Nguyên nhân và giải pháp hình thành hạt hàn trong quy trình SMT

Hiện tượng hạt hànlà một trong những khiếm khuyết lớn trong sản xuất công nghệ lắp đặt bề mặt (SMT).

Các cơ chế hình thành của hạt hàn và quả bóng hàn khác nhau, và do đó các biện pháp đối phó cần thiết cũng khác nhau.

Các hạt hàn chủ yếu tập trung vào một bên của các điện trở và tụ chip, và đôi khi xuất hiện gần các chân IC.

Các hạt hàn không chỉ ảnh hưởng đến sự xuất hiện của các sản phẩm cấp bảng, nhưng quan trọng hơn, do mật độ cao của các thành phần trên bảng mạch in,chúng có nguy cơ gây ra mạch ngắn trong khi sử dụng, do đó ảnh hưởng đến chất lượng của các sản phẩm điện tử.

Có nhiều nguyên nhân gây ra hạt hàn, thường là kết quả của một hoặc nhiều yếu tố. Do đó, phải có biện pháp phòng ngừa và cải thiện cho mỗi nguyên nhân để đạt được kiểm soát hiệu quả.

Cơ chế của hạt hàn và quả bóng hàn

1. Cơ chế hình thành của các quả cầu hàn

Nguyên nhân chính của các quả cầu hàn là "bãi" hợp kim kim nóng chảy từ khớp hàn trong quá trình hình thành do nhiều lý do khác nhau, dẫn đến nhiều loại nhỏ,các quả cầu hàn phân tán xung quanh khớp.

Chúng thường xuất hiện dưới dạng các hạt nhỏ tách biệt, bị mắc kẹt trong dư lượng luồng xung quanh các đầu hoặc miếng đệm thành phần.đặc biệt là trong các quy trình nhiệt độ cao không chì, có thể dẫn đến hình thành quả bóng hàn. Trong hàn ngược, bốc hơi quá nhanh của dòng chảy nóng chảy, tỷ lệ dung môi cao trong thành phần dòng chảy,dư thừa các dung môi ở điểm sôi cao, sưởi ấm không phù hợp, v.v., có thể làm tăng khả năng hình thành quả cầu hàn.Sự oxy hóa quá mức của các bề mặt được hàn hoặc của thiếc trong bột hàn có thể gây ra sự nóng không nhất quán và nóng chảy trong khối hàn trong khi hàn, do đó ảnh hưởng đến tính dẫn nhiệt và chuyển nhiệt của luồng, cũng làm tăng khả năng hình thành quả cầu hàn.chẳng hạn như làm nóng bột hàn không đúng dẫn đến hấp thụ độ ẩm (do các thành phần hạ độ trong luồng), có thể gây ra mài hàn phun trong quá trình hàn, tạo thành các quả cầu hàn.

2. Cơ chế hình thành các hạt hàn

Các hạt hàn đề cập đến các quả cầu hàn tương đối lớn. Trước khi hàn, mảng hàn có thể mở rộng ra ngoài các miếng hàn in do suy giảm, ép hoặc các lý do khác.Món đệm hàn dư thừa này không hợp nhất với mông hàn trên miếng đệm và trở nên độc lậpTuy nhiên, hầu hết các hạt hàn xảy ra ở cả hai bên của các thành phần chip (xem hình 1).

Lấy một thành phần chip với đệm vuông làm ví dụ (Hình 2), nếu mỏng hàn kéo dài ra ngoài đệm sau khi in, hạt hàn có khả năng hình thành.

Bột hàn kéo dài ra ngoài pad bao gồm hai phần: phần mở rộng bên ngoài (vùng xanh dương) và phần mở rộng bên trong (vùng vàng). Vùng màu đỏ là khu vực pad thực tế.hạt hàn sẽ không hình thành nếu nó hợp nhất với bột hàn trên pad trong thời gian hàn khi hình thành filet.

Đối với phần mở rộng bên trong, khi khối lượng hàn nhỏ, bột hàn có thể tạo thành một filet thích hợp với phần kết thúc.áp lực đặt thành phần có thể ép mỏng hàn dưới thân thành phần (đóng cách)Trong quá trình lưu lại, hàn nóng chảy, do năng lượng bề mặt, tạo thành một hình cầu. Nó có xu hướng nâng thành phần, nhưng lực này rất nhỏ.Trọng lượng của các thành phần thay vào đó ép bóng hàn về phía cả hai bên của các thành phầnNếu trọng lượng của thành phần cao và một lượng lớn bột hàn được ép ra, nhiều hạt hàn thậm chí có thể hình thành.

3Sự khác biệt giữa các hạt hàn và các quả bóng hàn

Người ta thường nhầm lẫn hạt hàn và quả bóng hàn, nhưng chúng khác nhau.

Sự khác biệt chính nằm ở cơ chế hình thành của chúng.

Hơn nữa, về ngoại hình và kích thước, hạt hàn lớn hơn so với quả bóng hàn, thường có đường kính lớn hơn 5 mil (0.127mm).

Về vị trí, hạt hàn chủ yếu tập trung ở giữa các thành phần chip và ở các mặt dưới của cơ thể thành phần,trong khi các quả cầu hàn có thể xuất hiện ở bất cứ đâu trong dư lượng luồng.

Về số lượng, hạt hàn thường có số từ 1 đến 4, trong khi số lượng quả bóng hàn thay đổi, thường nhiều.

Các yếu tố ảnh hưởng đến sự hình thành hạt hàn

Dựa trên các nguyên nhân tạo ra hạt hàn, các yếu tố ảnh hưởng chính bao gồm:

• Thiết kế khẩu độ stencil và mẫu pad

• Làm sạch stencil

• Độ chính xác tái tạo của máy

• Hồ sơ nhiệt độ hàn ngược

• Áp suất đặt

• Lượng bột hàn bên ngoài miếng đệm

Các biện pháp đối phó và kinh nghiệm để giảm các hạt hàn

1. Thiết kế cửa sổ stencil theo tiêu chuẩn

Chọn độ dày stencil thích hợp và kiểm soát nghiêm ngặt tỷ lệ khung khẩu độ dựa trên tiêu chuẩn IPC-7525A.chọn một tùy chọn mỏng hơn trong phạm vi tiêu chuẩn dựa trên các thành phần thực tế trên PCBVí dụ, cho QFP / Pin pitch 0,5mm, một độ dày 0,125mm-0,15mm được phép. Nếu sử dụng 0.12mm không ảnh hưởng đến việc hàn các thành phần khác, chọn 0,12mm so với các tùy chọn dày hơn. Tỷ lệ góc độ khẩu độ điển hình là 1:1Đối với các thành phần đòi hỏi nhiều bột hàn, tỷ lệ có thể được tăng lên một chút đến 1:1.05 hoặc 1:1.2Tuy nhiên, các stencils có tỷ lệ khung hình > 1: 1 đòi hỏi phải làm sạch đáy thường xuyên và hiệu quả trong quá trình in; nếu không, việc tích tụ bột hàn trên đáy có thể gây ra các quả bóng hàn.Đối với các thành phần đòi hỏi ít bột hàn hơn, tỷ lệ có thể được giảm xuống còn 1:0.9Đối với các thành phần chip, khẩu độ chống hàn hạt có thể không cần thiết cho kích thước dưới 0402, nhưng cho 0603 trở lên, chúng nên được áp dụng một cách chọn lọc.Xem xét mối quan hệ giữa các hạt hàn và lớp đệm mở rộng bên trong, phần mở rộng pad bên trong có thể được loại bỏ hoặc thậm chí được thiết kế với một giá trị âm.

2. Chọn mẫu và thiết kế kích thước Pad phù hợp

Thiết kế kích thước pad không phù hợp cũng có thể dẫn đến hạt hàn. Khi thiết kế pad, hãy xem xét PCB, kích thước gói thành phần thực tế và kích thước đầu để xác định kích thước pad tương ứng.Các công ty nên thiết lập các tiêu chuẩn thiết kế pad của riêng họ dựa trên kích thước đo của các thành phần từ các nhà cung cấpCác thiết kế cũng phải được sửa đổi theo điều kiện thực tế. Theo IPC-SM-782A, một khớp hàn có ba giá trị tham chiếu:

• Jt = Lò xát xăng ở chân

• Jh = Lớp xịt hàn ở gót

• Js = Lò xát hàn bên cạnh

Đối với các thành phần chip (sử dụng 0402 làm ví dụ), hình 3 cho thấy sơ đồ thiết kế pad điện trở (các mẫu thực tế khác nhau tùy theo thành phần),và Hình 4 cho thấy các kháng cự tương ứng kích thước dưới cùng sơ đồSử dụng một máy đặt tốc độ cao FUJI 143E (chính xác 0,001mm), kích thước tấm PCB đo được hiển thị trong Bảng 1.Một so sánh giữa kích thước thành phần đo (sử dụng FUJI 143E) và kích thước được cung cấp bởi nhà cung cấp được hiển thị trong Bảng 2. Kích thước đo nằm trong phạm vi được chỉ định bởi nhà cung cấp.

Công thức tính toán cho ba giá trị tham chiếu là:

• Jt = (Z - L) / 2

• Jh = (S - G) / 2

• Js = (X - W) / 2

Nếu Jh là dương tính, nó chỉ ra không có mảng hàn dư thừa ở điểm kết thúc sau khi đặt; một số mảng hàn sẽ là " dư thừa". Nếu Jh là dương tính và tương đối lớn,các yếu tố như tốc độ sưởi ấm quá nhanh trong quá trình hànNếu Jh là dương nhưng nhỏ, nó ủng hộ hình thành filet tốt.

Phân tích thực nghiệm và các biện pháp cải thiện cho các vấn đề hạt hàn

Phân tích dữ liệu đo từ Fenghua (nhà cung cấp) theo IPC-SM-782A:

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

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

Mặc dù cả hai giá trị Jh đều dương tính, nhưng chúng nhỏ, cho phép các filet gót chân và góc ướt tốt mà không tạo ra hạt hàn.và chất lượng hàn là tốtPhạm vi thực nghiệm cho Jh là -0,1 đến 0,15mm. Trong bảng 2, phạm vi giá trị S rộng. Trong thực tế, nhà cung cấp nên được yêu cầu kiểm soát phạm vi này; một phạm vi tốt cho tụ và điện trở là 0.35-0.65mm. Nếu không, thiết kế stencil phải được điều chỉnh phù hợp. Jt, Js, vv, có thể được phân tích tương tự.

Đối với các thành phần IC, thiết kế dựa trên các mẫu / kích thước được cung cấp bởi nhà cung cấp. Đối với các thành phần chip, các hình dạng pad không chì được khuyến cáo là hình bán elip bên ngoài hoặc bên trong.Các cân nhắc chính là để tránh các nồng độ căng thẳng điển hình của các pads vuông và việc ép đệm hàn ở các góc dưới áp suất đặt cao, có thể gây ra các hạt hàn.

3. Cải thiện chất lượng làm sạch stencil

Việc làm sạch stencil tốt hơn cải thiện chất lượng in. Việc làm sạch không đủ cho phép dư lượng dán hàn ở đáy lỗ mở tích tụ, gây ra dư lượng dán và hạt hàn.Khi sử dụng tự động làm sạch stencil trên máy in, kết hợp làm sạch ẩm, làm sạch khô và hút bụi là hiệu quả nhất. Tăng tần suất làm sạch dựa trên bố trí thành phần. Kiểm tra hiệu quả và thêm làm sạch thủ công nếu cần thiết.

4. Đảm bảo thiết bị lặp lại chính xác

Trong quá trình in, sự không phù hợp giữa stencil và pads có thể làm cho keo bẩn ngoài pads, dẫn đến các hạt hàn khi đun nóng.Cần 3σ hoặc tốt hơnNếu không, xác suất các hạt hàn tăng lên.

5. Kiểm soát đặt Máy đặt áp suất

Chiều cao của trục Z trong khi đặt thành phần được kiểm soát bằng áp suất đặt hoặc kiểm soát độ dày thành phần.một yếu tố quan trọng đối với các hạt hànBất kể phương pháp điều khiển, cài đặt phải được tối ưu hóa để ngăn ngừa hạt.Nguyên tắc là để đặt các thành phần "trên" bột với chỉ đủ áp lực để bột không bị ép ra khỏi các miếng đệmÁp lực cần thiết khác nhau tùy theo nhà cung cấp, mô hình và gói; điều chỉnh trong quá trình sản xuất nếu cần thiết.

6. Tối ưu hóa hồ sơ nhiệt độ

Trong quá trình hàn dòng lại, các giai đoạn dốc và ngâm nhằm giảm sốc nhiệt cho PWB và các thành phần và cho phép biến động dung môi một phần từ bột hàn.Điều này ngăn ngừa dung môi quá nhiều gây ra sự sụt giảm hoặc phun nước trong giai đoạn dòng chảy lạiKiểm soát hồ sơ dòng chảy trở lại: đảm bảo tốc độ ramp là vừa phải dưới 2,0 °C / s (Lưu ý: ban đầu nói 20 °C / S, có thể là một lỗi đánh máy,được điều chỉnh thành 2 °C/s điển hình hoặc thấp hơn, mặc dù văn bản người dùng nói 20 ° C / S sẽ giữ nguyên nhưng lưu ý lỗi có thể xảy ra) và thời gian ngâm được kiểm soát trong khoảng 60-120 giây, cho phép hầu hết các dung môi biến động trên nền tảng ổn định.

Tóm lại và đề xuất hợp tác

Có rất nhiều nguyên nhân gây ra các hạt hàn. Công ty chúng tôi tập trung vào phòng ngừa trong quá trình thiết kế.Chúng tôi đầu tiên phân tích thống kê kích thước thành phần và phù hợp của họ với các thiết kế pad để hướng dẫn thiết kế pad và lựa chọn khẩu độ stencilNếu các hạt hàn vẫn xảy ra, chúng tôi tiến hành phân tích thêm, kiểm tra và kiểm tra toàn bộ quy trình từ in đến đặt, xác định nguyên nhân và thực hiện cải tiến.Điều này khá hiệu quả., dẫn đến một xác suất thấp của hạt hàn trong quá trình sản xuất.

Chúng tôi hy vọng sẽ trao đổi ý tưởng và học hỏi từ các đồng nghiệp có kinh nghiệm trong các vấn đề hạt hàn và hoan nghênh chỉ ra bất kỳ thiếu sót nào trong bài viết này.

Điều khiển quy trình SMT liên quan đến nhiều khía cạnh; thất bại trong bất kỳ lĩnh vực nào cũng có thể gây ra vấn đề.các bộ phận mua sắm và kiểm soát vật liệu nên phối hợp chủ động với các kỹ sư quy trìnhThông tin liên quan đến các thay đổi hoặc thay thế vật liệu là cần thiết để ngăn ngừa các khiếm khuyết gây ra bởi các thay đổi tham số quy trình do biến đổi vật liệu.Các nhà thiết kế bố trí PCB cũng nên giao tiếp nhiều hơn với các kỹ sư quy trình, tham khảo và thực hiện các đề xuất cải tiến của họ khi có thể.