فهرست مطالب
همه چیز درباره فرآیند لحیم کاری جریان مجدد مونتاژ SMT
لحیم کاری یک عملیات اساسی در ... تولید قطعات الکترونیکی, با استفاده از دماهای بالا برای ایجاد تماس‌های الکتریکی و مکانیکی. اتصالات باید رسانایی الکتریکی خوبی داشته باشند و همچنین بتوانند قطعات را محکم در جای خود روی بردهای مدار چاپی (PCB) نگه دارند. در میان فرآیندهای لحیم کاری متعدد - مانند لحیم کاری موجی, ، لحیم کاری دستی و لحیم کاری انتخابی - لحیم کاری جریان مجدد فرآیند رایجی است که برای ... استفاده می شود مونتاژهای فناوری نصب سطحی (SMT).
لحیم‌کاری با جریان برگشتی که زمانی مختص استفاده در کارخانه‌ها بود، اکنون به صورت سیستم‌های رومیزی کوچک برای علاقه‌مندان و مهندسان قابل دسترسی است. کوره‌های جریان برگشتی پیشرفته دارای کنترل دمای عالی هستند و اغلب با گرمایش همرفتی چند منطقه‌ای، تغییرات را تا ±2 درجه سانتیگراد در سراسر PCB حفظ می‌کنند. این درجه از دقت برای کاربردهای با قابلیت اطمینان بالا مانند ... بسیار مهم است. هوافضا و الکترونیک پزشکی, ، که در آن قابلیت اطمینان اتصال لحیم تأثیر مستقیمی بر ایمنی و عملکرد محصول دارد.
لحیم کاری Reflow چیست؟
لحیم کاری Reflow یک تکنیک کنترل شده با حرارت است که برای نصب استفاده می شود قطعات نصب سطحی (SMD) روی بردهای مدار چاپی به روشی ایمن. این تکنیک از رسوب خمیر لحیم - ترکیبی از ذرات ریز لحیم و شار - روی پدهای تماس برد مدار چاپی استفاده می‌کند. سپس SMDها روی خمیر قرار می‌گیرند و کل مجموعه در معرض یک کوره‌ی جریان مجدد قرار می‌گیرد که در آن از گرمای کنترل‌شده برای ذوب لحیم استفاده می‌شود و پیوندهای الکتریکی و مکانیکی قوی تشکیل می‌دهد.
در زیر ویدیوی مفصلی از PCBA در فر reflow آمده است!
نحوه لحیم کاری جریان مجدد: فرآیند لحیم کاری جریان مجدد
لحیم‌کاری جریانی فرآیندی است که شامل چندین مرحله می‌شود و خمیر لحیم اعمال‌شده‌ی مناسب را به اتصالات مکانیکی و الکتریکی دائمی تبدیل می‌کند. کل فرآیند نیاز به هماهنگی دقیق علم مواد، دینامیک حرارتی و مکانیک دقیق دارد.
خمیر لحیم: ترکیب و کاربرد
کلید موفقیت در لحیم‌کاری با جریان برگشتی، فرمولاسیون خمیر لحیم است. این ماده پیشرفته ظاهری شبیه به خمیر دندان دارد، اما از میکروسفرهای آلیاژ لحیم (معمولاً SAC305 - قلع 96.5%، نقره 3%، مس 0.5%) در سیستم تعلیق خودرو تشکیل شده است. توزیع اندازه ذرات مطابق با کلاس‌های IPC (نوع 3-5) است و پودرهای ریزتر امکان رسوب روی آن را فراهم می‌کنند. اتصالات با چگالی بالا (HDI) زیر گام 0.4 میلی‌متر. شیمی فلاکس چندین عملکرد مهم را ایفا می‌کند: حذف اکسیدهای سطحی هنگام گرم شدن، کاهش کشش سطحی برای بهبود خیس شدن و ایجاد چسبندگی موقت هنگام قرار دادن قطعات. جابجایی مواد باید صحیح باشد - خمیر لحیم باید در دمای 2 تا 10 درجه سانتیگراد در یخچال و تحت کنترل دقیق ماندگاری نگهداری شود تا از جداسازی حلال که عملکرد چاپ را کاهش می‌دهد، جلوگیری شود.
کاربرد خمیر لحیم از طریق انجام می‌شود شابلون‌های استیل ضد زنگ برش لیزری با ضخامت استاندارد 0.1-0.15 میلی‌متر، که مستقیماً از لایه StopMask یک طرح PCB ساخته شده‌اند. فایل‌های گربر. شابلون به عنوان یک ماسک دقت عمل می‌کند، بنابراین خمیر لحیم فقط روی پدهای هدف قرار می‌گیرد. تولید نمونه‌های اولیه, تزریق سرنگ با دست می‌تواند جایگزین چاپ خودکار با شابلون شود، هرچند دقت موقعیتی و کنترل حجمی ضعیف‌تری دارد.
قرار دادن قطعات: موقعیت یابی دقیق
با قرار دادن خمیر لحیم در جای خود، SMDها با دقت بی‌نظیری نصب می‌شوند. تولید صنعتی به صورت خودکار از تجهیزات برداشتن و گذاشتن تحت کنترل کامپیوتر استفاده می‌کند که قادر به قرار دادن بیش از 20000 قطعه در یک ساعت با دقت جایگذاری هدایت‌شده با دید 0.025 میلی‌متر است. چنین سیستم‌های پیچیده‌ای می‌توانند قطعاتی از مقاومت‌های کوچک 0201 (0.6×0.3 میلی‌متر) تا بسته‌های پیچیده آرایه شبکه‌ای توپی (BGA) با صدها سیم را پردازش کنند. مهندسان نمونه‌سازی کم حجم می‌توانند قطعات را با دست و با استفاده از قلم‌های خلاء یا موچین‌های نوک ریز با بزرگنمایی قرار دهند و برای نگه داشتن قطعات در موقعیت قبل از جوشاندن مجدد، به چسبندگی طبیعی خمیر لحیم تکیه کنند. استحکام موقت خمیر لحیم در کوتاه مدت به ویژه برای قطعات سنگین یا کار با بردها بین جایگذاری و بارگیری در فر بسیار مهم می‌شود.
پروفیل حرارتی: کنترل فرآیند
تبدیل به اتصال دائمی در اتمسفر حرارتی دقیق ساخته شده در فر reflow رخ می‌دهد. سیستم‌های مدرن دارای تعدادی منطقه گرمایش مستقل (معمولاً 5 تا 12) هستند که روابط زمان-دما متمایزی را ایجاد می‌کنند که به عنوان پروفایل‌های حرارتی شناخته می‌شوند. توسعه این پروفایل‌ها چند متغیر را در نظر می‌گیرد: نیازهای تولیدکنندگان خمیر لحیم، ویژگی‌های حرارتی زیرلایه PCB (به طور خاص دمای انتقال شیشه Tg) FR-4 ترکیبات)، و تفاوت در جرم‌های حرارتی بین اجزای غیرفعال کوچک و آی‌سی‌های بزرگ. مهندسان با نصب ترموکوپل‌ها روی بردهای آزمایشی و انجام اندازه‌گیری‌های حرارتی واقعی در نقاط بحرانی طبق مشخصات IPC-7530، پروفایل‌ها را دوباره بررسی می‌کنند. این فرآیند علمی تضمین می‌کند که تمام اتصالات تا دمای کافی برای تشکیل مناسب بین فلزی لحیم می‌شوند، بدون اینکه به اجزای ظریف به دلیل گرما آسیبی برسد.
چهار مرحله بحرانی پروفیل حرارتی جریان مجدد
لحیم کاری جریان برگشتی نیاز به عملکرد دقیق در چهار مرحله حرارتی جداگانه با عملکردهای متالورژیکی و شیمیایی خاص خود دارد:
مرحله 1: شیب به سمت خیساندن
این مرحله اول گرما، دمای مونتاژ را به تدریج با نرخ‌های تنظیم‌شده بین ۱ تا ۳ درجه سانتیگراد در ثانیه افزایش می‌دهد. این افزایش عمدی به دلایل زیر است: جلوگیری از شوک حرارتی به قطعات، ایجاد توزیع یکنواخت گرما در سراسر PCB و شروع تبخیر حلال‌ها از خمیر لحیم. تغییر ناگهانی دما در این مرحله باعث پاشش خمیر و تنش در اجزا می‌شود، در حالی که نرخ گرمایش ناکافی می‌تواند اجزای فرار را در رسوب به دام بیندازد. گرمایش آهسته تضمین می‌کند که هر ناحیه برد قبل از شروع مرحله بحرانی بعدی به دمای پایه یکنواختی دست یابد.
مرحله 2: منطقه جذب حرارتی
نگه داشتن دمای مجموعه در دمای ۱۵۰ تا ۱۸۰ درجه سانتیگراد در یک سطح صاف و ثابت به مدت ۶۰ تا ۱۲۰ ثانیه، بسیاری از واکنش‌های شیمیایی مورد نیاز را کامل می‌کند. فعال‌سازی با فلاکس در این محدوده دمایی بیشترین تأثیر را دارد و اکسیدها را از ... حذف می‌کند. پدهای PCB و طبق گریدهای IPC J-STD-004، سرب‌های قطعه به شدت تبخیر می‌شوند. حلال‌ها کاملاً تبخیر می‌شوند و از ایجاد خلل و فرج در فرآیندهای بعدی جلوگیری می‌شود. این افزایش زمان ماندگاری به ویژه برای مجموعه‌ها یا بردهای بزرگ با اختلاف جرم حرارتی زیاد بسیار مهم است زیرا اختلاف حرارتی بین قطعات کوچک و دستگاه‌های بزرگ مانند BGAها را به حداقل می‌رساند. مهندسان فرآیند باید به هر قیمتی از بالا رفتن دما از حدود ۲۰۰ درجه سانتیگراد در این مرحله خودداری کنند، زیرا دمای بالا باعث اکسیداسیون زودرس ذرات لحیم می‌شود، در حالی که دمای پایین فعال‌سازی روان‌ساز را ناقص می‌کند.
مرحله ۳: منطقه‌ی بازگشت (زمان بالاتر از لیکوئیدوس – TAL)
اکنون مونتاژ در مرحله حیاتی ذوب ذرات لحیم و پیوند متالورژیکی ادامه می‌یابد. دماها 30 تا 50 درجه سانتیگراد بالاتر از نقطه ذوب آلیاژ هستند (قلع-سرب 183 درجه سانتیگراد، آلیاژهای بدون سرب SAC305 217 تا 220 درجه سانتیگراد). پردازش بدون سرب طبق دستورالعمل استاندارد RoHS دستورالعمل‌ها چالش‌های منحصر به فردی را به همراه دارند - نیاز به حداکثر دمای ۲۴۰-۲۵۰ درجه سانتیگراد که به محدودیت‌های حرارتی اکثر قطعات نزدیک می‌شود و مواد PCB. در حال حاضر اکثر مراکز از کوره‌های اتمسفر نیتروژن برای جلوگیری از اکسیداسیون در این دماهای بالا استفاده می‌کنند. زمان بالاتر از دمای لیکوئیدوس (TAL) معمولاً ۴۵ تا ۹۰ ثانیه است - به اندازه کافی طولانی که نیروهای کشش سطحی اجزا را همسو کنند ("خودمرکزی") و فلاکس اکسیدهای سطحی را کاملاً از بین ببرد، اما به اندازه کافی طولانی نیست که باعث رشد بیش از حد بین فلزی یا آسیب به اجزا شود. این تعادل عالی نیاز به حفظ دما حداقل ۵ درجه سانتیگراد پایین‌تر از درجه‌بندی حساس‌ترین قطعه به دما دارد (که همیشه از روی برگه‌های اطلاعات قطعه تأیید می‌شود). زمان یا دمای ناکافی باعث ایجاد اتصالات سرد با ریزساختارهای کریستالی و احتمال گیر افتادن حلال می‌شود، در حالی که قرار گرفتن بیش از حد در معرض این دما، عملکرد فلاکس را بدتر می‌کند و خطر آسیب حرارتی به نیمه‌رسانا را به همراه دارد.
مرحله ۴: منطقه خنک‌کننده کنترل‌شده
مرحله حرارتی نهایی، انجماد را از طریق خنک‌سازی کنترل‌شده با سرعت ۲ تا ۴ درجه سانتیگراد در ثانیه مدیریت می‌کند. کاهش آهسته دما، رشد کریستالی مناسب در اتصال لحیم را امکان‌پذیر می‌کند و منجر به اتصالات مکانیکی پایدار می‌شود. افزایش سرعت خنک‌سازی، اندازه دانه‌های کوچک‌تر با خواص مکانیکی بهبود یافته ایجاد می‌کند، اما باعث ایجاد ترک‌های ناشی از تنش حرارتی در قطعات سرامیکی یا دستگاه‌های بسته‌بندی‌شده با پلاستیک می‌شود. سرعت خنک‌سازی بیش از ۴ درجه سانتیگراد در ثانیه، لایه‌های بین فلزی شکننده را در سطوح قطعه افزایش می‌دهد که در هنگام اعمال تنش مکانیکی می‌شکنند. شیب سرعت خنک‌سازی باید به دقت کنترل شود، به‌ویژه در کاربردهای پیشرفته مانند الکترونیک هوافضا که قابلیت اطمینان چرخه حرارتی بیشترین نگرانی را ایجاد می‌کند.
علل و راهکارهای نقص لحیم کاری جریان مجدد
حتی با تجهیزات و کنترل‌های پیشرفته، انواع نقص‌های رایج می‌توانند یکپارچگی اتصال لحیم را در صورت انحراف فرآیندها از پارامترهای بهینه به خطر بیندازند:
- سنگ قبرسازی به حالتی اشاره دارد که اجزای غیرفعال (مانند مقاومت‌ها یا خازن‌ها) در یک انتها قرار می‌گیرند. این اساساً یک گرمایش نامتعادل بین پدهای اجزا یا طرح‌های پد نامتقارن است. پیشگیری شامل متعادل‌سازی حرارتی دقیق از طریق طرح‌بندی برد و الگوهای زمین متقارن با مساحت مس برابر و ردیابی اتصالات به هر دو پد است.
- لحیم کاری توپی به صورت گلوله‌های مجزا در اطراف اتصالات ظاهر می‌شود که معمولاً نتیجه حجم اضافی خمیر لحیم یا گرمایش بیش از حد شدید در مرحله شیب است. کنترل گلوله‌های لحیم شامل بهینه‌سازی روزنه‌های شابلون برای جلوگیری از رسوب بیش از حد و سرعت شیب کمتر از 2 درجه سانتیگراد در ثانیه است تا تبخیر آهسته حلال قبل از مایع شدن خمیرها امکان‌پذیر شود.
- تشکیل حفره در اتصالات لحیم کاری منجر به مشکلات احتمالی قابلیت اطمینان، به ویژه تحت بارگذاری جریان بالا می‌شود. چنین حباب‌های گازی معمولاً به دلیل مواد فرار محبوس شده در یا در نتیجه آلودگی رخ می‌دهند. انتخاب فرمولاسیون خمیر با محتوای فلزی مناسب، زمان خیساندن طولانی برای تبخیر کامل حلال‌ها، و در کاربردهای با قابلیت اطمینان بالا، پردازش ویژه جریان خلاء که به طور فعال گاز را در حین انجماد تخلیه می‌کند، اقدامات متقابل هستند.
- اتصالات لحیم سرد به خوبی خیس نمی‌شوند و ساختارهای کریستالی دارند که برای رسانایی و یکپارچگی مکانیکی مضر هستند. علت اصلی، دمای پیک پایین یا زمان خیلی کم بالاتر از مایع بودن است. بازرسی مستلزم دقت است. بازرسی بصری (با بزرگنمایی) برای سطوح دانه‌دار، نه براق، اما برای اتصالات پنهان مانند BGAها،, بازرسی با اشعه ایکس مورد نیاز است.
- نقص‌های سر در بالش رخ دادن در مجامع BGA وقتی خمیر و توپ‌های لحیم به هم نمی‌چسبند، شبیه سر روی بالش می‌شود. این نقص پیچیده معمولاً به دلیل تاب برداشتن قطعه هنگام گرم شدن یا به دلیل اکسیداسیون بیش از حد در سطح توپ‌ها رخ می‌دهد. راه‌حل‌های پیشرفته شامل پردازش در اتمسفر نیتروژن برای جلوگیری از اکسیداسیون و پیش‌پخت قطعات برای از بین بردن رطوبتی است که منجر به تاب برداشتن می‌شود.
| نقص | علل | استراتژی‌های پیشگیری |
| سنگ قبرسازی | گرمایش ناهموار پد | طراحی پد متقارن + متعادل کننده حرارتی |
| توپ‌های لحیم | خمیر بیش از حد یا شیب سریع | بهینه‌سازی استنسیل + شیب ۱-۲ درجه سانتیگراد بر ثانیه |
| دفع ادرار | گازها/آلاینده‌های محبوس شده | فرمولاسیون خمیری + جریان مجدد خلاء |
| مفاصل سرد | دمای اوج ناکافی | پروفیل حرارتی + بازرسی با اشعه ایکس |
| بالش سر در بالش | تاب برداشتن/اکسیداسیون BGA | اتمسفر نیتروژن + پخت اولیه |
تعالی مهندسی در تولید PCBA
FS PCBA به استفاده از کنترل فرآیند علمی برای حداکثر قابلیت اطمینان مونتاژ افتخار می‌کند. ما از جدیدترین نسل اجاق‌های همرفت چند منطقه‌ای با یکنواختی دمای ±1 درجه سانتیگراد استفاده می‌کنیم که با استفاده از ترموکوپل‌های نوع K با دقت بالا، با پروفایل حرارتی در زمان واقعی تأیید شده‌اند. مهندسان فرآیند ما کاملاً به استانداردهای قابل قبول IPC-A-610 و الزامات مونتاژ الکتریکی لحیم‌کاری شده J-STD-001 پایبند هستند. برای BGA با قابلیت اطمینان بالا و QFN برای بررسی یکپارچگی اتصالات و تعیین درصد حفره‌های غیرمخرب، از بازرسی خودکار اشعه ایکس استفاده می‌شود.
چه برای ساخت نمونه‌های اولیه و چه برای تولید انبوه، ما تشخیص می‌دهیم که پردازش دقیق جریان برگشتی، خرابی‌های میدانی را از بین می‌برد - به خصوص در خودرو, صنایع، پزشکی و هوافضا که در آنها قابلیت اطمینان اتصالات لحیم، عملیات حیاتی از نظر ایمنی را تعریف می‌کند. پرسنل مهندسی ما خدمات کاملی ارائه می‌دهند. تحلیل طراحی برای تولید (DFM) برای ایجاد تعادل در طرح‌بندی‌ها جهت حفظ پایداری حرارتی و جلوگیری از نقص‌های رایج در همان ابتدا.
سوالات متداول لحیم کاری Reflow
لحیم کاری موجی و لحیم کاری جریانی هر دو فرآیندهای حیاتی در مونتاژ برد مدار چاپی هستند و هدف آنها ایجاد ارتباط بین بردهای مدار چاپی و قطعات است.
لحیم کاری جریان برگشتی معمولاً در سناریوهایی که شامل SMD هستند به دلیل پین‌های متراکم و حساسیت بالا به تغییرات دما استفاده می‌شود.
از سوی دیگر، لحیم کاری موجی معمولاً برای موارد زیر استفاده می‌شود: اجزای DIP, که دارای پین‌های بزرگتری هستند. در این فرآیند، برد مدار از روی موجی از لحیم مذاب عبور داده می‌شود و به لحیم مایع اجازه می‌دهد تا کل ناحیه پد را بپوشاند. از طریق اصل کشش سطحی، لحیم مذاب با پین‌های قطعه، اتصالات لحیمی تشکیل می‌دهد و اتصالی محکم و قابل اعتماد را تضمین می‌کند.
یکی از عوامل کلیدی در انتخاب شریک برای تولید PCBA، توجه به تجهیزات تولیدی مورد استفاده است. وقتی صحبت از تجهیزات لحیم‌کاری reflow می‌شود، قابلیت کنترل دمای هر منطقه دمایی نقش حیاتی در تضمین کیفیت لحیم‌کاری برتر ایفا می‌کند. تولیدکنندگانی مانند FS Technology، استفاده از تجهیزات لحیم‌کاری موجی پیشرفته در منطقه دمایی 10 را در اولویت قرار می‌دهند که راحتی و دقت بیشتری را ارائه می‌دهد.
با سرمایه‌گذاری در تجهیزاتی با کنترل دمای مستقل در هر منطقه، تولیدکنندگان می‌توانند به پروفایل‌های حرارتی بهینه دست یابند و دما را در طول فرآیند لحیم‌کاری دقیقاً تنظیم کنند. این سطح از کنترل به بهبود کیفیت لحیم‌کاری کمک می‌کند و قابلیت اطمینان و عملکرد برد مدار چاپی مونتاژ شده را افزایش می‌دهد.