Ako riešiť problémy so skratmi pri spájkovaní pri bezolovnatom pretavovaní?

Ako dodávateľ bezolovnatých pecí na pretavenie som strávil posledné desaťročie stojac vedľa technikov SMT, výrobných manažérov a vodičov, ktorí sa po pretavení chúlili nad doskou plošných spojov, pichali pinzetou do malých spájkovaných spojov a mrmlali o rovnakom frustrujúcom probléme: spájkovacie skraty. Ak ste niekedy prevádzkovali bezolovnatú linku, viete, že to nie je len malý problém – skraty môžu zastaviť výrobu na niekoľko hodín, zošrotovať desiatky dosiek a oneskoriť objednávky, keď je váš tím už natiahnutý. Videl som, ako tímy strácajú hodiny hádaním o opravách: obviňovanie šablón, profilov pretavenia, dokonca aj vlhkosti v sklade, pričom skutočný problém je zvyčajne zmesou malých chýb, ktorým sa dá vyhnúť, ktoré sa sčítajú. Dnes zaťahujem oponu toho, ako riešime problémy so spájkovacími skratmi pri bezolovnatom pretavení, rovnakými metódami, ktoré učíme každého zákazníka, ktorý si kúpi naše zariadenie, a tipmi, ktoré znížili mieru prepracovania našich klientov v priemere o 40 %. Začnime tým, že to uzemníme v skutočnosti: bezolovnaté spájky (zvyčajne zmes cínu, medi, niklu a striebra) sa topia o 30–40 °F vyššie ako tradičné cínové olovo, čo znamená, že okno pretavenia je užšie, povrchové napätie je iné a dokonca aj malé odchýlky v procese môžu spôsobiť mostíky alebo skraty tam, kde by sa nemali stávať. Dobrou správou je, že takmer každý skrat, ktorý vidíme, je riešiteľný systematickými postupnými kontrolami, nie hádaním.

Začnime prvým miestom, na ktoré sa väčšina tímov pozerá, keď vidí skratku: proces výberu a umiestnenia. Predtým, ako sa spájka dotkne dosky, musia byť súčiastky presne umiestnené a nesprávne zarovnané súčiastky sú jednou z 3 hlavných príčin bezolovnatých reflow skratov. Videl som to stokrát: technik prevádzkuje výrobnú linku so starším strojom typu pick-and-place, ktorý je mierne mimo kalibrácie a rezistor 0402 je posunutý len o 0,1 mm mimo jeho podložky. Počas pretavenia roztavená spájka zmáča vývod súčiastky aj priľahlú podložku, čím sa vytvorí skrat, ktorý sa dá ľahko minúť až do konečnej kontroly AOI. Nejde o zlyhanie samotného spájkovania – ide o zlyhanie pri umiestnení súčiastok proti prúdu. Pre tímy pracujúce s komponentmi s jemným rozstupom (0,4 mm alebo menšími), ktoré sú bežné v telefónoch, nositeľných zariadeniach a priemyselnej elektronike, sa toto riziko znásobuje. Preto vždy odporúčame, aby ste si na začiatku každej výrobnej série overili, či je váš systém odberu a umiestňovania kalibrovaný, nielen na týždennej báze. Napríklad, ak používate numericky riadené nastavenie elektroniky snímania a umiestňovania, zoberte 10–15 vzorových dosiek z prvých 100 vyrobených a zmerajte zarovnanie komponentov digitálnym mikroskopom. Dokonca aj posun o 0,05 mm v polohe súčiastky môže viesť ku skratu bezolovnatého pretavenia, kde užší rozsah tavenia spájky ponecháva menej času na samozarovnanie. Pred niekoľkými rokmi som mal klienta, ktorý videl 12% krátke sadzby na svojich doskách s Bluetooth reproduktormi – ukázalo sa, že ich tryska typu pick-and-place mala drobnú prasklinu, ktorá spôsobovala konzistentné nesprávne nastavenie kondenzátorov 0201. Keď vymenili trysku a pridali denné kontroly zarovnania, ich krátke sadzby klesli za týždeň na 1,8 %. Je to malý detail proti prúdu, ale má obrovský vplyv.

Ďalej prejdite od umiestňovania komponentov k šablóne a spájkovacej paste, pretože 60 % skratov riešime späť k dizajnu šablóny alebo aplikácii spájkovacej pasty, nie k samotnej pretavovacej peci. Bezolovnatá spájkovacia pasta má iné vlastnosti ako olovnatá pasta: má vyššiu viskozitu, menšie „spadnutie“ počas tlače a vyžaduje stály tlak na nanesenie správneho množstva spájky na každú podložku. Príliš veľa spájkovacej pasty je tu najčastejším vinníkom. Ak sú otvory vašej šablóny príliš veľké (alebo ak je šablóna opotrebovaná, s dierami, ktoré sa roztiahli po 50 000 tlačových úlohách), skončíte s prebytočnou spájkou na susedných podložkách, ktoré sa premosťujú počas pretavovania. Videl som to nedávno u výrobcu zdravotníckych pomôcok, ktorý vyrábal PCB monitorov srdca na testovanie FDA. Ich šablóna mala 10 rokov a otvory pre integrované obvody s jemným rozstupom boli dostatočne opotrebované, že každý nános bol o 15 % väčší, ako bolo navrhnuté. Počas pretavenia sa roztavená spájka rozliala cez medzery medzi kolíkmi a vytvorila skraty, ktoré ich prinútili odložiť regulačný audit o dva týždne. Oprava nebola nová pretavovacia pec – bola to 0,15 mm laserom vyrezaná šablóna so zodpovedajúcimi veľkosťami otvorov pre ich komponenty a mesačný plán čistenia šablóny, ktorý odstránil zaschnuté zvyšky spájkovacej pasty z otvorov. Ďalšia vec, ktorú je potrebné skontrolovať, je skladovanie a čerstvosť spájkovacej pasty. Bezolovnatá pasta má trvanlivosť 6 mesiacov pri 40 °F a po otvorení vydrží pri izbovej teplote iba 24–48 hodín. Videl som, ako tímy vyťahujú pastu, ktorá bola vynechaná tri dni, alebo bola nesprávne rozmrazená z mrazničky, výsledkom čoho je pasta, ktorá je príliš tekutá. Tečúca pasta nezostáva na svojom vankúšiku počas tlače, takže skončíte s dodatočnou spájkou na susedných podložkách, ktorá vytvára skrat počas pretavenia. Ak vidíte konzistentné šortky na podobných dizajnoch dosiek, vytiahnite vzorku spájkovacej pasty zo stredu vašej šarže – ak vyzerá zrnito alebo sa v nej oddelili kovové častice, je to znamenie, že jej platnosť vypršala a je potrebné ju vymeniť.

Teraz prejdime k samotnému profilu preformátovania, na ktorý sa väčšina tímov pri odstraňovaní problémov obracia ako prvé, a kde vidíme najväčšie nuansy pri procesoch bez olova. Zlý profil pretavenia je tichým zabijakom spájkovaných spojov a skraty sú najzrejmejším príznakom, keď nie je správne nastavený. Pre bezolovnatý profil má ideálny profil štyri odlišné zóny: predhrievanie, namáčanie, pretavenie a chladenie. Zóna predhrievania by mala na doske stúpať rýchlosťou 1–2 °C za sekundu, začínajúc pri izbovej teplote a končiac medzi 150–180 °C. Táto zóna odstraňuje vlhkosť z dosky plošných spojov a komponentov, zabraňuje tepelným šokom a spúšťa tok spájkovacej pasty. Zóna namáčania udrží dosku 150–180 °C po dobu 60–90 sekúnd, kde tavidlo robí väčšinu svojej práce: odstraňuje oxidáciu z podložky a vývodov komponentov, takže roztavená spájka môže správne zmáčať. Zóna pretavenia je miestom, kde na presnosti najviac záleží: maximálna teplota musí byť medzi 245–260 °C a čas nad likvidom (TAL) by mal byť 60–90 sekúnd. Ak je maximálna teplota príliš nízka, spájka sa úplne neroztopí, čo vedie k studeným spojom. Ak je príliš vysoká alebo je TAL príliš dlhá, tavidlo sa môže spáliť a roztavená spájka sa stane príliš „mokrou“ – čo znamená, že sa rozšíri ďalej, než je zamýšľané, na priľahlé podložky, čím sa vytvárajú mostíky a skraty. Mal som klienta v automobilovej elektronike, ktorý používal všeobecný bezolovnatý profil pretavenia, ktorý mal špičkovú teplotu 275 °C, takmer o 20 °F príliš vysokú pre ich integrované obvody s rozstupom 0,5 mm. Videli skraty na 8% svojich ECU a ich počiatočná reakcia bola, že ich nastavenie spájkovania SMD pretavením bolo chybné. Upravili sme ich profil na maximum pri 250 °C s 70 sekundovým TAL a do dvoch dní ich krátke sadzby klesli na 0,9 %. To je rozdiel medzi profilom jednej veľkosti a prispôsobeným profilom vyladeným podľa vašich konkrétnych komponentov a dizajnu PCB. Ďalšou častou chybou profilu je nerovnomerný ohrev cez dopravník pretavovacej pece. Väčšina bezolovnatých pecí s pretavením používa na ohrev dosiek infračervený a horúci vzduch, ale ak sú trysky horúceho vzduchu upchaté alebo je dopravník mierne naklonený, na jednom konci dosky sa môžu objaviť horúce miesta a na druhom chladnejšie miesta. Horúce miesto môže spôsobiť predčasné rozšírenie spájky, čím sa na jednej strane dosky vytvárajú skraty, zatiaľ čo chladné miesto vedie k studeným spojom na druhej strane. Preto odporúčame kontrolovať konzistenciu profilu pomocou datalogeru pri každej výrobnej sérií, najmä pri zmene veľkosti dosiek alebo typov komponentov. Ak to nerobíte, chýba vám kľúčová kontrola, ktorá zachytí problémy s profilom skôr, ako vytvoria stovky šortiek.

Počkajte, zastavme sa tu – toto je dobrý bod vrátiť sa späť k automatizácii, pretože mnohé tímy, s ktorými pracujem, sa presúvajú smerom k automatizovaným linkám pre veľkoobjemovú výrobu. Prechod na automatizáciu vyberania a umiestňovania stolných robotov obmedzil ľudské chyby, no zaviedol aj nové premenné, ktoré môžu viesť ku skratom, ak nie sú nakalibrované. Napríklad, ak je výška osi Z vášho automatizovaného robota na vyberanie a umiestňovanie príliš nízka, vývod súčiastky sa môže počas umiestňovania vtlačiť do spájkovacej pasty a vytlačiť ďalšiu pastu na susedné podložky. Ak je os Z príliš vysoká, komponent sa počas pretavenia posunie, čo vedie k rovnakému nesúladu, o ktorom sme hovorili predtým. Videli sme, že sa to stalo u klienta, ktorý sa škáloval od prototypu až po 10 000 jednotiek mesačne a prešiel z manuálneho umiestňovania na automatizovanú robotickú linku. Neprekalibrovali os Z robota pre ich nové odpory 01005 a do týždňa mali 2000 dosiek so skratovanými spojmi. Oprava? 10-minútovú kontrolu kalibrácie výšky komponentov a softvérové ​​prispôsobenie tlaku umiestňovania robota pre malé, jemné komponenty. Preto vždy odporúčame, aby ste pri aktualizácii nastavenia automatizácie, či už ide o pridanie stroja na výrobu čipov CNC vyberanie a umiestňovanie, alebo prechod na novú rýchlosť dopravníka pre váš veľký stroj na výrobu PCB s technológiou Bluetooth, najprv spustili malú testovaciu dosku pred plnou výrobou. Trvá to 15 minút a ušetrí vám hodiny prerábania.

Teraz si povedzme o menej zjavných príčinách skratov, ktoré tímy často prehliadajú: dizajn PCB a manipulácia po pretavení. Je ľahké obviňovať proces, ale niekedy je koreň problému v samotnom dizajne. Komponenty s jemným rozstupom (0,4 mm alebo menšie) s rozstupom podložiek 0,2 mm alebo menej sú obzvlášť náchylné na skraty, a to aj pri dokonalej kontrole procesu. Ak váš návrhár dosky plošných spojov pridal príliš veľa „vôle“ spájkovacej masky medzi podložky, môže to zanechať odkrytú meď, ktorá priťahuje viac spájky počas pretavenia. Alebo ak je dráha medzi dvoma podložkami príliš úzka, môže do nej nasiaknuť roztavená spájka a vytvoriť skrat. Dobrou správou je, že malé vylepšenie dizajnu – ako je zníženie vôle o 0,05 mm alebo pridanie malej spájkovacej zarážky na zúženie otvoru podložky – môže úplne eliminovať skraty bez zmeny vášho procesu. Videl som to u klienta, ktorý vyrába inteligentné hodinky, kde ich konektor micro-USB s rozstupom 0,35 mm spôsoboval konzistentné skraty počas pretavenia. Ich dizajnérsky tím upravil veľkosť otvoru šablóny pre konektorové podložky z 0,12 mm na 0,1 mm a šortky sa zastavili, dokonca aj s rovnakým profilom pretavenia a nastavením vyberania a umiestňovania. Spracovanie po pretavení je ďalším skrytým vinníkom. Ak váš tím manipuluje s doskami holými rukami, mastnota z kože môže kontaminovať spájkovacie plôšky, alebo ak dosky ukladáte príliš skoro po pretavení, roztavená spájka (aj keď vyzerá stuhnutá) sa môže posunúť a spôsobiť skrat. Vždy odporúčame počkať 20–30 minút po pretavení pred premiestnením dosiek, používať ESD rukavice pri manipulácii s osadenými PCB a používať separátory medzi doskami počas skladovania. Raz som mal tím, ktorý hneď po pretavení ukladal 20 dosiek do výšky a 15 % spodných dosiek malo skraty, pretože spájka na spodnej strane hornej dosky sa mierne roztopila a premostila hornú časť dosky pod ňou. Bola to jednoduchá oprava – pridajte oddeľovače, počkajte ešte 10 minút pred ukladaním – a cez noc sa znížila ich krátka rýchlosť na polovicu.

Poďme to uzavrieť praktickým pracovným postupom na riešenie problémov, niečo, čo môžete sledovať krok za krokom, keď počas výroby uvidíte skrat, namiesto hádania. Po prvé, okamžite zastavte výrobu – čakaním len viac odpadu. Uchopte 5 dosiek, ktoré majú šortky, a 5 dosiek, ktoré sú bez defektov. Skontrolujte skratované spoje mikroskopom: nie je komponent nesprávne zarovnaný? Ak áno, skontrolujte zarovnanie vyberania a umiestňovania a stav trysky. Ďalej skontrolujte šablónu: vytlačte skúšobnú šablónu na prázdnu dosku plošných spojov a skontrolujte usadeniny spájky. Sú jednotné, majú správnu veľkosť a neprepĺňajú vložky? Ak sú usadeniny príliš veľké, skontrolujte opotrebovanie šablóny, skontrolujte viskozitu spájkovacej pasty a skontrolujte tlak a rýchlosť tlače. Po tretie, vytiahnite záznamník údajov z poslednej výrobnej série. Pozrite sa na profil pretavenia: bola maximálna teplota v rozsahu? Bol TAL medzi 60–90 sekundami? Vyskytli sa nejaké horúce alebo studené miesta? Ak je profil vypnutý, upravte ho a spustite testovaciu dosku. Nakoniec skontrolujte problémy proti prúdu: je vaša spájkovacia pasta čerstvá? Mali ste nejaké prestoje, keď šablóna zostala nezakrytá? Nastali v poslednom čase nejaké zmeny vo vašom nastavení automatizácie? Dodržiavanie tohto pracovného postupu odstráni 90 % skratov, ktoré sú spôsobené malými, opraviteľnými problémami, nie chybným zariadením.

Na konci dňa, spájkovacie skraty v bezolovnatom pretavení nemusia byť produkčným zabijakom. Sú znakom toho, že vo vašom procese je niečo malé, nie že je vaša bezolovnatá pretavovacia pec pokazená. Pre náš tím, ktorý každý rok spolupracuje so stovkami výrobcov, je najväčšou chybou, ktorú tímy robia, že sa vrhnú na výmenu drahého zariadenia namiesto toho, aby najskôr skontrolovali svoj proces, materiály a kroky. Či už prevádzkujete malú dávku prototypových dosiek alebo 24/7 veľkoobjemovú výrobnú linku Bluetooth, 15 minút na začiatku každého chodu na kontrolu zarovnania, stavu šablóny a konzistencie profilu vám môže ušetriť hodiny prerábania a odpadu.

Ak máte problémy s konzistentnými spájkovacími skratmi alebo chcete vylepšiť nastavenie bezolovnatého pretavenia, aby ste znížili chyby, sme tu, aby sme vám pomohli. Spolupracujeme s výrobcami všetkých veľkostí, od začínajúcich prototypových dielní až po veľké spoločnosti zaoberajúce sa výrobou automobilových a zdravotníckych zariadení, aby sme vyladili procesy, kalibrovali zariadenia a implementovali pracovné postupy, ktoré znižujú mieru prepracovania a zvyšujú výnos. Oslovte náš tím, aby sme prediskutovali vaše špecifické výzvy a našli správne riešenie pre vašu výrobnú linku.

Referencie

1. IPC-J-STD-005, Požiadavky na spájkovacie tavivá pre elektronické zostavy
2. IPC-A-610, Prijateľnosť elektronických zostáv
3. Bezolovnaté spájkovanie pretavením: Praktická príručka, SMTA International, 2022
4. Najlepšie postupy pre kalibráciu typu Pick-and-Place, Asociácia technológie povrchovej montáže, 2021
5. Pokyny na skladovanie a manipuláciu so spájkovacou pastou, Alpha Assembly Solutions, 2023