Kurşunsuz lehimlemede kısa devreler nasıl giderilir?

Kurşunsuz yeniden akışlı fırın tedarikçisi olarak, son on yılımı SMT teknisyenlerinin, üretim yöneticilerinin ve hat liderlerinin yanında durarak, yeniden akıştan sonra bir PCB'nin üzerinde toplanıp, cımbızla küçük lehim bağlantılarını dürterek ve aynı sinir bozucu sorun hakkında mırıldanarak geçirdim: lehim kısa devreleri. Kurşunsuz bir hat işlettiyseniz, bunun sadece küçük bir sorun olmadığını bilirsiniz; kısa devreler üretimi saatlerce durdurabilir, düzinelerce panoyu hurdaya çıkarabilir ve ekibiniz zaten zayıflamışken siparişleri geciktirebilir. Ekiplerin, kalıpları, yeniden akış profillerini ve hatta depodaki nemi suçlamak gibi düzeltmeler üzerinde tahmin yürüterek saatler harcadığını gördüm; oysa asıl sorun genellikle küçük, kaçınılabilir yanlış adımların bir araya gelmesinden oluşuyor. Bugün, kurşunsuz yeniden akışta lehim kısa sorunlarını nasıl giderdiğimizi, ekipmanımızı satın alan her müşteriye öğrettiğimiz yöntemlerin aynısını ve müşterilerimizin yeniden işleme oranlarını ortalama %40 oranında azaltan ipuçlarını nasıl çözdüğümüz konusundaki perdeyi geri çekiyorum. Bunu gerçeğe dayandırarak başlayalım: Kurşunsuz lehimler (genellikle kalay, bakır, nikel ve gümüş karışımı), geleneksel kalay kurşundan 30–40°F daha yüksek sıcaklıkta erir; bu, yeniden akış penceresinin daha dar olduğu, yüzey geriliminin farklı olduğu ve işlemdeki en küçük sapmaların bile olmaması gereken yerlerde köprülere veya kısa devrelere neden olabileceği anlamına gelir. İyi haber şu ki, gördüğümüz neredeyse her kısa mesaj tahmine dayalı değil, sistematik, adım adım kontrollerle çözülebilir.

Çoğu takımın kısa bir film gördüğünde baktığı ilk yerle başlayalım: seçme ve yerleştirme süreci. Lehim karta temas etmeden önce bileşenlerin doğru bir şekilde yerleştirilmesi gerekir ve yanlış hizalanmış bileşenler, kurşunsuz yeniden akış kısa devrelerinin ilk 3 nedeninden biridir. Bunu yüzlerce kez gördüm: Bir teknisyen, kalibrasyonu biraz bozuk olan eski bir al ve yerleştir makinesiyle bir üretim hattını çalıştırıyor ve bir 0402 direnci pedinden sadece 0,1 mm kaydırılmış durumda. Yeniden akış sırasında, erimiş lehim hem bileşenin kurşununu hem de bitişikteki pedi ıslatır ve son AOI kontrolüne kadar gözden kaçırılması kolay bir kısa devre oluşturur. Bu, lehimlemenin kendisinde bir başarısızlık değildir; bu, yukarı yöndeki bileşen yerleştirmede bir başarısızlıktır. Telefonlarda, giyilebilir cihazlarda ve endüstriyel elektroniklerde yaygın olarak kullanılan ince aralıklı bileşenlerle (0,4 mm veya daha küçük) çalışan ekipler için bu risk katlanarak artıyor. Bu nedenle, alma ve yerleştirme sisteminizin yalnızca haftalık olarak değil, her üretim çalışmasının başlangıcında kalibre edildiğini her zaman doğrulamanızı öneririz. Örneğin, sayısal olarak kontrol edilen bir kaldırma ve yerleştirme elektroniği kurulumu kullanıyorsanız, üretilen ilk 100 karttan 10-15 örnek kart alın ve bileşen hizalamasını dijital bir mikroskopla ölçün. Bileşen konumunda 0,05 mm'lik bir kayma bile kurşunsuz yeniden akışta kısa devre oluşmasına yol açabilir, burada lehimin daha dar erime aralığı kendi kendine hizalama için daha az zaman bırakır. Birkaç yıl önce, Bluetooth hoparlör PCB'lerinde %12'lik kısa devre oranları gören bir müşterim vardı; al ve yerleştir nozulunda, 0201 kapasitörlerinin sürekli olarak yanlış hizalanmasına neden olan küçük bir çatlak olduğu ortaya çıktı. Nozulu değiştirip günlük hizalama kontrollerini ekledikten sonra kısa devre oranları bir haftada %1,8'e düştü. Bu küçük bir yukarı yönlü detaydır, ancak çok büyük bir etkisi vardır.

Daha sonra, bileşen yerleştirmeden şablona ve lehim pastasına geçin, çünkü sorun giderdiğimiz kısa devrelerin %60'ı yeniden akış fırınının kendisine değil şablon tasarımına veya lehim pastası uygulamasına dayanmaktadır. Kurşunsuz lehim pastası, kurşunlu pastadan farklı özelliklere sahiptir: daha yüksek viskoziteye sahiptir, baskı sırasında daha az "çökme" gösterir ve her bir ped üzerinde doğru miktarda lehimin birikmesi için tutarlı basınç gerektirir. Çok fazla lehim pastası buradaki en yaygın suçludur. Şablon delikleriniz aşırı büyükse (veya şablon aşınmışsa, 50.000 baskı işleminden sonra delikler uzamışsa), yeniden akış sırasında köprü oluşturan bitişik pedlerde fazla lehimle karşılaşacaksınız. Bunu en son FDA testi için kalp monitörü PCB'leri üreten bir tıbbi cihaz üreticisinde gördüm. Şablonları 10 yıllıktı ve ince aralıklı IC'lerin açıklıkları, her birikinti tasarlanandan %15 daha büyük olacak kadar aşınmıştı. Yeniden akıtma sırasında erimiş lehim, pimler arasındaki boşluklara dökülerek, düzenleyici denetimlerini iki hafta ertelemelerine neden olan kısa devreler yarattı. Çözüm, yeni bir yeniden akışlı fırın değildi; bileşenleri için eşleşen delik boyutlarına sahip 0,15 mm'lik lazer kesimli bir şablon ve deliklerden kurumuş lehim pastası kalıntılarını temizleyen aylık bir şablon temizleme programıydı. Burada kontrol edilmesi gereken bir diğer husus da lehim pastasının saklanması ve tazeliğidir. Kurşunsuz macunun 40°F sıcaklıkta 6 ay raf ömrü vardır ve açıldıktan sonra oda sıcaklığında yalnızca 24-48 saat kullanılabilir. Ekiplerin üç gün boyunca dışarıda bırakılan veya yanlış şekilde dondurucudan çözülen macunu çıkardığını ve bunun sonucunda çok akıcı bir macun oluştuğunu gördüm. Akan macun, yazdırma sırasında pedinde kalmaz, bu nedenle, yeniden akış sırasında kısa devre oluşturan bitişik pedlerde fazladan lehim kalır. Benzer kart tasarımlarında tutarlı kısa devreler görüyorsanız, serinizin orta noktasından bir lehim pastası örneği alın; grenli görünüyorsa veya ayrılmış metal parçacıkları varsa, bu, son kullanma tarihinin dolduğunun ve değiştirilmesi gerektiğinin bir işaretidir.

Şimdi çoğu ekibin sorun giderme sırasında ilk başvurduğu ve kurşunsuz süreçlerde en ince ayrıntıları gördüğümüz yeniden akış profiline geçelim. Kötü bir yeniden akış profili, lehim bağlantılarının sessiz bir katilidir ve kısa devreler, doğru şekilde ayarlanmadığında en belirgin semptomdur. Kurşunsuz için ideal profilde dört farklı bölge bulunur: ön ısıtma, ıslatma, yeniden akış ve soğutma. Ön ısıtma bölgesi, oda sıcaklığında başlayıp 150-180°C arasında sona erecek şekilde kartı saniyede 1–2°C'ye yükseltmelidir. Bu bölge PCB ve bileşenlerdeki nemi uzaklaştırır, termal şoku önler ve lehim pastasının akışını etkinleştirmeye başlar. Islatma bölgesi, kartı 60-90 saniye boyunca 150-180°C'de tutar; burada işin çoğunu flux yapar: ped ve bileşen uçlarındaki oksidasyonu giderir, böylece erimiş lehim düzgün bir şekilde ıslanabilir. Yeniden akış bölgesi, hassasiyetin en önemli olduğu yerdir: tepe sıcaklığın 245–260°C arasında olması gerekir ve sıvılaşmanın (TAL) üzerindeki sürenin 60–90 saniye olması gerekir. Tepe sıcaklığı çok düşükse lehim tam olarak erimez ve bağlantı noktalarının soğumasına neden olur. Çok yüksekse veya TAL çok uzunsa, eritken yanabilir ve erimiş lehim çok "ıslak" hale gelir; bu, bitişik pedlerde amaçlanandan daha uzağa yayılarak köprüler ve kısa devreler oluşturduğu anlamına gelir. Otomotiv elektroniğinde, tepe sıcaklığı 275°C olan, 0,5 mm aralıklı IC'leri için neredeyse 20°F fazla yüksek olan genel bir kurşunsuz yeniden akış profili kullanan bir müşterim vardı. ECU'larının %8'inde kısa devre görüyorlardı ve ilk tepkileri SMD yeniden akış lehimleme kurulumunun hatalı olduğu yönündeydi. Profillerini 70 saniyede TAL ile 250°C'de zirveye ayarladık ve iki gün içinde kısa oranları %0,9'a düştü. Bu, herkese uyan tek boyutlu bir profil ile özel bileşenlerinize ve PCB tasarımınıza göre ayarlanmış özel bir profil arasındaki farktır. Diğer bir yaygın profil hatası, yeniden akışlı fırının konveyörü boyunca eşit olmayan ısınmadır. Kurşunsuz yeniden akışlı fırınların çoğu, levhaları ısıtmak için kızılötesi ve sıcak hava kullanır, ancak sıcak hava püskürtme uçları tıkalıysa veya konveyör hafifçe eğilirse, levhanın bir ucunda sıcak noktalar, diğer ucunda ise daha soğuk noktalar oluşabilir. Sıcak nokta, lehimin zamanından önce yayılmasına neden olarak tahtanın bir tarafında kısa devre oluşmasına, soğuk nokta ise diğer tarafta soğuk bağlantı noktalarına neden olabilir. Bu nedenle, özellikle kart boyutlarını veya bileşen türlerini değiştirirken, her üretim çalışmasında profil tutarlılığının bir veri kaydediciyle kontrol edilmesini öneririz. Bunu yapmıyorsanız, profil sorunlarını yüzlerce kısa video oluşturulmadan önce yakalayan önemli bir kontrolü kaçırıyorsunuz demektir.

Durun, burada duralım; bu, otomasyona geri dönmek için iyi bir nokta çünkü birlikte çalıştığım birçok ekip, yüksek hacimli üretim için otomatik hatlara doğru ilerliyor. Masaüstü robotların seçilmesini ve yerleştirilmesini otomatikleştirmeye yönelik geçiş, insan hatasını azalttı, ancak aynı zamanda kalibre edilmediği takdirde kısa devreye yol açabilecek yeni değişkenleri de tanıttı. Örneğin, otomatik alma ve yerleştirme robotunuzun Z ekseni yüksekliği çok düşükse, bileşenin ucu yerleştirme sırasında lehim pastasına baskı yaparak fazladan macunu bitişik pedlere itebilir. Z ekseni çok yüksekse, yeniden akış sırasında bileşen kayar ve daha önce bahsettiğimiz aynı yanlış hizalamaya yol açar. Bunun, prototipten ayda 10.000 birime ölçeklenen, manuel yerleştirmeden otomatik robot hattına geçiş yapan bir müşteride gerçekleştiğini gördük. Robotun Z eksenini yeni 01005 dirençleri için yeniden kalibre etmediler ve bir hafta içinde bağlantı noktaları kısa devre olan 2.000 panoya sahip oldular. Düzeltme mi? Bileşen yüksekliği için 10 dakikalık bir kalibrasyon kontrolü ve küçük, hassas bileşenler için robotun yerleştirme basıncına yönelik bir yazılım ayarı. Bu nedenle otomasyon kurulumunuzu güncellediğinizde, ister bir talaş yapma makinesi CNC toplama ve yerleştirme ekleme, ister büyük PCB üretim makineniz Bluetooth üretim hattınız için yeni bir konveyör hızına geçiş yapma olsun, tam üretimden önce ilk olarak küçük bir test panosu çalıştırmanızı tavsiye ederiz. 15 dakika sürer ve sizi saatlerce süren yeniden çalışmalardan kurtarır.

Şimdi ekiplerin genellikle gözden kaçırdığı kısa devrelerin daha az belirgin nedenlerinden bahsedelim: PCB tasarımı ve yeniden akış sonrası işlemler. Süreci suçlamak kolaydır ancak bazen temel sorun tasarımın kendisindedir. 0,2 mm veya daha az ped aralığına sahip ince hatveli bileşenler (0,4 mm veya daha küçük), mükemmel proses kontrolünde bile özellikle kısa devre yapmaya eğilimlidir. PCB tasarımcınız pedler arasına çok fazla lehim maskesi "açıklığı" eklediyse, bu, yeniden akış sırasında daha fazla lehim çeken bakırın açıkta kalmasına neden olabilir. Veya iki ped arasındaki yol çok darsa, erimiş lehim buraya sızabilir ve kısa devre oluşturabilir. İyi haber şu ki, açıklığı 0,05 mm azaltmak veya ped açıklığını daraltmak için küçük bir lehim durdurucu eklemek gibi küçük bir tasarım değişikliği, işleminizi değiştirmeden kısa devreleri tamamen ortadan kaldırabilir. Bunu, 0,35 mm aralıklı mikro USB konektörünün yeniden akış sırasında sürekli kısa devrelere neden olduğu akıllı saatler üreten bir müşteride gördüm. Tasarım ekibi, konektör pedleri için şablon açıklık boyutunu 0,12 mm'den 0,1 mm'ye ayarladı ve aynı yeniden akış profili ve al ve yerleştir kurulumuyla bile şortlar durduruldu. Yeniden akış sonrası işleme başka bir gizli suçludur. Ekibiniz devre kartlarını çıplak elle tutuyorsa, ciltteki yağlar lehim pedlerini kirletebilir veya devreleri yeniden akıttıktan çok kısa bir süre sonra istiflerseniz erimiş lehim (oturmuş gibi görünse bile) kayarak kısa devre oluşturabilir. Kartları taşımadan önce yeniden akıştan sonra her zaman 20-30 dakika beklemenizi, dolu PCB'leri tutarken ESD eldivenleri kullanmanızı ve depolama sırasında kartlar arasında ayırıcılar kullanmanızı öneririz. Bir zamanlar, yeniden akıştan hemen sonra 20 kartı üst üste istifleyen bir ekibim vardı ve alt panellerin %15'inde kısa devre vardı çünkü üst panelin altındaki lehim hafifçe erimiş ve aşağıdaki panelin üst kısmını köprülemişti. Bu basit bir düzeltmeydi (ayırıcılar ekleyin, istiflemeden önce 10 dakika daha bekleyin) ve bir gecede kısa oranlarını yarıya indirdi.

Bunu, üretim sırasında bir kısa devre gördüğünüzde tahmin etmek yerine adım adım takip edebileceğiniz pratik bir sorun giderme iş akışıyla tamamlayalım. Öncelikle üretimi derhal durdurun; beklemek yalnızca daha fazla israfa yol açar. Şortlu 5 tahta ve hatasız 5 tahta alın. Kısa devre yapan bağlantıları mikroskopla inceleyin: bileşen yanlış hizalanmış mı? Cevabınız evet ise, alma ve yerleştirme hizalamanızı ve püskürtme ucu durumunuzu kontrol edin. Daha sonra kalıbı kontrol edin: boş bir PCB'ye bir test kalıbı yazdırın ve lehim birikintilerini inceleyin. Tekdüze mi, doğru boyutta mı ve pedlerinden taşmıyor mu? Tortular çok büyükse, şablonunuzda aşınma olup olmadığını kontrol edin, lehim pastanızın viskozitesini kontrol edin ve baskı basıncınızı ve hızınızı doğrulayın. Üçüncüsü, veri kaydedicinizi son üretim çalışmasından alın. Yeniden akış profiline bakın: Tepe sıcaklığı aralık dahilinde miydi? TAL 60-90 saniye arasında mıydı? Tahtanın üzerinde sıcak veya soğuk noktalar var mıydı? Profil kapalıysa ayarlayın ve bir test panosu çalıştırın. Son olarak, yukarı akış sorunlarını kontrol edin: lehim pastanız taze mi? Şablonun açıkta kaldığı herhangi bir kesinti yaşadınız mı? Son zamanlarda otomasyon kurulumunuzda herhangi bir değişiklik oldu mu? Bu iş akışının takip edilmesi, hatalı ekipmandan değil, küçük, düzeltilebilir sorunlardan kaynaklanan kısa devrelerin %90'ını ortadan kaldıracaktır.

Günün sonunda, kurşunsuz yeniden akıştaki lehim kısalarının üretimi öldürücü olması gerekmiyor. Bunlar, kurşunsuz yeniden akışlı fırınınızın bozuk olduğunun değil, prosesinizde küçük bir sorun olduğunun işaretidir. Her yıl yüzlerce üreticiyle çalışan ekibimiz için, ekiplerin yaptığını gördüğümüz en büyük hata, öncelikle süreçlerini, malzemelerini ve üretime yönelik adımlarını denetlemek yerine pahalı ekipmanları değiştirmeye atlamak. İster küçük bir prototipleme panosu grubu ister 7/24 yüksek hacimli bir Bluetooth üretim hattı çalıştırıyor olun, her çalıştırmanın başlangıcında hizalamayı, şablonun durumunu ve profil tutarlılığını kontrol etmek için 15 dakikanızı ayırmanız, saatlerce yeniden çalışma ve hurdaya ayırmanızdan tasarruf etmenizi sağlayabilir.

Tutarlı lehim kısa devreleri ile mücadele ediyorsanız veya kusurları azaltmak için kurşunsuz yeniden akış kurulumunuzu yükseltmek istiyorsanız, yardım etmek için buradayız. Süreçleri ayarlamak, ekipmanı kalibre etmek ve yeniden işleme oranlarını azaltan ve verimi artıran iş akışlarını uygulamak için yeni kurulan prototip atölyelerinden büyük otomotiv ve tıbbi cihaz şirketlerine kadar her boyuttaki üreticiyle çalışıyoruz. Karşılaştığınız spesifik zorlukları tartışmak ve üretim hattınız için doğru çözümü bulmak için ekibimize ulaşın.

Referanslar

1. IPC-J-STD-005, Elektronik Montajlar için Lehimleme Fluxlarına İlişkin Gereksinimler
2. IPC-A-610, Elektronik Düzeneklerin Kabul Edilebilirliği
3. Kurşunsuz Yeniden Akış Lehimleme: Pratik Bir Kılavuz, SMTA International, 2022
4. Pick-and-Place Kalibrasyonu En İyi Uygulamaları, Yüzeye Montaj Teknolojisi Derneği, 2021
5. Lehim Pastası Depolama ve Taşıma Yönergeleri, Alpha Montaj Çözümleri, 2023