Дефекти паяння рефлоум: виклики та рішення

Вступ до процесу припоювання оплавленням

Технологія припоювання оплавленням є основним процесом сучасного виробництва якісного монтажу друкованих плат. Цей метод забезпечує електричне з'єднання шляхом точного розташування компонентів поверхневого монтажу (SMD) у відповідних місцях на контактних площадках друкованих плат. Як провідний метод у технологія поверхневого монтажу (SMT) системі, припій оплавленням має виразні характеристики у застосуваннях, пов’язаних із мініатюрними електронними компонентами та високощільними схемами. У порівнянні з традиційними процесами хвильового припоювання, припій оплавленням відрізняється значною технологічною гнучкістю. Його адаптивність дозволяє працювати з різноманітними конфігураціями компонентів, а масштабованість системи задовольняє різні вимоги до обсягів виробництва.

Процес паяння в пічному режимі складається з трьох послідовно виконуваних критичних операційних етапів. Спочатку оператори мають точно нанести матеріал припою у вигляді пасту на спеціальні контактні площадки друкованої плати. Потім спеціалізоване обладнання для збирання компонентів точно розміщує електронні компоненти на покритих пастою ділянках згідно з запрограмованими параметрами. Друкована плата з встановленими компонентами потім надходить у піч для паяння з контрольованим температурним профілем, де завершується процес паяння, під час якого матеріал припоя проходить фізичні перетворення — плавлення та затвердіння в печі, в результаті чого утворюються надійні паяні з'єднання, що мають як механічну міцність, так і електричну провідність. Ця комплексна процедура паяння становить основу технологічного процесу сучасних ліній збірки електроніки. Її технічне застосування повністю охоплює як побутову електроніку, так і галузь промислової автоматики, зокрема такі категорії продуктів, як портативні пристрої (наприклад, смартфони) та промислове обладнання, зокрема системи керування автомобілями.

Продовження тенденції мініатюризації електронних пристроїв та зростання щільності інтеграції друкованих плат створює нові технічні виклики для процесів паяння оплавленням. Сучасне виробництво має системно вирішувати кілька типових дефектів паяння, зокрема утворення містків з припою, кульок з припою, холодного з’єднання, дефекти пористості та пошкодження від термічного напруження. Для цих категорій дефектів необхідно застосовувати спеціалізовані заходи щодо покращення процесу. Виробникам потрібно систематично глибоко досліджувати механізми утворення дефектів і на основі отриманих результатів створювати точні системи контролю процесів. Застосування такого підходу до технічного управління забезпечує подвійну гарантію для продуктів електронного монтажу: з одного боку, це гарантує достатньо високий відсоток придатної продукції під час виробничого процесу, а з іншого — забезпечує сталість і надійність роботи протягом усього терміну експлуатації продукту.

Процес рефлюсового споювання в технології поверхневої монтажу (SMT)

Процес рефлюсового спою можна підсумувати на кілька ключових етапів. Зона попереднього нагріву реалізує точний контроль температури для досягнення активації потоку. Зона відтоку полегшує металургічне з'єднання спою для формування надійних споюних з'єднань. Кожна стадія процесу має вирішальний вплив на якість спою. Всі ці елементи разом складають фундаментальну гарантію загальної надійності компонентів схеми.

1. Нанесіння пасти для спою

• Процес друку на стенцилі: За допомогою штенсілів пасту спою депонують на обрані пластини. Процес друку повинен контролювати кількість відкладеної пасти для сполучення, щоб уникнути дефектів, включаючи надмірну пасту (що призводить до перетинання) або недостатню пасту для сполучення (що викликає неповні сполучення сполучення).
• Консистенція нанесіння мази: На передових лініях використовуються автоматизовані системи перевірки пасти для спою, щоб контролювати обсяг, форму та осадок пасти, негайно відзначаючи будь-які відхилення.

2. Розміщення компонентів

• Машини для збирання та розміщення: Вони автоматизують швидке та точне розміщення компонентів на свіжоносмальтованих контактних площадках, забезпечуючи швидкість і точність по всій друкованій платі.
• Контроль розміщення: Добре налаштовані машини запобігають перекосу компонентів і зменшують ризик їх неправильного вирівнювання.

3. Нагрівання під час паяння

• Паяльна піч: Збірка проходить через багатозонну паяльну піч, де контрольований рівномірний нагрів розплавляє паяльну пасту. Правильний нагрів по всій друкованій платі забезпечує затвердіння всіх паяних з'єднань для створення міцних електричних і механічних зв'язків.
• Профілі температур: Рефлоуні печі програмуються з певним температурним підйомом, часом витримки, максимальною температурою та швидкістю охолодження, всі параметри адаптовані до конкретного процесу складання та матеріалів.

4. Охолодження

• Рівномірне відведення тепла: Контрольоване охолодження запобігає термічному удару та забезпечує міцні, безпорожнинні паяні з'єднання. Нерівномірне охолодження може призводити до напружень, деформації або тріщин.

5. Перевірка після складання

• Автоматична та ручна перевірка: AOI , РЕНГЕН , а також ручні перевірки підтверджують правильне протікання та змочування припою, а також відсутність дефектів паяння (наприклад, перемичок або кульок припою).

Поширені проблеми та дефекти при рефлоу-паянні

Технології зварювання продовжують розвиватися. Процеси рефлоу-паяння все ще стикаються з низкою поширених проблем. Невирішені питання призведуть до проблем із якістю при виготовленні друкованих плат.

Це виявляється у загальному погіршенні якості продукту або функціональних відмовах.

1. Замикання паяльним припоєм

• Визначення: Замикання паяльним припоєм виникає, коли надлишок припою утворює ненавмисне електричне з'єднання між двома або більше сусідніми контактними площадками або виводами.
• Чому це відбувається: Поганий дизайн трафарету, надмірне завантаження паяльної пасти або неправильні налаштування печі можуть призвести до цього дефекту.

2. Утворення кульок із припою

• Визначення: Дрібні кульки з припою залишаються розсіяними по платі після процесу паяння.
• Причини: Часто це спричинено вологістю в пасті, швидким підвищенням температури або забрудненими платами/трафаретами.

3. Ефект 'гробової плити'

• Визначення: Компонент стає на один кінець («як небоскреби Манхеттена») через неоднаковий нагрів або різницю в розмірах контактних площадок.
• Вплив: Призводить до обриву ланцюга через неповне утворення паяного з'єднання.

4. Холодні паяні з'єднання

• Визначення: З'єднання виглядає матовим, зернистим або пористим; часто призводить до електричного або механічного відмовлення.
• Причини: Низька температура печі, недостатня кількість паяльного пастки або забруднена контактна площадка під час процесу плавлення.

5. Порожнини та неповні з'єднання

• Порожнини всередині паяного з'єднання погіршують здатність передавати струм і розсіювати тепло, особливо на контактних площадках живлення та заземлення.
• Дефект часто викликається виділенням газів, неправильним вибором пастки або недостатніми профілями плавлення.

6. Невідповідність положення компонентів

• Під час процесу плавлення компоненти можуть зміщуватися через зміну положення площадки, що призводить до функціональних відмов і витрат на переділання через нерівномірну поверхневу напругу або надмірну вібрацію під час процесу плавлення.

Зведена таблиця: Поширені дефекти та їх причини

Основні причини дефектів паяння

Для вирішення цих проблем необхідно глибше дослідити їхні первинні причини. Деякі ключові фактори, які часто призводять до утворення дефектів:

1. Вибір та нанесення паяльної пастки

• Вибір паяльної пастки: Процес передбачає оцінку сплаву, розміру частинок і хімічного складу флюсу. Неправильний вибір може призвести до неповних паяних з'єднань, надмірних залишків або крихких контактів.
• Нанесення припою Процес друку повинен контролювати кількість нанесеного припою. Автоматична інспектування паяльної пасти може значно зменшити дефекти друку.

2. Конструювання та обслуговування шаблонів

• Форма та розмір отвору: Безпосередньо впливає на осадження, а отже, і на об’єм паяльної пасти. Поганий дизайн призводить до надлишку (замикання) або недостатньої кількості припою (холодні або неповні з’єднання).
• Обслуговування та чистка: Брудні шаблони знижують рівномірність виділення пасти, що призводить до зсуву друку та проблем із припаюванням.

3. Налаштування та калібрування паяльної печі

• Температурний профіль: Правильне налаштування профілю паяння для забезпечення рівномірного змочування та бездефектних з’єднань має важливе значення.
• Калібрування паяльної печі: Нестабільні або хаотично запрограмовані печі спричиняють нерівномірний нагрів плати, що призводить до утворення пор, деформації або виходу з ладу з’єднань.

4. Конструювання друкованих плат і контактних майданчиків

• Розмір і розташування майданчиків: Майданчики, що є надто великими/малими або нерівномірно розташованими, можуть сприяти утворенню містків та явищу 'тумбстоунінгу'.
• Термовідведення та перехідні отвори: Додавання термовідведених перехідних отворів і вирівнювання областей мідного заливання зменшує ризик холодних паяних з'єднань і теплового удару.

5. Параметри процесу та умови навколишнього середовища

• Вологість і температура: Неконтрольовані умови можуть призводити до провисання пастри, окислення та часткового змочування паяльної пастри.
• Процес у технології поверхневого монтажу: Сучасні лінії SMT мають контролювати навколишні умови та коригувати їх за необхідності для отримання стабільних результатів.

Ефективні рішення у процесі паяння оплавленням

Рішення у процесі паяння оплавленням охоплюють кожну первинну причину та налаштовані для врахування всього діапазону змінних процесу:

1. Контроль об'єму та нанесення паяльного пастоподібного матеріалу

• Використовуйте автоматизовані системи перевірки паяльної пасти після кожного циклу друку.
• Регулярно перевіряйте чистоту трафаретів і замінюйте зношені трафарети.
• Підбирайте співвідношення площі отвору трафарета до розміру контактного майданчика для стабільного та надійного нанесення припою.

2. Оптимізація профілю паяння оплавленням

• Використовуйте термопрофілери в реальному часі: Розміщуйте термопари по всій платі, щоб отримати корисні дані для кожної ділянки та типу компонентів. Це забезпечує рівномірний розподіл тепла, уникнення локального перегріву або недостатнього плавлення, що може призвести до дефектів, таких як холодні паяні з'єднання або слабке зчеплення.
• Поступове підвищення температури: Процес рефлоу повинен включати контрольований підйом, стабільне витримування, цільовий пік та поступове охолодження. Раптові стрибки або неправильні часи витримки можуть призвести до дефектів через неповне плавлення або неоднакове змочування — особливо через дисбаланс теплової маси через неоднаковий розподіл компонентів.
• Налаштуйте параметри печі для кожної збірки: Кожна конструкція друкованої плати може вимагати унікальних налаштувань печі через різний розподіл міді, щільність компонентів і товщину плати. Точне налаштування параметрів процесу та перевірка кожної партії забезпечують високоякісні паяні з'єднання та мінімізують типові дефекти, такі як паяльні перемички або пори.

3. Запобігання паянню перемичок та надмірному нанесенню припою

Паяння перемичок — це типовий дефект у процесі паяння. Це явище прямо призводить до коротких замикань у ланцюзі. Такі короткі замикання становлять значний ризик якості у електронних збірках.

Основні заходи профілактики:

• Оптимізація трафарета: Спроектуйте отвори трафарету для точного регулювання кількості паяльного пастоподібного матеріалу. На етапі друку контролюйте нанесення пастоподібного матеріалу та його осадження, щоб уникнути надлишкового припою.
• Покращення вивільнення паяльної пастки: Обирайте трафарети з нано-покриттями або полірованими отворами та використовуйте правильний тиск ракеля. Це забезпечує повне очищення пастки від трафарету, зменшуючи небажані мостики припою.
• Автоматична інспекція паяльної пастки: Застосовуйте автоматизовані системи для контролю та відбракування плат з надлишковим припоєм або поганим осадженням, виправляючи проблему до процесу плавлення.

4. Зменшення порожнин, холодних паяних з'єднань та неповного паяння

Порожнини всередині паяного з'єднання знижують передачу тепла. Утворення дефектів холодного паяння в основному виникає з двох типових причин: неоднорідний розподіл температури під час нагрівання або недостатнє нанесення паяльного пастового матеріалу нижче технологічних стандартів. Недостатнє нагрівання призводить до локального неповного плавлення паяльного матеріалу, тоді як недостатній об’єм пасты призводить до ослаблення міцності міжметалевих зв'язків. Ці технологічні відхилення безпосередньо порушують механічну цілісність паяних з'єднань і значно знижують їхню довготривалу експлуатаційну надійність у реальних умовах роботи.

Ефективні рішення:

• Вибір паяльної пасти з низьким утворенням порожнин: Сучасні пасты розроблені для зменшення утворення порожнин під BGAs та QFNs, що критично важливо для конструкцій з високим струмом або управлінням теплом.
• Налаштування профілю для рівномірного нагрівання: Налаштуйте температурний профіль, щоб забезпечити максимально рівномірне плавлення по всій платі, не перегріваючи ділянки з малою масою. Правильне нанесення та профіль допомагають запобігти неповним паяним з'єднанням.
• Конструкція для збірки: Укажіть відповідний розмір підкладки та теплові канали, щоб тепло досягало кожного з'єднання, особливо під великими частинами, що розсіюють тепло.

5. Виконання кладки на могили, кулі і рух компонентів

Гробні камені і споріджувальні кулі часто пов'язані з нерівномірною теплом або неправильним розміщенням пасти.

Ключові стратегії:

• Забезпечити симетрію підкладки і відповідати кінцевому кінці компонента для збалансованого потоку спою.
• Збалансуйте температурні профілі під час фази попереднього нагріву та замокання.
• Під час збірки двосторонніх платок виробничі працівники повинні застосовувати ліпильні рішення для попереднього закріплення важких і точних компонентів. Ця процедура попереднього закріплення забезпечує, щоб всі типи компонентів зберігали стабільне положення перед входом у печню для повторного перетікання.

6. Забезпечення обслуговування пасти для спою та штенсілів

Довірні результати залежать від технічного обслуговування та калібрації:

• Протоколи очищення трафаретів: Регулярно очищайте трафарети, щоб запобігти засиханню паяльного пастки в отворах і уникнути погіршення якості нанесення пастки.
• Калібрування обладнання для рефлоу-паяння: Фіксуйте в журналі та регулярно калібруйте рефлоу-пічі та автоматичні установлювачі. Це забезпечує точний нагрів плати та правильне нанесення пастки від циклу до циклу.

7. Використання автоматизованого контролю та даних

• Автоматизований контроль паяльної пастки (SPI): Вбудований SPI перевіряє кожне нанесення на кожній платі за об'ємом, висотою та місцем розташування, виявляючи потенційні дефекти до наступних етапів виробництва.
• AOI та рентгенівський контроль: Використовуйте автоматизований контроль для перевірки повноти паяльних з'єднань, виявлення поширених проблем, таких як недостатня кількість припою, та виявлення прихованих дефектів.

Найкращі практики досягнення надійних паяльних з'єднань

Підприємства повинні встановити стабільні цілі щодо виробництва якісних паяних з'єднань та надійного монтажу друкованих плат. Виробничим підрозділам необхідно всебічно інтегрувати наведені нижче основні рішення з оптимізації у наявні процеси складання. Системне впровадження цих технічних заходів може ефективно підвищити узгодженість продукції та надійність процесів.

• Контроль процесу паяння «від початку до кінця»:

Документуйте та контролюйте кожен етап паяння, починаючи від вибору паяльної пасти, профілювання пічок і закінчуючи перевіркою.

• Постійне навчання та покращення:

Підприємства повинні організовувати системні курси підвищення кваліфікації для операторів. Виробничі підрозділи мають проводити спеціалізоване технічне навчання згідно зі стандартами IPC. Підприємства повинні створити регулярні механізми аналізу процесів. Ці заходи значно підвищать здатність виявлення та запобігання дефектам.

• Стійкість до середовища:

Підтримуйте контрольовану вологість і температуру в зоні виробництва, щоб запобігти проблемам через вологу у паяльному пасті або різким змінам умов довкілля.

• Застосовуйте оптимізацію на основі даних:

Збирайте, аналізуйте та реагуйте на тенденції даних інспектування, щоб виявляти приховані проблеми — такі як мікромостики, неповні паяльні з'єднання чи тенденції, пов’язані з окремими партіями.

Методи інспектування, діагностики та усунення несправностей

Виробничі підприємства насамперед мають створити повну та стандартизовану систему виробничого процесу. Далі слід розробити систематичні стандарти контролю якості та одночасно сформувати ефективні рішення щодо усунення дефектів. Ці управлінські заходи разом забезпечують ефективне функціонування виробничої системи. ：

• Автоматичне інспектування паяльної пасти та з'єднань: Інтегруйте SPI та AOI у свій процес збірки, щоб отримувати сповіщення в режимі реального часу про такі проблеми, як паяльні мостики, недостатня кількість паяльної пасти чи зміщене розташування компонентів.
• Аналіз корень-причини: Коли виявляється дефект, відстежте його джерело: чи це надлишок припою, неправильний термопрофіль чи зміщення під час розміщення?
• Методи ремонту та переділу: Для виправних дефектів кваліфіковані фахівці з ремонту можуть використовувати інструменти з нагрівальним повітрям або локальні станції повторного плавлення — завжди реєструючи всі роботи для відстеження походження дефектів та частоти переділу.
• Зворотний зв'язок: Вирішення цих проблем покращує не лише поточний вихід придатної продукції, але й запобігає майбутнім подібним проблемам.

Просунута оптимізація: від матеріалів до калібрування печей

Прогрес у виборі матеріалів та паяльної пастки

• Інженерія паяльної пастки: Обирайте пасту, яка відповідає вимогам вашої збірки щодо осідання, липкості та характеристик плавлення — особливо для вузькопітчних або високощільних збірок PCB.
• Аспекти безсвинцевого монтажу: Обережно налаштовуйте профілі розплавлення для нових безсвинцевих сплавів із вищою температурою плавлення, щоб уникнути дефекти спричинених недостатнім плавленням.

Технологія печей та передбачуване обслуговування

• Смарт пікники: Сучасні конвекційні печі оснащені датчиками, які в реальному часі відстежують температуру, попереджаючи про відхилення або виникнення аномалій температурного профілю до того, як вони призведуть до масових дефектів.
• Передбачуване техобслуговування: Використовуйте машинне навчання та дані статистичного контролю процесу (SPC) для планування очищення печей, заміни вентиляторів та калібрування до появи дефектів — навіть автоматизації сповіщень про відхилення виходів продукції або зростання кількості помилкових прийомів.

Інтернет речей (IoT) та розумне виробництво

• Інтегруйте лінії конвекційного паяння в заводські системи MES для повної відстежуваності, моніторингу навколишнього середовища та автоматичного повідомлення про дефекти.
• Поєднуйте дані з операцій розміщення компонентів, друку, конвекційного паяння та інспектування, щоб отримати цілісне уявлення про всю лінію SMT.

Поширені запитання

Питання: У чому головна різниця між конвекційним паянням та хвильовим паянням?

A: Переробка сплаву плавить паяльну пасту лише там, де встановлені компоненти — це підтримує дрібні кроки, подвійні сторони та високощільні плати. Пайка хвилею проходить через розплавлений припій, що найкраще підходить для збірки через отвори і менш ефективна для сучасних робіт з SMT з дрібним кроком.

П: Чому все ще виникають мостики та кульки припою навіть за наявності автоматичного контролю?

A: Навіть за наявності автоматизації надмірний припій, неоднакові розміри контактних майданчиків, брудні трафарети або неточне програмування печі можуть викликати ці поширені проблеми, якщо їх не усунути на рівні процесу.

П: Як я можу бути впевненим, що мій профіль переплавлення правильний?

A: Оптимізуйте за допомогою термопрофілерів, перевіряйте по всій платі та аналізуйте кілька зразків. Коригуйте свій профіль для кожного нового дизайну, особливо при зміні паяльної пастки або основного розташування компонентів.

П: Чи усуває автоматичний контроль паяльної пастки всі дефекти, пов’язані з пастою?

Автоматизований контроль виявляє більшість проблем із об'ємом та формою паяльної пасти, але для найкращих результатів його слід поєднувати з належним обслуговуванням трафаретів, правильним вибором пасти та контролем умов навколишнього середовища.

Питання: Що мені робити, якщо я постійно помічаю пори або неповні паяльні з'єднання?

Відповідь: Перевірте якість своєї паяльної пасти, калібрування печі та наявність забруднень. Налаштуйте час витримки та швидкість нагріву, і за потреби перейдіть на пасти з нижчою схильністю до утворення пор.

Висновок: Опанування викликів та рішень у процесі паяння оплавленням

Подолання викликів та рішень у процесі паяння оплавленням — це безперервний процес. Розуміючи типові проблеми, що виникають під час оплавлення, такі як утворення містків через надлишок паяльного матеріалу, який не контролюється, неоднаковий нагрів друкованої плати або контактних майданчиків через недостатню кількість припою, інженери та виробники можуть ефективно застосовувати рішення — від вибору паяльної пасти до оптимізації температурного профілю оплавлення.

Шляхом ретельного контролю проектування трафаретів, калібрування печей, нанесення паяльної пасти та постійного контролю ваша команда зможе стабільно отримувати паяні з'єднання високої якості, мінімізувати виникнення дефектів і досягти надійних, відповідних світовим стандартам зборок друкованих плат. Використання передових аналітичних методів та інтелектуальних технологій виробництва лише посилює ваші інструменти для досягнення успіху.