine, kar vodi do nepravilnega tiskanja in težav s spajanjem.

3. Nastavitve in kalibracija peči za ponovno taljenje

• Temperaturni profil: Določitev pravilnega profila ponovnega taljenja za doseg enakomernega navlaževanja in brezhibnih spojev je bistvenega pomena.
• Kalibracija peči za ponovno taljenje: Nenavadni ali neenakomerno programirani peči povzročajo neenakomerno toploto po tiskanini, kar rezultira v prazninah, upogibanju ali okvarami spojev.

4. Načrtovanje tiskanine in ploščic

• Velikost in postavitev ploščic: Ploščice, ki so prevelike/premajhne ali neenakomerno razporejene, lahko povzročijo mostičenje in tombstoning.
• Toplotno odvajanje in prebosti: Dodajanje toplotnih prebostov in uravnoteženje območij polnjenja z bakerjem zmanjša tveganje hladnih lotnih spojev in termičnega šoka.

5. Procesni parametri in okoljski pogoji

• Vlažnost in temperatura: Nekontrolirani pogoji lahko povzročijo oslabitev paste, oksidacijo in delno navlaževanje lotne paste.
• Proces v tehnologiji površinskega montaže: Sodobne SMT linije morajo spremljati okoljske pogoje in jih po potrebi prilagajati za dosledne rezultate.

Učinkovite rešitve pri lepljenju s ponovnim segrevanjem

Rešitve pri lepljenju s ponovnim segrevanjem ciljno odpravljajo vsako osnovno vzročno dejavniko in so prilagojene za obravnavo celotnega obsega procesnih spremenljivk:

1. Nadzorovanje količine in nanašanja lepila za lot

• Uporabite avtomatizirane sisteme za preverjanje lepila za lot po vsakem tiskalnem ciklu.
• Redno preverjajte čistost sita in zamenjajte obrabljena sita.
• Prilagodite razmerje odprtine na situ velikosti ploščice za dosledno in zanesljivo nanášanje lepila za lot.

2. Optimizacija profila ponovnega segrevanja

• Uporabite termalne profilere v realnem času: Namestite termopare po vseh površinah tiskanega vezja, da zberete uporabne podatke za vsako cono in tip komponente. To zagotavlja enakomerno porazdelitev toplote, izogiba se lokalnemu pregrevanju ali nezadostnemu lepljenju, ki bi sicer lahko povzročili napake, kot so hladni lotni spoji ali šibka oprijema.
• Postopen pritrd na temperaturo: Proces reflowa mora vključevati nadzorovan pritrd, stabilno zadrževanje, ciljano vrhunsko temperaturo in postopen hlajenje. Hitri skoki ali neustrezni časi zadrževanja lahko povzročijo napake zaradi nepopolnega taljenja ali neenakomernega navlaževanja – še posebej pri neravnovesjih toplotnih mas zaradi neenakomerne porazdelitve komponent.
• Prilagodite nastavitve peči za vsako sestavo: Vsaka konstrukcija tiskanega vezja morda zahteva edinstvene nastavitve peči zaradi različne porazdelitve bakra, gostote komponent in debeline plošče. Natančno prilagajanje procesnih parametrov in overjanje vsake serije ohranja visokokakovostne lotarske spoje in zmanjšuje pogoste napake, kot so lotarski mostovi ali votline.

3. Preprečevanje lotarskih mostov in prekomerne nanosa lota

Lotarski mostovi so pogosta napaka pri lotanju. To pojavljanje neposredno povzroča krate koče. Take kratke koče predstavljajo pomembna tveganja za kakovost pri elektronski sestavi.

Ključne ukrepi za preprečevanje:

• Optimizacija šablone: Zasnujte odprtine za šablone, da natančno nadzorujete količino lemeža. S procesom tiskanja nadzorujte nanos lemeža in njegove odložitve, da preprečite prekomerno lemljenje.
• Izboljšajte izpust lemeža: Izberite šablone z nano-pokritjem ali poliranimi odprtinami ter uporabljajte ustrezni pritisk radlja. To zagotovi popolno odstranitev lemeža s šablone in zmanjša nezaželene mostičke lema.
• Avtomatizirana kontrola lemeža: Vključite avtomatizirane sisteme za spremljanje in zavrnitev tiskanih vezij z prekomerno količino lema ali slabim odložitvam, kar omogoča popravek napake že pred postopkom lemljenja.

4. Zmanjševanje praznin, hladnih spojev in nepopolnega lemljenja

Vrednosti ledenih združenja se nastanejo predvsem zaradi dveh značilnih vzrokov: neenakomernega porazdelitve temperature med segrevanjem ali nezadostne odlaganje lipne mase pod postopkovnimi standardi. Nezadostno segrevanje povzroči lokalno nepopolno taljenje materiala za spajkanje, nezadostna prostornina mase pa povzroči oslabljeno trdnost medmetalnih vezi. Te nepravilnosti v postopku neposredno ogrožajo mehansko celovitost spojnic za spajkanje in bistveno zmanjšujejo njihovo dolgoročno zanesljivost pri delu v terenskih pogojih.

Učinkovite rešitve:

• Izbira leve lipne mase: Novejše paste so zasnovane tako, da zmanjšujejo nastanek praznine pod BGA in QFN, kar je ključno za zasnovo visokega toka ali toplotnega ravnanja.
• Profiliranje za enotno ogrevanje: Prilagodite temperaturni profil, da se poveča enakomerno taljenje na plošči brez pregrevanja manj masičnih površin. Pravilno odlaganje in profil pomagajo preprečiti nepopolne spoje spajkalnikov.
• Načrtovanje za sestavljanje: Določite ustrezno velikost ploščadi in termalne prebore, da toplota doseže vsak spoj, še posebej pod velikimi, toploto oddajajočimi deli.

5. Reševanje problema z ukopavanjem, nastankom kroglic in premikom komponent

Ukopavanje in nastanek kroglic iz solda sta pogosto posledica neenakomerne toplote ali napačne paste/postavitve.

Ključne strategije:

• Z zagotovitvijo simetrije ploščadi in ujemanja končnih točk komponent omogočite uravnotežen tok solda.
• Uravnotežite temperature v fazah predogrevanja in izenačevanja.
• Med sestavljanjem dvoslojnih tiskanih vezij mora proizvodni osebje uporabiti lepilne predhodno fiksacijske rešitve za težke in natančne komponente. Ta postopek predhodnega pritrditve zagotovi stabilen položaj vsem vrstam komponent pred vstopom v peč za prelivno lemljenje.

6. Zagotavljanje vzdrževanja soldne paste in stensila

Zanesljivi rezultati so odvisni od vzdrževanja in kalibracije:

• Protokoli za čiščenje šablon: Redno čistite šablone, da preprečite zasuh nanošenega pastovnega lemeja, ki lahko blokira odprtine in vpliva na kakovost nanošenja lemeja.
• Umerjanje opreme za ponovno taljenje: Vedite dnevnik in redno umerjajte peči za ponovno taljenje ter postavljalne stroje. To zagotavlja natančno segrevanje po celotni tiskani vezni plošči ter pravilno nanošenje lemeja od cikla do cikla.

7. Izkoristek avtomatizirane kontrole in podatkov

• Avtomatizirana kontrola lemežnega lemeja (SPI): Vgrajena SPI preveri vsako posamezno nanošeno količino na vsaki plošči glede na prostornino, višino in položaj ter zazna morebitne napake že pred nadaljnjimi procesi.
• AOI in rentgenski pregled: Uporabljajte avtomatizirano kontrolo za preverjanje popolnosti lemežnih spojev, odkrivanje pogostih težav, kot je premalo lemeja, ter odkrivanje skritih napak.

Najboljše prakse za doseganje zanesljivih lemežnih spojev

Proizvodna podjetja morajo določiti stabilne proizvodne cilje za visokokakovostne lotarske spoje in zanesljivo sestavo tiskanih vezij. Proizvodni oddelek mora celovito vključiti naslednje osnovne rešitve za optimizacijo v obstoječe postopke sestave. Sistematična uvedba teh tehničnih ukrepov lahko učinkovito izboljša doslednost izdelkov in zanesljivost procesa.

• Celostni nadzor lotarskega procesa:

Dokumentirajte in spremljajte vsak korak prelivanja, od izbire lotarske paste do profila peči in pregleda.

• Neprekinjeno usposabljanje in izboljševanje:

Podjetja morajo organizirati sistematične tečaje strokovnega usposabljanja za operaterje. Proizvodni oddelki morajo izvajati specializirana tehnična usposabljanja na podlagi standardov IPC. Tovarne morajo uvesti redne mehanizme pregleda procesov. Ti ukrepi bodo znatno povečali sposobnost odkrivanja in preprečevanja napak.

• Stabilnost okolja:

Ohranite nadzorovano vlažnost in temperaturo proizvodnega območja, da preprečite težave zaradi vlage v lemilnem pasti ali ekstremnih sprememb okolja.

• Uvedba optimizacije na podlagi podatkov:

Zbirajte, pregledujte in odzivajte se na trende v podatkih iz pregledov, da odkrijete skrite težave – kot so mikro mostovi, nepopolni lemezni spoji ali trendi, specifični za določeno serijo.

Strategije pregledovanja, odpravljanja napak in popravila

Proizvodna podjetja morajo najprej ustanoviti popoln in standardiziran sistem proizvodnega procesa. Nato morajo razviti sistematične standarde kakovostnih pregledov, hkrati pa oblikovati učinkovite rešitve za obravnavo popravil. Ti upravljalni ukrepi skupaj zagotavljajo učinkovito delovanje proizvodnega sistema. ：

• Avtomatizirani pregled lemilne paste in lemeznih spojev: Vključite SPI in AOI v svoj sestavni proces, kar omogoča takojšnje opozorila na težave, kot so lemezni mostovi, premalo lemilne paste ali napačna postavitev.
• Analiza vzrokov: Ko se odkrije napaka, sledite njenemu izvoru: Ali je bila prekomerna zalivka, napačno toplotno profiliranje ali odmik pri postavljanju?
• Tehnike popravila in predelave: Pri obnovljivih napakah lahko usposobljeni serviserji uporabijo orodja z vročim zrakom ali lokalne postaje za ponovno zalivanje – vedno morajo beležiti opravljeno delo, da sledijo izvoru napak in stopnjam predelave.
• Zanka povratnih informacij: Reševanje teh izzivov ne izboljša le takojšnjega donosa, temveč tudi preprečuje prihodnje podobne težave.

Napredna optimizacija: Od materialov do kalibracije peči

Napredki pri izbiri materialov in paste

• Inženiring solderne paste: Izberite paste, ki ustrezajo zahtevam vaše sestave glede osipa, lepke in lastnosti ponovnega taljenja – še posebej za sestave plošč z majhnim razmikom vodnikov ali visoko gostoto.
• Delež brez svinca: Previdno prilagodite profile preliva za novejše brezsvinčne zlitine z višjo točko taljenja, da se izognete defekti ki izhajajo iz nezadostnega taljenja.

Pečna tehnologija in predvidna vzdrževanja

• Pametne peči: Sodobne reflow peči vključujejo senzorje, ki v realnem času beležijo temperaturo in opozarjajo na odstopanja ali razvoj anomalij v temperaturnem profilu, še preden povzročijo množične napake.
• Napovedna vzdrževalna dela: Uporabite strojno učenje in SPC podatke za načrtovanje čiščenja peči, zamenjavo ventilatorjev in kalibracijo, še preden se pojavijo napake – celo samodejno sprožanje opozoril pri odstopanjih donosov ali naraščajočih stopnjah lažnih sprejemov.

IoT in pametna proizvodnja

• Integrirajte reflow linije v sisteme MES po celotni tovarni za popolno sledljivost, spremljanje okoljskih pogojev in avtomatsko poročanje o napakah.
• Povežite podatke iz postopkov postavljanja, tiskanja, reflow in pregleda, da dobite celostno sliko celotne SMT linije.

Pogosta vprašanja

V: Katera je glavna razlika med lemljenjem z reflow postopkom in valovnim lemljenjem?

A: Reflow soldiranje stali leteči pasiv samo tam, kjer so nameščene komponente—podpira fine-pitch, dvostranske in visoko gostote plošče. Valovno soldiranje pa ploščo prevleče čez val tekočega kalaja, kar je najbolj učinkovito za skozi-luknjasto sestavljanje in manj učinkovito za sodobna delovna mesta z majhnim razmikom SMT.

V: Zakaj še vedno pride do mostov in kroglic kalaja, tudi kadar uporabljamo avtomatsko preverjanje?

A: Tudi čeprav je preverjanje avtomatizirano, lahko prekomerno količino kalaja, neenakomerno velikost plosci, umazane sita ali neprecizno programiranje peči povzročijo te pogoste težave, če jih ne odpravimo v korenu procesa.

V: Kako lahko zagotovim, da je moj reflow profil pravilen?

A: Optimizirajte z uporabo termalnih profilerjev, preverite po celotni tiskani vezni plošči in vzorčite več plošč. Prilagodite profil za vsak nov dizajn, še posebej kadar zamenjate pasto za soldiranje ali bistveno spremenite postavitev komponent.

V: Ali avtomatsko preverjanje paste za soldiranje odpravi vse napake, povezane s pasto?

A: Avtomatizirana preverba ujame večino težav s količino in obliko paste, vendar mora biti kombinirana z rednim vzdrževanjem sita, pravilno izbiro paste ter nadzorom okoljskih pogojev za najboljše rezultate.

V: Kaj naj storim, če sistematično opažam pore ali nepopolne lotne spoje?

A: Preglejte kakovost paste, kalibracijo peči in preverite morebitno kontaminacijo. Prilagodite čase zadrževanja in hitrost dviga temperature ter po potrebi preklopite na paste z nižjo nastankom por.

Zaključek: Obvladovanje izzivov in rešitev pri reflow lotenju

Premagovanje izzivov in reševanje težav pri reflow lotenju je nenehen proces. Z razumevanjem pogostih težav pri reflow postopku—kot so mostičenje lota, kadar odvečni lot ni ustrezno nadzorovan, neenakomerno segrevanje na tiskanem vezju ali plosci zaradi nedostaja lota med reflow postopkom—lahko inženirji in proizvajalci uveljavijo učinkovite rešitve, od izbire lotne paste do optimizacije reflow profila.

Z natančnim nadzorom oblikovanja sit, kalibracije peči, nanosa paste in stalnega pregleda lahko vaša ekipa dosledno zagotavlja visoko kakovostne lotne spoje, zmanjša pojav napak ter doseže zanesljive sestave tiskanih vezij svetovnega razreda. Napredna analitika in pametna proizvodnja le dodatno okrepita vaša orodja za uspeh.