วิธีการตั้งค่าโปรไฟล์การหลอมสำหรับตะกั่วบัดกรีไร้สารตะกั่วในเตาอบหลอมลมร้อน?

ในฐานะซัพพลายเออร์เตาอบลมร้อนแบบรีโฟลว์ ฉันใช้เวลาทศวรรษที่ผ่านมาทำงานร่วมกับทีมผู้ผลิตอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่ประสบปัญหาในการตอกย้ำโปรไฟล์รีโฟลว์แบบบัดกรีไร้สารตะกั่ว ฉันเคยเห็นบอร์ดที่พัง ข้อต่อที่ร้าว และการหยุดทำงานของการผลิตที่ทำให้เป้าหมายรายไตรมาสหมดไป ทั้งหมดนี้เป็นเพราะมีคนข้ามขั้นตอนพื้นฐานของการสร้างโปรไฟล์ไร้สารตะกั่วที่ถูกต้อง การบัดกรีไร้สารตะกั่วไม่ได้เป็นเพียงการแลกเปลี่ยนสารบัดกรีสำหรับโลหะผสม SnAgCu (SAC) เท่านั้น เป็นการเต้นของความร้อนที่แม่นยำซึ่งต้องคำนึงถึงทุกตัวแปรในเตาอบ การประกอบ และชิ้นส่วนของคุณ วันนี้ ฉันกำลังเปิดม่านเกี่ยวกับวิธีการที่เราทำงานร่วมกับลูกค้าของเราเพื่อสร้างโปรไฟล์ไร้สารตะกั่วที่เชื่อถือได้ และเหตุใดความผิดพลาดเล็กๆ น้อยๆ ที่นี่จึงมีค่าใช้จ่ายมากกว่าที่คุณคิด

ก่อนอื่น เรามาทำความเข้าใจว่าทำไมโปรไฟล์ไร้สารตะกั่วถึงแตกต่าง โลหะบัดกรีตะกั่วดีบุกแบบดั้งเดิมจะละลายที่ ~183°C ดังนั้นโปรไฟล์จึงไม่มีปัญหา ด้วยอัตราการขึ้นลงที่ช้าและอุณหภูมิสูงสุดต่ำ โลหะผสม SAC ซึ่งเป็นมาตรฐานสากลสำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ไร้สารตะกั่ว มีจุดหลอมเหลวอยู่ที่ ~217°C ซึ่งสูงกว่าตะกั่วดีบุกประมาณ 34 องศา นั่นอาจฟังดูเล็กน้อย แต่เป็นการเปลี่ยนแปลงที่สำคัญ อัตราการเปลี่ยนแปลงเร็วเกินไป และการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิอย่างฉับพลันระหว่างห้องที่มีอุณหภูมิ 25°C และ 217°C จะทำให้ตัวเก็บประจุแบบเซรามิก ตัวต้านทานแบบฟิล์มบาง และแม้แต่แพ็คเกจ IC ที่ละเอียดอ่อนแตกร้าว อุณหภูมิสูงสุดที่สูงเกินไป และคุณจะเผาไหม้ฟลักซ์บัดกรี ทิ้งข้อต่อที่มีเปียกไม่ดี หรือทำให้แผ่นลามิเนตเสื่อมสภาพ ส่งผลให้ส่วนประกอบทั้งหมดบิดเบี้ยว แม้แต่เครื่องจักรการผลิตที่ดีที่สุดสำหรับการหยิบและวางระดับไมโครก็ไม่สามารถแก้ไขการรีโฟลว์ที่ไม่ดีได้ โปรไฟล์ของคุณคือหัวใจหลักของข้อต่อบัดกรีที่เชื่อถือได้

ก่อนที่คุณจะสัมผัสโซนอุณหภูมิของเตาอบ คุณจะต้องรวบรวมข้อมูลพื้นฐานก่อน นี่เป็นขั้นตอนที่หลายทีมข้ามไป และเป็นจุดที่โปรไฟล์ส่วนใหญ่ผิดพลาด ขั้นแรก ดึง BOM (รายการวัสดุ) ของคุณ และตรวจสอบข้อกำหนดเฉพาะของชิ้นส่วนทั้งหมด IC สำหรับผู้บริโภคมักจะระบุอุณหภูมิร่างกายสูงสุด (โดยปกติคือ 260°C สำหรับการสัมผัสระยะสั้น บางครั้งต่ำกว่าสำหรับส่วนประกอบที่มีจำนวนพินสูง) PCB ที่หนาอาจมีอุณหภูมิการเปลี่ยนสถานะคล้ายแก้ว (Tg) ต่ำกว่าซึ่งจำกัดอุณหภูมิสูงสุด และพาสซีฟ 0201 หรือ 01005 มีความไวต่อการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิอย่างฉับพลันมากกว่าส่วนประกอบขนาดใหญ่ เช่น ตัวเชื่อมต่อ

ต่อไป คุณจะต้องสร้างรถทดสอบ ไม่จำเป็นต้องเป็นบอร์ดการผลิตเต็มรูปแบบ เราขอแนะนำแผงขนาดเล็กที่รวมทุกส่วนประกอบใน BOM ของคุณ ตั้งแต่ 01005 ที่เล็กที่สุดไปจนถึง BGA ที่ใหญ่ที่สุด คุณจะต้องติดตั้งเทอร์โมคัปเปิลด้วย เรามักจะแจ้งให้ลูกค้าติดตั้งเทอร์โมคัปเปิลอย่างน้อยสี่ตัว ไม่ใช่แค่ตัวเดียว อันหนึ่งอยู่ด้านล่างของ PCB (ใกล้กับองค์ประกอบความร้อนของเตาอบมากที่สุด) อันหนึ่งอยู่ด้านบนของ BGA ขนาดใหญ่ อีกอันอยู่บนพาสซีฟ 0201 และอีกอันอยู่ที่ขอบบอร์ดซึ่งมีอุณหภูมิไม่เท่ากัน ติดด้วยกาวบัดกรีอุณหภูมิสูงหรือเทปความร้อน กาวสามารถหลุดออกกลางคัน และทำให้ข้อมูลของคุณเสียหายได้

เมื่อคุณให้รถทดสอบและเทอร์โมคัปเปิลทำงานแล้ว ก็ถึงเวลาที่จะเริ่มปรับเทียบเตาอบหมุนเวียนลมร้อนของคุณ เตาอบ reflow 6 โซนของเราได้รับการออกแบบมาเพื่อการควบคุมสูงสุด แต่แม้แต่เตาอบใหม่ก็ยังต้องมีการสอบเทียบเบื้องต้นก่อนใช้งาน ขั้นแรก ปิดประตูสายพานลำเลียงของเตาอบทั้งหมดแล้วรันโปรแกรมเปล่าที่อุณหภูมิสูงสุดที่คุณคาดหวัง โดยตรวจสอบว่าอุณหภูมิของแต่ละโซนอยู่ภายใน ±5°C ของค่าที่ตั้งไว้ เตาอบลมร้อนอาศัยการไหลเวียนของอากาศที่สม่ำเสมอ ดังนั้นการอุดตันจากเศษการผลิตในอดีตอาจทำให้เกิดจุดเย็นได้ โปรดทำความสะอาดองค์ประกอบความร้อนและหัวฉีดอากาศของเตาอบอย่างน้อยทุกๆ 500 รอบ หรือหลังจากการเปลี่ยนแปลง BOM ที่สำคัญใดๆ ตามบริบท เครื่องจักรการผลิต smt คุณภาพสูง เช่น HW-R612 Six-Zone Reflow Soldering System ของเรามีการควบคุมการไหลของอากาศที่เป็นอิสระต่อโซน ซึ่งทำให้การปรับแต่งโปรไฟล์ไร้สารตะกั่วมีความแม่นยำมากกว่าเตาอบ 2 โซนรุ่นเก่าที่มีความร้อนสม่ำเสมอ

แก่นแท้ของโปรไฟล์: การแบ่งวงจรการรีโฟลว์ออกเป็นสี่เฟสที่แตกต่างกัน โดยแต่ละเฟสมีกฎของตัวเองสำหรับการบัดกรีไร้สารตะกั่ว มาดูรายละเอียดนี้ทีละขั้นตอนด้วยตัวเลขที่เราแนะนำสำหรับการประกอบมาตรฐานส่วนใหญ่

1. ระยะอุ่นเครื่อง (25°C ถึง 150°C)
   เป้าหมายคือการเพิ่มอุณหภูมิของ PCB อย่างช้าๆ เพื่อกระตุ้นฟลักซ์บัดกรี โดยไม่มีส่วนประกอบที่น่าตกใจ สำหรับสารไร้สารตะกั่ว อัตราการเพิ่มจากอุณหภูมิห้องถึง 150°C ควรเป็น 0.5°C ถึง 1.5°C ต่อวินาที อัตราที่เร็วกว่าหมายถึงฟลักซ์สามารถเผาไหม้ได้ก่อนที่จะทำความสะอาดสายและแผ่นส่วนประกอบ ซึ่งนำไปสู่ข้อต่อที่เย็น โดยทั่วไปการเปิดใช้งาน Flux จะเกิดขึ้นระหว่าง 100°C ถึง 120°C ดังนั้นขั้นตอนนี้จึงควรใช้เวลาประมาณ 60 ถึง 90 วินาที ซึ่งนานพอที่จะทำให้ฟลักซ์เปิดใช้งานทั้งหมด แต่ไม่นานจนทำให้คุณเสียเวลาในการผลิต ดูข้อมูลเทอร์โมคัปเปิลได้ที่นี่: หากส่วนประกอบ 01005 ขนาดเล็กอ่านว่าร้อนกว่า BGA ขนาดใหญ่ถึง 10°C ในเฟสนี้ คุณจะต้องปรับการไหลของอากาศโซนเพื่อปรับอุณหภูมิให้สมดุล ทีมงานของเรามักจะช่วยลูกค้าปรับแต่งการไหลเวียนของอากาศบนเตาอบแบบรีโฟลว์เพื่อแก้ไขความไม่สอดคล้องกันของฮอตสปอตระหว่างการตั้งค่าโปรไฟล์เริ่มต้น

2. ระยะแช่ (150°C ถึง 200°C)
   นี่เป็นส่วนที่ไม่ได้รับการประเมินต่ำที่สุดของโปรไฟล์ไร้สารตะกั่ว และเป็นที่ที่ผู้ผลิตหลายรายตัดมุม หน้าที่ของขั้นตอนการแช่คือการยึด PCB ไว้ที่อุณหภูมิสม่ำเสมอต่ำกว่าการหลอมละลายของโลหะบัดกรี ดังนั้นส่วนประกอบทั้งหมดจึงเข้าสู่สมดุลทางความร้อน สำหรับสารไร้สารตะกั่ว เราแนะนำให้ถือที่อุณหภูมิ 150°C ถึง 200°C เป็นเวลา 60 ถึง 120 วินาที กฎสำคัญที่นี่คืออุณหภูมิของ PCB ทั้งหมดควรเปลี่ยนแปลงไม่เกิน ±5°C ในระหว่างการพักนี้ อุณหภูมิที่ไม่สม่ำเสมอหมายถึงข้อต่อบางข้อเริ่มไหลกลับก่อนข้ออื่น ซึ่งนำไปสู่การเชื่อมประสานหรือข้อต่อที่แห้ง นี่เป็นสิ่งสำคัญอย่างยิ่งสำหรับบอร์ดที่มีส่วนประกอบขนาดใหญ่และขนาดเล็กผสมกัน: BGA ขนาดใหญ่จะใช้เวลาในการทำความร้อนนานกว่า ดังนั้นขั้นตอนการแช่จะทำให้มีเวลาในการจับคู่ส่วนที่เหลือของบอร์ด เมื่อเราทำงานร่วมกับลูกค้ารายใหม่ เรามักจะปรับโซนกลางของเตาอบ (โซน 2, 3 และ 4 ในรุ่น 6 โซนของเรา) เพื่อปรับอุณหภูมิการคงไว้นี้อย่างละเอียด แทนที่จะปรับโซนทั้งหมดพร้อมกัน

   

3. เฟสการไหลกลับ (200°C ถึงอุณหภูมิสูงสุด)
   นี่คือจุดที่บัดกรีละลาย สารบัดกรีไร้สารตะกั่วเริ่มละลายที่ ~217°C ดังนั้นการลาดจากแช่ไปจนถึงจุดสูงสุดควรช้าและควบคุมได้ เราขอแนะนำอัตราเพิ่มที่ 0.5°C ถึง 1°C ต่อวินาทีที่นี่ อัตราที่เร็วกว่าจะทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิแบบฉับพลัน ดังที่ฉันได้กล่าวไว้ข้างต้น อุณหภูมิสูงสุดไม่สามารถต่อรองได้สำหรับผลิตภัณฑ์ไร้สารตะกั่ว โดยจะต้องสูงกว่าจุดหลอมเหลวของโลหะบัดกรี 20°C ถึง 40°C ดังนั้นจึงต้องอยู่ระหว่าง 237°C ถึง 257°C อย่าใช้อุณหภูมิเกิน 260°C แม้จะเปิดรับแสงสั้นๆ (รวมแล้วไม่เกิน 10 วินาที) เราเห็นลูกค้าใหม่จำนวนมากทำผิดพลาดในการตั้งค่าจุดสูงสุดสูงเกินไปที่จะ "รับประกันการเปียกที่ดี" แต่นั่นนำไปสู่การเสื่อมสภาพของฟลักซ์ การบิดเบี้ยวของบอร์ด และแม้แต่การแยกตัวของ IC สำหรับ BGA ที่มีจำนวนพินสูงหรือ PCB ที่หนา เราจะปรับจุดสูงสุดไปที่ส่วนล่างสุดของช่วงนี้ ในขณะที่สำหรับบอร์ดขนาดเล็กและบาง เราอาจใช้ขีดจำกัดบน ตราบใดที่เรายืนยันว่าอุณหภูมิของส่วนประกอบภายในอยู่ภายในข้อกำหนด

4. ระยะคูลดาวน์ (สูงสุดที่ 50°C)
   เมื่อบัดกรีได้ไหลกลับคืนเต็มที่แล้ว คุณจะต้องทำให้บอร์ดเย็นลงอย่างช้าๆ เพื่อหลีกเลี่ยงการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิอย่างฉับพลันอีกครั้ง และเพื่อสร้างข้อต่อประสานที่แข็งแกร่งและสม่ำเสมอ อัตราคูลดาวน์ควรอยู่ที่ 1°C ถึง 3°C ต่อวินาที หลีกเลี่ยงการระบายความร้อนอย่างรวดเร็ว ซึ่งสามารถสร้างชั้นอินเตอร์เมทัลลิกที่เปราะในข้อต่อบัดกรี ซึ่งนำไปสู่ความล้มเหลวตั้งแต่เนิ่นๆ เตาอบของเรามีโซนทำความเย็นโดยเฉพาะพร้อมควบคุมการไหลเวียนของอากาศ ดังนั้นเราจึงสามารถช่วยลูกค้าปรับแต่งระยะนี้ให้ตรงกับความหนาของบอร์ดได้—บอร์ดที่หนากว่าจะต้องระบายความร้อนช้าลง บอร์ดที่บางและยืดหยุ่นสามารถรองรับอัตราที่เร็วขึ้นเล็กน้อยโดยไม่เกิดความเสียหาย

ตอนนี้ การตรวจสอบขั้นสุดท้ายที่สำคัญ: การตรวจสอบความถูกต้อง คุณไม่สามารถตั้งตัวเลขเหล่านี้แล้ววิ่งได้ เมื่อคุณสร้างโปรไฟล์แล้ว ให้เรียกใช้บอร์ดทดสอบและตรวจสอบค่าที่อ่านได้ของเทอร์โมคัปเปิลหลายค่าทั่วทั้งชุดประกอบ ตรวจสอบตัวชี้วัดหลักสามประการ:

1. เวลารวมที่สูงกว่า 217°C: ควรอยู่ระหว่าง 30 ถึง 90 วินาที สั้นเกินไป และลวดบัดกรีจะไม่เปียกจนเกินไป นานเกินไป และคุณจะลดส่วนประกอบลง
2. ความแปรผันของอุณหภูมิในทุกส่วนประกอบ: ไม่เกิน ±5°C ในทุกเฟส หากเทอร์โมคัปเปิลของคุณบนขั้วต่ออ่านว่าร้อนกว่า BGA ถึง 10°C ให้ย้อนกลับไปและปรับการไหลของอากาศในบริเวณนั้น
3. อุณหภูมิของส่วนประกอบของร่างกาย: ไม่เกินค่าสูงสุดที่ระบุไว้ของผู้ผลิต (โดยปกติคือ 260°C สำหรับชิ้นส่วนที่ยึดบนพื้นผิวส่วนใหญ่)

ฉันเคยเห็นทีมต่างๆ เสียเงินหลายแสนดอลลาร์เพื่อพยายามซ่อมแซมข้อต่อที่ไม่ดีหลังการผลิต เพียงเพราะพวกเขาข้ามการตรวจสอบ เมื่อคุณมีโปรไฟล์ที่มั่นคงแล้ว คุณจะต้องอัปเดตทุกครั้งที่คุณเปลี่ยน BOM เปลี่ยนสารบัดกรี หรือแม้แต่ปรับความเร็วสายพานลำเลียงของเตาอบ การเปลี่ยนแปลงเล็กน้อยทำให้เกิดความแตกต่างอย่างมากในด้านความร้อน

หากคุณกำลังตั้งค่าโปรไฟล์ไร้สารตะกั่วเป็นครั้งแรก หรือโปรไฟล์ปัจจุบันของคุณมีข้อบกพร่อง เช่น การเชื่อมต่อหรือข้อต่อเย็น อย่าเดาเลย เครื่องมือและความเชี่ยวชาญที่เหมาะสมจะสร้างความแตกต่างได้ ไม่ว่าคุณจะต้องการการปรับแต่งอย่างละเอียดสำหรับเตาอบหมุนเวียนลมร้อนที่มีอยู่ หรือกำลังอัปเกรดเป็นระบบที่สร้างขึ้นเพื่อประสิทธิภาพไร้สารตะกั่วที่สม่ำเสมอ ทีมงานของเราพร้อมให้ความช่วยเหลือคุณในการทำให้กระบวนการเติมกระแสใหม่ถูกต้อง สำหรับอุปกรณ์ SMT ระดับมืออาชีพที่ออกแบบมาเพื่อตอบสนองความต้องการที่เข้มงวดของการบัดกรีไร้สารตะกั่ว ติดต่อเราวันนี้เพื่อหารือเกี่ยวกับความต้องการในการผลิตของคุณและค้นหาโซลูชันที่เหมาะสมสำหรับสายการผลิตของคุณ

อ้างอิง

1. IPC-A-610H: การยอมรับของส่วนประกอบอิเล็กทรอนิกส์ สมาคมวงจรพิมพ์นานาชาติ
2. คู่มือการบัดกรีไร้สารตะกั่ว J-STD-001 สมาคมวงจรพิมพ์นานาชาติ
3. พื้นฐานกระบวนการบัดกรีแบบ Reflow, Surface Mount Technology Association (SMTA)
4. การใช้งานบัดกรีและการเพิ่มประสิทธิภาพการรีโฟลว์ คู่มือด้านเทคนิคของวัสดุอิเล็กทรอนิกส์ของเฮงเค็ล