Bagaimana untuk menyelesaikan masalah seluar pendek pateri dalam aliran semula bebas plumbum?

Sebagai pembekal ketuhar aliran semula tanpa plumbum, saya telah menghabiskan sedekad lalu berdiri di sebelah juruteknik SMT, pengurus pengeluaran dan petunjuk talian semasa mereka berhimpit di atas PCB selepas pengaliran semula, mendorong sambungan pateri kecil dengan pinset dan merungut tentang masalah mengecewakan yang sama: seluar pendek pateri. Jika anda pernah menjalankan talian bebas plumbum, anda tahu ini bukan hanya gangguan kecil—litar pintas boleh mematikan pengeluaran selama berjam-jam, menghapuskan berpuluh-puluh papan dan menangguhkan pesanan apabila pasukan anda sudah berkurangan. Saya telah melihat pasukan membuang masa berjam-jam meneka untuk membetulkan: menyalahkan stensil, profil aliran semula, malah kelembapan di gudang, apabila isu sebenar biasanya merupakan gabungan kesilapan langkah kecil yang boleh dielakkan. Hari ini, saya membuka tirai tentang cara kami menyelesaikan masalah seluar pendek pateri dalam aliran semula tanpa plumbum, kaedah yang sama yang kami ajarkan kepada setiap pelanggan yang membeli peralatan kami dan petua yang telah mengurangkan kadar kerja semula pelanggan kami sebanyak 40% secara purata. Mari kita mulakan dengan membumikan perkara ini dalam realiti: pateri tanpa plumbum (biasanya campuran timah, tembaga, nikel dan perak) cair pada 30–40°F lebih tinggi daripada plumbum timah tradisional, yang bermaksud tetingkap aliran semula lebih sempit, tegangan permukaan berbeza, malah sisihan kecil dalam proses boleh menyebabkan jambatan atau seluar pendek yang tidak sepatutnya berlaku. Berita baiknya ialah hampir setiap pendek yang kita lihat boleh diselesaikan dengan pemeriksaan langkah demi langkah yang sistematik, bukan tekaan.

Mari kita mulakan dengan tempat pertama yang dilihat kebanyakan pasukan apabila mereka melihat ringkasan: proses pilih-dan-tempat. Sebelum pateri menyentuh papan, komponen perlu diletakkan dengan tepat, dan komponen tidak sejajar adalah salah satu daripada 3 punca utama seluar pendek aliran semula tanpa plumbum. Saya telah melihat ini seratus kali: seorang juruteknik menjalankan barisan pengeluaran dengan mesin pick-and-place yang lebih lama yang sedikit daripada penentukuran, dan perintang 0402 dialihkan hanya 0.1mm dari padnya. Semasa pengaliran semula, pateri cair membasahkan kedua-dua plumbum komponen dan pad bersebelahan, mencipta pendek yang mudah terlepas sehingga semakan AOI terakhir. Ini bukan kegagalan pematerian itu sendiri—ini kegagalan penempatan komponen huluan. Bagi pasukan yang bekerja dengan komponen nada halus (0.4mm atau lebih kecil) yang biasa dalam telefon, boleh pakai dan elektronik industri, risiko ini berganda. Itulah sebabnya kami sentiasa mengesyorkan untuk mengesahkan bahawa sistem pilih dan tempat anda ditentukur pada permulaan setiap pengeluaran pengeluaran, bukan hanya pada setiap minggu. Contohnya, jika anda menggunakan persediaan mengambil dan meletakkan elektronik yang dikawal secara berangka, ambil 10–15 papan sampel daripada 100 yang pertama dihasilkan dan ukur penjajaran komponen dengan mikroskop digital. Malah anjakan 0.05mm dalam kedudukan komponen boleh menyebabkan aliran semula bebas plumbum yang pendek, di mana julat lebur pateri yang lebih sempit meninggalkan lebih sedikit masa untuk penjajaran diri. Saya mempunyai pelanggan beberapa tahun lalu yang melihat 12% kadar pendek pada PCB pembesar suara Bluetooth mereka—ternyata muncung pilih-dan-tempat mereka mengalami retakan kecil yang menyebabkan salah penjajaran konsisten kapasitor 0201. Sebaik sahaja mereka menggantikan muncung dan menambah pemeriksaan penjajaran harian, kadar pendek mereka menurun kepada 1.8% dalam seminggu. Ia adalah butiran hulu yang kecil, tetapi ia mempunyai kesan yang besar.

Seterusnya, beralih daripada peletakan komponen kepada stensil dan tampal pateri, kerana 60% daripada seluar pendek kami menyelesaikan masalah menjejak kembali kepada reka bentuk stensil atau aplikasi tampal pateri, bukan ketuhar aliran semula itu sendiri. Pes pateri tanpa plumbum mempunyai sifat yang berbeza daripada pes plumbum: ia mempunyai kelikatan yang lebih tinggi, kurang "kemerosotan" semasa pencetakan, dan memerlukan tekanan yang konsisten untuk mendepositkan jumlah pateri yang betul pada setiap pad. Tampal pateri terlalu banyak adalah punca yang paling biasa di sini. Jika apertur stensil anda bersaiz besar (atau jika stensil sudah haus, dengan lubang yang telah diregangkan selepas 50,000 cetakan dijalankan), anda akan mendapat lebihan pateri pada pad bersebelahan yang tersambung semasa pengaliran semula. Saya melihat ini paling baru-baru ini di pengeluar peranti perubatan yang sedang membina PCB monitor jantung untuk ujian FDA. Stensil mereka berumur 10 tahun, dan apertur untuk IC nada halus telah cukup haus sehingga setiap deposit adalah 15% lebih besar daripada yang direka. Semasa pengaliran semula, pateri cair tumpah di celah antara pin, menghasilkan seluar pendek yang memaksa mereka menangguhkan audit kawal selia mereka selama dua minggu. Pembaikan itu bukanlah ketuhar aliran semula baharu—ia ialah stensil potong laser 0.15mm dengan saiz apertur yang sepadan untuk komponennya dan jadual pembersihan stensil bulanan yang mengeluarkan sisa tampal pateri kering dari lubang. Perkara lain yang perlu diperiksa di sini ialah penyimpanan dan kesegaran pes pateri. Pes bebas plumbum mempunyai jangka hayat selama 6 bulan pada 40°F, dan sebaik sahaja ia dibuka, ia hanya baik selama 24–48 jam pada suhu bilik. Saya telah melihat pasukan menarik pes yang ditinggalkan selama tiga hari, atau dicairkan secara tidak betul dari peti sejuk, mengakibatkan pes yang terlalu cair. Tampalan berair tidak kekal pada padnya semasa mencetak, jadi anda akan mendapat pateri tambahan pada pad bersebelahan yang menghasilkan pendek semasa aliran semula. Jika anda melihat seluar pendek yang konsisten pada reka bentuk papan yang serupa, tarik sampel tampal pateri dari titik tengah kumpulan anda—jika ia kelihatan berbutir atau mempunyai zarah logam yang terpisah, itu tanda ia telah tamat tempoh dan perlu diganti.

Sekarang, mari kita ke profil aliran semula itu sendiri, di mana kebanyakan pasukan beralih dahulu apabila menyelesaikan masalah, dan di mana kita melihat paling nuansa dengan proses tanpa plumbum. Profil pengaliran semula yang buruk ialah pembunuh senyap pada sambungan pateri, dan seluar pendek adalah simptom yang paling jelas apabila ia tidak ditetapkan dengan betul. Untuk bebas plumbum, profil ideal mempunyai empat zon berbeza: prapanas, rendam, aliran semula dan penyejukan. Zon prapanas hendaklah menaikkan papan pada 1–2°C sesaat, bermula pada suhu bilik dan berakhir antara 150–180°C. Zon ini mengeluarkan lembapan daripada PCB dan komponen, menghalang kejutan haba, dan mula mengaktifkan fluks pes pateri. Zon rendam menahan papan pada suhu 150–180°C selama 60–90 saat, di mana fluks melakukan kebanyakan kerjanya: ia menghilangkan pengoksidaan daripada pad dan plumbum komponen, jadi pateri cair boleh basah dengan betul. Zon pengaliran semula ialah tempat yang paling penting dalam ketepatan: suhu puncak perlu antara 245–260°C, dan masa di atas liquidus (TAL) hendaklah 60–90 saat. Jika suhu puncak terlalu rendah, pateri tidak akan cair sepenuhnya, menyebabkan sambungan sejuk. Jika ia terlalu tinggi, atau TAL terlalu panjang, fluks boleh terbakar, dan pateri cair menjadi terlalu "basah" — bermakna ia merebak lebih jauh daripada yang dimaksudkan pada pad bersebelahan, mewujudkan jambatan dan seluar pendek. Saya mempunyai pelanggan dalam elektronik automotif yang menggunakan profil aliran semula bebas plumbum generik yang mempunyai suhu puncak 275°C, hampir 20°F terlalu tinggi untuk IC pic 0.5mm mereka. Mereka melihat seluar pendek pada 8% ECU mereka, dan reaksi awal mereka ialah persediaan pematerian aliran semula SMD mereka rosak. Kami melaraskan profil mereka kepada puncak pada 250°C dengan 70 saat TAL, dan dalam masa dua hari, kadar pendek mereka menurun kepada 0.9%. Itulah perbezaan antara profil satu saiz untuk semua dan profil tersuai yang ditala pada komponen khusus anda dan reka bentuk PCB. Satu lagi kesilapan profil biasa ialah pemanasan tidak sekata pada penghantar ketuhar aliran semula. Kebanyakan ketuhar pengaliran semula tanpa plumbum menggunakan udara inframerah dan panas untuk memanaskan papan, tetapi jika muncung udara panas tersumbat, atau penghantar dicondongkan sedikit, anda boleh mendapat titik panas pada satu hujung papan dan tompok sejuk di sebelah yang lain. Titik panas boleh menyebabkan pateri merebak lebih awal, mencipta seluar pendek pada satu sisi papan, manakala titik sejuk membawa kepada sendi sejuk di sebelah yang lain. Itulah sebabnya kami mengesyorkan agar anda menyemak ketekalan profil dengan pencatat data pada setiap pengeluaran, terutamanya apabila menukar saiz papan atau jenis komponen. Jika anda tidak melakukan ini, anda kehilangan semakan utama yang menangkap isu profil sebelum mereka membuat ratusan seluar pendek.

Tunggu, mari kita berhenti sebentar di sini—ini adalah titik yang baik untuk kembali kepada automasi, kerana banyak pasukan yang bekerjasama dengan saya bergerak ke arah talian automatik untuk pengeluaran volum tinggi. Peralihan untuk mengautomasikan pemilihan dan penempatan robot desktop telah mengurangkan ralat manusia, tetapi ia juga memperkenalkan pembolehubah baharu yang boleh membawa kepada seluar pendek jika tidak ditentukur. Contohnya, jika ketinggian paksi Z robot pilih-dan-tempat automatik anda terlalu rendah, petunjuk komponen boleh menekan ke dalam tampal pateri semasa peletakan, menolak tampalan tambahan pada pad bersebelahan. Jika paksi-Z terlalu tinggi, komponen beralih semasa pengaliran semula, membawa kepada salah jajaran yang sama yang telah kita bincangkan sebelum ini. Kami telah melihat perkara ini berlaku dengan pelanggan yang berskala daripada prototaip kepada 10,000 unit sebulan, beralih daripada peletakan manual kepada barisan robot automatik. Mereka tidak menentukur semula paksi-Z robot untuk perintang 01005 baharu mereka, dan dalam masa seminggu, mereka mempunyai 2,000 papan dengan sambungan terpintas. Pembaikan? Pemeriksaan penentukuran selama 10 minit untuk ketinggian komponen, dan pelarasan perisian pada tekanan penempatan robot untuk komponen yang kecil dan halus. Inilah sebabnya kami sentiasa menasihatkan bahawa apabila anda mengemas kini persediaan automasi anda, sama ada menambah mesin pembuat cip CNC pilih dan letak atau bertukar kepada kelajuan penghantar baharu untuk barisan pengeluaran Bluetooth mesin pembuatan PCB besar anda, anda menjalankan papan ujian kecil terlebih dahulu sebelum pengeluaran penuh. Ia mengambil masa 15 minit dan menjimatkan berjam-jam kerja semula.

Sekarang, mari kita bincangkan tentang punca seluar pendek yang kurang jelas yang sering diabaikan oleh pasukan: reka bentuk PCB dan pengendalian pasca aliran semula. Sangat mudah untuk menyalahkan proses, tetapi kadangkala isu utama adalah dalam reka bentuk itu sendiri. Komponen nada halus (0.4mm atau lebih kecil) dengan jarak pad 0.2mm atau kurang sangat terdedah kepada seluar pendek, walaupun dengan kawalan proses yang sempurna. Jika pereka PCB anda menambah terlalu banyak "pelepasan" topeng pateri di antara pad, itu boleh meninggalkan kuprum terdedah yang menarik lebih banyak pateri semasa pengaliran semula. Atau jika landasan di antara dua pad terlalu sempit, pateri cair boleh bersumbu ke atasnya dan membuat pendek. Berita baiknya ialah tweak reka bentuk kecil—seperti mengurangkan kelegaan sebanyak 0.05mm, atau menambah hentian pateri kecil untuk mengecilkan bukaan pad—boleh menghilangkan seluar pendek sepenuhnya tanpa mengubah proses anda. Saya telah melihat ini dengan pelanggan yang membuat jam tangan pintar, di mana penyambung mikro-USB pic 0.35mm mereka menyebabkan seluar pendek yang konsisten semasa aliran semula. Pasukan reka bentuk mereka melaraskan saiz apertur stensil untuk pad penyambung daripada 0.12mm kepada 0.1mm, dan seluar pendek berhenti, walaupun dengan profil aliran semula dan persediaan pilih-dan-tempat yang sama. Pengendalian selepas aliran semula adalah punca tersembunyi yang lain. Jika pasukan anda mengendalikan papan dengan tangan kosong, minyak daripada kulit boleh mencemari pad pateri, atau jika anda menyusun papan terlalu cepat selepas pengaliran semula, pateri cair (walaupun kelihatan set) boleh beralih, menghasilkan pendek. Kami sentiasa mengesyorkan menunggu 20–30 minit selepas pengaliran semula sebelum mengalihkan papan, menggunakan sarung tangan ESD apabila mengendalikan PCB berpenduduk, dan menggunakan pemisah antara papan semasa penyimpanan. Saya pernah mempunyai pasukan yang menyusun 20 papan tinggi sejurus selepas aliran semula, dan 15% papan bawah mempunyai seluar pendek kerana pateri di bahagian bawah papan atas telah cair sedikit dan merapatkan bahagian atas papan di bawah. Itu adalah penyelesaian yang mudah—tambahkan pemisah, tunggu 10 minit lagi sebelum disusun—dan ia mengurangkan kadar pendeknya kepada separuh semalam.

Mari kita akhiri ini dengan aliran kerja penyelesaian masalah praktikal, sesuatu yang anda boleh ikuti langkah demi langkah apabila anda melihat pendek semasa pengeluaran, bukannya meneka. Mula-mula, hentikan pengeluaran serta-merta—menunggu hanya membuat lebih banyak pembaziran. Dapatkan 5 papan yang mempunyai seluar pendek, dan 5 papan yang bebas daripada kecacatan. Periksa sambungan terpendek dengan mikroskop: adakah komponen tidak sejajar? Jika ya, semak penjajaran pilih-dan-tempat dan keadaan muncung anda. Seterusnya, periksa stensil: cetak stensil ujian pada PCB kosong dan periksa deposit pateri. Adakah mereka seragam, saiz yang betul, dan tidak melimpah pad mereka? Jika deposit terlalu besar, periksa stensil anda untuk haus, periksa kelikatan tampal pateri anda dan sahkan tekanan dan kelajuan cetakan anda. Ketiga, tarik logger data anda daripada pengeluaran terakhir. Lihat profil aliran semula: adakah suhu puncak berada dalam julat? Adakah TAL antara 60–90 saat? Adakah terdapat sebarang titik panas atau sejuk di seluruh papan? Jika profil dimatikan, laraskannya dan jalankan papan ujian. Akhir sekali, semak isu huluan: adakah tampal pateri anda segar? Adakah anda mempunyai sebarang masa henti apabila stensil dibiarkan tanpa penutup? Adakah terdapat sebarang perubahan pada persediaan automasi anda baru-baru ini? Mengikuti aliran kerja ini akan menghapuskan 90% seluar pendek yang disebabkan oleh isu kecil yang boleh diperbaiki, bukan peralatan yang rosak.

Pada penghujung hari, seluar pendek pateri dalam aliran semula tanpa plumbum tidak semestinya menjadi pembunuh pengeluaran. Ini adalah tanda bahawa sesuatu yang kecil tidak berfungsi dalam proses anda, bukannya ketuhar aliran semula tanpa plumbum anda rosak. Bagi pasukan kami, bekerja dengan ratusan pengeluar setiap tahun, kesilapan terbesar yang kami lihat pasukan lakukan ialah melompat untuk menggantikan peralatan mahal dan bukannya mengaudit proses mereka, bahan mereka dan langkah huluan mereka terlebih dahulu. Sama ada anda menjalankan sekumpulan kecil papan prototaip atau barisan pengeluaran Bluetooth volum tinggi 24/7, mengambil masa 15 minit pada permulaan setiap larian untuk menyemak penjajaran, keadaan stensil dan ketekalan profil boleh menjimatkan jam kerja semula dan sekerap.

Jika anda bergelut dengan seluar pendek pateri yang konsisten, atau ingin menaik taraf persediaan aliran semula tanpa plumbum anda untuk mengurangkan kecacatan, kami sedia membantu. Kami bekerjasama dengan pengeluar semua saiz, daripada kedai prototaip permulaan kepada syarikat automotif dan peranti perubatan yang besar, untuk menala proses, menentukur peralatan dan melaksanakan aliran kerja yang mengurangkan kadar kerja semula dan meningkatkan hasil. Hubungi pasukan kami untuk membincangkan cabaran khusus anda dan cari penyelesaian yang sesuai untuk barisan pengeluaran anda.

Rujukan

1. IPC-J-STD-005, Keperluan untuk Fluks Pematerian untuk Pemasangan Elektronik
2. IPC-A-610, Kebolehterimaan Perhimpunan Elektronik
3. Pemterian Aliran Semula Tanpa Plumbum: Panduan Praktikal, SMTA International, 2022
4. Amalan Terbaik Penentukuran Pilih-dan-Tempat, Persatuan Teknologi Lekapan Permukaan, 2021
5. Garis Panduan Penyimpanan dan Pengendalian Tampal Pateri, Penyelesaian Pemasangan Alpha, 2023