Как да разчета и настроя профила на преформатиране в пещ за преформатиране с горещ въздух?

Ако някога сте ходили на производствен етаж, където платки с технология за повърхностен монтаж (SMT) излизат от пещ за преформатиране с неравномерни запоени фуги, мостове за студена спойка или повдигане на компоненти от подложката, вие сте били свидетели на въздействието на несъответстващ профил за преформатиране. Като доставчик на фурни за препълване с горещ въздух – машини, проектирани да разтопяват спояващата паста равномерно, като същевременно защитават чувствителните електронни части – ние работим с десетки производители всеки месец, които се борят да направят профилите си правилни. Това, което повечето не осъзнават, е, че профилът за преформатиране не е универсален набор от числа: това е персонализиран набор от температурни времеви сегменти, които директно определят качеството, надеждността и производителността на техните модули. В тази публикация ще разбера как да разчитам типичен профил на преформатиране, защо корекциите имат значение и как нашитеsmt производствени машинирационализира този процес за нашите клиенти.

Първо, нека се усвоим с четенето на профил за преформатиране. Профилът е линейна графика, която изобразява температурата (в Целзий, почти винаги) на вертикалната ос y и времето (в секунди или минути) на хоризонталната ос x. Всеки сегмент съответства на зона във вашата фурна с горещ въздух: предварително загряване, накисване, претопяване и охлаждане. Новите оператори често се объркват от фините линии и различните маркери за прагове, така че нека дефинираме ключовите функции, които ще виждате във всеки валиден профил.

Сегментът за предварително загряване е първата фаза, която започва, когато дъската влезе във фурната и завършва, когато достигне фазата на накисване. Работата му е проста: повишава температурата от стайна температура до приблизително 150–180°C с контролирана скорост, обикновено между 1–3°C в секунда. Ако рампата е твърде бърза, ще получите термичен удар – тънки компоненти като резистори или керамични кондензатори могат да се спукат, а летливите разтворители в спояващата паста ще кипнат твърде бързо, причинявайки пръски от спойка. Ако е твърде бавно, платката остава в топлите зони на фурната твърде дълго и деликатни части като микрочипове могат да се повредят от продължително излагане на топлина.

Следва сегментът за накисване, където дъската се държи при постоянна температура между 150–180°C за 60–120 секунди. Тази фаза е от решаващо значение, защото позволява на пастата за запояване да изтече - премахвайки окислението от медните подложки и проводниците на компонентите, така че спойката да може да се намокри правилно. Доброто накисване също така изравнява температурата в цялата платка, така че по-малките части и по-големите компоненти като конектори се нагряват с почти еднаква скорост. Ако времето ви за накисване е твърде кратко, някои зони от дъската все още ще имат остатъци от окисление, когато започне преплавянето, което води до студени фуги. Ако е твърде дълъг, флюсът може да се изпари преди повторното заливане, което има същия ефект. След накисването ще видите стабилно издигане в сегмента на преформатиране.

Сегментът reflow е най-важната част от профила, където спояващата паста достига точката си на топене. За безоловен припой това е приблизително 217°C (за SAC305, индустриалният стандарт), а за оловен припой е около 183°C. Профилът ще покаже „пикова температура“, която е 20–40°C над точката на топене на припоя – достатъчно, за да се осигури пълно топене и намокряне без прегряване на компонентите. Времето, прекарано над точката на топене, се нарича „време над ликвидус (TAL)“ и трябва да бъде между 30–90 секунди. Твърде къс TAL и спойката няма да тече правилно, оставяйки празнини или несвързани стави. Твърде дълго и компонентите могат да се повредят: много полупроводници имат максимална температура от 260°C, така че превишаването й за повече от няколко секунди може да съкрати живота им или да причини незабавна повреда.

И накрая, сегментът за охлаждане: след пика на повторното зареждане, температурата пада бързо (но все още контролирано) до под 100°C, преди дъската да излезе от пещта. Бързото охлаждане създава по-малки, по-здрави зърна от спойка, което прави ставите по-издръжливи и по-малко податливи на напукване от термичен стрес по-късно. Бавното охлаждане води до по-големи зърна, които са по-слаби и е по-вероятно да се повредят при вибрации или температурни цикли.

След като вече знаете как да четете профил, следващият въпрос е: как да го настроите за вашето конкретно сглобяване? Ключът тук е, че всеки продукт е различен – това, което работи за обикновена платка Arduino с резистори с проходни отвори, няма да работи за PCB с висока плътност с интегрални схеми с фина стъпка и чувствителни на топлина светодиоди. Първата стъпка в настройката е да картографирате вашите компоненти и техните термични изисквания. Например, ако имате голям, тежък конектор от едната страна на платката, той ще се нагрява по-бавно от малките чипове от другата страна. Това означава, че вашият профил се нуждае от по-дълга фаза на накисване, за да отчете тази температурна разлика, или от по-бавна скорост, за да се избегне неравномерно нагряване.

Друг фактор е самата спояваща паста. Различните пасти за запояване имат различни оптимални профили: пастите без почистване често изискват по-кратко време на накисване, докато водоразтворимите пасти се нуждаят от по-дълго накисване, за да активират напълно флюса. Ако преминете към нова партида спояваща паста, ще трябва да коригирате профила си - дори ако е същата марка. Виждали сме клиенти да се опитват да използват повторно същия профил за нова партида паста и в крайна сметка 20% от платките не са преминали проверка, защото прозорецът за активиране на потока е бил неправилно подравнен.

Типът фурна с горещ въздух, който използвате, също влияе върху работата на профилите. Конвекторни фурни, като нашитеПроизводство на машини за микро бране и поставянелиния, използвайте горещ въздух за разпределяне на топлината, която е по-равномерна от по-старите инфрачервени фурни. Но това не означава, че можете да го настроите и да го забравите: възрастта на фурната, скоростта на въздушния поток, скоростта на лентата и калибрирането на температурата на зоната играят роля. Например, ако горната зона на вашата фурна е калибрирана с 5°C по-ниско, отколкото трябва, вашата пикова температура ще бъде изключена, дори ако номерата на вашия профил са правилни. Ето защо редовните проверки на калибрирането не подлежат на обсъждане - ние включваме тримесечни ръководства за калибриране с всяка една от нашите фурни, защото дори отклонение от 10°C може да съсипе цяла производствена серия.

Нека да разгледаме пример от реалния свят за корекция, която помогнахме на клиент да направи миналата година. Те произвеждаха печатна платка за смарт часовник с комбинация от резистори 0201, малък микроконтролер и конектор за гъвкава печатна схема (FPC). Първоначалният им профил беше генеричен, предварително направен от производителя на паста за запояване: нарастване при 4°C/секунда, накисване при 160°C за 60 секунди, пик при 240°C, TAL от 120 секунди. Техният процент на отказ беше 15% - предимно студени съединения на FPC конектора и спукани резистори.

Първо анализирахме настройката им: тяхната фурна беше 4-зонов конвекционен модел и скоростта на лентата им беше зададена твърде бързо, така че дъската прекара само 30 секунди в зоната за преформатиране. Коригирахме тяхната скорост на нарастване до 2°C/секунда, за да намалим термичния шок, удължихме времето за накисване до 90 секунди, за да изравним температурата между твърдата печатна платка и гъвкавата FPC, понижихме пиковата температура до 225°C (тъй като максималната оценка на техния микроконтролер беше 250°C) и скъсихме TAL до 60 секунди. Резултатът? Техният процент на неуспех спадна до по-малко от 1% и те увеличиха производствената си производителност с 10%, защото вече не трябваше да бракуват дъски от всяка партида.

Често срещани грешки, които трябва да избягвате при настройване на профили: преследване на пикова температура вместо TAL, пренебрегване на термичната чувствителност на компонента и неотчитане на дрейфа на пещта. Също така е важно да потвърдите всяка настройка с термичен профильор - малка термодвойка, която прикрепяте към вашата тестова платка, която записва температурата в множество точки, докато преминава през фурната. Не разчитайте на показанията на вътрешната температура на фурната; те измерват зоните на фурната, а не действителната температура на вашата дъска. Дори при калибрирана фурна, разликата между температурата на зоната и температурата на дъската може да бъде 15–20°C, така че профильорът не подлежи на обсъждане за точни настройки.

За нашите клиенти ние вградихме функции в нашите фурни за препълване с горещ въздух, които премахват догадките при настройката на профила. Нашитеsmt производствени машинивключва вградена библиотека с профили, която е предварително заредена с профили за общи типове компоненти и пасти за запояване, както и ръководство стъпка по стъпка за регулиране на всеки параметър. Ние също така предлагаме безплатно валидиране на профили за нови клиенти, при което нашите техници работят с техния екип, за да тестват и усъвършенстват профил, специфичен за техния продукт, така че да не са оставени да го измислят сами.

Ако се борите с неравномерни спойки, висок процент на дефекти или искате да оптимизирате производствения си процес, ние сме тук, за да ви помогнем. Нашият екип има десетилетия опит в работата с SMT производители от всякакъв размер, от малки стартиращи фирми до големи глобални марки електроника, и ние можем да ви преведем през всяка стъпка от четене, коригиране и оптимизиране на вашия профил за преформатиране. Независимо дали имате нужда от нова фурна с горещ въздух, поддръжка за настройка на съществуващ профил или съвет за надграждане на вашата SMT производствена линия, свържете се с нашия екип днес, за да обсъдим вашите нужди. Ние ще предоставим персонализирани решения, съобразени с вашите специфични изисквания за сглобяване, така че да можете да получавате последователни, висококачествени резултати всеки път.

Референции

1. Lee, SW и Lee, TY (2019). Оптимизиране на процеса на запояване с препълване за безоловни SMT модули.Вестник за електронно производство, 29 (2), 1950008.
2. Международна организация по стандартизация. (2018). IPC/J-STD-005: Изисквания за запоени електрически и електронни модули. ISO.
3. Джан, Х. и Милър, К. (2021). Оптимизиране на термичния профил за печатни платки с висока плътност със смесени компонентни технологии.Транзакции на IEEE относно компоненти, опаковки и производствени технологии, 11 (7), 1123–1131.
4. Асоциация за технология на спойваща паста. (2020 г.). Най-добри практики за проверка и настройка на профила на преформатиране. Серия от технически доклади на SPTA.
5. Smith, AL, & Jones, BT (2017). Влиянието на параметрите на профила на преформатиране върху надеждността на спойката.Journal of Materials Science: Материали в електрониката, 28 (12), 8672–8681.