كيفية تشخيص أعطال اللحام القصيرة في اللحام بالتدفق الخالي من الرصاص؟

باعتباري موردًا لفرن إعادة التدفق الخالي من الرصاص، أمضيت العقد الماضي أقف بجوار فنيي SMT ومديري الإنتاج وخطوط الإنتاج وهم يتجمعون فوق ثنائي الفينيل متعدد الكلور بعد إعادة التدفق، ويحثون مفاصل اللحام الصغيرة بالملاقط ويتمتمون حول نفس المشكلة المحبطة: شورتات اللحام. إذا سبق لك تشغيل خط إنتاج خالٍ من الرصاص، فأنت تعلم أن هذا ليس مجرد زوبعة بسيطة - يمكن للدوائر القصيرة إيقاف الإنتاج لساعات، وإلغاء العشرات من اللوحات، وتأخير الطلبات عندما يكون فريقك مرهقًا بالفعل. لقد شاهدت الفرق تضيع ساعات في التخمين بشأن الإصلاحات: إلقاء اللوم على قوالب الاستنسل، وملفات تعريف إعادة التدفق، وحتى الرطوبة في المستودع، في حين أن المشكلة الفعلية عادة ما تكون عبارة عن مزيج من الأخطاء الصغيرة التي يمكن تجنبها والتي تتراكم. اليوم، أكشف الستار عن كيفية استكشاف أخطاء اللحام القصيرة وإصلاحها في إعادة التدفق الخالي من الرصاص، وهي نفس الأساليب التي نعلمها لكل عميل يشتري معداتنا، والنصائح التي خفضت معدلات إعادة العمل لعملائنا بنسبة 40٪ في المتوسط. لنبدأ بتأريض ذلك في الواقع: ينصهر الجنود الخاليون من الرصاص (عادةً مزيج من القصدير والنحاس والنيكل والفضة) عند درجة حرارة أعلى بمقدار 30 إلى 40 درجة فهرنهايت من الرصاص القصدير التقليدي، مما يعني أن نافذة إعادة التدفق أضيق، والتوتر السطحي مختلف، وحتى الانحرافات الصغيرة في العملية يمكن أن تسبب جسورًا أو قصورًا حيث لا ينبغي أن تحدث. والخبر السار هو أن كل صفقة بيع نراها تقريبًا قابلة للحل من خلال عمليات فحص منهجية خطوة بخطوة، وليس من خلال التخمين.

لنبدأ بالمكان الأول الذي تنظر إليه معظم الفرق عندما يرون باختصار: عملية الاختيار والمكان. قبل أن يلمس اللحام اللوحة، يجب وضع المكونات بدقة، وتعد المكونات غير المتوافقة أحد أهم ثلاثة أسباب لشورتات إعادة التدفق الخالية من الرصاص. لقد رأيت هذا مائة مرة: يقوم فني بتشغيل خط إنتاج باستخدام آلة التقاط ووضع قديمة خارج المعايرة قليلاً، ويتم إزاحة المقاوم 0402 بمقدار 0.1 ملم فقط من لوحته. أثناء إعادة التدفق، يبلل اللحام المنصهر كلاً من سلك المكون واللوحة المجاورة، مما يؤدي إلى إنشاء قصر يسهل تفويته حتى فحص AOI النهائي. هذا ليس فشلاً في عملية اللحام نفسها، بل هو فشل في وضع المكونات الأولية. بالنسبة للفرق التي تعمل بمكونات دقيقة (0.4 ملم أو أصغر) شائعة في الهواتف والأجهزة القابلة للارتداء والإلكترونيات الصناعية، يتضاعف هذا الخطر. ولهذا السبب نوصي دائمًا بالتحقق من معايرة نظام الانتقاء والمكان لديك في بداية كل عملية إنتاج، وليس فقط على أساس أسبوعي. على سبيل المثال، إذا كنت تستخدم إعدادًا إلكترونيًا للالتقاط والأماكن يتم التحكم فيه رقميًا، فخذ 10-15 لوحة عينة من أول 100 لوحة تم إنتاجها وقياس محاذاة المكونات باستخدام المجهر الرقمي. حتى التحول بمقدار 0.05 مم في موضع المكون يمكن أن يؤدي إلى قصر في التدفق الخالي من الرصاص، حيث يترك نطاق الذوبان الأضيق للحام وقتًا أقل للمحاذاة الذاتية. لقد كان لدي عميل منذ بضع سنوات كان يرى معدلات قصيرة بنسبة 12٪ على مكبرات الصوت PCB الخاصة به التي تعمل بتقنية البلوتوث - وتبين أن فوهة الالتقاط والمكان الخاصة بهم بها صدع صغير كان يسبب اختلالًا ثابتًا في المكثفات 0201. بمجرد استبدال الفوهة وإضافة فحوصات المحاذاة اليومية، انخفضت معدلاتها القصيرة إلى 1.8% في أسبوع. إنها تفاصيل صغيرة، لكن تأثيرها هائل.

بعد ذلك، انتقل من وضع المكونات إلى الاستنسل ومعجون اللحام، لأن 60% من السراويل القصيرة التي نقوم باستكشاف الأخطاء وإصلاحها تعود إلى تصميم الاستنسل أو تطبيق معجون اللحام، وليس فرن إعادة التدفق نفسه. يتميز معجون اللحام الخالي من الرصاص بخصائص مختلفة عن المعجون المحتوي على الرصاص: فهو يتميز بلزوجة أعلى، و"تراجع" أقل أثناء الطباعة، ويتطلب ضغطًا ثابتًا لإيداع الكمية المناسبة من اللحام على كل لوحة. الكثير من معجون اللحام هو السبب الأكثر شيوعًا هنا. إذا كانت فتحات الاستنسل كبيرة الحجم (أو إذا كان الاستنسل مهترئًا، مع ثقوب امتدت بعد 50000 عملية طباعة)، فسوف ينتهي بك الأمر إلى وجود لحام زائد على الوسادات المجاورة التي يتم ربطها أثناء إعادة التدفق. لقد رأيت هذا مؤخرًا في إحدى الشركات المصنعة للأجهزة الطبية التي كانت تصنع مركبات ثنائي الفينيل متعدد الكلور لمراقبة القلب لاختبارها من قبل إدارة الغذاء والدواء. كان عمر الاستنسل الخاص بهم 10 سنوات، وكانت فتحات الدوائر المتكاملة ذات الطبقة الدقيقة قد اهترأت بدرجة كافية بحيث أصبحت كل إيداع أكبر بنسبة 15٪ من التصميم. أثناء إعادة التدفق، انسكب اللحام المنصهر على الفجوات بين المسامير، مما أدى إلى حدوث شورت أجبرهم على تأخير التدقيق التنظيمي لمدة أسبوعين. لم يكن الإصلاح عبارة عن فرن إعادة تدفق جديد، بل كان عبارة عن استنسل مقطوع بالليزر مقاس 0.15 مم مع أحجام فتحات متطابقة لمكوناته، وجدول تنظيف شهري للاستنسل يزيل بقايا معجون اللحام المجفف من الثقوب. شيء آخر يجب التحقق منه هنا هو تخزين معجون اللحام ونضارته. يتمتع المعجون الخالي من الرصاص بفترة صلاحية تصل إلى 6 أشهر عند درجة حرارة 40 درجة فهرنهايت، وبمجرد فتحه، يكون صالحًا لمدة 24-48 ساعة فقط في درجة حرارة الغرفة. لقد رأيت فرقًا تسحب المعجون الذي تم تركه لمدة ثلاثة أيام، أو تم إذابته بشكل غير صحيح من الثلاجة، مما أدى إلى ظهور معجون شديد السيولة. لا يظل المعجون السائل موجودًا على اللوحة أثناء الطباعة، لذلك ينتهي بك الأمر إلى وجود لحام إضافي على الوسادات المجاورة مما يؤدي إلى حدوث قصر أثناء إعادة التدفق. إذا كنت ترى شورتًا متناسقًا على تصميمات مماثلة للوحات، فاسحب عينة من معجون اللحام من منتصف الدفعة - إذا كانت تبدو محببة أو تحتوي على جزيئات معدنية منفصلة، ​​فهذه علامة على انتهاء صلاحيتها ويجب استبدالها.

الآن، دعنا نصل إلى ملف تعريف إعادة التدفق نفسه، وهو المكان الذي تتجه إليه معظم الفرق أولاً عند استكشاف الأخطاء وإصلاحها، وحيث نرى الفروق الدقيقة في العمليات الخالية من الرصاص. يعد ملف تعريف إعادة التدفق السيئ بمثابة قاتل صامت لمفاصل اللحام، والسراويل القصيرة هي أكثر الأعراض وضوحًا عندما لا يتم ضبطها بشكل صحيح. للحصول على خالي من الرصاص، يحتوي المظهر الجانبي المثالي على أربع مناطق متميزة: التسخين المسبق، والنقع، وإعادة التدفق، والتبريد. يجب أن تصل درجة حرارة منطقة التسخين المسبق إلى 1-2 درجة مئوية في الثانية، بدءًا من درجة حرارة الغرفة وتنتهي بين 150-180 درجة مئوية. تعمل هذه المنطقة على إزالة الرطوبة من لوحة PCB والمكونات، وتمنع الصدمة الحرارية، وتبدأ في تنشيط تدفق معجون اللحام. تعمل منطقة النقع على تثبيت اللوح عند درجة حرارة 150-180 درجة مئوية لمدة 60-90 ثانية، حيث يقوم التدفق بمعظم عمله: فهو يزيل الأكسدة من اللوحة وأسلاك المكونات، بحيث يمكن أن يبلل اللحام المنصهر بشكل صحيح. منطقة إعادة التدفق هي المكان الذي تكون فيه الدقة أكثر أهمية: يجب أن تتراوح درجة حرارة الذروة بين 245-260 درجة مئوية، ويجب أن يكون الوقت فوق السائل (TAL) 60-90 ثانية. إذا كانت درجة حرارة الذروة منخفضة جدًا، فلن يذوب اللحام بالكامل، مما يؤدي إلى برودة المفاصل. إذا كان مرتفعًا للغاية، أو كان TAL طويلًا جدًا، فيمكن أن يحترق التدفق، ويصبح اللحام المنصهر "مبتلًا" للغاية - مما يعني أنه ينتشر لمسافة أبعد مما هو مقصود على الوسادات المجاورة، مما يؤدي إلى إنشاء جسور وشورتات. لقد كان لدي عميل في مجال إلكترونيات السيارات كان يستخدم ملف تعريف إعادة التدفق العام الخالي من الرصاص والذي تبلغ درجة حرارته القصوى 275 درجة مئوية، أي ما يقرب من 20 درجة فهرنهايت مرتفعة جدًا بالنسبة للدوائر المرحلية ذات درجة 0.5 مم. لقد كانوا يرون شورتًا على 8٪ من وحدات التحكم الإلكترونية الخاصة بهم، وكان رد فعلهم الأولي هو أن إعداد لحام إعادة تدفق SMD الخاص بهم كان خاطئًا. قمنا بتعديل ملفهم الشخصي إلى الذروة عند 250 درجة مئوية خلال 70 ثانية، وفي غضون يومين، انخفضت معدلاتهم القصيرة إلى 0.9%. هذا هو الفرق بين ملف تعريف مقاس واحد يناسب الجميع وملف تعريف مخصص تم ضبطه ليناسب مكوناتك المحددة وتصميم PCB. خطأ شائع آخر في التشكيل الجانبي هو التسخين غير المتساوي عبر ناقل فرن إعادة التدفق. تستخدم معظم أفران إعادة التدفق الخالية من الرصاص الأشعة تحت الحمراء والهواء الساخن لتسخين الألواح، ولكن إذا كانت فوهات الهواء الساخن مسدودة، أو كان الناقل مائلًا قليلاً، فيمكنك الحصول على نقاط ساخنة على أحد طرفي اللوحة وبقع أكثر برودة على الطرف الآخر. يمكن أن تتسبب البقعة الساخنة في انتشار اللحام قبل الأوان، مما يؤدي إلى ظهور شورت على أحد جانبي اللوحة، بينما تؤدي البقعة الباردة إلى وصلات باردة على الجانب الآخر. ولهذا السبب نوصي بالتحقق من اتساق ملف التعريف باستخدام مسجل البيانات في كل عملية إنتاج، خاصة عند تبديل أحجام اللوحة أو أنواع المكونات. إذا لم تقم بذلك، فإنك تفتقد إجراء فحص أساسي لاكتشاف مشكلات الملف الشخصي قبل إنشاء مئات الأفلام القصيرة.

انتظر، دعنا نتوقف هنا - هذه نقطة جيدة للعودة إلى الأتمتة، لأن العديد من الفرق التي أعمل معها تتجه نحو الخطوط الآلية للإنتاج بكميات كبيرة. أدى التحول إلى أتمتة عملية اختيار الروبوتات المكتبية ووضعها إلى تقليل الأخطاء البشرية، ولكنه قدم أيضًا متغيرات جديدة يمكن أن تؤدي إلى السراويل القصيرة إذا لم تتم معايرتها. على سبيل المثال، إذا كان ارتفاع المحور Z لروبوت الالتقاط والوضع الآلي الخاص بك منخفضًا جدًا، فيمكن أن يضغط سلك المكون على معجون اللحام أثناء وضعه، مما يدفع المعجون الإضافي إلى الوسادات المجاورة. إذا كان المحور Z مرتفعًا جدًا، فإن المكون يتغير أثناء إعادة التدفق، مما يؤدي إلى نفس المحاذاة الخاطئة التي تحدثنا عنها سابقًا. لقد رأينا هذا يحدث مع عميل قام بالارتقاء من النموذج الأولي إلى 10000 وحدة شهريًا، والتحول من الوضع اليدوي إلى خط الروبوت الآلي. لم يقوموا بإعادة معايرة المحور Z للروبوت لمقاوماتهم الجديدة 01005، وفي غضون أسبوع، كان لديهم 2000 لوح بمفاصل قصيرة. الإصلاح؟ فحص معايرة لمدة 10 دقائق لارتفاع المكونات، وتعديل البرنامج لضغط موضع الروبوت للمكونات الصغيرة والحساسة. لهذا السبب ننصح دائمًا أنه عند تحديث إعداد التشغيل الآلي الخاص بك، سواء كان ذلك بإضافة آلة تصنيع الرقائق CNC واختيارها ووضعها أو التبديل إلى سرعة ناقل جديدة لخط إنتاج البلوتوث الكبير لآلة تصنيع ثنائي الفينيل متعدد الكلور، فإنك تقوم بتشغيل لوحة اختبار صغيرة أولاً قبل الإنتاج الكامل. يستغرق الأمر 15 دقيقة ويوفر عليك ساعات من إعادة العمل.

الآن، دعونا نتحدث عن الأسباب الأقل وضوحًا للشورتات التي غالبًا ما تتجاهلها الفرق: تصميم ثنائي الفينيل متعدد الكلور والتعامل مع إعادة التدفق. من السهل إلقاء اللوم على هذه العملية، ولكن في بعض الأحيان تكون المشكلة الجذرية في التصميم نفسه. تكون المكونات الدقيقة (0.4 مم أو أصغر) مع تباعد الوسادة بمقدار 0.2 مم أو أقل عرضة بشكل خاص للقصور، حتى مع التحكم المثالي في العملية. إذا أضاف مصمم PCB الخاص بك الكثير من "خلوص" قناع اللحام بين الوسادات، فقد يؤدي ذلك إلى ترك النحاس المكشوف الذي يجذب المزيد من اللحام أثناء إعادة التدفق. أو إذا كان المسار بين الوسادات ضيقًا جدًا، يمكن أن يلتصق به اللحام المنصهر ويسبب قصرًا. والخبر السار هو أن تعديلًا صغيرًا في التصميم - مثل تقليل الخلوص بمقدار 0.05 مم، أو إضافة حاجز لحام صغير لتضييق فتحة اللوحة - يمكن أن يزيل الشورتات تمامًا دون تغيير عمليتك. لقد رأيت هذا مع أحد العملاء الذين يصنعون الساعات الذكية، حيث كان موصل micro-USB الذي يبلغ طوله 0.35 مم يتسبب في حدوث قصور متسق أثناء إعادة التدفق. قام فريق التصميم الخاص بهم بتعديل حجم فتحة الاستنسل لمنصات الموصل من 0.12 مم إلى 0.1 مم، وتوقف الشورت، حتى مع نفس ملف تعريف إعادة التدفق وإعداد الانتقاء والمكان. تعد معالجة ما بعد إعادة التدفق سببًا خفيًا آخر. إذا كان فريقك يتعامل مع الألواح بأيدٍ عارية، فإن الزيوت الموجودة في الجلد يمكن أن تلوث وسادات اللحام، أو إذا كنت تقوم بتكديس الألواح في وقت مبكر جدًا بعد إعادة التدفق، فإن اللحام المنصهر (حتى لو بدا ثابتًا) يمكن أن يتحرك، مما يؤدي إلى حدوث قصر. نوصي دائمًا بالانتظار لمدة 20 إلى 30 دقيقة بعد إعادة التدفق قبل نقل اللوحات، واستخدام قفازات ESD عند التعامل مع مركبات ثنائي الفينيل متعدد الكلور المأهولة، واستخدام الفواصل بين اللوحات أثناء التخزين. كان لدي فريق يقوم بتكديس 20 لوحًا عاليًا بعد إعادة التدفق مباشرة، وكان 15٪ من الألواح السفلية بها شورت لأن اللحام الموجود في الجزء السفلي من اللوحة العلوية قد ذاب قليلاً وقام بسد الجزء العلوي من اللوحة أدناه. كان هذا حلاً بسيطًا - أضف الفواصل، وانتظر 10 دقائق إضافية قبل التجميع - وقد أدى ذلك إلى خفض معدلها القصير إلى النصف بين عشية وضحاها.

دعنا نختتم هذا بسير عمل عملي لاستكشاف الأخطاء وإصلاحها، وهو شيء يمكنك اتباعه خطوة بخطوة عندما ترى قصرًا أثناء الإنتاج، بدلاً من التخمين. أولاً، أوقف الإنتاج فوراً، فالانتظار لا يؤدي إلا إلى المزيد من الهدر. احصل على 5 ألواح بها شورت، و5 ألواح خالية من العيوب. افحص الوصلات المقصوصة بالمجهر: هل تم محاذاة المكون بشكل غير صحيح؟ إذا كانت الإجابة بنعم، فتحقق من محاذاة الانتقاء والمكان وحالة الفوهة. بعد ذلك، تحقق من الاستنسل: اطبع استنسل اختبار على لوحة PCB فارغة وافحص رواسب اللحام. هل هي موحدة، وذات حجم مناسب، ولا تفيض على فوطها؟ إذا كانت الرواسب كبيرة جدًا، فتحقق من عدم تآكل الاستنسل الخاص بك، وتحقق من لزوجة معجون اللحام، وتحقق من ضغط الطباعة وسرعتها. ثالثًا، قم بسحب مسجل البيانات الخاص بك من آخر عملية إنتاج. انظر إلى ملف تعريف إنحسر: هل كانت درجة حرارة الذروة ضمن النطاق؟ هل كان TAL بين 60-90 ثانية؟ هل كانت هناك أي نقاط ساخنة أو باردة في جميع المجالات؟ إذا كان ملف التعريف معطلاً، فاضبطه وقم بتشغيل لوحة الاختبار. أخيرًا، تحقق من وجود مشكلات في المنبع: هل معجون اللحام الخاص بك جديد؟ هل كان لديك أي وقت توقف حيث تم ترك الاستنسل مكشوفًا؟ هل كانت هناك أية تغييرات على إعداد التشغيل الآلي الخاص بك مؤخرًا؟ سيؤدي اتباع سير العمل هذا إلى التخلص من 90% من الشورتات الناتجة عن مشكلات صغيرة قابلة للإصلاح، وليس بسبب المعدات المعيبة.

في نهاية اليوم، لا يجب أن تكون شورتات اللحام ذات التدفق الخالي من الرصاص قاتلة للإنتاج. إنها علامة على وجود شيء صغير معطل في عمليتك، وليس على أن فرن إعادة التدفق الخالي من الرصاص مكسور. بالنسبة لفريقنا، الذي يعمل مع مئات الشركات المصنعة كل عام، فإن أكبر خطأ نرى الفرق ترتكبه هو القفز لاستبدال المعدات باهظة الثمن بدلاً من مراجعة عملياتهم وموادهم وخطواتهم الأولية أولاً. سواء كنت تقوم بتشغيل مجموعة صغيرة من لوحات النماذج الأولية أو خط إنتاج Bluetooth كبير الحجم يعمل على مدار الساعة طوال أيام الأسبوع، فإن أخذ 15 دقيقة في بداية كل تشغيل للتحقق من المحاذاة وحالة الاستنسل واتساق ملف التعريف يمكن أن يوفر لك ساعات من إعادة العمل والخردة.

إذا كنت تعاني من شورت لحام متناسق، أو تتطلع إلى ترقية إعداد التدفق الخالي من الرصاص لتقليل العيوب، فنحن هنا لمساعدتك. نحن نعمل مع الشركات المصنعة بجميع أحجامها، بدءًا من متاجر النماذج الأولية الناشئة وحتى شركات السيارات والأجهزة الطبية الكبيرة، لضبط العمليات ومعايرة المعدات وتنفيذ مهام سير العمل التي تقلل معدلات إعادة العمل وتحسن الإنتاجية. تواصل مع فريقنا لمناقشة التحديات المحددة التي تواجهك وإيجاد الحل المناسب لخط الإنتاج الخاص بك.

مراجع

1. IPC-J-STD-005، متطلبات تدفقات اللحام للتجمعات الإلكترونية
2. IPC-A-610، قبول التجميعات الإلكترونية
3. اللحام بإعادة التدفق الخالي من الرصاص: دليل عملي، SMTA International، 2022
4. أفضل ممارسات معايرة الانتقاء والمكان، جمعية تكنولوجيا التركيب السطحي، 2021
5. إرشادات تخزين ومعالجة معجون اللحام، حلول تجميع ألفا، 2023