OBERFLÄCHENMONTAGEPROZESS

Reflow-Löten ist die am weitesten verbreitete Methode zur Befestigung oberflächenmontierter Komponenten auf Leiterplatten (PCBs).Ziel des Prozesses ist es, akzeptable Lötverbindungen herzustellen, indem zunächst die Bauteile/Leiterplatte/Lötpaste vorgewärmt werden und dann das Lot geschmolzen wird, ohne dass es zu Schäden durch Überhitzung kommt.

Die wichtigsten Aspekte, die zu einem effektiven Reflow-Lötprozess führen, sind folgende:

1. Passende Maschine
2. Akzeptables Reflow-Profil
3. PCB-/Komponenten-Footprint-Design
4. Sorgfältig gedruckte Leiterplatte mit gut gestalteter Schablone
5. Wiederholbare Platzierung von oberflächenmontierten Komponenten
6. Hochwertige Leiterplatte, Komponenten und Lötpaste

Geeignete Maschine

Abhängig von der erforderlichen Liniengeschwindigkeit und dem Design/Material der zu verarbeitenden Leiterplattenbaugruppen stehen verschiedene Arten von Reflow-Lötmaschinen zur Verfügung.Der ausgewählte Ofen muss eine geeignete Größe haben, um die Produktionsrate der Pick-and-Place-Ausrüstung zu bewältigen.

Die Liniengeschwindigkeit kann wie folgt berechnet werden:

Liniengeschwindigkeit (Minimum) =Bretter pro Minute x Länge pro Brett
Belastungsfaktor (Abstand zwischen den Brettern)

Da es wichtig ist, die Wiederholbarkeit des Prozesses zu berücksichtigen, wird der „Lastfaktor“ normalerweise vom Maschinenhersteller angegeben. Die Berechnung ist unten dargestellt:

Um den Reflow-Ofen mit der richtigen Größe auswählen zu können, muss die Prozessgeschwindigkeit (unten definiert) größer sein als die berechnete Mindestliniengeschwindigkeit.

Prozessgeschwindigkeit =Länge der beheizten Ofenkammer
Prozessverweilzeit

Nachfolgend finden Sie ein Berechnungsbeispiel zur Ermittlung der richtigen Ofengröße:

Ein SMT-Monteur möchte 8-Zoll-Platinen mit einer Geschwindigkeit von 180 pro Stunde produzieren.Der Lotpastenhersteller empfiehlt ein 4-minütiges, dreistufiges Profil.Wie lange brauche ich einen Ofen, um bei diesem Durchsatz Platten zu bearbeiten?

Bretter pro Minute = 3 (180/Stunde)
Länge pro Brett = 8 Zoll
Lastfaktor = 0,8 (2-Zoll-Abstand zwischen den Brettern)
Prozessverweilzeit = 4 Minuten

Liniengeschwindigkeit berechnen:(3 Platten/min) x (8 Zoll/Platte)
0,8

Liniengeschwindigkeit = 30 Zoll/Minute

Daher muss der Reflow-Ofen eine Prozessgeschwindigkeit von mindestens 30 Zoll pro Minute haben.

Bestimmen Sie die beheizte Länge der Ofenkammer mit der Prozessgeschwindigkeitsgleichung:

30 Zoll/min =Länge der beheizten Ofenkammer
4 Minuten

Ofenbeheizte Länge = 120 Zoll (10 Fuß)

Beachten Sie, dass die Gesamtlänge des Ofens einschließlich der Kühlsektion und der Förderband-Beschickungssektionen mehr als 10 Fuß beträgt.Die Berechnung bezieht sich auf die HEIZLÄNGE – NICHT AUF DIE GESAMTLÄNGE DES OFENS.

2. Regelung der Geschwindigkeit von Konvektionsventilatoren mit geschlossenem Regelkreis – Es gibt bestimmte oberflächenmontierte Gehäuse wie das SOD323 (siehe Beilage), die ein kleines Verhältnis von Kontaktfläche zu Masse aufweisen, das während des Reflow-Prozesses leicht gestört werden kann.Eine Drehzahlregelung der konventionellen Ventilatoren mit geschlossenem Regelkreis ist eine empfohlene Option für Baugruppen, die solche Teile verwenden.

3. Automatische Steuerung der Förderband- und Schwertträgerbreiten – Einige Maschinen verfügen über eine manuelle Breitenverstellung. Wenn jedoch viele verschiedene Baugruppen mit unterschiedlichen Leiterplattenbreiten verarbeitet werden müssen, wird diese Option empfohlen, um einen konsistenten Prozess aufrechtzuerhalten.

Akzeptables Reflow-Profil

Um ein Reflow-Profil zu erstellen, werden Thermoelemente an mehreren Stellen mit einer Musterbaugruppe verbunden (normalerweise mit Hochtemperaturlot), um den Temperaturbereich auf der Leiterplatte zu messen.Es wird empfohlen, mindestens ein Thermoelement auf einem Pad am Rand der Leiterplatte und ein Thermoelement auf einem Pad in der Mitte der Leiterplatte zu platzieren.Idealerweise sollten mehr Thermoelemente verwendet werden, um den gesamten Temperaturbereich auf der Leiterplatte zu messen – bekannt als „Delta T“.

Ein typisches Reflow-Lötprofil besteht normalerweise aus vier Phasen: Vorheizen, Einweichen, Reflow und Abkühlen.Das Hauptziel besteht darin, genügend Wärme in die Baugruppe zu übertragen, um das Lot zu schmelzen und die Lötverbindungen zu bilden, ohne dass es zu Schäden an Bauteilen oder Leiterplatten kommt.

Vorwärmen– Während dieser Phase werden alle Komponenten, die Leiterplatte und das Lot auf eine bestimmte Halte- oder Haltetemperatur erhitzt. Dabei ist darauf zu achten, dass das Erhitzen nicht zu schnell erfolgt (normalerweise nicht mehr als 2 °C/Sekunde – siehe Datenblatt der Lotpaste).Zu schnelles Erhitzen kann zu Defekten führen, z. B. zu Rissen in Bauteilen und zum Verspritzen der Lotpaste, wodurch beim Reflow-Löten Lotkugeln entstehen.

Einweichen– Der Zweck dieser Phase besteht darin, sicherzustellen, dass alle Komponenten die erforderliche Temperatur erreicht haben, bevor sie in die Reflow-Phase eintreten.Das Einweichen dauert in der Regel zwischen 60 und 120 Sekunden, abhängig vom „Massenunterschied“ der Baugruppe und der Art der vorhandenen Komponenten.Je effizienter die Wärmeübertragung während der Einweichphase ist, desto weniger Zeit wird benötigt.

Wenn dem Reflow-Profil während der Reflow-Phase nicht genügend Wärme zugeführt wird, werden Lötstellen ähnlich den folgenden Bildern sichtbar:

Lot nicht geformt, Hohlkehle mit Blei

Nicht alle Lotkugeln sind geschmolzen

Ein häufiger Lötfehler nach dem Reflow ist die Bildung von Lotkugeln/-perlen in der Mitte des Chips, wie unten zu sehen ist.Die Lösung für diesen Fehler besteht darin, das Schablonendesign zu ändern –Weitere Details finden Sie hier.

Der Einsatz von Stickstoff während des Reflow-Prozesses sollte aufgrund des Trends hin zur Abkehr von Lotpasten, die starke Flussmittel enthalten, in Betracht gezogen werden.Das Problem ist eigentlich nicht die Fähigkeit zum Aufschmelzen in Stickstoff, sondern vielmehr die Fähigkeit zum Aufschmelzen in Abwesenheit von Sauerstoff.Beim Erhitzen von Lot in Gegenwart von Sauerstoff entstehen Oxide, bei denen es sich im Allgemeinen um nicht lötbare Oberflächen handelt.

Kühlung– Dies ist lediglich die Phase, in der die Baugruppe abgekühlt wird. Es ist jedoch wichtig, die Baugruppe nicht zu schnell abzukühlen – normalerweise sollte die empfohlene Abkühlgeschwindigkeit 3 ​​°C/Sekunde nicht überschreiten.

PCB-/Komponenten-Footprint-Design

Es gibt eine Reihe von Aspekten des PCB-Designs, die Einfluss darauf haben, wie gut eine Baugruppe reflowfähig ist.Ein Beispiel hierfür ist die Größe der Leiterbahnen, die mit der Grundfläche einer Komponente verbunden sind. Wenn die Leiterbahn, die mit einer Seite der Grundfläche einer Komponente verbunden ist, größer als die andere ist, kann dies zu einem thermischen Ungleichgewicht führen, das zu einem „Tombstone“ des Teils führt, wie unten zu sehen ist:

Ein weiteres Beispiel ist der „Kupferausgleich“ – viele PCB-Designs nutzen große Kupferflächen und wenn die Leiterplatte zur Unterstützung des Herstellungsprozesses in ein Panel eingebaut wird, kann es zu einem Ungleichgewicht im Kupfer kommen.Dies kann dazu führen, dass sich das Panel während des Reflow-Lötens verzieht. Daher besteht die empfohlene Lösung darin, den Abfallbereichen des Panels einen „Kupferausgleich“ hinzuzufügen, wie unten zu sehen ist:

Sehen„Design für die Fertigung“für andere Überlegungen.

Sorgfältig gedruckte Leiterplatte mit gut gestalteter Schablone

Die früheren Prozessschritte bei der Oberflächenmontage sind entscheidend für einen effektiven Reflow-Lötprozess.DerLotpastendruckverfahrenist der Schlüssel, um eine gleichmäßige Ablagerung der Lotpaste auf der Leiterplatte sicherzustellen.Jeder Fehler in dieser Phase führt zu unerwünschten Ergebnissen und damit zu einer vollständigen Kontrolle dieses Prozesseseffektives Schablonendesignwird gebraucht.

Wiederholbare Platzierung von oberflächenmontierten Komponenten

Variation der Komponentenplatzierung

Die Platzierung oberflächenmontierter Komponenten muss wiederholbar sein und daher ist eine zuverlässige, gut gewartete Bestückungsmaschine erforderlich.Wenn Komponentenpakete nicht auf die richtige Art und Weise eingelernt werden, kann dies dazu führen, dass das Bildverarbeitungssystem nicht jedes Teil auf die gleiche Weise erkennt und es daher zu Abweichungen bei der Platzierung kommt.Dies führt nach dem Reflow-Lötprozess zu inkonsistenten Ergebnissen.

Komponentenplatzierungsprogramme können mit Bestückungsautomaten erstellt werden, dieser Prozess ist jedoch nicht so genau wie die direkte Übernahme der Schwerpunktinformationen aus den PCB-Gerber-Daten.Sehr oft werden diese Schwerpunktdaten aus der PCB-Designsoftware exportiert, sind aber manchmal nicht verfügbarDer Dienst zum Generieren der Schwerpunktdatei aus Gerber-Daten wird von Surface Mount Process angeboten.

Für alle Komponentenbestückungsmaschinen ist eine „Bestückungsgenauigkeit“ festgelegt, wie zum Beispiel:

35 µm (QFPs) bis 60 µm (Chips) bei 3 Sigma

Es ist auch wichtig, dass die richtige Düse für den zu platzierenden Bauteiltyp ausgewählt wird – eine Reihe verschiedener Bauteilplatzierungsdüsen finden Sie unten:

Hochwertige Leiterplatte, Komponenten und Lötpaste

Die Qualität aller während des Prozesses verwendeten Artikel muss hoch sein, denn alles, was von schlechter Qualität ist, führt zu unerwünschten Ergebnissen.Abhängig vom Herstellungsprozess der Leiterplatten und der Art und Weise, wie sie gelagert wurden, kann die Oberflächenbeschaffenheit der Leiterplatten zu einer schlechten Lötbarkeit während des Reflow-Lötprozesses führen.Nachfolgend finden Sie ein Beispiel dafür, was auftreten kann, wenn die Oberflächenbeschaffenheit einer Leiterplatte schlecht ist und zu einem Defekt führt, der als „Black Pad“ bekannt ist:

Hochwertiges PCB-Finish

Angelaufene Platine

Lot fließt zur Komponente und nicht zur Leiterplatte

Ebenso kann die Qualität der Anschlüsse oberflächenmontierter Komponenten je nach Herstellungsprozess und Lagerungsmethode schlecht sein.

Die Qualität der Lotpaste wird stark davon beeinflusstLagerung und Handhabung.Bei Verwendung von Lötpaste von schlechter Qualität kann es zu Ergebnissen kommen, die unten zu sehen sind: