چگونه می‌توان اتصال کوتاه لحیم را در جریان برگشتی بدون سرب عیب‌یابی کرد؟

به‌عنوان تامین‌کننده فرهای بدون سرب، من دهه گذشته را در کنار تکنسین‌های SMT، مدیران تولید و سرنخ‌های خط گذرانده‌ام که پس از جریان مجدد روی یک PCB جمع شده‌اند، اتصالات لحیم کاری ریز را با موچین ایجاد می‌کنند و درباره همان مشکل ناراحت‌کننده غر می‌زنند: شورت لحیم کاری. اگر تا به حال یک خط بدون سرب راه‌اندازی کرده‌اید، می‌دانید که این فقط یک مشکل جزئی نیست - اتصال کوتاه می‌تواند تولید را برای ساعت‌ها متوقف کند، ده‌ها تخته را از بین ببرد و سفارش‌ها را زمانی که تیم شما از قبل نازک شده است به تاخیر بیاندازد. من تیم‌ها را تماشا کرده‌ام که ساعت‌ها را برای حدس زدن راه‌حل‌ها تلف می‌کنند: سرزنش شابلون‌ها، نمایه‌های جریان مجدد، حتی رطوبت موجود در انبار، زمانی که مشکل واقعی معمولاً ترکیبی از گام‌های اشتباه کوچک و قابل اجتناب است که جمع می‌شوند. امروز، من از نحوه عیب‌یابی شورت‌های لحیم کاری در جریان بدون سرب، روش‌هایی که به هر مشتری که تجهیزات ما را می‌خرد آموزش می‌دهیم، و نکاتی که نرخ کار مجدد مشتریان ما را به طور متوسط ​​40 درصد کاهش داده است، کنار می‌کشم. بیایید با پایه‌گذاری این موضوع در واقعیت شروع کنیم: لحیم‌های بدون سرب (معمولاً ترکیبی از قلع، مس، نیکل و نقره) در دمای 30 تا 40 درجه فارنهایت بالاتر از سرب قلع معمولی ذوب می‌شوند، که به این معنی است که پنجره جریان مجدد باریک‌تر است، کشش سطحی متفاوت است، و حتی انحراف‌های کوچک در فرآیند می‌تواند باعث ایجاد بریج یا شورت در جایی که باید اتفاق بیفتد. خبر خوب این است که تقریباً هر کوتاهی که می بینیم با بررسی های سیستماتیک و گام به گام قابل حل است، نه با حدس و گمان.

بیایید با اولین جایی شروع کنیم که اکثر تیم‌ها وقتی کوتاهی می‌بینند به آن نگاه می‌کنند: فرآیند انتخاب و مکان. قبل از اینکه لحیم کاری تخته را لمس کند، قطعات باید به طور دقیق قرار گیرند، و قطعات نامناسب یکی از 3 علت اصلی شورت های بدون سرب هستند. من این را صد بار دیده‌ام: یک تکنسین یک خط تولید را با یک ماشین جمع‌آوری قدیمی‌تر راه‌اندازی می‌کند که کمی کالیبراسیون ندارد، و یک مقاومت 0402 فقط 0.1 میلی‌متر از پد آن جابجا شده است. در طول جریان مجدد، لحیم مذاب هم سرب قطعه و هم یک بالشتک مجاور آن را خیس می کند و یک اتصال کوتاه ایجاد می کند که تا بررسی نهایی AOI به راحتی از دست می رود. این یک نقص در خود لحیم کاری نیست - این یک شکست در قرار دادن قطعات بالادستی است. برای تیم هایی که با قطعات ریز (0.4 میلی متر یا کوچکتر) کار می کنند که در تلفن ها، پوشیدنی ها و لوازم الکترونیکی صنعتی رایج است، این خطر چند برابر می شود. به همین دلیل است که ما همیشه توصیه می‌کنیم که سیستم انتخاب و مکان شما در ابتدای هر دوره تولید کالیبره شده باشد، نه فقط به صورت هفتگی. برای مثال، اگر از یک پیکاپ با کنترل عددی استفاده می‌کنید و وسایل الکترونیکی را نصب می‌کنید، 10 تا 15 تخته نمونه را از 100 نمونه تولید شده بردارید و تراز اجزا را با میکروسکوپ دیجیتال اندازه‌گیری کنید. حتی یک تغییر 0.05 میلی متری در موقعیت قطعه می تواند منجر به جریان مجدد بدون سرب کوتاه شود، جایی که محدوده ذوب باریک لحیم کاری زمان کمتری را برای خود تراز شدن می گذارد. من چند سال پیش مشتری داشتم که نرخ های کوتاه 12 درصدی را در PCB بلندگوهای بلوتوث خود مشاهده می کرد - معلوم شد که نازل انتخاب و جاسازی آنها دارای یک ترک کوچک بوده که باعث عدم تراز مداوم خازن های 0201 شده است. هنگامی که آنها نازل را جایگزین کردند و چک های تراز روزانه را اضافه کردند، نرخ کوتاه آنها در یک هفته به 1.8٪ کاهش یافت. این یک جزئیات کوچک در بالادست است، اما تأثیر زیادی دارد.

در مرحله بعد، از محل قرار دادن اجزا به سمت شابلون و خمیر لحیم کاری بروید، زیرا 60 درصد شورت‌هایی که عیب‌یابی می‌کنیم، به طراحی شابلون یا کاربرد خمیر لحیم بازمی‌گردند، نه خود فر. خمیر لحیم بدون سرب دارای خواص متفاوتی نسبت به خمیر سرب است: ویسکوزیته بالاتر، "افتادگی" کمتری در حین چاپ دارد و به فشار ثابتی نیاز دارد تا مقدار مناسبی از لحیم کاری را روی هر پد قرار دهد. خمیر لحیم کاری بیش از حد در اینجا شایع ترین مقصر است. اگر دیافراگم‌های شابلون شما بزرگ‌تر باشد (یا اگر شابلون فرسوده باشد، با سوراخ‌هایی که پس از 50000 بار چاپ کشیده شده‌اند)، در نهایت با لحیم کاری اضافی روی پدهای مجاور مواجه خواهید شد که در حین جریان مجدد پل می‌شوند. من این را اخیراً در یک سازنده دستگاه پزشکی دیدم که در حال ساخت PCB های مانیتور قلب برای آزمایش FDA بود. شابلون آنها 10 سال قدمت داشت و روزنه های آی سی های ریز به اندازه ای فرسوده شده بود که هر رسوب 15 درصد بزرگتر از آنچه طراحی شده بود بود. در طول جریان مجدد، لحیم مذاب روی شکاف‌های بین پین‌ها ریخته شد و شورت‌هایی ایجاد کرد که آنها را مجبور کرد ممیزی نظارتی خود را دو هفته به تاخیر بیاندازند. راه حل یک اجاق گاز جدید نبود - یک شابلون برش لیزری 0.15 میلی‌متری با اندازه‌های دیافراگم منطبق برای اجزای آن و یک برنامه تمیز کردن ماهانه شابلون بود که بقایای خمیر لحیم خشک شده را از سوراخ‌ها حذف می‌کرد. نکته دیگری که در اینجا باید بررسی شود، نگهداری و تازگی خمیر لحیم کاری است. خمیر بدون سرب در دمای 40 درجه فارنهایت 6 ماه ماندگاری دارد و پس از باز شدن، فقط برای 24 تا 48 ساعت در دمای اتاق مفید است. من تیم‌هایی را دیده‌ام که خمیری را می‌کشند که به مدت سه روز بیرون مانده است، یا به اشتباه از فریزر ذوب شده و در نتیجه خمیری بسیار روان است. خمیر روان در حین چاپ روی پد خود باقی نمی‌ماند، بنابراین با لحیم کاری اضافی روی پدهای مجاور مواجه می‌شوید که در حین جریان مجدد، کوتاهی ایجاد می‌کند. اگر شورت ثابتی را روی طرح‌های تخته‌های مشابه می‌بینید، یک نمونه خمیر لحیم کاری را از وسط دسته‌تان بکشید—اگر دانه‌دار به نظر می‌رسد یا ذرات فلزی جدا شده است، نشانه‌ای است که تاریخ مصرف آن تمام شده و باید تعویض شود.

حال، بیایید به خود نمایه جریان مجدد برسیم، جایی که اکثر تیم‌ها در هنگام عیب‌یابی ابتدا به آن می‌پیوندند، و در آنجا بیشترین تفاوت‌ها را در فرآیندهای بدون سرب مشاهده می‌کنیم. پروفیل جریان مجدد بد یک قاتل بی صدا اتصالات لحیم کاری است و شورت در زمانی که به درستی تنظیم نشده باشد بارزترین علامت است. برای بدون سرب، پروفیل ایده آل دارای چهار ناحیه متمایز است: پیش گرم کردن، خیساندن، جریان مجدد و خنک کننده. منطقه پیش گرم باید تخته را با دمای 1 تا 2 درجه در ثانیه افزایش دهد که از دمای اتاق شروع شده و بین 150 تا 180 درجه سانتیگراد خاتمه می یابد. این ناحیه رطوبت را از PCB و قطعات حذف می کند، از شوک حرارتی جلوگیری می کند و شروع به فعال کردن شار خمیر لحیم می کند. منطقه خیساندن تخته را در دمای 150 تا 180 درجه سانتی گراد به مدت 60 تا 90 ثانیه نگه می دارد، جایی که شار بیشتر کار خود را انجام می دهد: اکسیداسیون را از لنت و سرنخ های اجزا حذف می کند، بنابراین لحیم مذاب می تواند به درستی خیس شود. منطقه جریان مجدد جایی است که دقت بیشترین اهمیت را دارد: دمای پیک باید بین 245 تا 260 درجه سانتی گراد باشد و زمان بالای مایع (TAL) باید 60 تا 90 ثانیه باشد. اگر دمای اوج خیلی کم باشد، لحیم کاری به طور کامل ذوب نمی شود و منجر به سرد شدن مفاصل می شود. اگر خیلی زیاد باشد، یا TAL خیلی طولانی باشد، شار می‌تواند بسوزد، و لحیم مذاب خیلی "خیس" می‌شود - به این معنی که دورتر از آنچه در نظر گرفته شده روی لنت‌های مجاور پخش می‌شود و پل و شورت ایجاد می‌کند. من یک مشتری در زمینه الکترونیک خودرو داشتم که از پروفیل جریان مجدد بدون سرب عمومی استفاده می کرد که دمای اوج آن 275 درجه سانتیگراد بود که تقریباً 20 درجه فارنهایت برای آی سی های گام 0.5 میلی متری آنها بسیار بالا بود. آنها شورت را در 8٪ از ECU های خود می دیدند، و واکنش اولیه آنها این بود که راه اندازی لحیم کاری مجدد SMD آنها معیوب بود. ما مشخصات آنها را در دمای 250 درجه سانتیگراد با 70 ثانیه TAL تنظیم کردیم و در عرض دو روز، نرخ کوتاه آنها به 0.9٪ کاهش یافت. این تفاوت بین یک نمایه یک اندازه مناسب و یک نمایه سفارشی تنظیم شده برای اجزای خاص و طراحی PCB شما است. یکی دیگر از اشتباهات رایج پروفیل، حرارت دادن ناهموار در سراسر نوار نقاله کوره جریان مجدد است. اکثر اجاق‌های بدون سرب برای گرم کردن تخته‌ها از هوای مادون قرمز و گرم استفاده می‌کنند، اما اگر نازل‌های هوای گرم مسدود شده باشند یا نوار نقاله کمی کج شده باشد، می‌توانید نقاط داغ در یک سر تخته و نقاط خنک‌تر در طرف دیگر ایجاد کنید. نقطه داغ می تواند باعث پخش شدن زودرس لحیم شده و ایجاد شورت در یک طرف تخته شود، در حالی که نقطه سرد منجر به اتصالات سرد در طرف دیگر می شود. به همین دلیل است که توصیه می‌کنیم در هر مرحله تولید، سازگاری پروفایل را با دیتالاگر بررسی کنید، به‌ویژه هنگام تغییر اندازه برد یا انواع اجزا. اگر این کار را انجام نمی‌دهید، یک بررسی کلیدی را از دست می‌دهید که مشکلات نمایه را قبل از ایجاد صدها شورت بررسی می‌کند.

صبر کنید، بیایید اینجا مکث کنیم—این نقطه خوبی برای بازگشت به اتوماسیون است، زیرا بسیاری از تیم هایی که من با آنها کار می کنم به سمت خطوط خودکار برای تولید با حجم بالا حرکت می کنند. انتقال خودکار به انتخاب و قرار دادن ربات‌های رومیزی خطای انسانی را کاهش داده است، اما متغیرهای جدیدی را نیز معرفی کرده است که در صورت عدم کالیبره کردن می‌تواند منجر به شلوارک شود. به عنوان مثال، اگر ارتفاع محور Z ربات انتخاب و جابجایی خودکار شما خیلی کم باشد، سرب قطعه می تواند در حین قرار دادن به خمیر لحیم فشار وارد کند و خمیر اضافی را روی لنت های مجاور فشار دهد. اگر محور Z خیلی زیاد باشد، مولفه در جریان جریان مجدد جابه‌جا می‌شود و منجر به همان ناهماهنگی می‌شود که قبلاً در مورد آن صحبت کردیم. ما شاهد این اتفاق در مورد مشتری بوده‌ایم که از نمونه اولیه به 10000 واحد در ماه تغییر می‌کند و از قرار دادن دستی به خط ربات خودکار تغییر می‌کند. آنها محور Z ربات را برای مقاومت های جدید 01005 خود کالیبره نکردند و در عرض یک هفته، 2000 تخته با اتصالات کوتاه داشتند. رفع؟ یک بررسی کالیبراسیون 10 دقیقه‌ای برای ارتفاع قطعه و تنظیم نرم‌افزار فشار قرارگیری ربات برای اجزای کوچک و ظریف. به همین دلیل است که ما همیشه توصیه می‌کنیم که وقتی تنظیمات اتوماسیون خود را به‌روزرسانی می‌کنید، چه اضافه کردن یک دستگاه چیپ‌ساز CNC و یا تغییر به سرعت نوار نقاله جدید برای خط تولید بلوتوث دستگاه تولید PCB بزرگ خود، ابتدا یک برد آزمایشی کوچک را قبل از تولید کامل اجرا کنید. 15 دقیقه طول می کشد و باعث صرفه جویی در ساعت ها در کار مجدد می شود.

اکنون، بیایید در مورد دلایل کمتر آشکار شورت که تیم ها اغلب نادیده می گیرند صحبت کنیم: طراحی PCB و مدیریت پس از جریان مجدد. سرزنش این روند آسان است، اما گاهی اوقات مشکل اصلی در خود طراحی است. قطعات ریز (0.4 میلی متر یا کوچکتر) با فاصله پد 0.2 میلی متر یا کمتر، حتی با کنترل کامل فرآیند، به خصوص مستعد شلوارک هستند. اگر طراح PCB شما فاصله ماسک لحیم زیادی را بین لنت‌ها اضافه کرده باشد، این باعث می‌شود که مس در معرض دید قرار گیرد که در طول جریان مجدد لحیم بیشتری را جذب کند. یا اگر مسیر بین دو لنت خیلی باریک باشد، لحیم مذاب می‌تواند روی آن نفوذ کرده و یک اتصال کوتاه ایجاد کند. خبر خوب این است که یک تغییر طراحی کوچک - مانند کاهش فاصله 0.05 میلی متری، یا اضافه کردن یک لحیم کاری کوچک برای باریک کردن دهانه پد - می تواند بدون تغییر در روند شما، شورت ها را کاملا از بین ببرد. من این را با مشتری‌ای که ساعت‌های هوشمند می‌سازد، دیده‌ام، که در آن کانکتور میکرو یو‌اس‌بی 0.35 میلی‌متری آن‌ها باعث ایجاد شورت‌های ثابت در طول جریان مجدد می‌شد. تیم طراحی آنها اندازه دیافراگم شابلون را برای پدهای رابط از 0.12 میلی‌متر به 0.1 میلی‌متر تنظیم کردند، و شورت متوقف شد، حتی با همان مشخصات جریان مجدد و تنظیم انتخاب و مکان. مدیریت پس از جریان مجدد یکی دیگر از مقصران پنهان است. اگر تیم شما تخته‌ها را با دستان خالی کار می‌کند، روغن‌های پوست می‌توانند پدهای لحیم کاری را آلوده کنند، یا اگر خیلی زود پس از جریان مجدد تخته‌ها را روی هم قرار می‌دهید، لحیم مذاب (حتی اگر به نظر می‌رسد ثابت باشد) می‌تواند جابه‌جا شود و کوتاهی ایجاد کند. ما همیشه توصیه می کنیم قبل از جابجایی بردها، 20 تا 30 دقیقه پس از جریان مجدد صبر کنید، از دستکش ESD هنگام دست زدن به PCB های پر شده و استفاده از جداکننده بین بردها در طول ذخیره سازی استفاده کنید. من یک بار تیمی داشتم که 20 تخته را درست بعد از جریان مجدد انباشته می کردند و 15٪ از تخته های پایین شورت داشتند زیرا لحیم پایین تخته بالایی کمی ذوب شده بود و روی تخته زیر پل شده بود. این یک راه حل ساده بود - جداکننده ها را اضافه کنید، 10 دقیقه دیگر قبل از انباشتن صبر کنید - و نرخ کوتاه آنها را یک شبه به نصف کاهش داد.

بیایید این را با یک گردش کار عیب یابی عملی جمع بندی کنیم، چیزی که می توانید به جای حدس زدن، زمانی که در طول تولید کوتاهی می بینید، قدم به قدم دنبال کنید. اول، فوراً تولید را متوقف کنید - انتظار فقط باعث ضایعات بیشتر می شود. 5 تخته که دارای شورت است و 5 تخته بدون عیب بردارید. مفاصل کوتاه شده را با میکروسکوپ بررسی کنید: آیا قطعه ناهمتراز است؟ اگر بله، تراز انتخاب و مکان و وضعیت نازل خود را بررسی کنید. بعد، شابلون را بررسی کنید: یک شابلون آزمایشی را روی یک PCB خالی چاپ کنید و رسوبات لحیم کاری را بررسی کنید. آیا آنها یکنواخت، اندازه مناسب هستند و از بالشتک هایشان پر نمی شوند؟ اگر رسوبات خیلی بزرگ هستند، شابلون خود را برای سایش بررسی کنید، ویسکوزیته خمیر لحیم کاری خود را بررسی کنید و فشار و سرعت چاپ خود را بررسی کنید. سوم، دیتالاگر خود را از آخرین مرحله تولید خارج کنید. به نمایه جریان مجدد نگاه کنید: آیا اوج دما در محدوده بود؟ آیا TAL بین 60 تا 90 ثانیه بود؟ آیا نقاط گرم یا سردی در سراسر صفحه وجود داشت؟ اگر نمایه خاموش است، آن را تنظیم کنید و یک برد آزمایشی اجرا کنید. در نهایت، مشکلات بالادستی را بررسی کنید: آیا خمیر لحیم کاری شما تازه است؟ آیا در جایی که شابلون بدون پوشش باقی مانده بود، از کار افتادید؟ آیا اخیراً تغییراتی در تنظیمات اتوماسیون شما ایجاد شده است؟ پیروی از این گردش کار، 90٪ از شورت ها را که به دلیل مشکلات کوچک و قابل رفع هستند، نه تجهیزات معیوب، از بین می برد.

در پایان روز، شورت لحیم کاری بدون سرب نیازی به قاتل تولید نیست. آنها نشانه این هستند که چیز کوچکی در فرآیند شما خاموش است، نه اینکه کوره بدون سرب شما خراب است. برای تیم ما که هر ساله با صدها تولیدکننده کار می کند، بزرگترین اشتباهی که تیم ها مرتکب می شوند این است که به جای ممیزی فرآیند، مواد و مراحل بالادستی آنها، به دنبال تعویض تجهیزات گران قیمت هستند. چه در حال اجرای یک دسته کوچک از تخته‌های نمونه‌سازی باشید و چه از یک خط تولید بلوتوث با حجم بالا 24 ساعته، 15 دقیقه در شروع هر اجرا برای بررسی تراز، وضعیت شابلون و سازگاری نمایه می‌تواند باعث صرفه‌جویی در ساعت‌ها کار مجدد و ضایعات شما شود.

اگر با شورت لحیم کاری ثابت مشکل دارید، یا به دنبال ارتقای تنظیمات جریان بدون سرب خود برای کاهش عیوب هستید، ما اینجا هستیم تا به شما کمک کنیم. ما با تولیدکنندگان در همه اندازه‌ها، از فروشگاه‌های نمونه‌سازی اولیه تا شرکت‌های بزرگ خودروسازی و تجهیزات پزشکی، برای تنظیم فرآیندها، کالیبره کردن تجهیزات، و پیاده‌سازی جریان‌های کاری که نرخ دوباره کاری را کاهش داده و بازده را بهبود می‌بخشد، کار می‌کنیم. برای بحث در مورد چالش های خاص خود و یافتن راه حل مناسب برای خط تولید خود، با تیم ما تماس بگیرید.

مراجع

1. IPC-J-STD-005، الزامات برای شار لحیم کاری برای مجموعه های الکترونیکی
2. IPC-A-610، قابلیت پذیرش مجموعه های الکترونیکی
3. لحیم کاری مجدد بدون سرب: راهنمای عملی، SMTA International، 2022
4. بهترین روش‌های کالیبراسیون انتخاب و مکان، انجمن فناوری اتصال سطحی، 2021
5. دستورالعمل‌های نگهداری و نگهداری خمیر لحیم کاری، راه‌حل‌های مونتاژ آلفا، 2023