دليل شامل لعملية وتقنيات اللحام بالتدفق

في صناعة الإلكترونيات الحديثة، تُعدّ لحام إعادة التدفق الطريقة الرئيسية لتركيب مكونات التثبيت السطحي على لوحات الدوائر المطبوعة. وسواءً كان ذلك لأغراض النماذج الأولية أو الإنتاج الضخم، فإن جودة لحام إعادة التدفق تؤثر بشكل مباشر على موثوقية المنتج وأدائه وعمره الافتراضي.

 

ببساطة، تتم عملية اللحام بالتدفق كما يلي: أولاً، تُطبع عجينة اللحام على نقاط التوصيل في لوحة الدوائر المطبوعة؛ ثم توضع المكونات فوق عجينة اللحام؛ بعد ذلك، تمر لوحة الدوائر عبر فرن تسخين خاص بالتدفق. عند ارتفاع درجة الحرارة، تنصهر عجينة اللحام وتلتصق المكونات بلوحة الدوائر المطبوعة بإحكام لتشكيل وصلات كهربائية وميكانيكية مستقرة.

 

على الرغم من أن مبدأ عمل اللحام بالتدفق ليس معقدًا، إلا أن هناك العديد من العوامل التي تؤثر على نتائج اللحام بالتدفق في الإنتاج الفعلي، مثل نوع معجون اللحام، وتصميم الاستنسل، وهيكل الوسادة، والتحكم الحاسم في شكل التدفق ودرجة حرارة التدفق.

 

تجمع هذه المقالة محتويات مصادر تقنية متعددة وتشرح ماهية لحام إعادة التدفق بطريقة أبسط وأوضح، وكيفية إتمام عملية لحام إعادة التدفق خطوة بخطوة، وكيفية اختيار آلة لحام إعادة التدفق المناسبة، وكيفية إعداد ملف تعريف إعادة تدفق مستقر، وكيفية تقليل عيوب اللحام الشائعة في الإنتاج.

 

ما هو لحام إنحسر؟

 

ما هي عملية اللحام بالتدفق؟ ببساطة، اللحام بالتدفق هو طريقة للحام مكونات SMT على لوحة الدوائر المطبوعة عن طريق التسخين.

 

تتلخص العملية الأساسية فيما يلي: أولاً، تُطبع عجينة اللحام (المكونة من مسحوق اللحام ومادة الصهر) على نقاط التوصيل في لوحة الدوائر المطبوعة، ثم توضع المكونات في أماكنها المخصصة. بعد ذلك، تُدخل لوحة الدوائر إلى فرن إعادة التدفق الساخن. عند ارتفاع درجة الحرارة، تذوب عجينة اللحام وتتدفق، مغطيةً نقاط التوصيل وأطراف المكونات. وعند انخفاض درجة الحرارة، يبرد اللحام ويتصلب، مكونًا وصلة لحام قوية.

 

هناك عدة أسباب تجعل لحام إعادة التدفق شائع الاستخدام:

 

•  يمكنها لحام العديد من المكونات في نفس الوقت، بكفاءة عالية ونتائج إنتاج مستقرة.

 

•  وهو مناسب للوحات الدوائر المطبوعة عالية الكثافة، مثل تلك المستخدمة في الهواتف المحمولة وأجهزة الكمبيوتر والإلكترونيات الخاصة بالسيارات وأجهزة إنترنت الأشياء.

 

•  من السهل جدًا استخدامه مع خطوط إنتاج SMT الآلية، مثل طباعة الاستنسل، والتقاط ووضع المكونات، وفرن إعادة التدفق.

 

تجدر الإشارة أيضًا إلى أن لحام إعادة التدفق ولحام الموجة ليسا نفس العملية. بشكل عام، يُستخدم لحام الموجة بشكل أساسي في لحام المكونات ذات الثقوب (THT)، بينما يُستخدم لحام إعادة التدفق عادةً في لحام مكونات SMT.

 

  

نظرة عامة على عملية اللحام بالصهر 

 

لا يمكن لعملية لحام إعادة التدفق المستقرة أن تنجح دون التحكم الدقيق في كل خطوة سابقة. ويتحقق تأثير إعادة التدفق الجيد للحام من خلال إجراءات إنتاج موحدة ومراقبة دقيقة للعملية.

 

في خط إنتاج SMT النموذجي، يتم عادةً إجراء عملية اللحام بالتدفق في الخطوات التالية:

 

•  تحضير وتنظيف لوحات الدوائر المطبوعة

 

•  الطباعة باستخدام معجون اللحام (عادةً الطباعة باستخدام الاستنسل)

 

•  وضع المكونات (التقاط ووضعها)

 

•  التسخين في فرن إعادة التدفق

 

•  التبريد، حيث يتصلب اللحام ويشكل وصلات اللحام

 

•  التفتيش ومراقبة الجودة

 

تحضير وتنظيف لوحات الدوائر المطبوعة

 

قبل عملية اللحام بالتدفق، يجب أن يكون سطح لوحة الدوائر المطبوعة نظيفًا. في حال وجود أي تلوث على لوحة الدوائر المطبوعة، قد تحدث مشاكل مثل اللحامات الباردة، أو الدوائر المفتوحة، أو وصلات اللحام غير المكتملة بعد عملية اللحام بالتدفق.

 

تشمل طرق تنظيف لوحات الدوائر المطبوعة الشائعة ما يلي:

 

• التنظيف بالموجات فوق الصوتية - مناسب لإزالة التلوث المستعصي

 

• التنظيف المائي – يستخدم محاليل تنظيف مائية

 

• التنظيف بالمذيبات – يستخدم المذيبات الكيميائية لإزالة الزيت أو البقايا

 

يعتمد اختيار طريقة التنظيف على نوع التلوث، ومواد ثنائي الفينيل متعدد الكلور، والمتطلبات البيئية.

 

تطبيق لصق جندى

 

في معظم خطوط إنتاج اللحام بالتدفق، تُطبع عجينة اللحام على نقاط توصيل لوحة الدوائر المطبوعة باستخدام قالب. يُمكن للقالب المصمم جيدًا التحكم بفعالية في كمية عجينة اللحام، مما يقلل من مشكلة التوصيل غير المرغوب فيه أو نقص اللحام.

 

تشمل العوامل الرئيسية التي تؤثر على جودة طباعة معجون اللحام العوامل الرئيسية الثلاثة التالية:

 

• سمك الاستنسل وتصميم الفتحةوالتي تحدد كمية معجون اللحام المطبوعة على الوسادات.

 

• ضغط الممسحة وسرعتها وزاويتها، مما يؤثر على إمكانية نقل معجون اللحام بالتساوي على لوحة الدوائر المطبوعة.

 

• خصائص معجون اللحام (مثل اللزوجة وسلوك التدفق) وظروف التخزين ستؤثر على استقرار الطباعة.

 

وضع المكونات / التقاط ووضع

 

خلال مرحلة التثبيت، يجب وضع المكونات بدقة على معجون اللحام. إذا لم يتم وضع المكون بشكل صحيح، فسيكون توزيع اللحام غير متساوٍ أثناء عملية إعادة تدفق اللحام، مما قد يؤثر على جودة اللحام.

 

إذا كانت هناك مشاكل في وضع المكونات، فعادة ما تحدث عيوب مثل التشويه، أو تحرك المكونات أو عدم محاذاتها، أو الدوائر المفتوحة، أو جسور اللحام بعد عملية اللحام بالتدفق.

 

فرن إعادة تدفق اللحام

 

يُعد فرن إعادة التدفق أهم المعدات في عملية لحام إعادة التدفق. وتتمثل وظيفته في تسخين لوحة الدوائر المطبوعة، مما يسمح لمعجون اللحام بالذوبان عند درجة حرارة مناسبة ثم التبريد لتشكيل وصلات لحام صلبة.

 

يجب أن يكون فرن إعادة التدفق الجيد ليس فقط قادرًا على التسخين ولكن أيضًا على تسخين لوحة الدوائر المطبوعة في درجة الحرارة المناسبة، وفي الوقت المناسب، وبطريقة مضبوطة عبر اللوحة بأكملها.

 

أنواع أفران إعادة التدفق

 

عند اختيار ماكينة لحام إعادة التدفق، تُعد طريقة التسخين عاملاً مهماً. النوعان الشائعان هما التسخين بالأشعة تحت الحمراء والتسخين بالحمل الحراري للهواء الساخن.

 

العناصر	أفران الأشعة تحت الحمراء (IR)	أفران حرارية
طريقة التدفئة	تعمل الأشعة تحت الحمراء على تسخين لوحة الدوائر المطبوعة	يقوم الهواء الساخن المتداول بتسخين لوحة الدوائر المطبوعة
سرعة التدفئة	تسخين سريع	تدفئة مستقرة ومتحكم بها
توحيد درجة الحرارة	قد يكون غير متساوٍ بسبب اختلاف امتصاص المواد	تسخين أكثر تجانسًا عبر لوحة الدوائر المطبوعة
التحكم في درجة حرارة إعادة التدفق	يصعب التحكم بها بدقة	أسهل وأكثر استقرارًا في التحكم
استقرار شكل إعادة التدفق	قد يختلف ذلك باختلاف المواد المكونة	ملف إعادة تدفق أكثر استقرارًا
تكلفة المعدات	أقل	أكثر
استخدام نموذجي	تجميعات لوحات الدوائر المطبوعة المبسطة	معظم خطوط إنتاج تقنية التجميع السطحي الحديثة
خيار خاص	-	يمكن استخدام التسخين بالطور البخاري
ألواح مناسبة	التجميعات القياسية	ألواح ذات كتلة حرارية عالية أو حساسة لدرجة الحرارة

 

مناطق فرن إعادة التدفق

 

معظم أفران إعادة التدفق مقسمة إلى مناطق حرارية متعددة، ويمكن التحكم في كل منطقة بشكل مستقل.

 

تشكل مناطق درجة الحرارة هذه معًا ملف تعريف إعادة التدفق العام الذي تتعرض له لوحة الدوائر المطبوعة أثناء عملية لحام إعادة التدفق.

 

يمكن تقسيمها عادةً إلى المراحل الأربع التالية:

 

منطقة التسخين المسبق

 

خلال مرحلة التسخين المسبق، سترتفع درجة حرارة لوحة الدوائر المطبوعة تدريجياً لمنع الصدمة الحرارية للمكونات.

 

منطقة النقع

 

ستحافظ مرحلة النقع على لوحة الدوائر المطبوعة في نطاق درجة حرارة متوسطة لفترة من الوقت، مما قد يجعل درجة حرارة لوحة الدوائر المطبوعة بأكملها أكثر تجانسًا وينشط التدفق في معجون اللحام في نفس الوقت.

 

منطقة إعادة التدفق

 

في منطقة إعادة التدفق، ترتفع درجة الحرارة فوق نقطة انصهار اللحام، وتذوب عجينة اللحام وتبلل الوسادات وأطراف المكونات.

 

منطقة التبريد

 

أثناء مرحلة التبريد، يتصلب اللحام ويشكل وصلة اللحام النهائية.

 

مخططات درجة الحرارة / مخطط إعادة التدفق

 

منحنى إعادة التدفق هو منحنى تغير درجة الحرارة الذي تتعرض له لوحة الدوائر المطبوعة داخل فرن إعادة التدفق. وهو عامل مهم يؤثر على جودة لحام إعادة التدفق وإنتاجية التصنيع.

 

تشمل خصائص إعادة التدفق الشائعة ما يلي:

 

• Ramp-Soak-Spike (RSS)

 

ترتفع درجة الحرارة أولاً، ثم تبقى عند مستوى ثابت لفترة من الزمن، وأخيراً تصل إلى ذروة درجة حرارة إعادة التدفق.

 

• الانتقال من المنحدر إلى الذروة (RTS)

 

ترتفع درجة الحرارة باستمرار حتى تصل إلى ذروتها، مع مرحلة نقع قليلة أو معدومة.

 

• ملف تعريف مخصص

 

يتم تعديل الملف التعريفي وفقًا لهيكل لوحة الدوائر المطبوعة وأنواع المكونات وخصائص معجون اللحام.

 

من المهم جدًا فحص خصائص إعادة التدفق بانتظام لأن حالة ماكينة اللحام بإعادة التدفق تتغير بمرور الوقت. على سبيل المثال، قد يختلف أداء المروحة، وقد تتقادم السخانات، وقد تتلف سيور النقل.

 

إذا كنت ترغب في الحفاظ على جودة إعادة التدفق المستقرة، فأنت بحاجة إلى فحص وتعديل ملف تعريف إعادة التدفق بانتظام.

 

مشاكل وحلول شائعة في لحام إعادة التدفق

 

حتى في خطوط الإنتاج المتطورة، قد تحدث عيوب لحام متنوعة أثناء عملية اللحام بالتدفق. يستطيع خط الإنتاج الممتاز تحديد السبب الجذري للمشكلة بسرعة وإجراء تحسينات في مراحل متعددة، مثل طباعة معجون اللحام، ووضع المكونات، وفرن اللحام بالتدفق.

 

فيما يلي بعض العيوب الشائعة وحلولها المقابلة.

 

تومبستونينج

 

يُشير مصطلح "تأثير مانهاتن"، أو "تأثير القبو"، إلى حالة يرتفع فيها أحد طرفي شريحة إلكترونية ويبقى منتصبًا أثناء عملية اللحام بالتدفق، مما يؤدي إلى انقطاع الدائرة. وهذا عيب شائع ناتج عن عدم التوازن أثناء عملية اللحام.

 

أسباب شائعة

 

•  تسخين غير متساوٍ بين الوسادتين

 

•  تختلف كميات معجون اللحام على كل وسادة

 

•  وضع المكونات بشكل غير متناسق

 

•  عدم التوازن الحراري الناتج عن التوزيع غير المتساوي للنحاس على لوحة الدوائر المطبوعة

 

الحلول

 

•  قم بتحسين فتحات الاستنسل لتحقيق توازن في حجم معجون اللحام

 

•  تحقق من دقة الوضع

 

•  اضبط ملف تعريف إعادة التدفق

 

•  تحسين تصميم الوسادة وموازنة النحاس

 

الفراغات

 

تشير الفراغات إلى جيوب الغاز المحصورة داخل وصلة اللحام. وتكثر هذه الظاهرة في رقائق BGA وQFN أو الوسادات الحرارية الكبيرة. يمكن أن تقلل الفراغات من التوصيل الحراري لوصلات اللحام وتؤثر على موثوقيتها.

 

أسباب شائعة

 

•  الغاز المحتبس أثناء عملية اللحام بالتدفق

 

•  الأكسدة تؤثر على ترطيب اللحام

 

•  التخزين أو التعامل غير السليم مع معجون اللحام

 

•  ملف تعريف إعادة التدفق غير مناسب

 

الحلول

 

•  تحسين ملف تعريف إعادة التدفق

 

•  استخدم معجون لحام منخفض الفراغات

 

•  تحسين تصميم الاستنسل

 

•  حافظ على نظافة أسطح لوحات الدوائر المطبوعة

 

وصلات اللحام الباردة

 

عادة ما تظهر وصلات اللحام الباردة باهتة أو متشققة على سطح وصلة اللحام، مما يشير عادةً إلى أن اللحام لم ينصهر تمامًا أو أن التبلل ضعيف.

 

أسباب شائعة

 

•  درجة حرارة إعادة التدفق منخفضة للغاية

 

•  الوقت فوق نقطة السيولة قصير جدًا

 

•  ضعف انتقال الحرارة إلى مناطق معينة من لوحة الدوائر المطبوعة

 

•  تدهور التدفق أو أكسدته

 

الحلول

 

•  زيادة درجة حرارة إعادة التدفق القصوى

 

•  قم بتمديد الوقت قليلاً فوق درجة حرارة السيولة.

 

•  تحسين تجانس التسخين

 

•  تأكد من استخدام معجون لحام جديد

 

جسور اللحيم

 

تشير جسور اللحام إلى حالة تلامس اللحام بين نقاط التوصيل المتجاورة، مما يتسبب في حدوث دارة قصر. هذا النوع من المشاكل شائع نسبيًا في الأجهزة ذات المسافات الدقيقة بين الأطراف أو لوحات الدوائر المطبوعة عالية الكثافة.

 

أسباب شائعة

 

•  معجون اللحام الزائد

 

•  طباعة استنسل رديئة

 

•  اختلال المكون

 

•  ملف تعريف إعادة التدفق غير مستقر

 

الحلول

 

•  قلل من حجم معجون اللحام

 

•  تحسين جودة طباعة الاستنسل

 

•  تحقق من دقة الوضع

 

•  اضبط ملف تعريف إعادة التدفق

 

كرات اللحام

 

يشير مصطلح "تكتل اللحام" إلى تكوّن العديد من كرات اللحام الصغيرة حول نقاط اللحام بعد عملية اللحام بالتدفق. قد تتسبب هذه الكرات في حدوث دوائر قصر، كما أنها تؤثر على موثوقية المنتج.

 

أسباب شائعة

 

•  التسخين السريع للغاية أثناء مرحلة التسخين المسبق

 

•  حالة معجون اللحام سيئة

 

•  طباعة غير متناسقة

 

•  ملف إعادة التدفق غير المناسب

 

الحلول

 

•  خفف من سرعة التسخين المسبق

 

•  تحسين تخزين معجون اللحام والتعامل معه

 

•  تحسين تصميم الاستنسل

 

•  تأكد من نظافة أسطح لوحة الدوائر المطبوعة

 

تُبرز هذه العيوب في اللحام نقطةً واحدة: اللحام بالتدفق عمليةٌ متكاملةٌ تعتمد على نظامٍ متكامل. يجب أن تتضافر جميع عناصر عملية طباعة معجون اللحام، ووضع المكونات، والتحكم في درجة حرارة التدفق لضمان جودة لحام مستقرة.

 

التفتيش ومراقبة الجودة

 

يتمثل دور التفتيش في تحويل المعرفة المتعلقة بالعمليات إلى مراقبة جودة قابلة للقياس والتقييم الكمي. ولا يعتمد نظام الجودة المثالي عادةً على طريقة اختبار واحدة فقط، بل يجمع بين عدة طرق.

 

الفحص البصري

 

الطريقة الأساسية للفحص هي الفحص البصري اليدوي.

 

سيقوم الفني بمراقبة وصلات اللحام على لوحة الدوائر المطبوعة مباشرةً للتحقق من وجود أنواع واضحة من عيوب اللحام، مثل:

 

•  تجسير اللحام

 

•  وصلات لحام مفقودة

 

•  وصلات اللحام غير المكتملة

 

هذه الطريقة بسيطة، لكنها تستطيع تحديد العديد من المشاكل الظاهرة بسرعة.

 

الفحص البصري الآلي، AOI

 

تستخدم تقنية الفحص البصري الآلي (AOI) الكاميرات وأنظمة التعرف على الصور لفحص سطح لوحات الدوائر المطبوعة (PCBs). ويمكنها الكشف عن:

 

•  هل شكل وصلة اللحام طبيعي؟

 

•  ما إذا كان وضع المكونات صحيحًا

 

•  هل توجد عيوب في اللحام؟

 

بالمقارنة مع الفحص اليدوي، فإن الفحص الآلي (AOI) أسرع وأكثر اتساقًا.

 

التفتيش بالأشعة السينية

 

بالنسبة للوحات متعددة الطبقات أو لوحات الدوائر المطبوعة المعقدة، لا يكفي فحص السطح وحده. في هذه الحالة، يُستخدم فحص الأشعة السينية. إذ يمكنه الكشف عن الحالة الداخلية لوصلة اللحام، مثل:

 

•  الفراغات داخل وصلات اللحام

 

•  جندى غير كاف

 

•  عيوب اللحام الخفية

 

 

خاتمة

 

لا يمكن للمنتجات الإلكترونية الموثوقة الاستغناء عن وصلات لحام موثوقة، وقد أصبح لحام إعادة التدفق الطريقة الأكثر شيوعًا في إنتاج تقنية التجميع السطحي (SMT). ولا يقتصر فهم لحام إعادة التدفق على معرفة أن اللحام ينصهر عند تسخينه، بل الأهم من ذلك، فهم كيفية تأثير تصميم قالب التجميع السطحي، وأداء معجون اللحام، ودقة وضع اللحام، ومعايير فرن إعادة التدفق مجتمعةً على استقرار عملية اللحام بأكملها.

 

في الوقت نفسه، من الضروري أيضًا النظر إلى عملية تصنيع الإلكترونيات بأكملها. تحتوي العديد من المنتجات على مكونات SMT ومكونات ذات ثقوب. لذلك، فإن فهم الاختلافات بين اللحام الموجي واللحام بالتدفق يساعد على اتخاذ خيار أنسب يوازن بين التكلفة والكفاءة والموثوقية.

 

الأسئلة الشائعة

 

1. ما هي عملية اللحام بالتدفق العكسي؟

 

تُعدّ عملية اللحام بالتدفق طريقةً تُستخدم لربط مكونات SMT بلوحة الدوائر المطبوعة. يتم وضع معجون اللحام على نقاط التوصيل، ثم توضع المكونات، وتمر اللوحة عبر فرن التدفق حيث ينصهر اللحام ويشكل وصلات اللحام.

 

 

2. ما الفرق بين اللحام الموجي واللحام بالتدفق؟

 

تُستخدم عملية اللحام بالتدفق بشكل أساسي لمكونات التثبيت السطحي، بينما تُستخدم عملية اللحام الموجي لمكونات التثبيت عبر الثقوب. وتستخدم العديد من تجميعات لوحات الدوائر المطبوعة كلا العمليتين.

 

 

3. ما هو ملف تعريف إعادة التدفق؟

 

يُشير منحنى إعادة التدفق إلى منحنى درجة الحرارة الذي تتبعه لوحة الدوائر المطبوعة داخل فرن إعادة التدفق أثناء عملية اللحام. ويتضمن عادةً مراحل التسخين المسبق، والتثبيت الحراري، وإعادة التدفق، والتبريد.

 

 

4. ما هي درجة حرارة إعادة التدفق النموذجية؟

 

بالنسبة لمعظم معاجين اللحام الخالية من الرصاص، تتراوح درجة حرارة إعادة التدفق القصوى عادةً بين 235 درجة مئوية و 250 درجة مئوية، وذلك اعتمادًا على معجون اللحام والمكونات.

 

 

5. ما هي العيوب التي يمكن أن تحدث أثناء عملية اللحام بالتدفق؟

 

تشمل عيوب اللحام بالتدفق الشائعة ما يلي: تشوه اللحام، وجسور اللحام، ووصلات اللحام الباردة، والفراغات، وتكوّن كرات اللحام.

 

 

6. لماذا يعتبر فرن إعادة التدفق مهمًا؟

 

يتحكم فرن إعادة التدفق في التسخين أثناء عملية لحام إعادة التدفق، مما يضمن درجة حرارة إعادة التدفق الصحيحة وجودة وصلة اللحام المتسقة.