วิธีอ่านและปรับโปรไฟล์การหลอมละลายในเตาอบหลอมละลายด้วยลมร้อน?

หากคุณเคยเดินในสายการผลิตที่บอร์ดเทคโนโลยียึดพื้นผิว (SMT) หลุดออกจากเตาอบแบบรีโฟลว์โดยมีข้อต่อบัดกรีที่ไม่สม่ำเสมอ สะพานประสานแบบเย็น หรือส่วนประกอบที่ยกออกจากแผ่น คุณได้เห็นผลกระทบของโปรไฟล์การรีโฟลว์ที่ไม่ตรงกัน ในฐานะซัพพลายเออร์ของเตาอบลมร้อนแบบรีโฟลว์ ซึ่งเป็นเครื่องจักรที่ออกแบบมาเพื่อละลายสารบัดกรีอย่างสม่ำเสมอในขณะที่ปกป้องชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ที่มีความละเอียดอ่อน เราทำงานร่วมกับผู้ผลิตหลายสิบรายในแต่ละเดือนที่พยายามดิ้นรนเพื่อให้ได้โปรไฟล์ที่ถูกต้อง สิ่งที่คนส่วนใหญ่ไม่ทราบก็คือโปรไฟล์การเรียงซ้ำไม่ใช่ชุดตัวเลขขนาดเดียวที่เหมาะกับทุกชุด แต่เป็นชุดส่วนของเวลาอุณหภูมิที่ได้รับการปรับแต่งโดยเฉพาะซึ่งจะกำหนดคุณภาพ ความน่าเชื่อถือ และปริมาณงานของชุดประกอบโดยตรง ในโพสต์นี้ ฉันจะแจกแจงวิธีการอ่านโปรไฟล์การจัดเรียงทั่วไป เหตุใดการปรับเปลี่ยนจึงมีความสำคัญ และวิธีที่เราดำเนินการเครื่องจักรการผลิต smtเพิ่มความคล่องตัวให้กับกระบวนการนี้สำหรับลูกค้าของเรา

ก่อนอื่น มาทำความคุ้นเคยกับการอ่านโปรไฟล์การจัดเรียงใหม่กันก่อน โปรไฟล์คือกราฟเส้นที่แสดงอุณหภูมิ (เป็นเซลเซียส เกือบตลอดเวลา) บนแกน y แนวตั้ง และเวลา (เป็นวินาทีหรือนาที) บนแกน x แนวนอน แต่ละส่วนจะสอดคล้องกับโซนบนเตาอบหมุนเวียนลมร้อนของคุณ: อุ่น แช่ ไหลซ้ำ และทำความเย็น โอเปอเรเตอร์ใหม่มักจะสับสนกับเส้นละเอียดและเครื่องหมายเกณฑ์ที่แตกต่างกัน ดังนั้น เรามากำหนดคุณสมบัติหลักที่คุณจะเห็นในทุกโปรไฟล์ที่ถูกต้องกันดีกว่า

ส่วนการอุ่นเครื่องคือระยะแรก เริ่มต้นเมื่อบอร์ดเข้าสู่เตาอบและสิ้นสุดเมื่อเข้าสู่ระยะแช่ งานง่ายๆ คือ ปรับอุณหภูมิจากอุณหภูมิห้องเป็นประมาณ 150–180°C ในอัตราที่ควบคุมได้ ซึ่งปกติจะอยู่ระหว่าง 1–3°C ต่อวินาที หากทางลาดเร็วเกินไป คุณจะได้รับการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิแบบฉับพลัน เนื่องจากส่วนประกอบบาง เช่น ตัวต้านทานหรือตัวเก็บประจุแบบเซรามิกอาจแตกร้าวได้ และตัวทำละลายที่ระเหยง่ายในสารบัดกรีจะเดือดเร็วเกินไป ส่งผลให้โลหะบัดกรีกระเด็น หากช้าเกินไป บอร์ดจะอยู่ในโซนอุ่นของเตาอบนานเกินไป และชิ้นส่วนที่บอบบาง เช่น ไมโครชิป อาจได้รับความเสียหายจากการสัมผัสกับความร้อนเป็นเวลานาน

ถัดมาเป็นส่วนแช่ โดยยึดกระดานไว้ที่อุณหภูมิคงที่ระหว่าง 150–180°C เป็นเวลา 60–120 วินาที ขั้นตอนนี้มีความสำคัญเนื่องจากช่วยให้สารบัดกรีไหลออกมา—ขจัดออกซิเดชั่นออกจากแผ่นทองแดงและตะกั่วส่วนประกอบเพื่อให้สารบัดกรีสามารถเปียกได้อย่างเหมาะสม การแช่ที่ดียังทำให้อุณหภูมิทั่วทั้งกระดานเท่ากัน ดังนั้นชิ้นส่วนขนาดเล็กและส่วนประกอบขนาดใหญ่ เช่น ตัวเชื่อมต่อจะร้อนในอัตราที่เกือบเท่ากัน หากเวลาในการแช่ของคุณสั้นเกินไป บางพื้นที่ของกระดานจะยังคงมีปฏิกิริยาออกซิเดชั่นหลงเหลืออยู่เมื่อเริ่มการรีโฟลว์ ซึ่งนำไปสู่ข้อต่อเย็น หากนานเกินไป ฟลักซ์อาจระเหยก่อนรีโฟลว์ ซึ่งให้ผลเช่นเดียวกัน หลังจากแช่น้ำแล้ว คุณจะเห็นส่วนการเติมน้ำเพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่อง

ส่วนการจัดเรียงใหม่เป็นส่วนที่สำคัญที่สุดของโปรไฟล์ โดยที่สารบัดกรีจะไปถึงจุดหลอมเหลว สำหรับการบัดกรีไร้สารตะกั่วจะมีอุณหภูมิประมาณ 217°C (สำหรับ SAC305 ซึ่งเป็นมาตรฐานอุตสาหกรรม) และสำหรับการบัดกรีแบบไร้สารตะกั่วจะมีอุณหภูมิประมาณ 183°C โปรไฟล์จะแสดง “อุณหภูมิสูงสุด” ที่สูงกว่าจุดหลอมเหลวของโลหะบัดกรี 20–40°C ซึ่งเพียงพอที่จะรับประกันว่าจะมีการหลอมละลายและเปียกเต็มที่โดยไม่มีส่วนประกอบที่มีความร้อนสูงเกินไป เวลาที่ใช้เหนือจุดหลอมเหลวเรียกว่า "เวลาเหนือของเหลว (TAL)" และควรอยู่ระหว่าง 30–90 วินาที TAL สั้นเกินไป และโลหะบัดกรีจะไหลไม่ถูกต้อง ทำให้เกิดช่องว่างหรือข้อต่อที่ไม่เชื่อมต่อกัน ยาวเกินไปและส่วนประกอบอาจเสียหายได้: เซมิคอนดักเตอร์จำนวนมากมีระดับอุณหภูมิสูงสุดที่ 260°C ดังนั้นการเกินนั้นนานกว่าสองสามวินาทีอาจทำให้อายุการใช้งานสั้นลงหรือทำให้เกิดความล้มเหลวในทันที

สุดท้าย ส่วนการทำความเย็น: หลังจากจุดสูงสุดของการไหลกลับ อุณหภูมิจะลดลงอย่างรวดเร็ว (แต่ยังคงควบคุมได้) เหลือต่ำกว่า 100°C ก่อนที่บอร์ดจะออกจากเตาอบ การระบายความร้อนอย่างรวดเร็วจะสร้างเม็ดบัดกรีที่เล็กลงและแข็งแรงขึ้น ซึ่งทำให้ข้อต่อมีความทนทานมากขึ้นและเสี่ยงต่อการแตกร้าวน้อยลงจากความเครียดจากความร้อนในภายหลัง การระบายความร้อนช้าจะทำให้เมล็ดข้าวมีขนาดใหญ่ขึ้น ซึ่งอ่อนแอกว่าและมีแนวโน้มที่จะล้มเหลวภายใต้การสั่นสะเทือนหรือรอบอุณหภูมิ

ตอนนี้คุณรู้วิธีอ่านโปรไฟล์แล้ว คำถามต่อไปคือ คุณจะปรับโปรไฟล์ให้เข้ากับการประกอบเฉพาะของคุณได้อย่างไร สิ่งสำคัญที่นี่คือผลิตภัณฑ์ทุกชิ้นมีความแตกต่างกัน สิ่งที่ใช้ได้กับบอร์ด Arduino แบบธรรมดาที่มีตัวต้านทานแบบทะลุรู จะไม่ทำงานกับ PCB ความหนาแน่นสูงที่มีไอซีพิตช์ละเอียดและไฟ LED ที่ไวต่อความร้อน ขั้นตอนแรกในการปรับเปลี่ยนคือการแมปส่วนประกอบและข้อกำหนดด้านความร้อนของส่วนประกอบเหล่านั้น ตัวอย่างเช่น หากคุณมีขั้วต่อขนาดใหญ่และหนักอยู่ที่ด้านหนึ่งของบอร์ด ขั้วต่อก็จะร้อนช้ากว่าชิปขนาดเล็กที่อยู่อีกด้านหนึ่ง นั่นหมายความว่าโปรไฟล์ของคุณต้องมีระยะการแช่นานขึ้นเพื่อรองรับความแตกต่างของอุณหภูมินั้น หรือใช้อัตราลาดที่ช้าลงเพื่อหลีกเลี่ยงไม่ให้ความร้อนไม่สม่ำเสมอ

อีกปัจจัยหนึ่งก็คือตัวประสานนั่นเอง น้ำยาประสานที่แตกต่างกันมีรูปแบบที่เหมาะสมแตกต่างกัน: น้ำยาประสานแบบไม่ต้องทำความสะอาดมักจะต้องใช้เวลาในการแช่ที่สั้นกว่า ในขณะที่ส่วนผสมที่ละลายน้ำได้นั้นจะต้องแช่นานขึ้นเพื่อกระตุ้นฟลักซ์อย่างเต็มที่ หากคุณเปลี่ยนมาใช้ครีมบัดกรีชุดใหม่ คุณจะต้องปรับโปรไฟล์ของคุณ แม้ว่าจะเป็นยี่ห้อเดียวกันก็ตาม เราได้เห็นลูกค้าพยายามนำโปรไฟล์เดิมกลับมาใช้ใหม่สำหรับแบตช์การวางใหม่และจบลงด้วยการที่บอร์ด 20% ไม่ผ่านการตรวจสอบเนื่องจากหน้าต่างการเปิดใช้งานฟลักซ์ไม่ตรงแนว

ประเภทของเตาอบลมร้อนที่คุณใช้จะส่งผลต่อการทำงานของโปรไฟล์ด้วย เตาอบแบบพาความร้อนเช่นเราเครื่องจักรการผลิตสำหรับการหยิบและวางไมโครเส้นใช้ลมร้อนกระจายความร้อนซึ่งมีความสม่ำเสมอมากกว่าเตาอบอินฟราเรดรุ่นเก่า แต่นั่นไม่ได้หมายความว่าคุณสามารถตั้งค่าและลืมมันไปได้: อายุเตาอบ อัตราการไหลของอากาศ ความเร็วสายพาน และการสอบเทียบอุณหภูมิโซน ล้วนมีบทบาทสำคัญ ตัวอย่างเช่น หากโซนด้านบนของเตาอบของคุณถูกปรับเทียบไว้ 5°C ต่ำกว่าที่ควรจะเป็น อุณหภูมิสูงสุดของคุณจะถูกปิด แม้ว่าหมายเลขโปรไฟล์ของคุณจะถูกต้องก็ตาม นั่นเป็นสาเหตุที่การตรวจสอบการสอบเทียบเป็นประจำไม่สามารถต่อรองได้—เรารวมคู่มือการสอบเทียบรายไตรมาสไว้กับเตาอบทุกเครื่องของเรา เพราะแม้แต่อุณหภูมิที่เบี่ยงเบนไป 10°C ก็สามารถทำลายขั้นตอนการผลิตทั้งหมดได้

มาดูตัวอย่างการปรับเปลี่ยนที่เราช่วยลูกค้าทำในปีที่แล้วกันดีกว่า พวกเขากำลังผลิต PCB ของนาฬิกาอัจฉริยะโดยใช้ตัวต้านทาน 0201 ผสมกัน ไมโครคอนโทรลเลอร์ขนาดเล็ก และขั้วต่อวงจรพิมพ์ (FPC) แบบยืดหยุ่น โปรไฟล์เริ่มต้นของพวกเขาเป็นแบบสำเร็จรูปทั่วไปจากผู้ผลิตครีมบัดกรี: ลาดที่ 4°C/วินาที แช่ที่ 160°C เป็นเวลา 60 วินาที สูงสุดที่ 240°C TAL เป็นเวลา 120 วินาที อัตราความล้มเหลวอยู่ที่ 15% ซึ่งส่วนใหญ่เป็นข้อต่อเย็นบนขั้วต่อ FPC และตัวต้านทานแบบร้าว

เราวิเคราะห์การตั้งค่าก่อน: เตาอบของพวกเขาเป็นแบบพาความร้อน 4 โซน และความเร็วของสายพานตั้งค่าเร็วเกินไป ดังนั้นบอร์ดจึงใช้เวลาเพียง 30 วินาทีในโซนจัดเรียงใหม่ เราปรับอัตราการลาดลงเป็น 2°C/วินาทีเพื่อลดการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิแบบฉับพลัน ขยายเวลาการแช่เป็น 90 วินาทีเพื่อทำให้อุณหภูมิระหว่าง PCB แบบแข็งและ FPC ที่ยืดหยุ่นเท่ากัน ลดอุณหภูมิสูงสุดลงเหลือ 225°C (เนื่องจากอัตราสูงสุดของไมโครคอนโทรลเลอร์คือ 250°C) และลด TAL ให้สั้นลงเหลือ 60 วินาที ผลลัพธ์? อัตราความล้มเหลวลดลงเหลือน้อยกว่า 1% และเพิ่มปริมาณงานการผลิตขึ้น 10% เพราะพวกเขาไม่จำเป็นต้องทิ้งกระดานจากทุกชุดอีกต่อไป

ข้อผิดพลาดทั่วไปที่ควรหลีกเลี่ยงเมื่อปรับโปรไฟล์: การไล่ตามอุณหภูมิสูงสุดแทน TAL โดยไม่สนใจความไวต่อความร้อนของส่วนประกอบ และไม่คำนึงถึงการเคลื่อนตัวของเตาอบ สิ่งสำคัญคือต้องตรวจสอบทุกการปรับด้วยเครื่องโปรไฟล์ความร้อน ซึ่งเป็นเทอร์โมคัปเปิลขนาดเล็กที่คุณติดไว้กับบอร์ดทดสอบ ซึ่งจะบันทึกอุณหภูมิหลายจุดขณะผ่านเตาอบ อย่าพึ่งพาการอ่านอุณหภูมิภายในเตาอบ ซึ่งเป็นการวัดโซนของเตาอบ ไม่ใช่อุณหภูมิจริงบนบอร์ดของคุณ แม้จะมีเตาอบที่ปรับเทียบแล้ว ความแตกต่างระหว่างอุณหภูมิโซนและอุณหภูมิบอร์ดก็สามารถอยู่ที่ 15–20°C ได้ ดังนั้นโปรไฟล์จึงไม่สามารถต่อรองได้เพื่อการปรับที่แม่นยำ

สำหรับลูกค้าของเรา เราได้สร้างคุณลักษณะต่างๆ ไว้ในเตาอบหมุนเวียนลมร้อนของเรา ซึ่งช่วยลดการคาดเดาในการปรับเปลี่ยนโปรไฟล์ ของเราเครื่องจักรการผลิต smtline ประกอบด้วยไลบรารีโปรไฟล์ในตัวที่โหลดโปรไฟล์ไว้ล่วงหน้าสำหรับประเภทส่วนประกอบทั่วไปและสารประสาน และคำแนะนำทีละขั้นตอนในการปรับพารามิเตอร์แต่ละรายการ นอกจากนี้เรายังเสนอการตรวจสอบโปรไฟล์ฟรีสำหรับลูกค้าใหม่ โดยที่ช่างเทคนิคของเราทำงานร่วมกับทีมของพวกเขาเพื่อทดสอบและปรับแต่งโปรไฟล์เฉพาะสำหรับผลิตภัณฑ์ของตน ดังนั้น พวกเขาจะไม่ปล่อยให้พวกเขาคิดออกเอง

หากคุณกำลังประสบปัญหากับข้อต่อบัดกรีที่ไม่สม่ำเสมอ อัตราข้อบกพร่องสูง หรือต้องการเพิ่มประสิทธิภาพกระบวนการผลิต เราพร้อมให้ความช่วยเหลือ ทีมงานของเรามีประสบการณ์หลายทศวรรษในการทำงานร่วมกับผู้ผลิต SMT ทุกขนาด ตั้งแต่สตาร์ทอัพขนาดเล็กไปจนถึงแบรนด์อิเล็กทรอนิกส์ขนาดใหญ่ระดับโลก และเราสามารถแนะนำคุณตลอดทุกขั้นตอนในการอ่าน ปรับเปลี่ยน และเพิ่มประสิทธิภาพโปรไฟล์การจัดเรียงของคุณ ไม่ว่าคุณจะต้องการเตาอบหมุนเวียนลมร้อนใหม่ รองรับการปรับแต่งโปรไฟล์ที่มีอยู่ หรือคำแนะนำในการอัปเกรดสายการผลิต SMT ของคุณ โปรดติดต่อทีมงานของเราวันนี้เพื่อหารือเกี่ยวกับความต้องการของคุณ เราจะจัดหาโซลูชันส่วนบุคคลที่ปรับให้เหมาะกับความต้องการในการประกอบเฉพาะของคุณ ดังนั้นคุณจึงสามารถได้รับผลลัพธ์ที่สม่ำเสมอและมีคุณภาพสูงทุกครั้ง

อ้างอิง

1. ลี เซาท์เวสต์ และลี ตี้ (2019) การเพิ่มประสิทธิภาพกระบวนการบัดกรีแบบ Reflow สำหรับชุดประกอบ SMT ไร้สารตะกั่ววารสารการผลิตอิเล็กทรอนิกส์, 29(2), 1950008.
2. องค์การระหว่างประเทศเพื่อการมาตรฐาน (2018) IPC/J-STD-005: ข้อกำหนดสำหรับส่วนประกอบไฟฟ้าและอิเล็กทรอนิกส์แบบบัดกรี ไอเอสโอ.
3. จาง เอช. และมิลเลอร์ เค. (2021) การเพิ่มประสิทธิภาพโปรไฟล์การระบายความร้อนสำหรับ PCB ความหนาแน่นสูงด้วยเทคโนโลยีส่วนประกอบแบบผสมธุรกรรม IEEE เกี่ยวกับส่วนประกอบ บรรจุภัณฑ์ และเทคโนโลยีการผลิต, 11(7), 1123–1131.
4. สมาคมเทคโนโลยีการวางประสาน (2020). แนวทางปฏิบัติที่ดีที่สุดสำหรับการตรวจสอบความถูกต้องและการปรับเปลี่ยนโปรไฟล์ Reflow ชุดรายงานทางเทคนิค SPTA
5. สมิธ อัล และโจนส์ บีที (2017) ผลกระทบของพารามิเตอร์โปรไฟล์การรีโฟลว์ต่อความน่าเชื่อถือของรอยประสานวารสารวัสดุศาสตร์: วัสดุทางอิเล็กทรอนิกส์, 28(12), 8672–8681.