Šta je reflow lemljenje?
Reflow lemljenje je jedna od metoda lemljenja koja se koristi u PCBA proces. Naziva se reflow lemljenje jer se kalaj tokom procesa pretvara iz čvrstog u tečno stanje, a zatim iz tečnog ponovo u čvrsto. Reflow lemljenje koristi sistem grijanja u reflow peći za otapanje paste od kalaja, tako da se SMT komponente i kontakti na tiskanoj pločici (PCB) zajedno zaleme i formiraju električnu vezu.
Kako se tipovi SMT paketa stalno mijenjaju, peć za reflow je također prošla kroz nekoliko generacija. Za PCBA proizvode za računare najčešća metoda je infracrveno + toplotno-zračno reflow lemljenje. Infracrveno zračenje ima snažnu prodornost, visoku toplotnu efikasnost i nisku potrošnju energije. Topli zrak omogućava ravnomjerniju temperaturu. Zajedno mogu postići dobar rezultat lemljenja.
Upotreba stezaljki u talasnom lemljenju
Uzmimo za primjer matičnu ploču servera. Nakon postavljanja SMT komponenti i prije taljenja lemnih pastica (reflow), poluproizvod PCBA obično treba držač za potporu. Štampane pločice (PCB) se lako mogu deformisati kada se zagrijavaju u pećnici za reflow. Ako se PCB deformiše, to može uzrokovati probleme sa konektorima, otvorene lemne spojeve na BGA i druge poteškoće. Neke male PCBA ploče ne trebaju držač u pećnici za reflow, kao što su PDB ploče, riser kartice i HDD backplane ploče.
Držač za reflow treba dizajnirati ne samo na osnovu veličine PCB-a, već i rasporeda komponenti. U blizini nekih teških komponenti, potpore treba dizajnirati ispod ploče kako bi se spriječilo savijanje ili deformacija PCB-a u pećnici. Potpore na donjoj strani ploče također moraju izbjegavati komponente, kako komponente ne bi bile oštećene prilikom vađenja PCBA. Prečnik lokacijskih igala koje se koriste za fiksiranje također treba biti određen na osnovu praktičnog iskustva. Ako su vodični čepovi premali, ne mogu precizno pozicionirati ploču. Ako su preveliki, štampana pločica se može proširiti ili deformisati u pećnici za taljenje, te ploču možda neće biti moguće ukloniti nakon lemljenja. Ako se izvadi na silu, tragovi oko rupa za pozicioniranje mogu biti oštećeni.
Dizajn antideformacione osigurače za specijalne komponente
SMT konektori, posebno konektori sa mnogo i gusto postavljenih pinova, skloni su otvorenim lemnim spojevima i hladnim lemnim spojevima. To je također zato što se plastično kućište konektora može deformisati do određene mjere kada se zagrije u pećnici. Stoga, pored oslonca za ploču ispod PCB-a, tehničari ponekad izrađuju posebne držače sa pritiskom za neke komponente. Ovi pritisni blokovi se pritišću na komponente kako bi se spriječila deformacija u pećnici za taljenje i izbjegli problemi poput otvorenih lemnih spojeva i hladnih lemova. Materijal ovih pritisnih blokova također je važan. Moraju biti otporni na visoke temperature, ali ne bi trebali biti veliki metalni dijelovi. Metalni držači mogu apsorbirati toplinu i utjecati na kvalitetu lemljenja.
Zone pećnice za reflow i parametri procesa
Reflow peć obično ima 4 zone: zonu predgrijavanja, zonu namakanja, reflow zonu i zonu hlađenja. Oprema ima mnogo parametara, uključujući podešavanje temperature, brzinu zagrijavanja, brzinu hlađenja, vrijeme namakanja, vrijeme iznad 220 °C, vršnu temperaturu, koncentraciju dušika i izlaznu temperaturu. Da bi se osiguralo da oprema radi ispravno i da stvarni parametri zadovoljavaju proizvodne potrebe trenutnog proizvoda, nadležno osoblje mora testirati temperaturni profil prije proizvodnje.
Zašto je testiranje temperaturnog profila važno
Testiranje temperaturnog profila zahtijeva loger temperature i profilnu ploču. Profilna ploča je SMT polugotov proizvod s priključenim termoparima. Žice temperaturnih sondi povezuju profilnu ploču i loger temperature. Testne tačke na profilnoj ploči trebaju pokriti četiri ugla štampane pločice (PCB), donju i gornju stranu ploče, te neke komponente koje zahtijevaju posebnu pažnju pri lemljenju, kao što su pinovi memorijskih utora, položaji kuglica kalaja (solder balls) na reprezentativnim BGA paketima i tijela temperaturno osjetljivih uređaja. Svaki proces koji koristi reflow lemljenje zahtijeva jednu profilnu ploču, kao što su SMT reflow lemljenje sa donje strane, SMT reflow lemljenje sa gornje strane i stanice za popravku BGA.
Nitrogen reflow lemljenje i OSP ploče
Kako se SMT proizvodni proces stalno razvija, čak i vrlo složene serverske matične ploče sada mogu koristiti OSP ploče. Kada OSP ploče prolaze kroz peć za reflow, dodavanje dušika može smanjiti oksidaciju kontakata i pomoći u osiguranju kvalitetnog lemljenja. Ovo je posebno očigledno kada OSP ploča treba proći kroz reflow lemljenje dva puta.
Koje vrste SMT reflow lemljenja postoje?
Postoji mnogo vrsta reflow lemljenja. Sve se klasificiraju prema metodi zagrijavanja. Mogu se podijeliti na lasersko reflow lemljenje, infracrveno reflow lemljenje, reflow lemljenje toplim zrakom i druge.
- Reworking lemljenjem toplim zrakom Reworking lemljenjem toplim zrakom je široko korišten. Njegov princip je da se pomoću grijača ili toplinski otpornog ventilatora u peći zagrijava plin unutar peći, obično zrak ili dušik, te da se osigura cirkulacija zraka kako bi se dovršilo lemljenje. Iako je tok vrućeg zraka pri reflow lemljenju pod utjecajem brzine strujanja plina, u usporedbi s drugim reflow metodama, osigurava ravnomjerno zagrijavanje, stabilnu temperaturu pećnice i pogodan je za lemljenje većine komponenti. Stoga je reflow lemljenje vrućim zrakom sada glavna oprema za SMT lemljenje.
- Lasersko reflow lemljenje. Lasersko reflow lemljenje, kao što ime sugerira, koristi laser kao metodu grijanja. Njegov princip je usmjeriti laserski snop direktno na područje za lemljenje i koristiti toplinu lasera da otopi kalaj i dovrši lemljenje. Nakon što laser prestane zračiti, temperatura područja za lemljenje brzo opada. Zatim, nakon hlađenja, formira se lemni spoj i lemljenje je završeno. Budući da lasersko taljenje lemljenjem zagrijava samo lokalno područje lemljenja i ima mali utjecaj na druga područja, pogodnije je za PCBAs ploče sa osjetljivim komponentama. Ali zbog metode zagrijavanja, njegova efikasnost lemljenja je relativno niska, tako da lasersko taljenje lemljenjem nije glavna oprema za SMT lemljenje.
- Infraredno taljenje lemljenjem Infraredno taljenje lemljenjem koristi infracrveno svjetlo za zagrijavanje. Postoji čisto infracrveno zagrijavanje, a također i infracrveno + zagrijavanje vrućim zrakom. Čisto infracrveno zagrijavanje uglavnom se oslanja na infracrveno toplotno zračenje za dovršetak lemljenja. Metoda zagrijavanja infracrvenim zrakama i toplim zrakom koristi oko 30% infracrvenog zračenja i 70% toplog zraka za zagrijavanje i završetak lemljenja. Ona kombinuje prednosti infracrvenog reflow lemljenja i lemljenja toplim zrakom, a također nadoknađuje slabosti obje metode.
Ostale vrste talasnog lemljenja
Osim gore navedenih tipova, reflow lemljenje također uključuje reflow lemljenje vrućim žicama, induktivno reflow lemljenje i reflow lemljenje u parnoj fazi. Reflow lemljenje toplom žicom uglavnom koristi zagrijane predmete, poput keramike ili drugih metala, za završetak lemljenja. Obično se ova metoda ne koristi pastu za lemljenje, već koristi kalajni premaz ili vodljivi ljepilo za lemljenje. Indukcijsko taljenje lemljenjem koristi transformator i princip zavojnih struja (eddy current) iz induktora za završetak lemljenja. Taljenje u parnoj fazi se također naziva lemljenje u parnoj fazi. Uglavnom koristi paru za zagrijavanje. Budući da svaka od ovih metoda taljenja ima svoja ograničenja, one nisu glavna SMT oprema za lemljenje.
Prednosti i nedostaci reflow lemljenja PCBA
Prednosti talasnog lemljenja:
Više je pogodno za montažu visoke složenosti. Reflow lemljenje se uglavnom koristi za lemljenje SMT montaže, pa može bolje zadovoljiti potrebe složene montaže. Komponente poput BGA i QFN mogu se završiti samo reflow lemljenjem.
Ima visoku kvalitetu lemljenja. Pećnica za reflow koristi reflow vrućeg zraka i konvekcijski prijenos, pa je temperatura ravnomjerna, a kvaliteta lemljenja dobra. Može postići vrlo zadovoljavajući rezultat lemljenja.
Pogodno je za masovnu proizvodnju. Reflow lemljenje ima visoku efikasnost lemljenja. Kada se temperatura postavi, parametri lemljenja mogu se kopirati iznova i iznova, pa je pogodno za masovnu proizvodnju. Ako se koristi uz uslugu potvrde prvog komada, ova prednost reflow peći postaje još izraženija.
Nedostaci reflow lemljenja:
Trošak je visok. Sama reflow peć je skuplja od peći za talasno lemljenje. Također, troši više struje tokom rada, pa povećava troškove proizvodnje za proizvođača.
To može lako uzrokovati greške pri lemljenju. Kao što je gore spomenuto, svaka metoda lemljenja može uzrokovati greške ako se ne koristi ispravno. Za pećnicu za reflow, koja je relativno složena mašina, pogrešna podešavanja parametara ili nerazumno postavljanje zona mogu uzrokovati hladne lemne spojeve, otvorene lemne spojeve, mostove i druge greške pri lemljenju. Dakle, da bi se osiguralo visokokvalitetno reflow lemljenje, operater mora biti profesionalan i iskusan.
Zaključak
Reflow lemljenje je jedan od najvažnijih procesa lemljenja u SMT montaži. Njegov kvalitet direktno utiče na pouzdanost PCBA proizvoda. Od dizajna stezne opreme, testiranja temperaturnog profila, do lemljenja u azotnoj zaštiti, svaki korak utiče na konačni rezultat lemljenja. Trenutno su toplotno-zračno taljenje i infracrveno + toplotno-zračno taljenje i dalje glavna rješenja u industriji, dok se lasersko taljenje i taljenje u fazi pare češće koriste u posebnim slučajevima. Kako se nastavljaju razvijati serveri, komunikacioni i visokodensitetski elektronski proizvodi, procesi i oprema za talasno lemljenje također se nadograđuju kako bi se zadovoljile potrebe za preciznijim i pouzdanijim lemljenjem.
