Kako riješiti probleme s kratkim spojevima lema kod bezolovnog reflow-a?

Kao dobavljač peći za reflow bez olova, proveo sam posljednju deceniju stojeći pored SMT tehničara, menadžera proizvodnje i vodećih linija dok se skupljaju oko PCB-a nakon ponovnog prelijevanja, gurajući pincetom sićušne lemne spojeve i mrmljajući o istom frustrirajućem problemu: šorc za lemljenje. Ako ste ikada vodili liniju bez olova, znate da ovo nije samo manji problem – kratki spojevi mogu satima zaustaviti proizvodnju, raskinuti desetine ploča i odgoditi narudžbe kada je vaš tim već iscrpljen. Gledao sam kako timovi gube sate nagađajući popravke: okrivljavanje šablona, ​​reflow profila, čak i vlažnost u skladištu, kada je stvarni problem obično mješavina malih pogrešnih koraka koji se mogu izbjeći. Danas povlačim zavjesu o tome kako rješavamo probleme sa šorcovima za lemljenje bezolovnim reflow, istim metodama kojima učimo svakog kupca koji kupuje našu opremu i savjetima koji su smanjili stope prerade naših klijenata u prosjeku za 40%. Počnimo tako što ćemo ovo uzemljiti u stvarnosti: lemovi bez olova (obično mješavina kalaja, bakra, nikla i srebra) tope se na 30–40°F višoj od tradicionalnog kalajnog olova, što znači da je prozor za reflow uži, površinska napetost je drugačija, a čak i mala odstupanja u procesu mogu uzrokovati mostove ili kratke spojeve tamo gdje bi trebalo. Dobra vijest je da je skoro svaki kratki slučaj koji vidimo rješiv sistematskim provjerama korak po korak, a ne nagađanjem.

Počnimo s prvim mjestom na koje većina timova gleda kada vide kratak: proces odabira i postavljanja. Prije nego što lem ikada dotakne ploču, komponente moraju biti postavljene precizno, a neusklađene komponente su jedan od 3 glavna uzroka kratkih spojeva bez olova. Vidio sam ovo stotinu puta: tehničar vodi proizvodnu liniju sa starijom mašinom za podizanje i postavljanje koja je malo van kalibracije, a otpornik 0402 je pomaknut samo 0,1 mm od svoje pločice. Tokom ponovnog toka, rastopljeni lem vlaži i vod komponente i susjedni jastučić, stvarajući kratki spoj koji je lako propustiti do konačne provjere AOI. Ovo nije kvar samog lemljenja – to je kvar uzvodnog postavljanja komponenti. Za timove koji rade s komponentama finog nagiba (0,4 mm ili manje) koje su uobičajene u telefonima, nosivim uređajima i industrijskoj elektronici, ovaj rizik se višestruko povećava. Zato uvek preporučujemo da proverite da li je vaš sistem biranja i postavljanja kalibrisan na početku svakog ciklusa proizvodnje, a ne samo na nedeljnoj bazi. Na primjer, ako koristite numerički kontrolisan uređaj za podizanje i postavljanje elektronike, uzmite 10-15 uzoraka ploča od prvih 100 proizvedenih i izmjerite poravnanje komponenti digitalnim mikroskopom. Čak i pomak od 0,05 mm u poziciji komponente može dovesti do kratkog spoja bezolovnog povrata, pri čemu uži raspon topljenja lema ostavlja manje vremena za samoporavnanje. Imao sam klijenta prije nekoliko godina koji je vidio 12% kratkih stopa na njihovim PCB-ovima Bluetooth zvučnika—ispostavilo se da njihova mlaznica za odabir i postavljanje ima malu pukotinu koja je uzrokovala konstantno neusklađenost 0201 kondenzatora. Kada su zamenili mlaznicu i dodali dnevne provere poravnanja, njihove kratke stope su pale na 1,8% za nedelju dana. To je mali detalj uzvodno, ali ima ogroman uticaj.

Zatim, prijeđite sa postavljanja komponenti na šablonu i pastu za lemljenje, jer 60% kratkih spojeva koje rješavamo ide do dizajna šablona ili nanošenja paste za lemljenje, a ne do same peći za reflow. Pasta za lemljenje bez olova ima drugačija svojstva od olovne paste: ima veći viskozitet, manje „slijeganja“ tokom štampe i zahtijeva dosljedan pritisak da se taloži odgovarajuća količina lema na svaki jastučić. Previše paste za lemljenje najčešći je krivac ovdje. Ako su vaši otvori za šablone preveliki (ili ako je šablona istrošena, sa rupama koje su se razvukle nakon 50.000 ispisa), završit ćete s viškom lema na susjednim jastučićima koji se premošćuju tokom ponovnog toka. To sam nedavno vidio kod proizvođača medicinskih uređaja koji je pravio PCB za monitor srca za testiranje FDA. Njihova šablona bila je stara 10 godina, a otvori za IC-ove finog nagiba bili su dovoljno istrošeni da je svaki depozit bio 15% veći od predviđenog. Tokom ponovnog toka, rastopljeni lem se prosuo preko praznina između pinova, stvarajući kratke spojeve koji su ih prisilili da odgode svoju regulatornu reviziju za dvije sedmice. Popravka nije bila nova pećnica za reflow – to je bila matrica od 0,15 mm laserski rezana s odgovarajućim veličinama otvora za njihove komponente i mjesečni raspored čišćenja šablona koji je uklonio osušene ostatke paste za lemljenje iz rupa. Još jedna stvar koju ovdje treba provjeriti je skladištenje i svježina paste za lemljenje. Pasta bez olova ima rok trajanja od 6 mjeseci na 40°F, a kada se otvori, dobra je samo 24-48 sati na sobnoj temperaturi. Vidio sam kako timovi izvlače pastu koja je bila izostavljena tri dana ili je bila pogrešno odmrznuta iz zamrzivača, što je rezultiralo pastom koja je previše tekuća. Tekuća pasta se ne zadržava na svom jastučiću tokom štampanja, tako da ćete završiti sa dodatnim lemom na susednim jastučićima koji stvaraju kratki spoj tokom ponovnog toka. Ako vidite ujednačene kratke hlačice na sličnim dizajnima ploča, povucite uzorak paste za lemljenje sa sredine vaše serije – ako izgleda zrnasto ili ima odvojene metalne čestice, to je znak da je istekao i da ga treba zamijeniti.

Sada, idemo na sam profil reflow, gdje se većina timova prvo okreće prilikom rješavanja problema i gdje vidimo najviše nijansi kod procesa bez olova. Loš profil reflow je tihi ubica lemnih spojeva, a kratke hlače su najočitiji simptom kada nije pravilno postavljen. Za bezolovni, idealni profil ima četiri različite zone: predgrijavanje, namakanje, reflow i hlađenje. Zona predgrijavanja trebala bi povećati ploču na 1-2°C u sekundi, počevši od sobne temperature i završavajući između 150-180°C. Ova zona uklanja vlagu sa PCB-a i komponenti, sprečava termički šok i počinje da aktivira fluks paste za lemljenje. Zona namakanja drži ploču na 150-180°C 60-90 sekundi, gdje fluks obavlja većinu svog posla: uklanja oksidaciju sa jastučića i komponentnih vodova, tako da se rastopljeni lem može pravilno navlažiti. Zona reflow je tamo gde je preciznost najvažnija: vršna temperatura treba da bude između 245–260°C, a vreme iznad likvidusa (TAL) treba da bude 60–90 sekundi. Ako je vršna temperatura preniska, lem se neće u potpunosti otopiti, što dovodi do hladnih spojeva. Ako je previsok ili je TAL predugačak, fluks može izgorjeti, a rastopljeni lem postaje previše "mokar" - što znači da se širi dalje nego što je predviđeno na susjednim jastučićima, stvarajući mostove i kratke hlače. Imao sam klijenta iz automobilske elektronike koji je koristio generički profil reflow bez olova koji je imao vršnu temperaturu od 275°C, skoro 20°F previsoku za njihove IC-ove nagiba od 0,5 mm. Vidjeli su kratke spojeve na 8% svojih ECU-a, a njihova početna reakcija je bila da je njihova postavka za lemljenje SMD reflow bila neispravna. Podešavali smo njihov profil na vrhunac na 250°C sa TAL-om od 70 sekundi, a u roku od dva dana njihove kratke stope su pale na 0,9%. To je razlika između profila jedne veličine za sve i prilagođenog profila prilagođenog vašim specifičnim komponentama i dizajnu PCB-a. Još jedna uobičajena greška u profilu je neravnomjerno zagrijavanje preko transportera reflow peći. Većina pećnica bez olova koristi infracrveni i vrući zrak za zagrijavanje ploča, ali ako su mlaznice za vrući zrak začepljene ili je transporter blago nagnut, možete dobiti vruće točke na jednom kraju ploče i hladnije točke na drugom. Vruća tačka može uzrokovati prerano širenje lema, stvarajući kratke spojeve na jednoj strani ploče, dok hladna tačka dovodi do hladnih spojeva na drugoj. Zato preporučujemo provjeru konzistentnosti profila pomoću data logera pri svakom proizvodnom ciklusu, posebno kada mijenjate veličine ploča ili tipove komponenti. Ako to ne radite, nedostaje vam ključna provjera koja otkriva probleme s profilom prije nego što kreiraju stotine kratkih filmova.

Čekaj, hajde da napravimo pauzu – ovo je dobra tačka da se vratimo na automatizaciju, jer se mnogi timovi sa kojima radim kreću ka automatizovanim linijama za proizvodnju velikog obima. Prelazak na automatizaciju odabira i postavljanja desktop robota smanjio je ljudsku grešku, ali je također uveo nove varijable koje mogu dovesti do kratkih spojeva ako se ne kalibriraju. Na primjer, ako je visina Z-ose vašeg automatiziranog robota za podizanje i postavljanje preniska, vod komponente može pritisnuti pastu za lemljenje tokom postavljanja, gurajući dodatnu pastu na susjedne jastučiće. Ako je Z-osa previsoka, komponenta se pomiče tokom ponovnog toka, što dovodi do istog neusklađenosti o kojem smo ranije govorili. Vidjeli smo da se to dogodilo s klijentom koji je s prototipa skalirao na 10.000 jedinica mjesečno, prelazeći s ručnog postavljanja na automatiziranu robotsku liniju. Nisu ponovo kalibrirali Z-os robota za svoje nove otpornike 01005, i u roku od nedelju dana imali su 2.000 ploča sa kratkim spojevima. Popravka? 10-minutna provjera kalibracije za visinu komponente i softversko prilagođavanje pritiska postavljanja robota za male, osjetljive komponente. Zbog toga uvijek savjetujemo da kada ažurirate postavke automatizacije, bilo da se radi o dodavanju CNC mašine za pravljenje čipova ili prelasku na novu brzinu transportera za vašu veliku Bluetooth proizvodnu liniju za proizvodnju PCB-a, prvo pokrenete malu testnu ploču prije pune proizvodnje. Potrebno je 15 minuta i štedi vam sate dorade.

Sada, hajde da razgovaramo o manje očiglednim uzrocima kratkih spojeva koje timovi često zanemaruju: dizajn PCB-a i rukovanje nakon prelivanja. Lako je okriviti proces, ali ponekad je osnovni problem u samom dizajnu. Komponente finog nagiba (0,4 mm ili manje) sa razmakom između jastučića od 0,2 mm ili manje su posebno sklone kratkim spojevima, čak i uz savršenu kontrolu procesa. Ako je vaš PCB dizajner dodao previše "razmaka" maske za lemljenje između jastučića, to može ostaviti vidljiv bakar koji privlači više lema tokom ponovnog toka. Ili ako je staza između dva jastučića preuska, rastopljeni lem može navući na njega i stvoriti kratki spoj. Dobra vijest je da mala izmjena dizajna – poput smanjenja zazora za 0,05 mm ili dodavanja malog graničnika za lemljenje da se suzi otvor jastučića – može u potpunosti eliminirati kratke hlače bez promjene procesa. Vidio sam ovo kod klijenta koji je pravio pametne satove, gdje je njihov mikro-USB konektor od 0,35 mm prouzročio stalne kratke spojeve tokom ponovnog toka. Njihov dizajnerski tim je podesio veličinu otvora šablona za jastučiće konektora sa 0,12 mm na 0,1 mm, a kratke hlače su prestale, čak i sa istim profilom reflow i postavkom pick-and-place. Rukovanje nakon ponovnog protoka je još jedan skriveni krivac. Ako vaš tim rukuje pločama golim rukama, ulja iz kože mogu kontaminirati jastučiće za lemljenje, ili ako slažete ploče prerano nakon ponovnog spajanja, rastopljeni lem (čak i ako izgleda kao da je postavljen) može se pomaknuti, stvarajući kratki spoj. Uvek preporučujemo da sačekate 20-30 minuta nakon prelivanja pre nego što premestite ploče, da koristite ESD rukavice kada rukujete napunjenim PCB-ima i da koristite separatore između ploča tokom skladištenja. Jednom sam imao tim koji je slagao 20 ploča visoko odmah nakon ponovnog spajanja, a 15% donjih ploča je imalo kratke hlače jer se lem na dnu gornje ploče lagano otopio i premostio gornji dio ploče ispod. To je bilo jednostavno rješenje – dodajte separatore, pričekajte još 10 minuta prije slaganja – i prepolovilo je njihovu kratku stopu preko noći.

Hajde da ovo završimo praktičnim tokom rada za rešavanje problema, nečim što možete pratiti korak po korak kada vidite kratki snimak tokom proizvodnje, umesto da nagađate. Prvo, odmah zaustavite proizvodnju – čekanje samo stvara još više otpada. Uzmite 5 dasaka koje imaju kratke hlače i 5 dasaka bez nedostataka. Pregledajte kratke spojeve mikroskopom: da li je komponenta pogrešno poravnata? Ako je odgovor da, provjerite poravnanje i stanje mlaznice. Zatim provjerite šablon: odštampajte probnu šablonu na praznu štampanu ploču i pregledajte naslage lema. Jesu li ujednačeni, prave veličine i ne preplavljuju jastučiće? Ako su naslage prevelike, provjerite da li je vaša šablona istrošena, provjerite viskoznost paste za lemljenje i provjerite pritisak i brzinu ispisa. Treće, povucite svoj data logger iz posljednje proizvodnje. Pogledajte profil reflow: da li je vršna temperatura bila unutar opsega? Da li je TAL bio između 60-90 sekundi? Da li je bilo toplih ili hladnih tačaka širom sveta? Ako je profil isključen, podesite ga i pokrenite testnu ploču. Konačno, provjerite postoje li problemi u gornjem toku: je li vaša pasta za lemljenje svježa? Jeste li imali zastoja gdje je šablona ostala nepokrivena? Da li je nedavno bilo nekih promjena u vašoj automatizaciji? Praćenje ovog tijeka posla će eliminirati 90% kratkih spojeva koji su uzrokovani malim problemima koji se mogu popraviti, a ne neispravnom opremom.

Na kraju krajeva, šorc za lemljenje u bezolovnom reflow ne moraju biti ubica proizvodnje. Oni su znak da nešto malo nije u redu u vašem procesu, a ne da je vaša pećnica bez olova pokvarena. Za naš tim, koji radi sa stotinama proizvođača svake godine, najveća greška koju vidimo da timovi čine je skok u zamjenu skupe opreme umjesto da prvo provjeravaju svoj proces, svoje materijale i svoje korake uzvodno. Bez obzira da li koristite malu seriju ploča za izradu prototipa ili Bluetooth proizvodnu liniju velike količine 24 sata dnevno, 15 minuta na početku svakog pokretanja za provjeru poravnanja, stanja šablona i konzistentnosti profila može vam uštedjeti sate prerade i otpada.

Ako se borite sa postojanim šorcovima za lemljenje ili želite da nadogradite svoju postavku bezolovnog reflowa kako biste smanjili defekte, mi smo tu da vam pomognemo. Radimo sa proizvođačima svih veličina, od početnih radnji za izradu prototipa do velikih kompanija za proizvodnju automobila i medicinskih uređaja, da bismo podesili procese, kalibrirali opremu i implementirali tokove rada koji smanjuju stope prerade i poboljšavaju prinos. Obratite se našem timu kako biste razgovarali o vašim specifičnim izazovima i pronašli pravo rješenje za vašu proizvodnu liniju.

Reference

1. IPC-J-STD-005, Zahtjevi za tokove za lemljenje za elektronske sklopove
2. IPC-A-610, Prihvatljivost elektronskih sklopova
3. Reflow lemljenje bez olova: praktični vodič, SMTA International, 2022.
4. Najbolje prakse za kalibraciju "Pick-and-Place", Udruženje za tehnologiju površinske montaže, 2021.
5. Smjernice za skladištenje i rukovanje pastom za lemljenje, Alpha Assembly Solutions, 2023