Farklı lehim alaşımları için kurşunsuz lehim fırını profilini nasıl ayarlayabilirim?

Yüzeye montaj teknolojisi (SMT) işlemi yürütüyorsanız, kurşunsuz yeniden akışlı fırının yalnızca bir ekipman parçası olmadığını, PCB üretim hattınızın kalbi olduğunu bilirsiniz. Lehim bağlantılarınızın kalitesi, ürün güvenilirliğini doğrudan etkiler ve bu mükemmel bağlantılara ulaşmadaki en kritik değişkenlerden biri, yeniden akış profilinin doğru olmasıdır. Kurşunsuz yeniden akışlı fırınların tedarikçisi olarak, yeniden akış profillerini farklı lehim alaşımlarına göre ayarlamakta zorlanan elektronik üreticileriyle binlerce saat çalışarak geçirdim. İster kalay-gümüş-bakır (SAC), kalay-bakır (SnCu) ister SAC-Bi veya SAC-Q gibi özel alaşımlar kullanıyor olun, her lehim tipinin hassas profil ayarlamaları gerektiren benzersiz termal gereksinimleri vardır. Bu yazıda, alaşıma özgü profillerin neden önemli olduğunu açıklayacağım, fırın ayarlarınızı yaygın olarak kullanılan kurşunsuz alaşımlar için nasıl ayarlayacağınızı anlatacağım ve yüzlerce üretim tesisini destekleyerek öğrendiğim gerçek dünya ipuçlarını paylaşacağım.

Öncelikle bunu, kurşunsuz yeniden akış profillerinin neden herkese uygun tek tip olmadığı temeline oturtalım. Eskiden kurşunlu lehim (Sn63Pb37 gibi) 183°C gibi düşük bir erime noktasına sahipti, bu da profil ayarlamalarını basit hale getiriyordu; yalnızca yeniden akıtma için hafif bir rampa, kısa bir ıslatma ve soğuma yeterliydi. Ancak kurşunsuz alaşımlar her şeyi değiştirdi. Düzenleyici değişiklikler (RoHS, REACH ve WEEE'yi düşünün) elektronikteki çoğu kurşunu yasaklayarak üreticileri genellikle 217°C ila 260°C arasında değişen daha yüksek erime noktalarına sahip alaşımlara doğru itti. Bu daha yüksek erime noktaları, ısıtma sırasında farklı termal davranış, termal şoka karşı farklı duyarlılık ve oksit giderme için farklı gereksinimler anlamına gelir; bunların tümü son bağlantıyı etkiler. Örneğin, SAC305 için genel bir profil kullanırsanız, ya daha düşük erime noktasına sahip bir SnCu alaşımını az ısıtıp soğuk bağlantılara sahip olursunuz ya da yüksek bizmut alaşımını aşırı ısıtıp sıcaklığa duyarlı bileşenlere zarar verme riskiyle karşı karşıya kalırsınız. Özel ekipmanın değeri burada devreye giriyor: Devre elektronik PCB üretim ekipmanı gibi tamamlayıcı araçlarla eşleştirilen 3 bölgeli yeniden akışlı fırınlarımız, hassas alaşıma özgü profiller için gereken bölgesel sıcaklık kontrolünü sağlamak üzere tasarlanmıştır. Artık tahmin yok, yeniden çalışma yok, malzeme israfı yok.

Bugün kullanılan en yaygın kurşunsuz alaşımla başlayalım: SAC305 (96,5Sn, 3,0Ag, 0,5Cu). Mükemmel mekanik mukavemeti ve güvenilirliği nedeniyle çoğu tüketici elektroniği, otomotiv parçası ve endüstriyel cihaz için tercih edilir. SAC305, 217°C'lik bir erime noktasına sahiptir; bu, geleneksel kurşunlu lehimden yaklaşık 34°C daha yüksektir. Peki SAC305 için ideal yeniden akış profili neye benziyor? Dört ana aşamaya ayrılmıştır: ön ısıtma, ıslatma, yeniden akıtma ve soğutma. Ön ısıtma aşaması, sıcaklığı oda sıcaklığından saniyede 1-2°C hızla 150-180°C'ye çıkarmalıdır. Bu yavaş rampa kritik öneme sahiptir çünkü bileşenlere, özellikle de 0201 dirençleri veya IC'ler gibi küçük, ince aralıklı parçalara termal şok gelmesini önler. Rampa hızınız çok hızlıysa, bileşen çarpıklığı ve hatta tahtaların çatlaması ile karşılaşacaksınız. Islatma aşaması, SAC305'in eski kurşunlu alaşımlardan farklı olduğu yerdir. Genellikle sıcaklığı 60-90 saniye boyunca 150-180°C'de tutmanızı öneririz. Bu aşama, lehim pastasındaki akıyı aktive etmek, PCB pedinden ve bileşen uçlarından oksitleri çıkarmak ve tüm kart boyunca tutarlı ısıtma sağlamak için tasarlanmıştır. Islatma aşamasının atlanması veya kısaltılması, soğuk bağlantılar veya lehim topları gibi lehimleme kusurlarına yol açar. Ardından yeniden akış aşaması gelir: Sıvılaşma sıcaklığı (217°C) 30-60 saniye boyunca geçilerek 245-250°C'lik bir tepe sıcaklığına çıkmanız gerekir. 260°C'yi aşmamak çok önemlidir çünkü bunu yapmak SAC alaşımından gümüş sızmasına, bileşen ambalajının hasar görmesine veya PCB'nin lehim maskesinin bozulmasına neden olabilir. Son olarak soğutma aşaması: Plakayı fırından çıkarmadan önce saniyede 2–4°C hızla 100°C'nin altına soğutun. Kontrollü bir soğuma, lehim bağlantısındaki ince, düzgün tanecikli yapıyı destekler, bu da mekanik gücü artırır ve zaman içindeki yorgunluğu azaltır.

Peki üretim yelpazenizde bulunabilecek diğer yaygın kurşunsuz alaşımlara ne dersiniz? Güç kaynakları veya temel tüketim malları gibi yüksek hacimli, düşük maliyetli uygulamalar için popüler olan, SAC305'in daha düşük maliyetli bir alternatifi olan Sn0.7Cu'dan bahsedelim. Sn0.7Cu, SAC305'ten 10°C daha yüksek, 227°C'lik bir erime noktasına sahiptir ve termal davranışı biraz farklıdır; profil doğru şekilde ayarlanmadığında boşluk oluşmaya daha yatkındır. Sn0.7Cu için, ön ısıtma rampa hızı saniyede aynı 1–2°C aralığında kalmalıdır, ancak ıslatma aşaması biraz daha kısa olabilir: 160–190°C'de 45–60 saniye. Sn0.7Cu'da daha az gümüş olduğundan, akıtmanın etkinleştirilmesi için biraz daha az süre gerekir, bu nedenle daha kısa bir ıslatma, akının aşırı ısınmasını önler, bu da kalıntı bırakabilir veya temizleme gücünü azaltabilir. Yeniden akış tepe sıcaklığı, 60-90 saniyelik sıvı tutma süresiyle 250–255°C'de SAC305'ten biraz daha yüksektir. Sn0.7Cu'nun mikro yapısı hızlı soğutmaya karşı SAC305'e göre daha az duyarlı olduğundan, soğuma hızı saniyede 5°C'ye kadar çok daha hızlı olabilir. Ancak üreticileri her zaman bunu test etmeleri konusunda uyarıyorum; ince aralıklı bileşenlere sahip bazı yüksek yoğunluklu kartlar, çarpıklığı önlemek için hala daha yavaş bir soğumaya ihtiyaç duyuyor.

Bugünlerde daha çok gördüğümüz bir diğer alaşım da, sıcaklığa duyarlı uygulamalarda erime noktasını düşürmek için bizmutla karıştırılan SAC305'ten oluşan SAC-Bi'dir. SAC-Bi tipik olarak 209°C civarında bir erime noktasına sahiptir ve kurşunlu ve geleneksel kurşunsuz alaşımlar arasındaki boşluğu doldurur. Bu zor bir iştir çünkü profil çok sıcaksa bizmut, lehim bağlantılarını zayıflatan kırılgan intermetalikler (IMC'ler) oluşturabilir. SAC-Bi için ön ısıtma rampa hızı hâlâ saniyede 1–2°C'dir ancak ıslatma sıcaklığı daha düşüktür: 60 saniye boyunca 140–170°C. Yeniden akış tepe sıcaklığı yalnızca 20-40 saniyelik bir sıvı tutma süresiyle birlikte yalnızca 235-240°C olmalıdır. Bundan daha uzun herhangi bir şey bizmutun ayrılmasına neden olacak ve bu da eklem arızasına yol açacaktır. Düzgün tane yapısı sağlamak ve bağlantı yüzeyinde bizmut açısından zengin fazların oluşmasını önlemek için soğuma hızı saniyede 2–3°C arasında olmalıdır. İyi bir yeniden akışlı fırının hassasiyetinin tüm farkı yarattığı nokta burasıdır; kızılötesi-sıcak hava kurşunsuz SMT yeniden akışlı fırınımız, sayısal kontrol alma ve yerleştirme elektroniği gibi araçları kullanan doğru profil kurulumuyla eşleştirilerek, karışık alaşımlara sahip karmaşık kartlar için bile bu sıkı sıcaklık toleranslarına tutarlı bir şekilde ulaşmanıza olanak tanır.

Şimdi üreticilerin profillerini ayarlarken yaptıklarını gördüğüm yaygın hatalara geçelim. İlk olarak, gerçek zamanlı termal profil oluşturmayla doğrulama yapmıyoruz. Operatörler çoğu zaman lehim pastası üreticisinin genel profillerini kullanır, ancak bu bir başlangıç ​​noktasıdır, nihai bir çözüm değildir. Her kart farklıdır; yoğun bakır dökülen daha kalın PCB'ler, küçük bileşenlere sahip ince, esnek PCB'lerden farklı şekilde ısıyı tutacaktır. Kesin olarak bilmenin tek yolu, karta bağlanan ve yeniden akış sırasında sıcaklığı birden fazla noktada ölçen bir termal profilleyici kullanmaktır. İkincisi, rampa oranlarını göz ardı etmek. Üretimi daha hızlı tamamlamak için fırının ısısını artıran bir müşteriyle kaç kez çalıştığımı size anlatamam, ancak %10 daha fazla çarpık tahta ve %5 daha fazla açık bağlantı noktasına sahip olduklarını gördüm. Üçüncüsü, karışık alaşımlı montajlar için ayarlama yapılmaması. Anakartınızın bazı parçaları SAC305'li ve diğer parçaları SAC-Bi'liyse, her ikisi için de işe yarayan bir uzlaşma profiline ihtiyacınız vardır. Bu, SAC-Bi için kullanacağınızdan biraz daha yüksek bir tepe noktası anlamına gelebilir, ancak yine de SAC305 eşiğinin altında ve bizmut alaşımını korumak için daha kısa bir sıvı tutma süresi anlamına gelebilir. Dördüncüsü, konveksiyonla kızılötesi ısıtmayı unutmak. Kurşunsuz yeniden akışlı fırınlarımız, büyük veya düz olmayan tahtalarda eşit ısıtma sağlamak için kızılötesinden daha iyi olan basınçlı sıcak hava taşınımını kullanır, ancak yine de farklı alaşımlar için hava hızını ayarlamanız gerekir. Daha yüksek hava hızı, daha yoğun levhalar için ısı dağılımına yardımcı olur, ancak daha düşük hız, SnCu gibi oksit oluşumuna daha yatkın olan alaşımlar için oksidasyonu azaltır.

Her zaman karşılaştığım sorulardan biri şu: Yeniden akış profilimi ne sıklıkla ayarlamam gerekiyor? Cevap, değişkenleri her değiştirdiğinizdedir. Farklı bir lehim pastası partisine geçerseniz, kart tasarımınızı değiştirirseniz, bileşen ekleyip çıkarırsanız ve hatta farklı bir üretim hattına geçerseniz profilinizi doğrulamanız gerekir. 1 ons bakır PCB'den 2 ons bakır PCB'ye geçmek gibi küçük değişiklikler bile karttaki ısı transferini değiştirerek kötü bir profile yol açabilir. Ayrıca lehim alaşımları için yeni bir satıcıya geçtiklerinde profillerini ayarlayan müşteriler de gördük, çünkü bileşimdeki küçük değişiklikler bile (SAC305'teki gümüş içeriğindeki küçük farklılıklar gibi) erime davranışını değiştirebilir. Reflow fırınınızı büyük bir PCB üretim makinesi Bluetooth üretim hattı gibi otomatik üretim araçlarıyla entegre etmenin süreci basitleştirdiği yer burasıdır. Fırınlarımız, her pano türü için doğru profili almak üzere otomatik alma ve yerleştirme sistemleriyle senkronize olur; böylece operatörlerin ayarları manuel olarak yapmasına ve hata riskine girmesine gerek kalmaz.

Bunu somutlaştırmak için gerçek dünyadan örneklerden bahsedelim. Geçen yıl, kalp pili devrelerinde kurşunlu lehimden kurşunsuz lehime geçiş yapan bir tıbbi cihaz üreticisiyle çalıştım. SAC305 kullanıyorlardı, ancak başlangıç ​​profillerinin saniyede 3°C'lik bir artış hızı vardı ve çatlak seramik kapasitörlerden kaynaklanan %8'lik bir arıza oranı görüyorlardı. Ön ısıtma rampasını saniyede 1,5°C'ye ayarladık, ıslatma aşamasını 75 saniyeye uzattık ve tepe sıcaklığını 5°C düşürdük. Bu, başarısızlık oranlarını %1'in altına düşürdü ve bu profili bir yılı aşkın süredir tutarlı sonuçlarla yürüttüler. Otomotiv güç kaynağı üreticisi olan başka bir müşteri, yüksek akım devre kartları için Sn0.7Cu kullanıyordu ve lehimleme sorunları yaşıyordu. Orijinal profilleri 260°C'lik bir tepe sıcaklığına sahipti, bu da lehim pastasındaki akıyı aşırı ısıtıyordu. Zirveyi 252°C'ye ayarladık, sıvı tutma süresini 50 saniyeye kısalttık ve soğumayı saniyede 4°C'ye yavaşlattık; bir ay içinde lehim topu kusurları %6'dan %0,5'in altına düştü.

Şimdi ekipman tasarımının alaşıma özel profil ayarlarını nasıl desteklediğine değinelim. Kurşunsuz bir yeniden akışlı fırın, profilin farklı aşamalarına tutarlı bir şekilde ulaşmak için hassas bölgesel ısıtmaya ihtiyaç duyar. Her bölge (ön ısıtma, ıslatma, yeniden akış, soğutma), gerçek zamanlı ayarlamalar yapmak için sıcaklığı birkaç saniyede bir okuyan sensörlerle bağımsız sıcaklık kontrolüne sahip olmalıdır. 3 bölgeli reflow lehimleme fırınlarımızın sunduğu tam olarak budur, ancak daha da yüksek hassasiyet için 5 bölgeli ve 7 bölgeli modellerimiz de mevcuttur. SMT reflow fırın serimiz, tüm panel boyunca eşit sıcaklık dağılımı sağlayan gelişmiş sıcak hava konveksiyon teknolojisi ile üretilmiştir, böylece merkezde sıcak noktalar ve kenarlarda soğuk noktalar oluşmaz; bu, sıcaklık değişimlerine duyarlı ince adımlı bileşenler için kritik öneme sahiptir. Talaş yapma makinesi CNC seçme ve yerleştirme gibi otomatik bileşen yerleştirme araçlarıyla eşleştirildiğinde, her bir kartın tasarımını ve alaşımını doğru yeniden akış profiline bağlayarak manuel ayarlarda insan hatasını ortadan kaldırabilirsiniz.

Aynı zamanda yaygın bir yanılgıya da değinmek istiyorum: Daha yüksek tepe sıcaklıkları her zaman daha iyi lehim bağlantıları anlamına gelir. Kurşunsuz alaşımlar için bu doğru değildir. Aşırı ısı, bileşenlerin bozulması, panelin ayrılması ve aşırı IMC oluşumundan kaynaklanan kırılgan lehim bağlantılarının da aralarında bulunduğu bir dizi soruna neden olur. Örneğin, tepe sıcaklığın 10°C çok yüksek olması durumunda SAC-Bi bağlantıları %30'a kadar zayıflayabilir. Yani amaç, kartı ısıyla patlatmak değil, lehimi eritmek ve akıyı etkinleştirmek için gereken minimum sıcaklığa ulaşmaktır. Profilin sıvı tutma özelliğinin çok önemli olduğu yer burasıdır; lehimin yalnızca iyi bir bağlantı oluşturacak kadar uzun süre erimiş olmasını istersiniz, daha uzun değil, çünkü uzun süreli erime süresi oksidasyona ve IMC büyümesine yol açar.

Bir diğer önemli faktör soğutma hızıdır. Farklı alaşımların farklı soğutma gereksinimlerine sahip olduğundan daha önce bahsetmiştim ancak birçok üretici bunu gözden kaçırıyor. Lehim çok hızlı soğuduğunda düzensiz tane yapısı oluşturarak bağlantı yerinde gerilim oluşmasına neden olur. Çok yavaş soğuduğunda, titreşim veya sıcaklık döngülerinden kaynaklanan yorulmaya daha yatkın olan büyük tanecikli yapılar oluşur; bu, parçaların zorlu ortamlara maruz kaldığı otomotiv ve endüstriyel uygulamalar için kritik öneme sahiptir. Yeniden akışlı fırınlarımız ayarlanabilir hava akışına sahip hassas soğutma bölgeleri kullanır, böylece her alaşım için tam soğutma hızını ayarlayabilirsiniz. Örneğin, otomotiv elektroniği için SAC305, gücü ve yorulma direncini dengelemek için saniyede 2–3°C'lik bir soğutma hızına ihtiyaç duyarken, basit güç kaynakları için Sn0.7Cu, saniyede 5°C'lik bir soğumayı sorunsuz bir şekilde karşılayabilir.

Tüm bunları bir araya getirdiğimizde, kurşunsuz yeniden akışlı fırın profilinizi farklı lehim alaşımları için ayarlama adımları şunlardır: 1) Kullandığınız alaşımı tam olarak tanımlayın (ve sadece adını değil bileşimini de belirleyin; farklı satıcılar küçük farklılıklar gösterebilir), 2) Başlangıç noktası olarak lehim pastası üreticisinin profiline başvurun, 3) Birden fazla sıcaklık ölçüm noktasına sahip bir test tahtası üzerinde gerçek zamanlı bir termal profil gerçekleştirin, 4) Rampa hızlarını, ıslatma süresini, tepe sıcaklığını, sıvı tutmayı ve soğuma hızını aşağıdakilere göre ayarlayın: alaşımın özel gereksinimleri, 5) Lehim bağlantı noktalarını kusurlara karşı inceleyerek, mekanik gücü test ederek ve güvenilirlik testlerini (termal döngü gibi) çalıştırarak profili doğrulayın ve 6) Profili belgeleyin ve gelecekte kullanmak üzere saklayın, böylece o kartı her çalıştırdığınızda yeniden işlemenize gerek kalmaz.

Tedarikçi olarak yalnızca fırın satmıyoruz; ekipmanınızdan en iyi şekilde yararlanmanıza yardımcı olmak için destek sağlıyoruz. Ekibimiz, profilleri belirli alaşımlara ve uygulamalara göre optimize etmek için üreticilerle birlikte çalışır ve operatörlerinizin yeniden akış profili oluşturmanın arkasındaki bilimi anlamalarına yardımcı olacak eğitimler sunarız. İster SAC305, Sn0.7Cu, SAC-Bi veya başka bir özel alaşım kullanıyor olun, kurşunsuz yeniden akışlı fırın serimiz, masaüstü robotların toplanması ve yerleştirilmesinin otomatikleştirilmesi gibi otomatik üretim araçlarıyla eşleştirilerek size her zaman yüksek kaliteli lehim bağlantıları sunmak için ihtiyaç duyduğunuz hassasiyeti ve tutarlılığı sağlar.

Günün sonunda, yeniden akış profilinizi farklı kurşunsuz alaşımlar için ayarlamak yalnızca teknik bir görev değildir; maliyetleri azaltmanın, ürün kalitesini artırmanın ve günümüz elektronik pazarının taleplerini karşılamanın bir yoludur. Hangi alaşımla çalışıyor olursanız olun, genel profiller kusurlara, yeniden işlemelere ve gelir kaybına yol açacaktır. Hassas bir yeniden akış fırınına yatırım yapmak ve alaşıma özgü profilleri aramak için zaman ayırmak, uzun vadede daha yüksek verim, daha az saha arızası ve daha mutlu müşterilerle karşılığını verecektir.

Yeniden akış sürecinizi yükseltmeye, profillerinizi yeni alaşımlar için optimize etmeye veya kurşunsuz yeniden akışlı fırınlarımızın üretim hattınıza nasıl uyum sağlayacağı hakkında daha fazla bilgi edinmeye hazırsanız, yardım etmek için buradayız. Ekibimiz, küçük girişimlerden büyük otomotiv ve tıbbi cihaz şirketlerine kadar her boyuttaki elektronik üreticisiyle çalışma konusunda uzun yıllara dayanan deneyime sahiptir. Özel ihtiyaçlarınızı görüşmek için satın alma ekibimizle iletişime geçin; alaşımlarınıza, levha tasarımlarınıza ve üretim hacminize göre uyarlanmış özel bir çözüm sunacağız.

Referanslar

1. Kurşunsuz Lehim Alaşımları: Özellikleri, Performansı ve Uygulamaları. IPC Birliği Elektronik Endüstrilerini Birleştiriyor, 2021.
2. Kurşunsuz Montajlar için Yeniden Akıtma Lehimleme İşlemi Yönergeleri. J-STD-020, IPC, 2019.
3. SMT Üretiminde Termal Profil Oluşturma: Kurşunsuz Üretim için En İyi Uygulamalar. SMTA Uluslararası, 2020.
4. Lehim Alaşımı Bileşiminin Yeniden Akış Profili Gereksinimleri Üzerindeki Etkileri. Elektronik Üretim Dergisi, cilt. 27, hayır. 1, 2017, s. 1–12.
5. Kurşunsuz Montajlar için Sıcak Hava Konveksiyonlu Yeniden Akışlı Fırın Tasarımı ve Profil Kontrolü. Bileşenler, Paketleme ve Üretim Teknolojisine İlişkin IEEE İşlemleri, cilt. 8, hayır. 9, 2018, s. 1567–1575.