กระบวนการยึดพื้นผิว

การบัดกรีแบบ Reflow เป็นวิธีการที่ใช้กันอย่างแพร่หลายในการติดส่วนประกอบที่ยึดบนพื้นผิวเข้ากับแผงวงจรพิมพ์ (PCB)จุดมุ่งหมายของกระบวนการคือการสร้างข้อต่อบัดกรีที่ยอมรับได้โดยการให้ความร้อนแก่ส่วนประกอบ/PCB/สารบัดกรีก่อน จากนั้นจึงหลอมโลหะบัดกรีโดยไม่ทำให้เกิดความเสียหายจากความร้อนสูงเกินไป

ประเด็นสำคัญที่นำไปสู่กระบวนการบัดกรีแบบรีโฟลว์ที่มีประสิทธิภาพมีดังนี้:

1. เครื่องที่เหมาะสม
2. โปรไฟล์ reflow ที่ยอมรับได้
3. การออกแบบรอยเท้า PCB/ส่วนประกอบ
4. พิมพ์ PCB อย่างระมัดระวังโดยใช้ลายฉลุที่ออกแบบมาอย่างดี
5. การวางตำแหน่งส่วนประกอบยึดพื้นผิวซ้ำได้
6. PCB ส่วนประกอบและสารบัดกรีคุณภาพดี

เครื่องที่เหมาะสม

มีเครื่องบัดกรีแบบรีโฟลว์หลายประเภทให้เลือกใช้งาน ขึ้นอยู่กับความเร็วของเส้นที่ต้องการและการออกแบบ/วัสดุของส่วนประกอบ PCB ที่จะประมวลผลเตาอบที่เลือกจะต้องมีขนาดที่เหมาะสมเพื่อรองรับอัตราการผลิตของอุปกรณ์หยิบและวาง

ความเร็วของเส้นสามารถคำนวณได้ดังนี้:-

ความเร็วสาย (ขั้นต่ำ) =บอร์ดต่อนาที x ความยาวต่อบอร์ด
Load Factor (ช่องว่างระหว่างบอร์ด)

การพิจารณาความสามารถในการทำซ้ำของกระบวนการเป็นสิ่งสำคัญ และผู้ผลิตเครื่องจักรมักจะระบุ 'ปัจจัยโหลด' ตามการคำนวณที่แสดงด้านล่าง:

เพื่อให้สามารถเลือกขนาดเตาอบ reflow ที่ถูกต้องได้ ความเร็วของกระบวนการ (ตามที่กำหนดไว้ด้านล่าง) จะต้องมากกว่าความเร็วของเส้นขั้นต่ำที่คำนวณได้

ความเร็วในกระบวนการ =ความยาวเตาอบที่อุ่นได้
ประมวลผลเวลาพัก

ด้านล่างนี้เป็นตัวอย่างการคำนวณเพื่อสร้างขนาดเตาอบที่ถูกต้อง:-

ช่างประกอบ SMT ต้องการผลิตบอร์ดขนาด 8 นิ้วในอัตรา 180 ต่อชั่วโมงผู้ผลิตครีมประสานแนะนำให้ใช้โปรไฟล์สามขั้นตอนเป็นเวลา 4 นาทีฉันต้องใช้เตาอบนานแค่ไหนในการประมวลผลบอร์ดที่ปริมาณงานนี้

บอร์ดต่อนาที = 3 (180/ชั่วโมง)
ความยาวต่อกระดาน = 8 นิ้ว
Load Factor = 0.8 (ระยะห่าง 2 นิ้วระหว่างบอร์ด)
เวลาคงอยู่ของกระบวนการ = 4 นาที

คำนวณความเร็วของสาย:(3 บอร์ด/นาที) x (8 นิ้ว/บอร์ด)
0.8

ความเร็วสาย = 30 นิ้ว/นาที

ดังนั้นเตาอบ reflow จะต้องมีความเร็วกระบวนการอย่างน้อย 30 นิ้วต่อนาที

กำหนดความยาวความร้อนของห้องอบด้วยสมการความเร็วกระบวนการ:

30 นิ้ว/นาที =ความยาวเตาอบที่อุ่นได้
4 นาที

ความยาวที่อุ่นในเตาอบ = 120 นิ้ว (10 ฟุต)

โปรดทราบว่าความยาวโดยรวมของเตาอบจะเกิน 10 ฟุต รวมถึงส่วนทำความเย็นและส่วนโหลดสายพานลำเลียงการคำนวณนี้ใช้สำหรับความยาวความร้อน – ไม่ใช่ความยาวเตาอบโดยรวม

2. การควบคุมวงรอบปิดสำหรับความเร็วของพัดลมพาความร้อน – มีแพ็คเกจการติดตั้งบนพื้นผิวบางอย่าง เช่น SOD323 (ดูส่วนแทรก) ซึ่งมีพื้นที่สัมผัสต่ออัตราส่วนมวลเล็กน้อย ซึ่งเสี่ยงต่อการถูกรบกวนในระหว่างกระบวนการรีโฟลว์การควบคุมความเร็วแบบวงปิดของพัดลมตั้งโต๊ะเป็นตัวเลือกที่แนะนำสำหรับการประกอบโดยใช้ชิ้นส่วนดังกล่าว

3. การควบคุมความกว้างของสายพานลำเลียงและแผ่นรองรับกระดานกลางโดยอัตโนมัติ – เครื่องจักรบางเครื่องมีการปรับความกว้างด้วยตนเอง แต่หากมีส่วนประกอบที่แตกต่างกันจำนวนมากที่ต้องประมวลผลด้วยความกว้างของ PCB ที่แตกต่างกัน แนะนำให้ใช้ตัวเลือกนี้เพื่อรักษากระบวนการที่สอดคล้องกัน

โปรไฟล์ Reflow ที่ยอมรับได้

ในการสร้างโปรไฟล์การรีโฟลว์ เทอร์โมคัปเปิลจะเชื่อมต่อกับชุดประกอบตัวอย่าง (โดยปกติจะใช้บัดกรีที่อุณหภูมิสูง) ในตำแหน่งต่างๆ เพื่อวัดอุณหภูมิทั่วทั้ง PCBขอแนะนำให้มีเทอร์โมคัปเปิลอย่างน้อยหนึ่งตัวอยู่บนแผ่นไปทางขอบของ PCB และเทอร์โมคัปเปิลหนึ่งตัวอยู่บนแผ่นไปทางตรงกลางของ PCBตามหลักการแล้ว ควรใช้เทอร์โมคัปเปิลมากกว่านี้เพื่อวัดอุณหภูมิตลอดช่วงทั่วทั้ง PCB หรือที่เรียกว่า 'Delta T'

ภายในโปรไฟล์การบัดกรีแบบรีโฟลว์โดยทั่วไปจะมีสี่ขั้นตอน ได้แก่ อุ่น แช่ ไหลซ้ำ และทำความเย็นจุดประสงค์หลักคือการถ่ายเทความร้อนที่เพียงพอไปยังชุดประกอบเพื่อหลอมโลหะบัดกรีและสร้างข้อต่อบัดกรีโดยไม่สร้างความเสียหายให้กับส่วนประกอบหรือ PCB

เปิดเครื่อง– ในระหว่างขั้นตอนนี้ ส่วนประกอบ PCB และโลหะบัดกรีทั้งหมดจะถูกให้ความร้อนจนถึงอุณหภูมิแช่หรือคงตัวที่ระบุ โดยระวังไม่ให้ร้อนเร็วเกินไป (โดยปกติจะไม่เกิน 2°C/วินาที – ตรวจสอบเอกสารข้อมูลการบัดกรี)การให้ความร้อนเร็วเกินไปอาจทำให้เกิดข้อบกพร่อง เช่น ส่วนประกอบแตกร้าว และสารบัดกรีกระเด็น ทำให้เกิดลูกบอลบัดกรีในระหว่างการรีโฟลว์

แช่– วัตถุประสงค์ของระยะนี้คือเพื่อให้แน่ใจว่าส่วนประกอบทั้งหมดมีอุณหภูมิตามที่ต้องการก่อนจะเข้าสู่ขั้นตอนการรีโฟลว์โดยปกติการแช่จะใช้เวลาประมาณ 60 ถึง 120 วินาที ขึ้นอยู่กับ 'มวลส่วนต่าง' ของชุดประกอบและประเภทของส่วนประกอบที่มีอยู่ยิ่งการถ่ายเทความร้อนระหว่างขั้นตอนการแช่มีประสิทธิภาพมากขึ้นเท่าใด ก็ต้องใช้เวลาน้อยลงเท่านั้น

หากโปรไฟล์การรีโฟลว์ได้รับความร้อนไม่เพียงพอในระหว่างขั้นตอนการรีโฟลว์ จะมีรอยต่อประสานที่เห็นคล้ายกับภาพด้านล่าง:-

บัดกรีไม่ขึ้นรูปเนื้อด้วยตะกั่ว

ลูกประสานไม่ได้ละลายทั้งหมด

ข้อบกพร่องในการบัดกรีทั่วไปหลังจากการรีโฟลว์คือการก่อตัวของลูกบอล/เม็ดประสานกลางชิปดังที่เห็นด้านล่างวิธีแก้ไขข้อบกพร่องนี้คือการปรับเปลี่ยนการออกแบบลายฉลุ -รายละเอียดเพิ่มเติมสามารถดูได้ที่นี่.

ควรพิจารณาการใช้ไนโตรเจนในระหว่างกระบวนการรีโฟลว์เนื่องจากมีแนวโน้มที่จะเคลื่อนตัวออกจากสารบัดกรีที่มีฟลักซ์เข้มข้นปัญหาไม่ได้อยู่ที่ความสามารถในการไหลกลับของไนโตรเจน แต่เป็นความสามารถในการไหลกลับในกรณีที่ไม่มีออกซิเจนการทำความร้อนด้วยการบัดกรีโดยมีออกซิเจนจะทำให้เกิดออกไซด์ ซึ่งโดยทั่วไปเป็นพื้นผิวที่ไม่สามารถบัดกรีได้

ระบายความร้อน– นี่เป็นเพียงขั้นตอนในระหว่างที่ชุดประกอบเย็นลง แต่สิ่งสำคัญคือต้องไม่ทำให้ชุดเย็นลงเร็วเกินไป – โดยปกติแล้วอัตราการทำความเย็นที่แนะนำไม่ควรเกิน 3°C/วินาที

การออกแบบรอยเท้า PCB/ส่วนประกอบ

มีหลายแง่มุมของการออกแบบ PCB ที่มีอิทธิพลต่อการจัดเรียงใหม่ของแอสเซมบลีตัวอย่างคือขนาดของรางที่เชื่อมต่อกับรอยเท้าของส่วนประกอบ หากรางที่เชื่อมต่อกับด้านหนึ่งของรอยเท้าของส่วนประกอบมีขนาดใหญ่กว่าอีกข้างหนึ่ง อาจนำไปสู่ความไม่สมดุลทางความร้อนที่ทำให้ส่วนนั้นกลายเป็น 'ศิลาจารึกหน้าหลุมฝังศพ' ดังที่เห็นด้านล่าง:-

อีกตัวอย่างหนึ่งคือ 'การปรับสมดุลของทองแดง' การออกแบบ PCB จำนวนมากใช้พื้นที่ทองแดงขนาดใหญ่ และหากใส่ PCB ลงในแผงเพื่อช่วยในกระบวนการผลิต ก็อาจนำไปสู่ความไม่สมดุลของทองแดงได้สิ่งนี้อาจทำให้แผงบิดเบี้ยวในระหว่างการรีโฟลว์ ดังนั้นวิธีแก้ปัญหาที่แนะนำคือเพิ่ม 'การปรับสมดุลทองแดง' ให้กับพื้นที่เสียของแผงดังที่เห็นด้านล่าง:-

ดู'การออกแบบเพื่อการผลิต'เพื่อการพิจารณาอื่นๆ

พิมพ์ PCB อย่างระมัดระวังโดยใช้ลายฉลุที่ออกแบบมาอย่างดี

ขั้นตอนกระบวนการก่อนหน้านี้ภายในชุดประกอบยึดพื้นผิวมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อกระบวนการบัดกรีแบบรีโฟลว์ที่มีประสิทธิภาพที่กระบวนการพิมพ์แบบวางประสานเป็นกุญแจสำคัญเพื่อให้แน่ใจว่ามีการสะสมของสารบัดกรีลงบน PCB อย่างสม่ำเสมอข้อผิดพลาดใดๆ ในขั้นตอนนี้จะนำไปสู่ผลลัพธ์ที่ไม่พึงประสงค์ และดังนั้นการควบคุมกระบวนการนี้อย่างสมบูรณ์ไปด้วยการออกแบบลายฉลุที่มีประสิทธิภาพมันจำเป็น.

การวางตำแหน่งส่วนประกอบยึดพื้นผิวซ้ำได้

รูปแบบการจัดวางส่วนประกอบ

การวางตำแหน่งส่วนประกอบยึดบนพื้นผิวจะต้องทำซ้ำได้ ดังนั้นจึงจำเป็นต้องมีเครื่องหยิบและวางที่เชื่อถือได้และได้รับการดูแลอย่างดีหากแพ็คเกจส่วนประกอบไม่ได้รับการสอนในวิธีที่ถูกต้อง อาจส่งผลให้ระบบวิชันซิสเต็มมองเห็นแต่ละชิ้นส่วนไม่เหมือนกัน และจะสังเกตเห็นการเปลี่ยนแปลงในการจัดวางสิ่งนี้จะนำไปสู่ผลลัพธ์ที่ไม่สอดคล้องกันหลังจากกระบวนการบัดกรีแบบรีโฟลว์

โปรแกรมการจัดวางส่วนประกอบสามารถสร้างขึ้นได้โดยใช้เครื่องหยิบและวาง แต่กระบวนการนี้ไม่แม่นยำเท่ากับการรับข้อมูลเซนทรอยด์โดยตรงจากข้อมูล PCB Gerberบ่อยครั้งที่ข้อมูลเซนทรอยด์นี้ถูกส่งออกจากซอฟต์แวร์ออกแบบ PCB แต่บางครั้งก็ไม่สามารถใช้งานได้บริการเพื่อสร้างไฟล์เซนทรอยด์จากข้อมูล Gerber นำเสนอโดย Surface Mount Process.

เครื่องจัดวางส่วนประกอบทั้งหมดจะมี 'ความแม่นยำในการจัดวาง' ระบุไว้ เช่น:-

35um (QFP) ถึง 60um (ชิป) @ 3 sigma

สิ่งสำคัญคือต้องเลือกหัวฉีดที่ถูกต้องสำหรับประเภทส่วนประกอบที่จะวาง โดยสามารถดูหัวฉีดการวางตำแหน่งส่วนประกอบต่างๆ ได้ด้านล่าง:-

PCB ส่วนประกอบและสารบัดกรีคุณภาพดี

คุณภาพของรายการทั้งหมดที่ใช้ในระหว่างกระบวนการจะต้องสูง เนื่องจากสิ่งใดก็ตามที่มีคุณภาพต่ำจะนำไปสู่ผลลัพธ์ที่ไม่พึงประสงค์ขึ้นอยู่กับกระบวนการผลิตของ PCB และวิธีการจัดเก็บ พื้นผิวของ PCB อาจทำให้การบัดกรีไม่ดีในระหว่างกระบวนการบัดกรีแบบรีโฟลว์ด้านล่างนี้เป็นตัวอย่างของสิ่งที่สามารถเห็นได้เมื่อพื้นผิวบน PCB ไม่ดี ซึ่งนำไปสู่ข้อบกพร่องที่เรียกว่า 'แผ่นสีดำ':-

เคลือบ PCB คุณภาพดี

PCB มัวหมอง

บัดกรีไหลไปยังส่วนประกอบไม่ใช่ PCB

ในทำนองเดียวกัน คุณภาพของลีดส่วนประกอบที่ยึดบนพื้นผิวอาจไม่ดี ขึ้นอยู่กับกระบวนการผลิตและวิธีการจัดเก็บ

คุณภาพของสารบัดกรีได้รับผลกระทบอย่างมากจากการจัดเก็บและการจัดการ-สารบัดกรีคุณภาพต่ำหากใช้มีแนวโน้มที่จะให้ผลลัพธ์ดังที่เห็นด้านล่าง:-