راهنمای جامع فرآیند و تکنیک‌های لحیم‌کاری Reflow

در تولید الکترونیکی مدرن، لحیم‌کاری جریانی روش اصلی لحیم‌کاری برای نصب قطعات نصب سطحی روی بردهای مدار چاپی است. چه برای نمونه‌سازی اولیه و چه برای تولید انبوه، کیفیت لحیم‌کاری جریانی مستقیماً بر قابلیت اطمینان، عملکرد و عمر مفید محصول تأثیر می‌گذارد.

 

به زبان ساده، فرآیند لحیم کاری جریانی به شرح زیر است: ابتدا، خمیر لحیم روی پدهای PCB چاپ می‌شود؛ سپس قطعات روی خمیر لحیم قرار می‌گیرند؛ پس از آن، برد مدار از یک کوره جریانی گرم عبور می‌کند. هنگامی که دما افزایش می‌یابد، خمیر لحیم ذوب شده و قطعات را محکم به PCB می‌چسباند تا اتصالات الکتریکی و مکانیکی پایداری ایجاد شود.

 

اگرچه اصل کار لحیم کاری جریان برگشتی پیچیده نیست، عوامل زیادی وجود دارند که بر نتایج لحیم کاری جریان برگشتی در تولید واقعی تأثیر می‌گذارند، مانند نوع خمیر لحیم، طراحی شابلون، ساختار پد و کنترل بسیار مهم پروفیل جریان برگشتی و دمای جریان برگشتی.

 

این مقاله مطالب منابع فنی متعدد را ترکیب می‌کند و به روشی ساده‌تر و واضح‌تر توضیح می‌دهد که لحیم‌کاری بازتابی چیست و چگونه فرآیند لحیم‌کاری بازتابی گام به گام انجام می‌شود، چگونه دستگاه لحیم‌کاری بازتابی مناسب را انتخاب کنیم، چگونه یک پروفایل بازتابی پایدار راه‌اندازی کنیم و چگونه عیوب رایج لحیم‌کاری در تولید را کاهش دهیم.

 

لحیم کاری Reflow چیست؟

 

لحیم کاری جریان برگشتی چیست؟ به زبان ساده، لحیم کاری جریان برگشتی روشی برای لحیم کاری قطعات SMT روی PCB با حرارت دادن است.

 

فرآیند اساسی به شرح زیر است: ابتدا خمیر لحیم (خمیر لحیم از پودر لحیم و شار تشکیل شده است) را روی پدهای PCB چاپ کنید و سپس قطعات را در موقعیت‌های مربوطه قرار دهید. پس از آن، برد مدار وارد کوره بازتاب گرم شده می‌شود. هنگامی که دما افزایش می‌یابد، خمیر لحیم ذوب شده و جریان می‌یابد و پدها و پایه‌های قطعات را می‌پوشاند. هنگامی که دما کاهش می‌یابد، لحیم سرد و جامد می‌شود و یک اتصال لحیم قوی تشکیل می‌دهد.

 

دلایل مختلفی وجود دارد که چرا لحیم کاری بازتابی به طور گسترده مورد استفاده قرار می گیرد:

 

•  این دستگاه می‌تواند همزمان بسیاری از قطعات را لحیم کند، با راندمان بالا و نتایج تولید پایدار.

 

•  این ماده برای PCB های با چگالی بالا، مانند تلفن های همراه، رایانه ها، قطعات الکترونیکی خودرو و دستگاه های اینترنت اشیا مناسب است.

 

•  استفاده از آن در خطوط تولید خودکار SMT مانند چاپ استنسیل، فرهای Pick-and-place و Reflow بسیار آسان است.

 

همچنین باید توجه داشت که لحیم کاری جریان برگشتی و لحیم کاری موجی فرآیند یکسانی نیستند. به طور کلی، لحیم کاری موجی عمدتاً برای لحیم کاری قطعات سوراخ دار (THT) استفاده می شود، در حالی که لحیم کاری جریان برگشتی معمولاً برای قطعات SMT استفاده می شود.

 

  

بررسی اجمالی فرآیند لحیم کاری مجدد 

 

یک فرآیند لحیم کاری پایدار با جریان برگشتی بدون کنترل مداوم هر مرحله قبلی نمی‌تواند انجام شود. یک اثر جریان برگشتی لحیم خوب از طریق رویه‌های تولید استاندارد و کنترل فرآیند حاصل می‌شود.

 

در یک خط تولید SMT معمولی، لحیم کاری reflow معمولاً در مراحل زیر انجام می‌شود:

 

•  آماده سازی و تمیز کردن برد مدار چاپی (PCB)

 

•  چاپ خمیر لحیم (معمولاً چاپ شابلون)

 

•  جایگذاری قطعات (انتخاب و قرار دادن)

 

•  گرمایش در فر رفلکتور

 

•  خنک شدن، جایی که لحیم جامد می‌شود و اتصالات لحیم را تشکیل می‌دهد

 

•  بازرسی و کنترل کیفیت

 

آماده سازی و تمیز کردن PCB

 

قبل از لحیم کاری مجدد، سطح PCB باید تمیز باشد. اگر آلودگی روی PCB وجود داشته باشد، ممکن است مشکلاتی مانند اتصالات سرد، مدارهای باز یا اتصالات لحیم ناقص پس از لحیم کاری مجدد رخ دهد.

 

روش‌های رایج تمیز کردن PCB عبارتند از:

 

• تمیز کردن با امواج فراصوت - مناسب برای از بین بردن آلودگی‌های سرسخت

 

• تمیز کردن با آب - از محلول‌های پاک‌کننده‌ی پایه آب استفاده می‌کند

 

• تمیز کردن با حلال - از حلال‌های شیمیایی برای حذف روغن یا باقیمانده استفاده می‌کند

 

انتخاب روش تمیز کردن به نوع آلودگی، مواد PCB و الزامات محیطی بستگی دارد.

 

کاربرد خمیر لحیم کاری

 

در بیشتر خطوط تولید لحیم کاری بازتابی، خمیر لحیم با استفاده از یک شابلون روی پدهای PCB چاپ می‌شود. یک شابلون با طراحی خوب می‌تواند به طور موثر حجم خمیر لحیم را کنترل کند و در نتیجه مشکل پل زدن لحیم یا لحیم ناکافی را کاهش دهد.

 

عوامل اصلی مؤثر بر کیفیت چاپ خمیر لحیم شامل سه مورد اصلی زیر است:

 

• ضخامت شابلون و طراحی روزنهکه میزان خمیر لحیم چاپ شده روی پدها را تعیین می‌کنند.

 

• فشار، سرعت و زاویه‌ی تیِ لاستیکی که بر انتقال یکنواخت خمیر لحیم به PCB تأثیر می‌گذارند.

 

• خواص خمیر لحیم (مانند ویسکوزیته و رفتار جریان) و شرایط نگهداری بر پایداری چاپ تأثیر می‌گذارند.

 

جایگذاری قطعات / انتخاب و قرار دادن

 

در مرحله جایگذاری، قطعات باید به طور دقیق روی خمیر لحیم قرار داده شوند. اگر قطعه به درستی قرار نگیرد، توزیع لحیم در طول جریان لحیم ناهموار خواهد بود که می‌تواند بر کیفیت لحیم کاری تأثیر بگذارد.

 

اگر در محل قرارگیری مشکلی وجود داشته باشد، معمولاً پس از لحیم‌کاری با جریان برگشتی، عیوبی مانند تامبستون شدن، جابجایی یا ناهم‌ترازی اجزا، مدارهای باز و پل‌های لحیم رخ می‌دهد.

 

اجاق گاز لحیم کاری

 

کوره‌ی جریان برگشتی (Reflow Oven) مهم‌ترین تجهیز در فرآیند لحیم‌کاری جریان برگشتی است. وظیفه‌ی آن گرم کردن برد مدار چاپی (PCB) و اجازه دادن به خمیر لحیم برای ذوب شدن در دمای مناسب و سپس خنک شدن برای تشکیل اتصالات لحیم جامد است.

 

یک کوره بازتابی خوب نه تنها باید قادر به گرم کردن باشد، بلکه باید برد مدار چاپی را در دمای مناسب، در زمان مناسب و به صورت کنترل شده در کل برد گرم کند.

 

انواع اجاق های Reflow

 

هنگام انتخاب دستگاه لحیم کاری جریان برگشتی، روش گرمایش عامل مهمی است. دو نوع رایج آن گرمایش مادون قرمز و گرمایش همرفتی هوای گرم است.

 

مورد	اجاق‌های مادون قرمز (IR)	اجاق گاز همرفت
روش گرم کردن	تابش مادون قرمز PCB را گرم می‌کند	گردش هوای گرم، PCB را گرم می‌کند
سرعت گرمایش	گرمایش سریع	گرمایش پایدار و کنترل‌شده
یکنواختی دما	ممکن است به دلیل جذب مواد مختلف ناهموار باشد	گرمایش یکنواخت‌تر در سراسر PCB
کنترل دمای جریان مجدد	کنترل دقیق آن دشوارتر است	کنترل آسان‌تر و پایدارتر
پایداری پروفیل جریان برگشتی	ممکن است با مواد تشکیل دهنده متفاوت باشد	مشخصات بازتاب پایدارتر
هزینه تجهیزات	پایین	برتر
استفاده معمول	مونتاژهای PCB ساده‌تر	مدرن‌ترین خطوط تولید SMT
گزینه ویژه	-	قابلیت استفاده از گرمایش فاز بخار
تخته‌های مناسب	مجامع استاندارد	تخته‌های با جرم حرارتی بالا یا حساس به دما

 

نواحی فر

 

بیشتر کوره‌های بازتابی به چندین منطقه دمایی تقسیم می‌شوند و هر منطقه را می‌توان به طور مستقل کنترل کرد.

 

این مناطق دمایی در کنار هم، پروفیل کلی جریان برگشتی را که برد مدار چاپی در طول فرآیند لحیم‌کاری جریان برگشتی تجربه می‌کند، تشکیل می‌دهند.

 

معمولاً می‌توان آن را به ۴ مرحله زیر تقسیم کرد:

 

منطقه پیش گرمایش

 

در طول مرحله پیش گرمایش، دمای برد مدار چاپی به تدریج افزایش می‌یابد تا از شوک حرارتی به قطعات جلوگیری شود.

 

منطقه خیساندن

 

مرحله خیساندن، برد مدار چاپی را برای مدتی در محدوده دمایی متوسط ​​نگه می‌دارد، که می‌تواند دمای کل برد مدار چاپی را یکنواخت‌تر کند و همزمان شار موجود در خمیر لحیم را فعال کند.

 

منطقه Reflow

 

در ناحیه بازتاب، دما از نقطه ذوب لحیم بالاتر می‌رود و خمیر لحیم، پدها و پایه‌های قطعه را ذوب و خیس می‌کند.

 

منطقه خنک کننده

 

در طول مرحله خنک شدن، لحیم جامد می‌شود و اتصال لحیم نهایی را تشکیل می‌دهد.

 

پروفایل‌های دما / پروفایل جریان برگشتی

 

پروفیل جریان برگشتی، منحنی تغییر دمایی است که یک برد مدار چاپی (PCB) درون کوره جریان برگشتی تجربه می‌کند. این یک عامل مهم است که بر کیفیت لحیم‌کاری جریان برگشتی و بازده تولید تأثیر می‌گذارد.

 

پروفیل‌های رایج بازتابی عبارتند از:

 

• شیب-خیس-سنبله (RSS)

 

دما ابتدا افزایش می‌یابد، سپس برای مدتی در یک سطح پایدار می‌ماند و در نهایت به حداکثر دمای جریان مجدد می‌رسد.

 

• شیب به اسپایک (RTS)

 

دما به طور مداوم افزایش می‌یابد تا به اوج خود برسد، بدون اینکه مرحله خیساندن کم یا بدون مرحله خیساندن باشد.

 

• مشخصات سفارشی

 

این پروفیل با توجه به ساختار برد مدار چاپی، انواع قطعات و ویژگی‌های خمیر لحیم تنظیم می‌شود.

 

بررسی منظم پروفیل جریان برگشتی بسیار مهم است زیرا وضعیت دستگاه لحیم کاری جریان برگشتی با گذشت زمان تغییر می‌کند. به عنوان مثال، عملکرد فن ممکن است متفاوت باشد، بخاری‌ها ممکن است قدیمی شوند و تسمه‌های نقاله ممکن است فرسوده شوند.

 

اگر می‌خواهید کیفیت جریان برگشتی پایدار را حفظ کنید، باید مشخصات جریان برگشتی را مرتباً بررسی و تنظیم کنید.

 

مشکلات و راه حل های رایج لحیم کاری Reflow

 

حتی در یک خط تولید بالغ، ممکن است در طول فرآیند لحیم کاری reflow، نقص‌های لحیم کاری مختلفی رخ دهد. یک خط تولید عالی می‌تواند به سرعت علت اصلی مشکل را شناسایی کرده و در مراحل مختلف، مانند چاپ خمیر لحیم، قرار دادن قطعات و کوره reflow، بهبودهایی ایجاد کند.

 

در ادامه به برخی از عیوب رایج و راه‌حل‌های مربوط به آنها اشاره شده است.

 

سنگ قبر

 

پدیده سنگ قبر (Tombstoning) که با نام "اثر منهتن" نیز شناخته می‌شود، به وضعیتی اشاره دارد که در آن یک سر قطعه تراشه در حین لحیم‌کاری جریانی بالا آمده و به صورت عمودی قرار می‌گیرد و در نتیجه مدار باز می‌شود. این یک نقص معمول ناشی از عدم تعادل در طول فرآیند لحیم‌کاری است.

 

علل شایع

 

•  گرمایش ناهموار بین دو پد

 

•  حجم‌های مختلف خمیر لحیم روی هر پد

 

•  قرارگیری نادرست اجزا

 

•  عدم تعادل حرارتی ناشی از توزیع ناهموار مس روی PCB

 

مزایا

 

•  بهینه سازی روزنه های شابلون برای متعادل کردن حجم خمیر لحیم

 

•  بررسی دقت قرارگیری

 

•  تنظیم مشخصات بازتاب

 

•  بهبود طراحی پد و متعادل‌سازی مس

 

خالی کردن

 

حفره‌ها به محفظه‌های گاز محبوس شده در داخل اتصال لحیم اشاره دارند. این پدیده بیشتر در BGA، QFN یا پدهای حرارتی بزرگ رایج است. حفره‌ها می‌توانند رسانایی حرارتی اتصالات لحیم را کاهش داده و بر قابلیت اطمینان آنها تأثیر بگذارند.

 

علل شایع

 

•  گاز محبوس شده در حین لحیم کاری reflow

 

•  اکسیداسیون مؤثر بر خیس شدن لحیم

 

•  نگهداری یا جابجایی نامناسب خمیر لحیم

 

•  یک پروفیل جریان برگشتی نامناسب

 

مزایا

 

•  بهینه سازی پروفایل بازتاب

 

•  از خمیر لحیم با خلل و فرج کم استفاده کنید

 

•  بهبود طراحی شابلون

 

•  سطوح PCB را تمیز نگه دارید

 

اتصالات لحیم سرد

 

اتصالات لحیم سرد معمولاً روی سطح اتصال لحیم، کدر یا ترک خورده به نظر می‌رسند، که معمولاً نشان می‌دهد لحیم کاملاً ذوب نشده یا خیس‌شوندگی ضعیفی دارد.

 

علل شایع

 

•  دمای جریان مجدد خیلی پایین است

 

•  زمان بالای لیکوئیدوس خیلی کوتاه است

 

•  انتقال حرارت ضعیف به مناطق خاصی از PCB

 

•  تخریب یا اکسیداسیون شار

 

مزایا

 

•  دمای اوج جریان مجدد را افزایش دهید

 

•  کمی زمان را بالاتر از نقطه لیکوئیدوس افزایش دهید

 

•  بهبود یکنواختی گرمایش

 

•  مطمئن شوید که از خمیر لحیم تازه استفاده می‌شود

 

پل های لحیم کاری

 

پل‌های لحیم به وضعیتی اشاره دارند که در آن لحیم، پدهای مجاور را به هم متصل می‌کند و باعث اتصال کوتاه می‌شود. این نوع مشکل در دستگاه‌های با گام ریز یا PCBهای با چگالی بالا نسبتاً رایج است.

 

علل شایع

 

•  خمیر لحیم اضافی

 

•  چاپ شابلون ضعیف

 

•  ناهمراستایی اجزا

 

•  یک پروفیل جریان ناپایدار

 

مزایا

 

•  کاهش حجم خمیر لحیم

 

•  بهبود کیفیت چاپ شابلون

 

•  بررسی دقت قرارگیری

 

•  تنظیم مشخصات بازتاب

 

لحیم کاری توپی

 

گلوله شدن لحیم به تشکیل تعداد زیادی گلوله لحیم کوچک در اطراف اتصالات لحیم پس از لحیم کاری برگشتی اشاره دارد. این گلوله های لحیم ممکن است باعث اتصال کوتاه شوند و همچنین بر قابلیت اطمینان محصول تأثیر بگذارند.

 

علل شایع

 

•  گرمایش خیلی سریع در مرحله پیش گرمایش

 

•  وضعیت نامناسب خمیر لحیم

 

•  چاپ ناهماهنگ

 

•  پروفیل بازتاب نامناسب

 

مزایا

 

•  شیب پیش گرمایش را کاهش دهید

 

•  بهبود ذخیره‌سازی و جابجایی خمیر لحیم

 

•  طراحی شابلون را بهینه کنید

 

•  اطمینان از تمیز بودن سطوح PCB

 

این نقص‌های لحیم‌کاری یک نکته را برجسته می‌کنند: لحیم‌کاری با جریان برگشتی یک فرآیند سیستمی کامل است. چاپ خمیر لحیم، قرار دادن قطعات و کنترل دمای جریان برگشتی باید همگی با هم کار کنند تا کیفیت لحیم‌کاری پایدار تضمین شود.

 

بازرسی و کنترل کیفیت

 

نقش بازرسی تبدیل دانش فرآیند به کنترل کیفیت قابل اندازه‌گیری و سنجش است. یک سیستم کیفیت کامل معمولاً فقط به یک روش آزمایش متکی نیست، بلکه چندین روش را با هم ترکیب می‌کند.

 

بازرسی بصری

 

اساسی‌ترین روش بازرسی، بازرسی چشمی دستی است.

 

اپراتور مستقیماً اتصالات لحیم کاری روی PCB را مشاهده می‌کند تا انواع آشکار نقص لحیم کاری، مانند موارد زیر را بررسی کند:

 

•  پل لحیم کاری

 

•  اتصالات لحیم کاری از دست رفته

 

•  اتصالات لحیم ناقص

 

این روش ساده است، اما می‌تواند به سرعت بسیاری از مشکلات قابل مشاهده را شناسایی کند.

 

بازرسی نوری خودکار، AOI

 

AOI از دوربین‌ها و سیستم‌های تشخیص تصویر برای بازرسی سطح PCBها استفاده می‌کند. این سیستم می‌تواند موارد زیر را تشخیص دهد:

 

•  آیا شکل اتصال لحیم طبیعی است؟

 

•  آیا قرارگیری اجزا صحیح است؟

 

•  آیا ناهنجاری‌های لحیم‌کاری وجود دارد؟

 

در مقایسه با بازرسی دستی، AOI سریع‌تر و سازگارتر است.

 

بازرسی اشعه ایکس

 

برای بردهای چند لایه یا PCB های پیچیده، بازرسی سطح به تنهایی کافی نیست. در این مرحله، از بازرسی با اشعه ایکس استفاده می‌شود. این روش می‌تواند شرایط داخلی اتصال لحیم، مانند موارد زیر را آشکار کند:

 

•  حفره‌های داخل اتصالات لحیم‌کاری

 

•  لحیم کاری ناکافی

 

•  عیوب پنهان لحیم کاری

 

 

نتیجه

 

محصولات الکترونیکی قابل اعتماد بدون اتصالات لحیم کاری قابل اعتماد نمی‌توانند کار کنند و لحیم کاری جریان برگشتی به رایج‌ترین روش لحیم کاری در تولید SMT تبدیل شده است. درک لحیم کاری جریان برگشتی فقط دانستن این نیست که لحیم هنگام گرم شدن ذوب می‌شود. مهمتر از آن، لازم است درک کنیم که چگونه طراحی شابلون SMT، عملکرد خمیر لحیم، دقت قرارگیری و پارامترهای کوره جریان برگشتی با هم بر پایداری کل فرآیند لحیم کاری جریان برگشتی تأثیر می‌گذارند.

 

در عین حال، لازم است کل فرآیند تولید قطعات الکترونیکی نیز بررسی شود. بسیاری از محصولات هم اجزای SMT و هم اجزای سوراخ‌دار دارند. بنابراین، درک تفاوت‌های بین لحیم‌کاری موجی و لحیم‌کاری جریانی می‌تواند به انتخاب مناسب‌تر از نظر هزینه، کارایی و قابلیت اطمینان کمک کند.

 

سوالات متداول

 

۱. لحیم کاری جریانی چیست؟

 

لحیم کاری جریان برگشتی روشی است که برای اتصال قطعات SMT به PCB استفاده می‌شود. خمیر لحیم روی پدها چاپ می‌شود، قطعات قرار می‌گیرند و برد از یک کوره جریان برگشتی عبور می‌کند که در آنجا لحیم ذوب شده و اتصالات لحیم را تشکیل می‌دهد.

 

 

۲. تفاوت بین لحیم کاری موجی و لحیم کاری جریانی چیست؟

 

لحیم کاری جریان برگشتی عمدتاً برای قطعات SMT استفاده می‌شود، در حالی که لحیم کاری موجی برای قطعات سوراخ‌دار استفاده می‌شود. بسیاری از مجموعه‌های PCB از هر دو فرآیند استفاده می‌کنند.

 

 

۳. پروفیل reflow چیست؟

 

پروفیل جریان برگشتی، منحنی دمایی است که یک برد مدار چاپی در طول فرآیند لحیم‌کاری جریان برگشتی، درون کوره جریان برگشتی طی می‌کند. این پروفیل معمولاً شامل مراحل پیش‌گرمایش، خیساندن، جریان برگشتی و خنک‌سازی است.

 

 

۴. دمای معمول جریان برگشتی چقدر است؟

 

برای اکثر خمیر لحیم‌های بدون سرب، دمای اوج جریان برگشتی معمولاً بین ۲۳۵ تا ۲۵۰ درجه سانتیگراد است که به خمیر لحیم و قطعات بستگی دارد.

 

 

۵. چه نقص‌هایی ممکن است در حین لحیم‌کاری reflow رخ دهد؟

 

عیوب رایج لحیم‌کاری با جریان برگشتی شامل ایجاد برآمدگی، پل‌های لحیم، اتصالات لحیم سرد، حفره‌ها و گلوله شدن لحیم است.

 

 

۶. چرا فر reflow مهم است؟

 

کوره‌ی جریان برگشتی، حرارت را در طول فرآیند لحیم‌کاری جریان برگشتی کنترل می‌کند و دمای جریان برگشتی صحیح و کیفیت اتصال لحیم ثابت را تضمین می‌کند.