PROCES MONTAŻU POWIERZCHNIOWEGO

Lutowanie rozpływowe jest najpowszechniej stosowaną metodą mocowania elementów do montażu powierzchniowego na płytkach obwodów drukowanych (PCB).Celem procesu jest utworzenie akceptowalnych połączeń lutowniczych poprzez wstępne podgrzanie komponentów/PCB/pasty lutowniczej, a następnie stopienie lutu bez powodowania uszkodzeń w wyniku przegrzania.

Kluczowe aspekty prowadzące do skutecznego procesu lutowania rozpływowego są następujące:

1. Odpowiednia maszyna
2. Akceptowalny profil rozpływu
3. Projekt PCB/komponentu
4. Starannie wydrukowana płytka drukowana przy użyciu dobrze zaprojektowanego szablonu
5. Powtarzalne rozmieszczenie elementów do montażu powierzchniowego
6. Dobrej jakości PCB, komponenty i pasta lutownicza

Odpowiednia maszyna

Dostępne są różne typy maszyn do lutowania rozpływowego, w zależności od wymaganej prędkości linii i konstrukcji/materiału przetwarzanych zespołów PCB.Wybrany piec musi mieć odpowiedni rozmiar, aby obsłużyć tempo produkcji sprzętu typu pick and place.

Prędkość linii można obliczyć w sposób pokazany poniżej: -

Prędkość linii (minimalna) =Deski na minutę x długość na deskę
Współczynnik obciążenia (odstęp pomiędzy deskami)

Ważne jest, aby wziąć pod uwagę powtarzalność procesu, dlatego „współczynnik obciążenia” jest zwykle określany przez producenta maszyny, a obliczenia pokazano poniżej:

Aby móc wybrać piec rozpływowy o odpowiedniej wielkości, prędkość procesu (zdefiniowana poniżej) musi być większa niż minimalna obliczona prędkość linii.

Szybkość procesu =Długość ogrzewanej komory piekarnika
Czas przebywania procesu

Poniżej znajduje się przykład obliczeń pozwalających ustalić prawidłowy rozmiar piekarnika:-

Monter SMT chce wyprodukować 8-calowe płyty w tempie 180 sztuk na godzinę.Producent pasty lutowniczej zaleca profil trzyetapowy trwający 4 minuty.Jak długo potrzebuję pieca do obróbki desek przy tej przepustowości?

Deski na minutę = 3 (180/godz.)
Długość na deskę = 8 cali
Współczynnik obciążenia = 0,8 (2-calowa przestrzeń między płytami)
Czas przebywania procesu = 4 minuty

Oblicz prędkość linii:(3 deski/min) x (8 cali/board)
0,8

Prędkość linii = 30 cali/minutę

Dlatego też piec rozpływowy musi mieć prędkość procesu co najmniej 30 cali na minutę.

Określ długość nagrzanej komory piekarnika za pomocą równania prędkości procesu:

30 cali/min =Długość ogrzewanej komory piekarnika
4 minuty

Długość nagrzanego piekarnika = 120 cali (10 stóp)

Należy pamiętać, że całkowita długość pieca przekroczy 3 metry, włączając sekcję chłodzenia i sekcje załadunku przenośnika.Obliczenia dotyczą DŁUGOŚCI NAGRZEWANIA – NIE CAŁKOWITEJ DŁUGOŚCI PIEKARNIKA.

2. Sterowanie w pętli zamkniętej prędkością wentylatorów konwekcyjnych – istnieją pewne pakiety do montażu powierzchniowego, takie jak SOD323 (patrz wkładka), które mają mały stosunek powierzchni styku do masy i są podatne na zakłócenia podczas procesu rozpływu.Sterowanie prędkością wentylatorów konwencyjnych w pętli zamkniętej jest zalecaną opcją w przypadku zespołów wykorzystujących takie części.

3. Automatyczna kontrola szerokości przenośników i wsporników mieczy – niektóre maszyny mają ręczną regulację szerokości, ale jeśli przetwarzanych jest wiele różnych zespołów o różnych szerokościach PCB, zaleca się tę opcję, aby utrzymać spójny proces.

Akceptowalny profil rozpływu

Aby utworzyć profil rozpływu, termopary podłącza się do zestawu próbnego (zwykle za pomocą lutu o wysokiej temperaturze) w wielu miejscach w celu pomiaru zakresu temperatur na płytce drukowanej.Zaleca się, aby co najmniej jedna termopara znajdowała się na podkładce w kierunku krawędzi płytki drukowanej i jedna termopara znajdowała się na podkładce w kierunku środka płytki drukowanej.Idealnie byłoby użyć większej liczby termopar do pomiaru pełnego zakresu temperatur na płytce drukowanej – tzw. „Delta T”.

Typowy profil lutowania rozpływowego składa się zwykle z czterech etapów – podgrzewania, namaczania, rozpływu i chłodzenia.Głównym celem jest przekazanie wystarczającej ilości ciepła do zespołu, aby stopić lut i utworzyć połączenia lutowane bez powodowania uszkodzeń komponentów lub płytki drukowanej.

Rozgrzej– Podczas tej fazy wszystkie komponenty, płytka PCB i lut są podgrzewane do określonej temperatury wygrzewania lub przebywania, uważając, aby nie nagrzać się zbyt szybko (zwykle nie więcej niż 2°C/sekundę – sprawdź arkusz danych pasty lutowniczej).Zbyt szybkie nagrzewanie może powodować defekty, takie jak pękanie elementów i rozpryski pasty lutowniczej, powodując powstawanie kulek lutowniczych podczas rozpływu.

Moczyć– Celem tej fazy jest zapewnienie, że wszystkie komponenty osiągnęły wymaganą temperaturę przed wejściem do etapu rozpływu.Namaczanie trwa zwykle od 60 do 120 sekund, w zależności od „różnicy masy” zespołu i rodzaju obecnych komponentów.Im efektywniejsze przekazywanie ciepła w fazie namaczania, tym mniej czasu potrzeba.

Jeśli profil rozpływu nie będzie wystarczająco nagrzany na etapie rozpływu, połączenia lutowane będą widoczne podobnie jak na poniższych ilustracjach: -

lut nie uformowany filet z ołowiem

Nie wszystkie kulki lutownicze się stopiły

Częstą wadą lutowania po rozpływie jest tworzenie się kulek/koralików lutowniczych w środku wióra, jak widać poniżej.Rozwiązaniem tej wady jest modyfikacja projektu szablonu -więcej szczegółów można zobaczyć tutaj.

Należy rozważyć zastosowanie azotu w procesie rozpływu ze względu na tendencję do odchodzenia od past lutowniczych zawierających silne topniki.Problemem nie jest tak naprawdę zdolność ponownego przepływu azotu, ale raczej zdolność ponownego przepływu przy braku tlenu.Ogrzewanie lutowia w obecności tlenu powoduje powstawanie tlenków, które zazwyczaj są powierzchniami, których nie można lutować.

Chłodzenie– Jest to po prostu etap, podczas którego zespół jest schładzany, ale ważne jest, aby nie chłodzić zespołu zbyt gwałtownie – zazwyczaj zalecana szybkość chłodzenia nie powinna przekraczać 3°C/sekundę.

Projekt śladu PCB/komponentu

Istnieje wiele aspektów projektowania PCB, które mają wpływ na to, jak dobrze będzie przepływać zespół.Przykładem może być rozmiar torów łączących się z obrysem komponentu – jeśli tor łączący się z jedną stroną obrysu komponentu jest większy od drugiej, może to prowadzić do braku równowagi termicznej, powodując „nagrobek” części, jak widać poniżej:

Innym przykładem jest „równoważenie miedzi” – wiele projektów PCB wykorzystuje duże obszary miedzi, a jeśli płytka drukowana zostanie umieszczona w panelu w celu wspomagania procesu produkcyjnego, może to prowadzić do braku równowagi w miedzi.Może to spowodować wypaczenie panelu podczas rozpływu, dlatego zalecanym rozwiązaniem jest dodanie „równoważenia miedzi” do obszarów odpadów panelu, jak widać poniżej:-

Widzieć„Projektowanie do produkcji”z innych względów.

Starannie wydrukowana płytka drukowana przy użyciu dobrze zaprojektowanego szablonu

Wcześniejsze etapy procesu montażu powierzchniowego mają kluczowe znaczenie dla skutecznego procesu lutowania rozpływowego.Theproces drukowania pasty lutowniczejjest kluczem do zapewnienia stałego osadzania pasty lutowniczej na płytce PCB.Jakakolwiek usterka na tym etapie doprowadzi do niepożądanych rezultatów, a co za tym idzie, pełnej kontroli nad tym procesemefektowny projekt szablonujest potrzebne.

Powtarzalne rozmieszczenie elementów do montażu powierzchniowego

Różnice w rozmieszczeniu komponentów

Rozmieszczenie elementów do montażu powierzchniowego musi być powtarzalne, dlatego niezbędna jest niezawodna, dobrze utrzymana maszyna typu pick and place.Jeśli pakiety komponentów nie zostaną nauczone we właściwy sposób, może to spowodować, że system wizyjny maszyny nie będzie widział każdej części w ten sam sposób, co spowoduje zaobserwowanie różnic w rozmieszczeniu.Doprowadzi to do niespójnych wyników po procesie lutowania rozpływowego.

Programy rozmieszczenia komponentów można tworzyć za pomocą maszyn typu pick and place, ale proces ten nie jest tak dokładny, jak pobieranie informacji o środku ciężkości bezpośrednio z danych Gerbera na PCB.Dość często dane dotyczące centroidów są eksportowane z oprogramowania do projektowania PCB, ale czasami nie są dostępne i dlategoUsługa generowania pliku centroidu z danych Gerbera jest oferowana przez Surface Mount Process.

Wszystkie maszyny do umieszczania komponentów będą miały określoną „Dokładność rozmieszczenia”, taką jak: -

35um (QFP) do 60um (chipy) @ 3 sigma

Ważne jest również, aby wybrać odpowiednią dyszę do rodzaju umieszczanego komponentu – poniżej można zobaczyć szereg różnych dysz do umieszczania komponentów:-

Dobrej jakości PCB, komponenty i pasta lutownicza

Jakość wszystkich elementów używanych w procesie musi być wysoka, ponieważ wszystko, co jest złej jakości, doprowadzi do niepożądanych rezultatów.W zależności od procesu produkcyjnego płytek PCB i sposobu ich przechowywania wykończenie PCB może powodować słabą lutowność podczas procesu lutowania rozpływowego.Poniżej znajduje się przykład tego, co można zobaczyć, gdy wykończenie powierzchni płytki drukowanej jest słabe, co prowadzi do wady zwanej „czarną podkładką”:-

DOBREJ JAKOŚCI WYKOŃCZENIA PCB

ZARADOWANA płytka drukowana

Lut płynie do komponentu, a nie do PCB

W podobny sposób jakość przewodów elementów do montażu powierzchniowego może być niska w zależności od procesu produkcyjnego i sposobu przechowywania.

Na jakość pasty lutowniczej duży wpływ ma m.inskładowania i stosowania.Zła jakość pasty lutowniczej, jeśli zostanie użyta, może dać rezultaty, jak widać poniżej: -