Грешке при лемљењу рефлуксом: изазови и решења

Увод у лемљење рефлуксом

Технологија лемљења рефлуксом представља основни процес за производњу модерних висококвалитетних скупова штампаних плоча. Ова техника остварује електричну повезаност тачним постављањем компоненти за површинску монтажу (SMD) на одређена места за контакт на штампаној плочи. Као доминантна метода унутар технологија површинског монтажирања (SMT) система, лемљење рефлуксом показује изразите карактеристике у применама које обухватају минијатурне електронске компоненте и високо-густе шеме кола. У поређењу са конвенционалним процесима лемљења таласом, лемљење рефлуксом показује изузетну прилагодљивост процеса. Његова флексибилност омогућава разноврсне конфигурације компоненти, док његова скалабилност система задовољава разноврсне захтеве капацитета производње.

Процес лемљења рефлуксом састоји се од три критичне оперативне фазе које се изводе у низу. Прво, радници морају прецизно нанети пасту за лемљење на одређена подручја контактних површина на штампаној плочи. Након тога, специјализована опрема за постављање компоненти тачно позиционира електронске делове на места прекривена пастом, према програмираним параметрима. Плоча опремљена компонентама затим улази у пећ за рефлукс са контролисаним температурним профилима како би се завршио процес лемљења, током којег паста за лемљење пролази кроз физичке трансформације топљења и чвршћења унутар пећи, на крају формирајући поуздане лемове спојеве који имају и механичку чврстоћу и електричну проводност. Овај комплексни процес лемљења чини основни системски поступак модерних производних линија за склапање електронике. Његове техничке примене потпуно су се прошириле како на потрошачку електронику, тако и на индустријску контролу, обухватајући специфичне категорије производа попут преносивих уређаја као што су смартфони и индустријска опрема као што су системи за управљање аутомобилима.

Наставак тенденције минијатуризације електронских уређаја и повећана густина интеграције штампаних плоча постављају нове техничке изазове за процесе лемљења рефлуксом. Савремена производња мора систематски да се суочи са више типичних дефекта лемљења, укључујући мостове од лема, стварање капи лема, хладне лемове везе, порозност и оштећења услед термичког напона. За ове категорије дефекта неопходно је спровести специјализоване мере побољшања процеса. Произвођачи морају систематски да истражују механизме формирања дефекта и да засновано на резултатима истраживања успоставе прецизне системе контроле процеса. Примена овог приступа техничком управљању обезбеђује двоструку сигурност за производе електронске амбалаже: с једне стране, осигурава довољно висок степен исправности у производном процесу, а с друге стране гарантује сталну и стабилну радну способност током целокупног временског периода употребе производа.

Процес рефлуксног лемљења у технологији површинског монтажирања (SMT)

Процес рефлуксног лемљења може се сумирати у неколико кључних фаза. Зона предгревања имплементира прецизну контролу температуре ради активације флукса. Зона рефлукса омогућава металуршки везивање лема како би се формирали поуздани лемни спојеви. Свака фаза процеса има одлучујући утицај на квалитет лемних спојева. Сви ови елементи заједно чине основну гаранцију за општу поузданост електронских компоненти.

1. Наношење пасте за лемљење

• Процес штампања помоћу шаблона: Коришћењем шаблона, паста за лемљење се наноси на одређене контактне површине на штампаној плочи. Процес штампања мора контролисати количину нанете пасте како би се избегли дефекти, као што су прекомерна количина лема (што доводи до мостовања) или недовољна количина пасте (што изазива непотпуне лемне спојеве).
• Усаглашеност наношења пасте: Напредне линије користе аутоматизоване системе за инспекцију пасте за лемљење како би пратиле запремину, облик и наношење пасте, одмах уочавајући све девијације.

2. Постављање компонената

• Машине за узимање и постављање: Оне аутоматизују брзо и прецизно постављање компонената на свеже нанесене контактне површине, осигуравајући брзину и тачност на целој штампаној плочи.
• Контрола постављања: Добро подешене машине спречавају косо постављање компонената и смањују ризик од неправилног поравнања.

3. Лемљење загревањем

• Пећ за лемљење: Склоп пролази кроз вишезонску пећ за лемљење у којој контролисано и равномерно загревање топи пасту за лемљење. Правилно загревање по целој штампаној плочи осигурава да се сви спојеви затврде и створе чврсте електричне и механичке везе.
• Профили температуре: Рефлуксне пећи су програмиране са одређеним нагибом температуре, временом задржавања, максималном температуром и брзином хлађења, све прилагођено специфичном процесу монтаже и материјалима.

4. Хлађење

• Униформно распршавање топлоте: Контролисано хлађење спречава термички шок и осигурава чврсте, безупљне лемове везе. Неравномерно хлађење може изазвати напон, извртање или пукотине.

5. Инспекција након монтаже

• Аутоматска и ручна инспекција: AOI , X-ZRKA , а ручне провере потврђују да је лем добро протекао и овлажио површину, као и да не постоје дефекти лемљења (као што су лемни мостови или куглице лема).

Уобичајени проблеми и недостаци код рефлуксног лемљења

Технологија заваривања наставља да се развија. Процеси рефлуксног лемљења и даље су суочени са више уобичајених изазова. Нерешени проблеми ће довести до квалитетних проблема на скуповима штампаних плоча.

Ови се јављају као опште умањење квалитета производа или функционални кварови.

1. Мостовање лема

• Definicija: Мостовање лема се дешава када вишак лема створи непредвиђену електричну везу између два или више суседних контактних поља или извода.
• Зашто се дешава: Лош дизајн шаблона, превелика количина пасте за лемљење или нетачно подешавање пећи могу довести до ове грешке.

2. Стварање лемних куглица

• Definicija: Мале сфере лема (лемне куглице) остају расуте по штампаној плочи након процеса рефлукса.
• Uzroke: Често је узроковано присуством влаге у пасти, брзим повећањем температуре или прљавим таблама/шаблонима.

3. Камено гробно споменик (Томбстоунинг)

• Definicija: Компонента стоји на једном крају („као манихетнске небодере“) због неједнаког загревања или разлике у величини контактних поља.
• Utica: Узрокује отворене коле због непотпуног формирања лемног споја.

4. Хладни лемови

• Definicija: Лем изгледа мат, зрнат или порозан; често престаје да функционише електрично или механички.
• Разлози: Ниска температура пећи, недовољна количина пасте за лемљење или контаминирана површина током процеса рефлоу лемљења.

5. Шупљине и непотпуни лемови

• Шупљине унутар лема подмињавају способност провођења струје и расипања топлоте, нарочито на прикључцима за напајање и масу.
• Грешка је често последица ослобађања гасова, лошег избора пасте или недовољно одговарајућих профила рефлоу лемљења.

6. Неусаглашеност компоненти

• Током рефлоу процеса, компоненте се могу померити због неједнаког површинског напона или превелике вибрације, што доводи до функционалних кварова и трошкова поправке.

Табела сумирања: Уобичајене грешке и њихови узроци

Основни узроци дефекта приликом лемљења

Решавање ових изазова захтева истраживање основних узрока. Неке од главних променљивих које често доводе до формирања дефекта:

1. Избор и наношење пасте за лемљење

• Избор пасте за лемљење: Поступак обухвата процену легуре, величине честица и хемијског састава флукса. Погрешан избор може довести до непотпуних лемних веза, прекомерних остатака или кртканих спојева.
• Наношење тракт пасте: Поступак штампања мора контролисати количину дозираног лема. Аутоматска инспекција пасте за лемљење може драматично смањити недостатке у штампању.

2. Конструкција и одржавање шаблона

• Облик и величина отвора: Има директан утицај на депозицију, а тиме и на запремину пасте за лемљење. Лоша конструкција доводи до вишака (мостовање) или недовољне количине лема (хладни или непотпуни спојеви).
• Održavanje i čišćenje: Прљави шаблони смањују једноликост испуштања пасте, што доводи до неусаглашености при штампању и проблема са спајањем.

3. Подешавања и калибрација пећи за рефлуксно лемљење

• Температурни профил: Постављање одговарајућег профила рефлукса ради постизања једноликог намачивања и спојева без недостатака је од суштинског значаја.
• Калибрација пећи за рефлуксно лемљење: Нестабилне или неправилно програмиране пећи узрокују неједнаку температуру по штампаној плочи, што резултира шупљинама, извртањем или кваровима спојева.

4. Конструкција ПП и контактних поља

• Величина и распоред контактних поља: Контактна поља која су превелика/премала или неравномерно размакнута могу довести до мостовања и ефекта сандучења.
• Термално олакшање и проводни отвори (vias): Додавање термалних проводних отвора и равномерно распоређивање бакарних површина смањује ризик од хладних лемних веза и топлотног удара.

5. Параметри процеса и услови околине

• Влажност и температура: Неконтролисани услови могу изазвати прогибање пасте, оксидацију и непотпуно мочење лема.
• Процес у технологији површинског монтажирања: Савремене SMT линије морају pratити амбијенталне услове и прилагођавати их како би се осигурали конзистентни резултати.

Ефикасна решења у рефлоу лемљењу

Решења у рефлоу лемљењу обухватају сваки основни узрок и прилагођена су за уклањање читавог спектра варијабли процеса:

1. Контрола запремине и наношења пасте за лемљење

• Користите аутоматизоване системе за проверу пасте за лемљење након сваког циклуса штампе.
• Редовно проверавајте чistoћу штампе и замењујте оштећене штампе.
• Ускладите однос отвора на штампи са величином контактне површине ради конзистентног и поузданог наношења лема.

2. Оптимизација профила рефлоу лемљења

• Користите термалне профилисере у реалном времену: Поставите термопарове преко ППХ-а да бисте прикупили корисне податке за сваку област и тип компоненте. Ово осигурава равномерну дистрибуцију топлоте, избегавајући локално прегревање или недовољно топлотно оптерећење, што може довести до мана као што су хладни лемови или слаба адхезија.
• Постепено повећање температуре: Процес рефлоу лемљења треба да укључује контролисано повећање температуре, стабилно протоколно време, циљану максималну температуру и постепено хлађење. Брзи скокови или неправилно време задржавања могу изазвати недостатке услед непотпуног топљења или неједнаког мочења — нарочито око дисбаланса топлотне масе због неједнаке расподеле компоненти.
• Прилагодите подешавања пећи свакој појединичној скуповини: Сваки дизајн ПЦБ-а може захтевати јединствена подешавања пећи због различите расподеле бакра, густине компоненти и дебљине плоче. Прецизно подешавање параметара процеса и потврђивање сваке серије очувава висококвалитетне лемне везе и минимизира уобичајене недостатке као што су мостови од лема или шупљине.

3. Спречавање стварања мостова од лема и превеликог отапања лема

Стварање мостова од лема је типичан недостатак у процесу лемљења. Ова појава директно узрокује кратке спојеве у колима. Такви кратки спојеви представљају значајне ризике по квалитет у електронским скуповинама.

Кључне мере спречавања:

• Оптимизација шаблона: Dizajnirajte otvore šablona za precizno regulisanje količine lema. Tokom procesa štampe, kontrolišite nanošenje lema i taloženje kako biste sprečili prekomerno lemljenje.
• Unapređenje otpuštanja lema: Odaberite šablone sa nano-pokrivačima ili poliranim otvorima i koristite odgovarajući pritisak grejera. Ovo osigurava potpuno uklanjanje lema sa šablona, smanjujući neželjene mostove lema.
• Automatska provera lemljenja: Uvedite automatizovane sisteme za nadzor i odbacivanje PCB sklopova sa prekomernim lemljenjem ili lošim taloženjem, ispravljajući problem pre reflow procesa.

4. Smanjenje šupljina, hladnih spojeva i nepotpunog lemljenja

Praznine unutar lemljenog spoja smanjuju prenos toplote. Stvaranje hladnih lemljenih spojeva uglavnom proizilazi iz dva tipična razloga: neravnomerna raspodela temperature tokom zagrevanja ili nedovoljna količina lema ispod procesnih standarda. Nedovoljno zagrevanje rezultuje delimičnim nepotpunim topljenjem lemnog materijala, dok premala količina lema vodi do oslabljenja čvrstoće međumetalne veze. Ove procesne anomalije direktno ugrožavaju mehaničku stabilnost lemljenih spojeva i značajno smanjuju njihovu dugoročnu pouzdanost u stvarnim uslovima eksploatacije.

Učinkovita rešenja:

• Izbor lema sa niskim stvaranjem praznina: Noviji lemovi su konstruisani tako da smanje stvaranje praznina ispod BGAs i QFNs, što je ključno za dizajne sa visokom strujom ili upravljanje toplotom.
• Profilisanje za ravnomerno zagrevanje: Podesite temperaturni profil kako biste maksimalno postigli ravnomerno topljenje po celoj ploči bez pregrevanja oblasti sa malom masom. Ispravna količina nanetog lema i odgovarajući profil pomažu u sprečavanju nepotpunih lemljenih spojeva.
• Дизајн за скупљање: Наведите одговарајућу величину контактне површине и термалне вије како би топлота достигла сваки спој, нарочито испод великих делова који расипају топлоту.

5. Решавање проблема преметања компоненти (tombstoning), групанja лема и померања компоненти

Преметање компоненти (tombstoning) и стварање капи лема често су последица неједнаког загревања или неправилно нанесене пасте/постављања.

Кључне стратегије:

• Обезбедите симетрију контактних површина и ускладите их са завршетком компоненте ради уравнотеженог тока лема.
• Уравнотежите температурне профиле током фазе предгревања и квашења.
• Током производње двостране штампане плоче, особље мора применити адхезивно претходно фиксирање за тешке и прецизне компоненте. Овај поступак осигурава да све врсте компоненти задрже стабилан положај пре уласка у пећ за рефлоу лемљење.

6. Одржавање лем пасте и решетастих маски

Поуздан излаз зависи од редовног одржавања и калибрације:

• Протоколи чишћења шаблона: Редовно чистите шаблоне како бисте спречили засушену пасту за лемљење да блокира отворе и утиче на квалитет наношења пасте.
• Калибрисање опреме за рефлуксно лемљење: Водите записнике и редовно калибришите пећи за рефлукс и машине за постављање. Ово одржава тачно загревање по целој штампаној плочи и тачно наношење пасте од циклуса до циклуса.

7. Искоришћавање аутоматизоване инспекције и података

• Аутоматизована инспекција пасте за лемљење (SPI): Уградјена SPI проверава сваку нанету количину пасте на свакој плочи по запремини, висини и положају, откривајући потенцијалне недостатке пре низводних процеса.
• AOI и X-зраци: Користите аутоматизовану инспекцију да бисте проверили потпуност лемних везова, испратили уобичајене проблеме као што је недовољно лема и открили скривене мане.

Најбоље праксе за постизање поузданог квалитета лемних везова

Производна предузећа треба да поставе стабилне производне циљеве за висококвалитетне лемове чворове и поуздану монтажу штампаних плоча. Одсек за производњу мора свеобухватно интегрисати следећа језгрова решења оптимизације у постојеће процесе монтаже. Системска имплементација ових техничких мера може ефикасно побољшати конзистентност производа и поузданост процеса.

• Контрола лемљења од почетка до краја:

Документујте и пратите сваки корак рефлуксног лемљења, од избора пасте за лем до профила пећи и инспекције.

• Непрестано усавршавање и обука:

Предузећа треба да организују систематске курсеве стручне обуке за раднике. Производни одсеци треба да спроводе специјализовану техничку обуку на основу IPC стандарда. Фабрике треба да успоставе редовне механизме прегледа процеса. Ове мере значајно ће побољшати способност детектовања и спречавања недостатака.

• Stabilnost u okruženju:

Održavajte kontrolisanu vlažnost i temperaturu u proizvodnom prostoru kako biste sprečili probleme uzrokovane vlagom u lemilu ili ekstremnim promenama spoljašnje sredine.

• Implementirajte optimizaciju zasnovanu na podacima:

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

Strategije inspekcije, otklanjanja kvarova i popravke

Preduzeća proizvođači moraju prvo uspostaviti potpun i standardizovan sistem proizvodnog procesa. Zatim bi trebalo da razviju sistematske standarde kvaliteta inspekcije, istovremeno formulišući efikasna rešenja za ponovnu obradu. Ove upravljačke mere zajedno obezbeđuju efikasno funkcionisanje proizvodnog sistema ：

• Automatizovana inspekcija lemilne paste i spojeva: Integrišite SPI i AOI u svoj proces montaže, omogućavajući alarme u realnom vremenu za probleme poput lemljenja mostova, nedovoljne količine lemilne paste ili netačnog postavljanja.
• Анализа коренских узрока: Када се пронађе дефект, потражите његов извор: да ли је то било превише лема, нетачно термално профилисање или померање приликом постављања?
• Технике поправке и переделки: За отклониве дефекте, вешти техничари за поправку могу користити алате са загрејаним ваздухом или локалне станице за поновно топљење — увек бележећи сваки посао ради праћења порекла дефекта и стопе переделки.
• Povratna sprega: Решавање ових изазова не само побољшава тренутну исплативост, већ спречава и будуће сличне проблеме.

Напредна оптимизација: од материјала до калибрације пећи

Напредак у избору материјала и пасте

• Инжењеринг лем пасте: Одаберите пасте које одговарају захтевима ваше компоненте у погледу спуштања, лепљивости и карактеристика рефлоу процеса — нарочито за фина пиновања или високо-густе PCB компоненте.
• Аспекти без оловa: Пажљиво подесите профиле рефлоу за новије легуре без олова са вишом тачком топљења како бисте избегли дефекти које произилазе из недовољног топљења.

Технологија пећи и предвиђиво одржавање

• Паметне пећи: Савремене рефлуксне пећи укључују сензоре који у стварном времену прате температуру, упозоравајући на одступања или појаву аномалија у профилу температуре пре него што доведу до масовних грешака.
• Prediktivno održavanje: Користите машинско учење и SPC податке за заказивање чишћења пећи, замену вентилатора и калибрацију пре него што се појаве грешке — чак и аутоматизацију упозорења за одступања приноса или пораст лажних прихватања.

ИоТ и паметна производња

• Интегришите линије за рефлукс у системе МЕС широм фабрике ради потпуне пративости, мониторинга околине и аутоматског пријављивања грешака.
• Повежите податке са система за постављање, штампања, рефлукса и инспекције да бисте добили холистичку слику целокупне СМТ линије.

Često postavljana pitanja

П: Која је главна разлика између лемљења рефлуксом и таласног лемљења?

A: Reflow lemljenje topi lemovu pastu samo na mestima gde su postavljeni komponenti — podržava fine-pitch, dvostrane i visokogustinske ploče. Talasno lemljenje provodi ploču preko talasa rastopljenog lema, najbolje za lemljenje kroz rupe i manje efikasno za moderne SMT radove sa finim koracima.

P: Zašto dolazi do mostova i formiranja loptica lema i dalje, čak i uz automatizovanu kontrolu?

A: Čak i uz automatizaciju, prekomerna količina lema, nejednake veličine padova, prljave šablone ili neprecizno programiranje pećnice mogu izazvati ove uobičajene probleme ako se ne isprave na korenu procesa.

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

A: Optimizujte korišćenjem termalnih profiler-a, validirajte po celoj PCB ploči i testirajte više uzoraka ploča. Prilagodite profil svakom novom dizajnu, naročito kada menjate lemovu pastu ili raspored glavnih komponenti.

P: Da li automatizovana inspekcija lemove paste uklanja sve greške vezane za pastu?

А: Аутоматска инспекција открива већину проблема са запремином и обликом пасте, али мора бити упарена са добром одржавањем шаблона, правилним избором paste-а и контролом околине ради најбољих резултата.

П: Шта треба да урадим ако константно приметим празнине или непотпуне лемове?

А: Проверите квалитет пасте, калибрацију пећи и присуство контаминансе. Прилагодите времена задржавања и стопе загревања и пређите на paste-ове са мање празнина уколико је потребно.

Закључак: Овладавање изазовима и решењима при лемљењу рефлуксом

Савладавање изазова и решења при лемљењу рефлуксом је сталан процес. Разумевањем уобичајених проблема као што су мостови од лема услед неправилног управљања вишком лема, неједнаког загревања по PWB или контактној површини током лемљења због недовољно лема, инжењери и произвођачи могу применити ефикасна решења, од избора пасте за лемљење до оптимизације профила рефлукса.

Кроз пажљиво контролисање дизајна шаблона, калибрацију пећи, наношење пасте и сталну инспекцију, ваш тим може конзистентно достављати лемове високог квалитета, минимизирати појаву недостатака и остварити поуздане, светског класе ППР склопове. Напредна аналитика и паметна производња још само побољшавају ваше алате за успех.