Αιτίες και λύσεις σχηματισμού σφαιριδίων συγκόλλησης στη διαδικασία SMT

Φαινόμενο Solder Beadείναι ένα από τα σημαντικότερα ελαττώματα στην παραγωγή τεχνολογίας επιφανειακής βάσης (SMT). Λόγω των πολλαπλών αιτιών και της δυσκολίας ελέγχου, συχνά προβληματίζει τους τεχνικούς μηχανικών SMT.

Οι μηχανισμοί σχηματισμού των σφαιριδίων συγκόλλησης και των σφαιρών συγκόλλησης είναι διαφορετικοί, και επομένως τα αντίμετρα που απαιτούνται είναι επίσης διαφορετικά.

Τα σφαιρίδια συγκόλλησης συγκεντρώνονται κυρίως στη μία πλευρά των αντιστάσεων και των πυκνωτών τσιπ και μερικές φορές εμφανίζονται κοντά στις ακίδες IC.

Τα σφαιρίδια συγκόλλησης όχι μόνο επηρεάζουν την εμφάνιση προϊόντων σε επίπεδο πλακέτας, αλλά το πιο σημαντικό, λόγω της υψηλής πυκνότητας των εξαρτημάτων στην πλακέτα τυπωμένου κυκλώματος, ενέχουν κίνδυνο να προκαλέσουν βραχυκύκλωμα κατά τη χρήση, επηρεάζοντας έτσι την ποιότητα των ηλεκτρονικών προϊόντων.

Υπάρχουν πολλές αιτίες των σφαιριδίων συγκόλλησης, που συχνά προκύπτουν από έναν ή πολλούς παράγοντες. Επομένως, πρέπει να λαμβάνονται μέτρα πρόληψης και βελτίωσης για κάθε αιτία για να επιτευχθεί αποτελεσματικός έλεγχος.

Μηχανισμοί συγκόλλησης σφαιριδίων και σφαιρών συγκόλλησης

1. Μηχανισμός Σχηματισμού Μπαλών Συγκόλλησης

Η κύρια αιτία των σφαιρών συγκόλλησης είναι το «πιτσίλισμα» του κράματος λιωμένου μετάλλου από την ένωση συγκόλλησης κατά τον σχηματισμό της για διάφορους λόγους, με αποτέλεσμα πολλές μικρές, διάσπαρτες σφαίρες συγκόλλησης γύρω από την ένωση.

Συχνά εμφανίζονται ως ομαδοποιημένα, διακριτά μικρά σωματίδια παγιδευμένα σε υπολείμματα ροής γύρω από τα άκρα των εξαρτημάτων ή τα μαξιλαράκια. Οι συνήθεις αιτίες περιλαμβάνουν: η θέρμανση ή η ψύξη της κόλλησης πολύ γρήγορα, ειδικά σε διαδικασίες υψηλής θερμοκρασίας χωρίς μόλυβδο, που μπορεί να οδηγήσει σε σχηματισμό σφαίρας συγκόλλησης. Κατά τη συγκόλληση με επαναροή, η υπερβολικά γρήγορη εξάτμιση της τηγμένης ροής, η υψηλή αναλογία διαλυτών στη σύνθεση ροής, η περίσσεια διαλυτών υψηλού σημείου βρασμού, η ακατάλληλη θέρμανση κ.λπ., μπορούν να αυξήσουν την πιθανότητα σχηματισμού σφαίρας συγκόλλησης. Η υπερβολική οξείδωση των επιφανειών που συγκολλούνται ή του κασσίτερου στην πάστα συγκόλλησης μπορεί να προκαλέσει ασυνεπή θέρμανση και τήξη εντός της μάζας συγκόλλησης κατά τη συγκόλληση, επηρεάζοντας έτσι τη θερμική αγωγιμότητα και τη συμπεριφορά μεταφοράς θερμότητας της ροής, αυξάνοντας επίσης την πιθανότητα σχηματισμού σφαίρας συγκόλλησης. Δυσμενείς παράγοντες κατά τη χρήση της πάστας συγκόλλησης, όπως η ακατάλληλη προθέρμανση της πάστας συγκόλλησης που οδηγεί σε απορρόφηση υγρασίας (λόγω υγροσκοπικών συστατικών στη ροή), μπορεί να προκαλέσουν πιτσίλισμα της πάστας συγκόλλησης κατά τη συγκόλληση, σχηματίζοντας σφαιρίδια συγκόλλησης.

2. Μηχανισμός Σχηματισμού Χάντρες Συγκόλλησης

Οι χάντρες συγκόλλησης αναφέρονται σε σχετικά μεγάλες μπάλες συγκόλλησης. Πριν από τη συγκόλληση, η πάστα συγκόλλησης μπορεί να επεκταθεί πέρα ​​από τα τυπωμένα τακάκια συγκόλλησης λόγω καθίζησης, συμπίεσης ή άλλων λόγων. Κατά τη διάρκεια της συγκόλλησης, αυτή η περίσσεια πάστας συγκόλλησης αποτυγχάνει να συγχωνευθεί με την πάστα συγκόλλησης στα τακάκια και γίνεται ανεξάρτητη, στερεοποιώντας κοντά στο σώμα ή τα τακάκια του εξαρτήματος. Ωστόσο, τα περισσότερα σφαιρίδια συγκόλλησης εμφανίζονται και στις δύο πλευρές των εξαρτημάτων του τσιπ (βλ. Εικόνα 1).

Λαμβάνοντας ως παράδειγμα ένα εξάρτημα τσιπ με τετράγωνα μαξιλαράκια (Εικόνα 2), εάν η πάστα συγκόλλησης εκτείνεται πέρα ​​από το επίθεμα μετά την εκτύπωση, είναι πιθανό να σχηματιστούν σφαιρίδια συγκόλλησης.

Η πάστα συγκόλλησης που εκτείνεται πέρα ​​από το υπόθεμα αποτελείται από δύο μέρη: την εξωτερική προέκταση (μπλε περιοχή) και την εσωτερική προέκταση (κίτρινη περιοχή). Η κόκκινη περιοχή είναι η πραγματική περιοχή του μαξιλαριού. Για την εξωτερική προέκταση, δεν θα σχηματιστούν σφαιρίδια συγκόλλησης εάν συγχωνευθούν με την πάστα συγκόλλησης στο τακάκι κατά τη διάρκεια της συγκόλλησης κατά το σχηματισμό του φιλέτου.

Για την εσωτερική προέκταση, όταν ο όγκος συγκόλλησης είναι μικρός, η πάστα συγκόλλησης μπορεί να σχηματίσει ένα κατάλληλο φιλέτο με το τέρμα του εξαρτήματος. Ωστόσο, όταν ο όγκος συγκόλλησης είναι μεγάλος, η πίεση τοποθέτησης του εξαρτήματος μπορεί να συμπιέσει την πάστα συγκόλλησης κάτω από το σώμα του εξαρτήματος (μονωτή). Κατά την επαναροή, η λιωμένη κόλληση, λόγω της επιφανειακής ενέργειας, σχηματίζει ένα σφαιρικό σχήμα. Τείνει να ανυψώνει το εξάρτημα, αλλά αυτή η δύναμη είναι πολύ μικρή. Αντίθετα, το βάρος του εξαρτήματος πιέζει τη σφαίρα συγκόλλησης προς τις δύο πλευρές του εξαρτήματος, διαχωρίζοντάς την από τα τακάκια και σχηματίζοντας σφαιρίδια συγκόλλησης κατά την ψύξη. Εάν το βάρος του εξαρτήματος είναι υψηλό και μια μεγάλη ποσότητα πάστας συγκόλλησης έχει συμπιεστεί, μπορεί ακόμη και να σχηματιστούν πολλαπλά σφαιρίδια συγκόλλησης.

3. Διαφορές μεταξύ σφαιριδίων συγκόλλησης και σφαιρών συγκόλλησης

Οι άνθρωποι συχνά μπερδεύουν τις χάντρες συγκόλλησης και τις μπάλες συγκόλλησης, αλλά είναι διαφορετικές.

Η κύρια διαφορά έγκειται στον μηχανισμό σχηματισμού τους.

Επιπλέον, όσον αφορά την εμφάνιση και το μέγεθος, οι χάντρες συγκόλλησης είναι μεγαλύτερες από τις σφαίρες συγκόλλησης, συνήθως με διάμετρο μεγαλύτερη από 5 mils (0,127 mm).

Όσον αφορά τη θέση, τα σφαιρίδια συγκόλλησης συγκεντρώνονται κυρίως στη μέση των εξαρτημάτων του τσιπ και στις κάτω πλευρές του σώματος του εξαρτήματος, ενώ οι σφαίρες συγκόλλησης μπορούν να εμφανιστούν οπουδήποτε μέσα στο υπόλειμμα ροής.

Όσον αφορά την ποσότητα, τα σφαιρίδια συγκόλλησης συνήθως αριθμούν 1 έως 4, ενώ ο αριθμός των σφαιρών συγκόλλησης είναι μεταβλητός, συχνά πολλές.

Παράγοντες που επηρεάζουν το σχηματισμό σφαιριδίων συγκόλλησης

Με βάση τα αίτια του σχηματισμού σφαιριδίων συγκόλλησης, οι κύριοι παράγοντες που επηρεάζουν περιλαμβάνουν:

• Σχέδιο μοτίβο με διάφραγμα στένσιλ και μαξιλαράκι

• Καθαρισμός στένσιλ

• Ακρίβεια επαναληψιμότητας μηχανής

• Προφίλ θερμοκρασίας συγκόλλησης επαναροής

• Πίεση τοποθέτησης

• Ποσότητα πάστας συγκόλλησης έξω από το τακάκι

Αντίμετρα και εμπειρία για τη μείωση των σφαιριδίων συγκόλλησης

1. Σχεδιάστε τα ανοίγματα στένσιλ σύμφωνα με τα πρότυπα

Επιλέξτε το κατάλληλο πάχος στένσιλ και ελέγξτε αυστηρά την αναλογία διαφράγματος με βάση τα πρότυπα IPC-7525A. Όταν επιλέγετε πάχος στένσιλ, επιλέξτε μια πιο λεπτή επιλογή εντός του τυπικού εύρους με βάση τα πραγματικά εξαρτήματα στο PCB, υπό την προϋπόθεση ότι είναι εξασφαλισμένη η ποιότητα της άρθρωσης συγκόλλησης, αντί να επιλέξετε ένα παχύτερο. Για παράδειγμα, για βήμα QFP/Pin 0,5 mm, επιτρέπεται πάχος 0,125 mm-0,15 mm. Εάν η χρήση 0,12 mm δεν επηρεάζει τη συγκόλληση άλλων εξαρτημάτων, επιλέξτε 0,12 mm έναντι παχύτερων επιλογών. Η τυπική αναλογία διαφράγματος είναι 1:1. Για εξαρτήματα που απαιτούν περισσότερη πάστα συγκόλλησης, η αναλογία μπορεί να αυξηθεί ελαφρώς σε 1:1,05 ή 1:1,2. Ωστόσο, τα στένσιλ με αναλογία διαστάσεων >1:1 απαιτούν συχνό και αποτελεσματικό καθαρισμό του πυθμένα κατά την εκτύπωση. Διαφορετικά, η συσσώρευση πάστας συγκόλλησης στο κάτω μέρος μπορεί να προκαλέσει μπάλες συγκόλλησης. Για εξαρτήματα που απαιτούν λιγότερη πάστα συγκόλλησης, η αναλογία μπορεί να μειωθεί σε 1:0,9. Για εξαρτήματα τσιπ, τα ανοίγματα αντικολλητικών σφαιριδίων μπορεί να μην είναι απαραίτητα για μεγέθη κάτω από 0402, αλλά για 0603 και άνω, θα πρέπει να εφαρμόζονται επιλεκτικά. Λαμβάνοντας υπόψη τη σχέση μεταξύ των σφαιριδίων συγκόλλησης και της πάστας επέκτασης του εσωτερικού μαξιλαριού, η επέκταση του εσωτερικού μαξιλαριού μπορεί να εξαλειφθεί ή ακόμη και να σχεδιαστεί με αρνητική τιμή.

2. Επιλέξτε Κατάλληλο μοτίβο μαξιλαριού και σχέδιο μεγέθους

Ο ακατάλληλος σχεδιασμός μεγέθους μαξιλαριού μπορεί επίσης να οδηγήσει σε σφαιρίδια συγκόλλησης. Όταν σχεδιάζετε τακάκια, λάβετε υπόψη το PCB, το πραγματικό μέγεθος συσκευασίας του εξαρτήματος και το μέγεθος τερματισμού για να προσδιορίσετε τις αντίστοιχες διαστάσεις των μαξιλαριών. Οι εταιρείες θα πρέπει να θεσπίσουν τα δικά τους πρότυπα σχεδίασης μαξιλαριών με βάση τις μετρημένες διαστάσεις των εξαρτημάτων από τους προμηθευτές. Τα σχέδια πρέπει επίσης να τροποποιούνται σύμφωνα με τις πραγματικές συνθήκες. Σύμφωνα με το IPC-SM-782A, ένας σύνδεσμος συγκόλλησης έχει τρεις τιμές αναφοράς:

• Jt = Φιλέτο συγκόλλησης στο δάχτυλο

• Jh = Φιλέτο συγκόλλησης στη φτέρνα

• Js = Φιλέτο συγκόλλησης στο πλάι

Για εξαρτήματα τσιπ (χρησιμοποιώντας το 0402 ως παράδειγμα), το Σχήμα 3 δείχνει ένα σχηματικό σχέδιο του μαξιλαριού αντίστασης (τα πραγματικά μοτίβα ποικίλλουν ανάλογα με το στοιχείο) και το σχήμα 4 δείχνει την αντίστοιχη σχηματική διάσταση του κάτω μέρους της αντίστασης. Χρησιμοποιώντας μια μηχανή τοποθέτησης υψηλής ταχύτητας FUJI 143E (ακρίβεια 0,001 mm), οι μετρημένες διαστάσεις του μαξιλαριού PCB φαίνονται στον Πίνακα 1. Μια σύγκριση μεταξύ των μετρούμενων διαστάσεων εξαρτημάτων (με χρήση FUJI 143E) και των διαστάσεων που παρέχονται από τον προμηθευτή φαίνεται στον Πίνακα 2. Οι μετρούμενες διαστάσεις εμπίπτουν στα όρια που καθορίζονται από τον προμηθευτή.

Οι τύποι υπολογισμού για τις τρεις τιμές αναφοράς είναι:

• Jt = (Z - L) / 2

• Jh = (S - G) / 2

• Js = (X - W) / 2

Εάν το Jh είναι θετικό, σημαίνει ότι δεν υπάρχει περίσσεια πάστας συγκόλλησης στον τερματισμό μετά την τοποθέτηση. λίγη πάστα συγκόλλησης θα είναι "πλεόνασμα". Εάν το Jh είναι θετικό και σχετικά μεγάλο, παράγοντες όπως ο υπερβολικά γρήγορος ρυθμός θέρμανσης κατά τη συγκόλληση, η κακή συγκόλληση του τερματισμού ή του μαξιλαριού ή η υπερβολική πίεση προς τα κάτω στην τοποθέτηση μπορεί να προκαλέσουν σφαιρίδια συγκόλλησης. Εάν το Jh είναι θετικό αλλά μικρό, ευνοεί τον καλό σχηματισμό φιλέτου.

Εμπειρική Ανάλυση και Μέτρα Βελτίωσης για Ζητήματα Συγκολλήσεων

Ανάλυση δεδομένων μέτρησης από την Fenghua (προμηθευτής) σύμφωνα με το IPC-SM-782A:

• Αντίσταση Jh = (0,46 - 0,4) / 2 = 0,03 mm

• Πυκνωτής Jh = (0,56 - 0,4) / 2 = 0,08 mm

Αν και και οι δύο τιμές Jh είναι θετικές, είναι μικρές, επιτρέποντας καλά φιλέτα φτέρνας και γωνίες διαβροχής χωρίς να σχηματίζονται σφαιρίδια συγκόλλησης. Στην πράξη, σπάνια παρατηρούνται σφαιρίδια συγκόλλησης και η ποιότητα συγκόλλησης είναι καλή. Το εμπειρικό εύρος για το Jh είναι -0,1 έως 0,15 mm. Στον Πίνακα 2, το εύρος τιμών S είναι ευρύ. Στην πράξη, θα πρέπει να ζητείται από τους προμηθευτές να ελέγχουν αυτό το φάσμα. ένα καλό εύρος για πυκνωτές και αντιστάσεις είναι 0,35-0,65 mm. Διαφορετικά, το σχέδιο στένσιλ πρέπει να προσαρμοστεί ανάλογα. Jt, Js, κ.λπ., μπορούν να αναλυθούν παρόμοια.

Για εξαρτήματα IC, σχεδίαση με βάση μοτίβα/διαστάσεις που παρέχονται από τον προμηθευτή. Για εξαρτήματα τσιπ, τα προτεινόμενα σχήματα χωρίς μόλυβδο είναι ημιελλειπτικά προς τα έξω ή προς τα μέσα. Το κύριο μέλημα είναι να αποφευχθεί η συγκέντρωση τάσης που χαρακτηρίζει τα τετράγωνα τακάκια και η εξώθηση της πάστας συγκόλλησης στις γωνίες υπό υψηλή πίεση τοποθέτησης, η οποία μπορεί να προκαλέσει σφαιρίδια συγκόλλησης.

3. Βελτιώστε την ποιότητα καθαρισμού στένσιλ

Ο καλύτερος καθαρισμός στένσιλ βελτιώνει την ποιότητα εκτύπωσης. Ο ανεπαρκής καθαρισμός επιτρέπει τη συσσώρευση υπολειμμάτων πάστας συγκόλλησης στο κάτω μέρος των ανοιγμάτων, προκαλώντας περίσσεια πάστας και σφαιριδίων συγκόλλησης. Όταν χρησιμοποιείτε αυτόματο καθαρισμό στένσιλ σε εκτυπωτές, ο συνδυασμός υγρού καθαρισμού, στεγνού καθαρισμού και ηλεκτρικής σκούπας είναι πιο αποτελεσματικός. Αυξήστε τη συχνότητα καθαρισμού με βάση τη διάταξη των εξαρτημάτων. Παρακολουθήστε την αποτελεσματικότητα και προσθέστε χειροκίνητο καθαρισμό εάν χρειάζεται.

4. Εξασφαλίστε την ακρίβεια της επαναληψιμότητας του εξοπλισμού

Κατά τη διάρκεια της εκτύπωσης, η κακή ευθυγράμμιση μεταξύ του στένσιλ και των μαξιλαριών μπορεί να προκαλέσει κηλίδωση της πάστας πέρα ​​από τα μαξιλαράκια, οδηγώντας σε σφαιρίδια συγκόλλησης κατά τη θέρμανση. Η ακρίβεια τοποθέτησης επηρεάζει επίσης τη διαδικασία. Γενικά απαιτείται 3σ ή καλύτερο. Διαφορετικά, η πιθανότητα συγκόλλησης σφαιριδίων αυξάνεται.

5. Έλεγχος πίεσης τοποθέτησης μηχανήματος τοποθέτησης

Το ύψος του άξονα Z κατά την τοποθέτηση εξαρτημάτων ελέγχεται είτε με πίεση τοποθέτησης είτε με έλεγχο πάχους εξαρτήματος. Αυτό καθορίζει πόσο πιέζει το εξάρτημα στην πάστα συγκόλλησης, ένας σημαντικός παράγοντας για τα σφαιρίδια συγκόλλησης. Ο ακατάλληλος έλεγχος μπορεί να πιέσει την πάστα από τα μαξιλαράκια κατά την τοποθέτηση, προκαλώντας χάντρες. Ανεξάρτητα από τη μέθοδο ελέγχου, οι ρυθμίσεις πρέπει να βελτιστοποιηθούν για την αποφυγή σφαιριδίων. Η αρχή είναι να τοποθετήσετε το συστατικό "πάνω" στην πάστα με αρκετή πίεση, έτσι ώστε η πάστα να μην συμπιέζεται από τα τακάκια. Η απαιτούμενη πίεση ποικίλλει ανάλογα με τον προμηθευτή, το μοντέλο και τη συσκευασία. προσαρμόστε κατά την παραγωγή όπως απαιτείται.

6. Βελτιστοποιήστε το προφίλ θερμοκρασίας

Κατά τη συγκόλληση με επαναροή, τα στάδια ράμπας και εμποτισμού στοχεύουν στη μείωση του θερμικού σοκ στο PWB και στα εξαρτήματα και να επιτρέπουν τη μερική εξάτμιση του διαλύτη από την πάστα συγκόλλησης. Αυτό αποτρέπει τον υπερβολικό διαλύτη από το να προκαλέσει καθίζηση ή πιτσίλισμα κατά τη διάρκεια του σταδίου επαναροής, που θα απωθούσε την πάστα από τα τακάκια και θα σχηματίσει χάντρες ή μπάλες. Ελέγξτε το προφίλ επαναροής: βεβαιωθείτε ότι ο ρυθμός ράμπας είναι μετρίως κάτω από 2,0°C/s (Σημείωση: ο αρχικός εν λόγω 20°C/S, πιθανότατα πρόκειται για τυπογραφικό λάθος, διορθώθηκε στους τυπικούς 2°C/s ή λιγότερο, αν και το κείμενο χρήστη λέει 20°C/S – θα διατηρηθεί ως έχει αλλά σημειώστε το πιθανό σφάλμα) και ο χρόνος εμποτισμού ελέγχεται μεταξύ 60 και 120 δευτερολέπτων στην πλατφόρμα.

Περίληψη και Προτάσεις Συνεργασίας

Υπάρχουν πολλές αιτίες των σφαιριδίων συγκόλλησης. Η εταιρεία μας εστιάζει στην πρόληψη κατά τον σχεδιασμό. Αρχικά αναλύουμε στατιστικά τις διαστάσεις των εξαρτημάτων και την αντιστοίχιση τους με σχέδια μαξιλαριών για να καθοδηγήσουμε τη σχεδίαση των μαξιλαριών και την επιλογή του διαφράγματος. Εάν εξακολουθούν να υπάρχουν σφαιρίδια συγκόλλησης, διενεργούμε περαιτέρω ανάλυση, επιθεωρώντας και ελέγχοντας ολόκληρη τη διαδικασία από την εκτύπωση έως την τοποθέτηση, τον εντοπισμό αιτιών και την εφαρμογή βελτιώσεων. Αυτό ήταν αρκετά αποτελεσματικό, με αποτέλεσμα μια μικρή πιθανότητα συγκόλλησης σφαιριδίων κατά την παραγωγή.

Ελπίζουμε να ανταλλάξουμε ιδέες και να μάθουμε από συναδέλφους με εμπειρία σε θέματα σφαιριδίων συγκόλλησης και καλωσορίζουμε να επισημάνουμε τυχόν ελλείψεις σε αυτό το άρθρο.

Ο έλεγχος της διαδικασίας SMT περιλαμβάνει πολλές πτυχές. αποτυχία σε οποιονδήποτε τομέα μπορεί να προκαλέσει προβλήματα. Επομένως, εκτός από τους μηχανικούς διεργασιών SMT, τα τμήματα προμηθειών και ελέγχου υλικών θα πρέπει να συντονίζονται προληπτικά με τους μηχανικούς διεργασιών. Η επικοινωνία σχετικά με αλλαγές ή αντικαταστάσεις υλικού είναι απαραίτητη για την αποφυγή ελαττωμάτων που προκαλούνται από αλλαγές παραμέτρων διεργασίας λόγω διαφοροποιήσεων υλικού. Οι σχεδιαστές διάταξης PCB θα πρέπει επίσης να επικοινωνούν περισσότερο με τους μηχανικούς διεργασιών, αναφέροντας και εφαρμόζοντας τις προτάσεις βελτίωσής τους όποτε είναι δυνατόν.