Sıcak hava lehimleme fırınında kurşunsuz lehim için lehimleme profili nasıl ayarlanır?

Sıcak hava yeniden akışlı fırın tedarikçisi olarak, son on yılımı kurşunsuz lehim yeniden akış profillerini çivilemekte zorlanan elektronik üretim ekipleriyle çalışarak geçirdim. Patlayan panolar, çatlayan eklemler ve üç ayda bir hedefleri yok eden üretim kesintileri gördüm; bunların hepsi birisinin geçerli bir kurşunsuz profil oluşturmanın temel adımlarını atlaması yüzünden. Kurşunsuz lehimleme yalnızca lehim pastasını SnAgCu (SAC) alaşımıyla değiştirmek değildir; fırınınızdaki, montajınızdaki ve parçalarınızdaki her değişkeni hesaba katması gereken hassas bir termal danstır. Bugün, güvenilir kurşunsuz profiller oluşturmak için müşterilerimizle nasıl çalıştığımızı ve buradaki küçük yanlış adımların neden düşündüğünüzden daha pahalıya mal olduğunu anlatmak için perdeyi geri çekiyorum.

Öncelikle bunu kurşunsuz profillerin neden farklı olduğuna dayandıralım. Geleneksel kalay-kurşun lehim ~183°C'de erir, bu nedenle profiller yavaş rampa hızları ve düşük tepe sıcaklıklarıyla toleranslıdır. Kurşunsuz elektronikler için küresel standart olan SAC alaşımlarının erime noktası ~217°C'dir; bu, kalay kurşundan yaklaşık 34 derece daha yüksektir. Bu kulağa küçük gelebilir ama kritik bir değişim. Rampa hızları çok hızlıdır ve 25°C'lik bir oda ile 217°C arasındaki termal şok, seramik kapasitörlerin, ince film dirençlerin ve hatta hassas IC paketlerinin çatlamasına neden olacaktır. Tepe sıcaklıkları çok yüksekse, lehim akısını yakarak bağlantı yerlerinin zayıf ıslanmasına neden olursunuz veya levha laminatlarını bozarak tüm düzeneği çarpıtırsınız. Mikro toplama ve yerleştirmeye yönelik en iyi üretim makineleri bile hatalı yeniden akışı düzeltemez; profiliniz güvenilir lehim bağlantılarının omurgasıdır.

Fırınınızın sıcaklık bölgelerine dokunmadan önce temel verileri toplamanız gerekir. Bu, birçok ekibin atladığı adımdır ve çoğu profilin yanlış gittiği yerdir. Öncelikle BOM'unuzu (malzeme listesi) çekin ve tüm parçalarınızın özelliklerini kontrol edin. Tüketici IC'leri genellikle maksimum vücut sıcaklığını listeler (kısa süreli maruz kalmalar için genellikle 260°C, yüksek pin sayılı bileşenler için bazen daha düşük), kalın PCB'ler, tepe sıcaklıklarını sınırlayan daha düşük cam geçiş sıcaklıklarına (Tg) sahip olabilir ve 0201 veya 01005 pasifleri, konektörler gibi daha büyük bileşenlere göre termal şoka karşı çok daha hassastır.

Daha sonra bir test aracı oluşturmanız gerekiyor. Tam bir üretim kartı olması gerekmez; en küçük 01005'lerden en büyük BGA'lara kadar Malzeme Listesindeki her bileşeni içeren küçük bir panel öneririz. Ayrıca bir termokupl kurulumuna da ihtiyacınız olacak: müşterilerimize her zaman sadece bir değil en az dört termokupl yerleştirmelerini söylüyoruz. Biri PCB'nin alt tarafında (fırının ısıtma elemanlarına en yakın), biri büyük bir BGA'nın üstünde, biri 0201 pasifinde ve diğeri sıcaklığın eşit olmadığı panonun kenarında. Bunları yüksek sıcaklıktaki lehim macunu veya termal bantla takın; yapıştırıcı çalışmanın ortasında ayrılabilir ve verilerinizi mahvedebilir.

Test aracınızı ve termokupllarınızı çalıştırdıktan sonra sıcak hava yeniden akışlı fırınınızı kalibre etmeye başlamanın zamanı geldi. 6 bölgeli yeniden akışlı fırınlarımız maksimum kontrol için tasarlanmıştır, ancak yeni bir fırının bile kullanımdan önce ilk kalibrasyona ihtiyacı vardır. Öncelikle fırının tüm konveyör kapılarını kapatın ve her bölgenin sıcaklığının ayar noktasının ±5°C dahilinde olduğunu kontrol ederek, beklenen en yüksek sıcaklıkta boş bir döngü çalıştırın. Sıcak hava fırınları eşit hava akışına dayanır, bu nedenle geçmişteki üretim kalıntılarından kaynaklanan tıkanmalar soğuk noktalara neden olabilir; fırının ısıtma elemanlarını ve hava ağızlarını en az 500 çalıştırmada bir veya herhangi bir büyük malzeme listesi değişikliğinden sonra temizleyin. Bağlam açısından, HW-R612 Altı Bölgeli Yeniden Akışlı Lehimleme Sistemimiz gibi yüksek kaliteli smt üretim makineleri, bölge başına bağımsız hava akışı kontrollerine sahiptir; bu, kurşunsuz profillerin eşit ısıya sahip eski 2 bölgeli fırınlardan çok daha doğru ayarlanmasını sağlar.

Şimdi profilin özü: yeniden akış döngüsünü, her biri kurşunsuz lehimleme için kendi kurallarına sahip dört ayrı aşamaya bölmek. Çoğu standart montaj için önerdiğimiz rakamlarla bunu adım adım inceleyelim.

1. Ön Isıtma Aşaması (25°C ila 150°C)
   Buradaki amaç, bileşenleri şok etmeden lehim akışını etkinleştirmek için PCB'nin sıcaklığını yavaşça yükseltmektir. Kurşunsuz için, oda sıcaklığından 150°C'ye yükselme hızı saniyede 0,5°C ila 1,5°C olmalıdır. Buradaki daha yüksek oranlar, akının bileşen uçlarını ve pedleri temizleme işini yapmadan önce yanarak soğuk bağlantılara yol açabileceği anlamına gelir. Akı aktivasyonu tipik olarak 100°C ila 120°C arasında gerçekleşir, bu nedenle bu aşama toplamda 60 ila 90 saniye sürmelidir; tüm akının etkinleştirilmesi için yeterince uzun, ancak üretim zamanınızı boşa harcayacak kadar uzun olmamalıdır. Termokupl verilerine buradan dikkat edin: Bu aşamada küçük bir 01005 bileşeni büyük bir BGA'dan 10°C daha sıcak okursa, sıcaklıkları dengelemek için bölge hava akışlarını ayarlamanız gerekecektir. Ekibimiz, ilk profil kurulumu sırasında bu sıcak nokta tutarsızlıklarını düzeltmek için sıklıkla müşterilerin yeniden akışlı fırınlarındaki hava akışını ayarlamasına yardımcı olur.

2. Islatma Aşaması (150°C ila 200°C)
   Bu, kurşunsuz profillerin en az önemsenen kısmıdır ve birçok üreticinin işin kolayına kaçtığı noktadır. Islatma fazının görevi PCB'yi lehim erimesinin hemen altında tutarlı bir sıcaklıkta tutmaktır, böylece tüm bileşenler termal dengeye ulaşır. Kurşunsuz ürünler için 150°C ila 200°C'de 60 ila 120 saniye süreyle tutmanızı öneririz. Buradaki temel kural, bu tutma sırasında tüm PCB sıcaklığının ±5°C'den fazla değişmemesi gerektiğidir. Eşit olmayan sıcaklıklar, bazı bağlantı noktalarının diğerlerinden önce yeniden akmaya başlaması anlamına gelir ve bu da lehim köprülenmesine veya bağlantı noktalarının kurumasına yol açar. Bu, özellikle karışık büyük ve küçük bileşenlere sahip kartlar için kritik öneme sahiptir: büyük BGA'ların ısınması daha uzun sürer, bu nedenle ıslatma aşaması, onlara kartın geri kalanıyla eşleşmeleri için zaman tanır. Yeni müşterilerle çalışırken, tüm bölgeleri aynı anda çalıştırmak yerine, bu tutma sıcaklığına ince ayar yapmak için sıklıkla fırının orta bölgelerini (6 bölgeli modelimizde 2, 3 ve 4. bölgeler) ayarlıyoruz.

   

3. Yeniden Akış Aşaması (200°C'den Tepe Sıcaklığına)
   Lehimin eridiği yer burasıdır. Kurşunsuz lehim pastası ~217°C'de erimeye başlar, bu nedenle ıslatmadan zirveye olan rampa yavaş ve kontrollü olmalıdır. Burada saniyede 0,5°C ila 1°C'lik bir artış hızı öneriyoruz; daha hızlı hızlar, daha önce de belirttiğim gibi termal şoka neden olacaktır. Kurşunsuz ürünlerde tepe sıcaklığı tartışılamaz: Lehimin erime noktasının 20°C ila 40°C üzerinde, yani 237°C ila 257°C arasında olması gerekir. Kısa pozlamalarda bile (toplam 10 saniyeyi geçmeyecek şekilde) asla 260°C'nin üzerine çıkmayın. Pek çok yeni müşterinin "iyi bir ıslanma sağlamak" için tepe noktalarını çok yükseğe ayarlama hatası yaptığını görüyoruz, ancak bu durum akı bozulmasına, devre kartının bükülmesine ve hatta IC delaminasyonuna yol açıyor. Yüksek pinli BGA'lar veya kalın PCB'ler için tepe noktasını bu aralığın alt ucuna ayarlayacağız; küçük, ince kartlar için ise bileşen gövde sıcaklıklarının spesifikasyonlar dahilinde kaldığını onayladığımız sürece üst sınırı kullanabiliriz.

4. Soğuma Aşaması (En Yüksek 50°C'ye)
   Lehim tamamen yeniden aktığında, tekrar termal şoku önlemek ve güçlü, düzgün lehim bağlantıları oluşturmak için kartı yavaşça soğutmanız gerekir. Soğuma hızı saniyede 1°C ile 3°C arasında olmalıdır. Lehim bağlantılarında kırılgan intermetalik katmanlar oluşturup erken arızaya yol açabilecek hızlı soğutmadan kaçının. Fırınlarımız, kontrollü hava akışına sahip özel soğutma bölgelerine sahiptir, bu nedenle müşterilerimizin bu aşamayı levha kalınlıklarına uyacak şekilde ayarlamalarına yardımcı olabiliriz; daha kalın levhalar daha yavaş soğumaya ihtiyaç duyar, ince esnek levhalar ise zarar görmeden biraz daha yüksek hızları işleyebilir.

Şimdi kritik son kontrol: doğrulama. Bu sayıları öylece belirleyip çalıştıramazsınız. Profilinizi oluşturduktan sonra bir test panosu çalıştırın ve tüm düzenekteki birden fazla termokupl okumasını kontrol edin. Üç temel ölçümü doğrulayın:

1. 217°C'nin üzerindeki toplam süre: 30 ila 90 saniye arasında olmalıdır. Çok kısa olursa lehim tamamen ıslanmaz; çok uzun sürerse bileşenlerin bozulmasına neden olursunuz.
2. Tüm bileşenlerde sıcaklık değişimi: Hiçbir aşamada ±5°C'den fazla değil. Bir konnektördeki termokuplunuz BGA'dan 10°C daha sıcak okuyorsa geri dönün ve bölge hava akışlarını ayarlayın.
3. Bileşen gövdesi sıcaklıkları: Hiçbir zaman üreticinin belirttiği maksimum değeri aşmayın (çoğu yüzeye monte parça için genellikle 260°C).

Sırf doğrulamayı atladıkları için ekiplerin üretimden sonra kötü bağlantıları düzeltmeye çalışırken yüzbinlerce doları boşa harcadığını gördüm. Sağlam bir profile sahip olduğunuzda, ürün reçetenizi her değiştirdiğinizde, lehim pastasını değiştirdiğinizde ve hatta fırınınızın konveyör hızını ayarladığınızda onu güncellemeniz gerekecektir; küçük değişiklikler ısıda büyük farklılıklara yol açar.

İlk defa kurşunsuz profil kuruyorsanız veya mevcut profilinizde köprüleme, soğuk bağlantı gibi kusurlar oluşuyorsa tahmin yapmayın. Doğru araçlar ve uzmanlık büyük fark yaratır. İster mevcut sıcak hava yeniden akışlı fırınınız için ince ayar yapmaya ihtiyacınız olsun, ister tutarlı kurşunsuz performans için oluşturulmuş bir sisteme yükseltme yapıyor olun, ekibimiz yeniden akış sürecinizi doğru bir şekilde gerçekleştirmenize yardımcı olmak için burada. Kurşunsuz lehimlemenin katı taleplerini karşılamak üzere tasarlanmış profesyonel kalitede SMT ekipmanı için, üretim ihtiyaçlarınızı görüşmek ve hattınız için doğru çözümü bulmak üzere bugün bizimle iletişime geçin.

Referanslar

1. IPC-A-610H: Elektronik Düzeneklerin Kabul Edilebilirliği, Uluslararası Baskılı Devre Birliği
2. Kurşunsuz Lehimleme Kılavuzu, J-STD-001, Uluslararası Baskılı Devre Birliği
3. Yeniden Akış Lehimleme Prosesinin Temelleri, Yüzeye Montaj Teknolojisi Birliği (SMTA)
4. Lehim Pastası Uygulaması ve Yeniden Akış Optimizasyonu, Henkel Elektronik Malzemeleri Teknik El Kitabı