Как да отстраните проблеми с къси съединения при спояване при безоловно претопяване?
Като доставчик на безоловни пещи за преплавяне, прекарах последното десетилетие до SMT техници, производствени мениджъри и проводници, докато те се скупчваха над печатна платка след преплавяне, натискайки малки спойки с пинсети и мърморейки за същия разочароващ проблем: шорти за запояване. Ако някога сте управлявали безоловна линия, знаете, че това не е просто хълцане – късите съединения могат да спрат производството за часове, да бракуват десетки платки и да забавят поръчки, когато екипът ви вече е изтощен. Наблюдавал съм екипи да губят часове в гадаене на поправки: обвинявайки шаблони, преформатирани профили, дори влажността в склада, когато действителният проблем обикновено е комбинация от малки, избегнати грешни стъпки, които се натрупват. Днес дръпвам завесата за това как отстраняваме неизправности при къси спойки при безоловно претопяване, същите методи, на които учим всеки клиент, който купува нашето оборудване, и съветите, които са намалили процента на преработка на нашите клиенти средно с 40%. Нека започнем, като заземим това в действителност: безоловни припои (обикновено смес от калай, мед, никел и сребро) се топят при 30–40°F по-висока от традиционната калай-олово, което означава, че прозорецът за преформатиране е по-тесен, повърхностното напрежение е различно и дори малки отклонения в процеса могат да причинят мостове или къси съединения там, където не трябва да се случват. Добрата новина е, че почти всеки къс, който виждаме, е разрешим със систематични проверки стъпка по стъпка, а не с догадки.
Нека започнем с първото място, което повечето отбори гледат, когато видят кратко: процесът на избор и поставяне. Преди спойката някога да докосне платката, компонентите трябва да бъдат поставени точно, а неправилно подравнените компоненти са една от първите 3 причини за безоловни къси съединения. Виждал съм това стотици пъти: техник управлява производствена линия с по-стара машина за вземане и поставяне, която е леко извън калибриране, и резистор 0402 е изместен само на 0,1 мм от подложката си. По време на преточване, разтопеният припой намокря както проводника на компонента, така и съседната подложка, създавайки късо съединение, което е лесно да се пропусне до последната проверка на AOI. Това не е повреда на самото запояване - повреда е на разположението на компонентите нагоре по веригата. За екипи, работещи с компоненти с фина стъпка (0,4 мм или по-малки), които са често срещани в телефони, носими устройства и индустриална електроника, този риск се увеличава многократно. Ето защо винаги препоръчваме да проверявате дали вашата система за вземане и поставяне е калибрирана в началото на всеки производствен цикъл, а не само на седмична база. Например, ако използвате цифрово контролирана настройка на електрониката за вземане и поставяне, вземете 10–15 примерни платки от първите 100 произведени и измерете подравняването на компонентите с цифров микроскоп. Дори изместване с 0,05 mm в позицията на компонента може да доведе до късо безоловно преливане, където по-тесният диапазон на топене на спойката оставя по-малко време за самоподравняване. Имах клиент преди няколко години, който виждаше 12% къси проценти на платките на своите Bluetooth високоговорители - оказа се, че тяхната дюза за избиране и поставяне имаше малка пукнатина, която причиняваше постоянно несъответствие на кондензаторите 0201. След като смениха дюзата и добавиха ежедневни проверки за подравняване, късите им проценти спаднаха до 1,8% за една седмица. Това е малък детайл нагоре по веригата, но има огромно въздействие.
След това преминете от поставянето на компонентите към шаблона и пастата за запояване, тъй като 60% от шортите, които отстраняваме, проследяват обратно дизайна на шаблона или прилагането на паста за запояване, а не самата пещ за повторно оформяне. Безоловната спояваща паста има различни свойства от оловната паста: тя има по-висок вискозитет, по-малко „слягане“ по време на печат и изисква постоянен натиск за отлагане на точното количество спойка върху всяка подложка. Твърде много спояваща паста е най-често срещаният виновник тук. Ако отворите на вашия шаблон са прекалено големи (или ако шаблонът е износен, с дупки, които са се разтеглили след 50 000 тиражи за печат), ще се окажете с излишък от спойка върху съседни подложки, които се свързват по време на преформатиране. Видях това най-скоро при производител на медицински устройства, който изгражда печатни платки за сърдечен монитор за тестване на FDA. Техният шаблон беше на 10 години и отворите за интегралните схеми с фина стъпка бяха достатъчно износени, че всяко отлагане беше с 15% по-голямо от проектираното. По време на претопяването разтопената спойка се разля върху пролуките между щифтовете, създавайки къси връзки, които ги принудиха да забавят своя регулаторен одит с две седмици. Корекцията не беше нова фурна за повторно оформяне - това беше 0,15 mm лазерно изрязан шаблон със съответстващи размери на отвора за техните компоненти и месечен график за почистване на шаблона, който отстранява остатъците от изсъхнала спояваща паста от дупките. Друго нещо, което трябва да проверите тук, е съхранението и свежестта на пастата за запояване. Безоловната паста има срок на годност 6 месеца при 40°F и след като бъде отворена, е годна само за 24–48 часа при стайна температура. Виждал съм екипи да вадят паста, която е била оставена три дни или неправилно размразена от фризера, което е довело до паста, която е твърде течна. Течащата паста не остава задържана в нейната подложка по време на печат, така че в крайна сметка имате допълнителна спойка върху съседните подложки, което създава късо съединение по време на преформатиране. Ако виждате постоянни шорти на подобни дизайни на платки, изтеглете проба от спояваща паста от средата на вашата партида - ако изглежда зърнеста или има отделени метални частици, това е знак, че е с изтекъл срок на годност и трябва да бъде сменена.
Сега нека да стигнем до самия профил на преформатиране, където повечето екипи се обръщат първо при отстраняване на неизправности и където виждаме най-много нюанси с безоловни процеси. Лошият профил на преформатиране е тихият убиец на спойките, а шортите са най-очевидният симптом, когато не е настроен правилно. За безоловен, идеалният профил има четири отделни зони: предварително загряване, накисване, претопяване и охлаждане. Зоната за предварително загряване трябва да увеличава скоростта на платката с 1–2°C в секунда, започвайки от стайна температура и завършвайки между 150–180°C. Тази зона премахва влагата от платката и компонентите, предотвратява термичния шок и започва да активира потока на спояващата паста. Зоната за накисване поддържа платката при 150–180°C за 60–90 секунди, където флюсът върши по-голямата част от работата си: той премахва окисляването от подложката и проводниците на компонентите, така че разтопената спойка може да се намокри правилно. Зоната на повторно оформяне е мястото, където прецизността има най-голямо значение: пиковата температура трябва да бъде между 245–260°C, а времето над ликвидус (TAL) трябва да бъде 60–90 секунди. Ако пиковата температура е твърде ниска, спойката няма да се стопи напълно, което води до студени съединения. Ако е твърде високо или TAL е твърде дълъг, флюсът може да изгори и разтопеният припой става твърде „мокър“ — което означава, че се разпространява по-далеч от предвиденото върху съседните подложки, създавайки мостове и къси връзки. Имах клиент в автомобилната електроника, който използваше общ безоловен профил за преформатиране, който имаше пикова температура от 275°C, почти 20°F твърде висока за техните интегрални схеми със стъпка 0,5 mm. Те виждаха къси съединения на 8% от своите ECU и първоначалната им реакция беше, че настройката им за запояване през SMD reflow е дефектна. Коригирахме техния профил до пик при 250°C със 70 секунди TAL и в рамките на два дни техните къси нива спаднаха до 0,9%. Това е разликата между универсален профил и персонализиран профил, настроен към вашите специфични компоненти и дизайн на печатни платки. Друга често срещана грешка в профила е неравномерното нагряване през конвейера на пещта за повторно оформяне. Повечето безоловни фурни за претопяване използват инфрачервен и горещ въздух за нагряване на дъските, но ако дюзите за горещ въздух са запушени или конвейерът е леко наклонен, можете да получите горещи точки в единия край на дъската и по-хладни петна в другия. Горещата точка може да доведе до преждевременно разпространение на спойка, създавайки късо съединение от едната страна на платката, докато хладната точка води до студени фуги от другата. Ето защо препоръчваме да проверявате съгласуваността на профила с регистратор на данни при всеки производствен цикъл, особено когато сменяте размерите на платките или типовете компоненти. Ако не правите това, пропускате проверка на ключове, която улавя проблеми с профила, преди да създадат стотици шорти.
Изчакайте, нека спрем тук – това е добра точка да се върнем към автоматизацията, защото много екипи, с които работя, се насочват към автоматизирани линии за производство на големи обеми. Преходът към автоматизиране на избирането и поставянето на настолни роботи намали човешката грешка, но също така въведе нови променливи, които могат да доведат до прекъсвания, ако не бъдат калибрирани. Например, ако височината на оста Z на вашия автоматизиран робот за вземане и поставяне е твърде ниска, проводникът на компонента може да се притисне в спояващата паста по време на поставяне, избутвайки допълнителна паста върху съседните подложки. Ако оста Z е твърде висока, компонентът се измества по време на преформатиране, което води до същото несъответствие, за което говорихме по-рано. Виждали сме това да се случва с клиент, който се мащабира от прототип до 10 000 единици на месец, преминавайки от ръчно поставяне към автоматизирана линия за роботи. Те не са калибрирали повторно оста Z на робота за новите си резистори 01005 и в рамките на една седмица имаха 2000 платки с късо съединение. Поправката? 10-минутна проверка на калибриране за височината на компонента и софтуерна настройка на налягането на поставяне на робота за малки, деликатни компоненти. Ето защо ние винаги съветваме, когато актуализирате настройката си за автоматизация, независимо дали това е добавяне на машина за производство на чипове с CNC избиране и поставяне или превключване към нова скорост на конвейера за вашата голяма машина за производство на печатни платки Bluetooth производствена линия, първо да пуснете малка тестова платка преди пълно производство. Отнема 15 минути и ви спестява часове преработка надолу.
Сега, нека поговорим за по-малко очевидните причини за шорти, които екипите често пренебрегват: дизайн на печатни платки и обработка след преформатиране. Лесно е да обвиняваме процеса, но понякога основният проблем е в самия дизайн. Компонентите с фина стъпка (0,4 mm или по-малки) с разстояние между подложките 0,2 mm или по-малко са особено податливи на късо съединение, дори при перфектен контрол на процеса. Ако дизайнерът на вашата печатна платка е добавил твърде много „просвет“ на маската за запояване между подложките, това може да остави открита мед, която привлича повече спойка по време на преформатиране. Или ако пътеката между две подложки е твърде тясна, разтопената спойка може да попадне върху нея и да създаде късо съединение. Добрата новина е, че една малка промяна в дизайна - като намаляване на хлабината с 0,05 mm или добавяне на малък ограничител за запояване, за да стесните отвора на подложката - може да елиминира напълно късите връзки, без да променя процеса ви. Виждал съм това при клиент, произвеждащ интелигентни часовници, където техният микро-USB конектор със стъпка 0,35 мм причиняваше постоянни къси съединения по време на преформатиране. Техният дизайнерски екип коригира размера на отвора на шаблона за конекторните подложки от 0,12 mm на 0,1 mm и шортите спряха, дори при същия профил на преформатиране и настройка за избор и поставяне. Обработката след преформатиране е друг скрит виновник. Ако екипът ви борави с платки с голи ръце, маслата от кожата могат да замърсят подложките за запояване или ако подреждате платките твърде скоро след претопяване, разтопената спойка (дори и да изглежда втвърдена) може да се измести, създавайки късо съединение. Винаги препоръчваме да изчакате 20–30 минути след преформатиране, преди да преместите платките, да използвате ESD ръкавици, когато работите с напълнени печатни платки, и да използвате разделители между платките по време на съхранение. Веднъж имах екип, който подреждаше 20 платки високо веднага след преформатиране и 15% от долните дъски имаха къси връзки, защото спойката в долната част на горната дъска се беше стопила леко и преодоля горната част на дъската отдолу. Това беше проста корекция – добавяне на сепаратори, изчакване още 10 минути преди подреждане – и то намали късата им скорост наполовина за една нощ.
Нека завършим това с практичен работен процес за отстраняване на неизправности, нещо, което можете да следвате стъпка по стъпка, когато видите кратко по време на производство, вместо да гадаете. Първо, незабавно спрете производството – чакането само води до повече отпадъци. Вземете 5 дъски, които имат шорти, и 5 дъски, които нямат дефекти. Проверете късо съединение с микроскоп: дали компонентът не е подравнен? Ако отговорът е да, проверете подравняването и състоянието на дюзата. След това проверете шаблона: отпечатайте тестов шаблон върху празна печатна платка и проверете отлаганията от спойка. Еднакви ли са, с правилния размер и не преливат ли подложките им? Ако отлаганията са твърде големи, проверете вашия шаблон за износване, проверете вискозитета на спояващата паста и проверете налягането и скоростта на печат. Трето, изтеглете регистратора на данни от последния производствен цикъл. Погледнете профила на повторно оформяне: пиковата температура в границите ли е? TAL между 60–90 секунди ли беше? Имаше ли горещи или студени точки в дъската? Ако профилът е изключен, коригирайте го и пуснете тестова платка. И накрая, проверете за проблеми нагоре по веригата: вашата спояваща паста свежа ли е? Имахте ли престой, когато шаблонът беше оставен непокрит? Имало ли е наскоро промени в настройката ви за автоматизация? Следването на този работен процес ще елиминира 90% от късите съединения, причинени от малки, поправими проблеми, а не от дефектно оборудване.
В края на деня не е задължително шортите за запояване в безоловно преплавяне да бъдат убиец на производството. Те са знак, че нещо малко не е наред във вашия процес, а не че вашата безоловна фурна за претопяване е счупена. За нашия екип, който работи със стотици производители всяка година, най-голямата грешка, която виждаме, че екипите правят, е да скачат да заменят скъпо оборудване, вместо първо да одитират техния процес, техните материали и техните стъпки нагоре по веригата. Независимо дали работите с малка партида прототипни платки или 24/7 производствена линия с голям обем на Bluetooth, отделянето на 15 минути в началото на всяко изпълнение, за да проверите подравняването, състоянието на шаблона и последователността на профила, може да ви спести часове преработка и брак.
Ако се борите с постоянни къси спойки или искате да надстроите безоловната си настройка за преформатиране, за да намалите дефектите, ние сме тук, за да ви помогнем. Ние работим с производители от всякакъв размер, от стартиращи магазини за прототипи до големи компании за автомобили и медицински устройства, за да настройваме процеси, да калибрираме оборудване и да внедряваме работни потоци, които намаляват нивата на преработка и подобряват добива. Свържете се с нашия екип, за да обсъдим вашите специфични предизвикателства и да намерите правилното решение за вашата производствена линия.
Референции
- IPC-J-STD-005, Изисквания за флюсове за запояване за електронни модули
- IPC-A-610, Приемливост на електронни модули
- Безоловно повторно запояване: Практическо ръководство, SMTA International, 2022 г.
- Най-добри практики за калибриране чрез избор и поставяне, Асоциация за технологии за повърхностен монтаж, 2021 г.
- Указания за съхранение и боравене с паста за запояване, Alpha Assembly Solutions, 2023 г