Hvad er reflow-lodning?
Reflow-lodning er en af de lodningsmetoder, der anvendes i PCBA proces. Metoden kaldes reflow-lodning, fordi loddematerialet skifter fra fast til flydende tilstand og derefter tilbage til fast tilstand under processen. Ved reflow-lodning anvendes opvarmningssystemet i reflow-ovnen til at smelte loddepastaen, så SMT-komponenterne og printpladens loddepunkter loddes sammen og danner en elektrisk forbindelse.
I takt med at SMT-pakketyperne hele tiden ændrer sig, har reflow-ovnen også gennemgået flere generationer. Til PCBA-produkter til computere er den mest almindelige metode reflow-lodning med infrarød stråling og varmluft. Infrarød stråling har stor gennemtrængningsevne, høj termisk effektivitet og lavt strømforbrug. Varmluften sikrer en mere jævn temperaturfordeling. Tilsammen giver de et godt lodderesultat.
Anvendelse af fastspændingsanordninger ved reflow-lodning
Lad os tage et server-bundkort som eksempel. Efter SMT-montering og før reflow-lodning har det halvfærdige PCBA-kort som regel brug for en fastspændingsanordning til at støtte det. PCB-kort kan let deformeres, når de opvarmes i reflow-ovnen. Hvis PCB-kortet deformeres, kan det medføre problemer med stik, åbne loddeforbindelser på BGA’er og andre problemer. Nogle små PCBA-kort har ikke brug for en fastgørelsesanordning i reflow-ovnen, f.eks. PDB-kort, riser-kort og HDD-backplanes.
En reflow-holder bør ikke kun udformes ud fra printkortets størrelse, men også ud fra komponenternes placering. I nærheden af nogle tunge komponenter bør der udformes understøtninger under printkortet for at forhindre, at det hænger ned eller deformeres i ovnen. Understøtningerne nær undersiden af printkortet skal også placeres således, at de undgår komponenterne, så disse ikke beskadiges, når det færdigmonterede printkort (PCBA) tages ud. Diameteren på de positioneringsstifter, der anvendes til fastgørelse, skal ligeledes vælges ud fra praktisk erfaring. Hvis positioneringsstifterne er for små, kan de ikke placere printkortet præcist. Hvis de er for store, kan printkortet udvide sig eller deformeres i reflow-ovnen, og det kan være umuligt at fjerne printkortet efter lodningen. Hvis det tvinges ud, kan ledningsbanerne omkring positioneringshullerne blive beskadiget.
Konstruktion af deformationsbeskyttende fastspændingsanordninger til specielle komponenter
SMT-stik, især stik med mange og tæt placerede ben, er tilbøjelige til at udvikle åbne loddeforbindelser og kolde loddeforbindelser. Dette skyldes også, at stikkets plastkrop kan deformeres i et vist omfang, når den opvarmes i ovnen. Derfor fremstiller teknikerne, ud over at anbringe en understøtning under printkortet, undertiden specielle presseblok-fiksturer til visse komponenter. Disse presseblokke presses mod komponenterne for at forhindre deformation i reflow-ovnen og undgå problemer såsom åbne loddeforbindelser og kolde loddeforbindelser. Materialet i disse presseblok-fastgørelsesanordninger har også betydning. De skal kunne modstå høje temperaturer, men de bør ikke være store metaldele. Metalfastgørelsesanordninger kan absorbere varme og påvirke loddekvaliteten.
Zoner og procesparametre i reflow-ovnen
En reflow-ovn har normalt 4 zoner: forvarmningszone, holdetidszone, reflow-zone og afkølingszone. Udstyret har mange parametre, herunder temperaturindstilling, opvarmningshastighed, afkølingshastighed, holdetid, tid over 220 °C, spidstemperatur, nitrogenkoncentration og udgangstemperatur. For at sikre, at udstyret fungerer korrekt, og at de faktiske parametre opfylder produktionskravene for det aktuelle produkt, skal det relevante personale teste temperaturprofilen inden produktionen.
Hvorfor det er vigtigt at teste temperaturprofiler
Test af temperaturprofiler kræver en temperaturlogger og et profilkort. Et profilkort er et SMT-halvfabrikat med påmonterede termoelementer. Temperatursondekablerne forbinder profilkortet med temperaturloggeren. Testpunkterne på profilkortet skal dække de fire hjørner af printkortet, undersiden og oversiden af kortet samt visse komponenter, hvor der er særlig risiko for loddefejl, såsom benene på hukommelsesslots, loddekuglepositionerne på typiske BGA'er og selve enhederne på temperaturfølsomme komponenter. Hver proces, der anvender reflow-lodning, kræver et profilkort, f.eks. SMT-reflow-lodning på undersiden, SMT-reflow-lodning på oversiden og BGA-reparationsstationer.
Reflow-lodning med nitrogen og OSP-printkort
I takt med at SMT-produktionsprocessen fortsætter med at udvikle sig, kan selv meget komplekse serverbundkort nu anvende OSP-kort. Når OSP-kortene passerer gennem reflow-ovnen, kan tilsætning af nitrogen mindske oxidationen af loddepunkterne og bidrage til at sikre en god lodning. Dette er især tydeligt, når OSP-kortet skal gennemgå reflow-lodning to gange.
Hvilke typer SMT-reflow-lodning findes der?
Der findes mange former for reflow-lodning. De klassificeres alle efter opvarmningsmetode. De kan inddeles i laser-reflow-lodning, infrarød reflow-lodning, varmluft-reflow-lodning og andre former.
- Varmluftsreflow-lodning Varmluftsreflow-lodning er meget udbredt. Princippet går ud på at bruge en varmeelement eller en varmebestandig blæser i ovnen til at opvarme gassen inde i ovnen – som regel luft eller nitrogen – og få luftstrømmen til at cirkulere for at gennemføre lodningen. Selvom reflow-lodning med varm luft påvirkes af gasstrømningshastigheden, har den i sammenligning med andre reflow-metoder en jævn opvarmning og en stabil ovntemperatur, og den er velegnet til lodning af de fleste komponenter. Derfor er reflow-lodning med varm luft i dag det primære SMT-loddeudstyr.
- Laser-reflow-lodning: Som navnet antyder, anvendes laser som opvarmningsmetode ved laser-reflow-lodning. Princippet går ud på at rette laserstrålen direkte mod loddeområdet og bruge laserens varme til at smelte loddematerialet og fuldføre lodningen. Når laseren ikke længere rammer området, falder temperaturen i loddeområdet hurtigt. Efter afkøling dannes loddeforbindelsen, og lodningen er dermed afsluttet. Da laser-reflow-lodning kun opvarmer det lokale loddeområde og har ringe indvirkning på andre områder, er den mere velegnet til PCBA-kort med følsomme komponenter. Men på grund af opvarmningsmetoden er loddeeffektiviteten relativt lav, hvorfor laser-reflow-lodning ikke er det primære SMT-loddeudstyr.
- Infrarød reflow-lodning Ved infrarød reflow-lodning anvendes infrarødt lys til opvarmning. Der findes både ren infrarød opvarmning og en kombination af infrarødt lys og varmluft. Ren infrarød opvarmning er hovedsageligt baseret på infrarød varmestråling til at gennemføre lodningen. Metoden med infrarød opvarmning kombineret med varmluft anvender ca. 30% infrarødt lys og 70% varmluft til opvarmning og gennemførelse af lodningen. Den kombinerer fordelene ved infrarød reflow-lodning og varmlufts-reflow-lodning og udligner samtidig begge metoders svagheder.
Andre former for reflow-lodning
Ud over de ovennævnte typer omfatter reflow-lodning også reflow-lodning med varmtråd, induktionsreflow-lodning og reflow-lodning i dampfase. Reflow-lodning med varm tråd anvender hovedsageligt opvarmede genstande, såsom keramik eller andre metaller, til at udføre lodningen. Normalt anvendes der ikke loddepasta ved denne metode, men i stedet tinbelægning eller ledende klæbemiddel til lodningen. Induktionsreflow-lodning anvender en transformer og princippet om hvirvelstrøm fra induktans til at gennemføre lodningen. Dampfase-reflow-lodning kaldes også dampfase-lodning. Her anvendes hovedsageligt damp til opvarmning. Da disse reflow-metoder hver især har deres egne begrænsninger, er de ikke det mest udbredte SMT-loddeudstyr.
Fordele og ulemper ved reflow-lodning af PCBA’er
Fordele ved reflow-lodning:
Den er bedre egnet til montering med høj sværhedsgrad. Reflow-lodning anvendes hovedsageligt til lodning ved SMT-montering, så den bedre kan imødekomme behovene ved kompleks montering. Komponenter som BGA og QFN kan kun monteres ved hjælp af reflow-lodning.
Den leverer en høj loddekvalitet. Reflow-ovnen anvender varmluftsreflow og konvektionsvarmeoverførsel, hvilket sikrer en jævn temperatur og en god loddekvalitet. Den giver et meget tilfredsstillende lodderesultat.
Den er velegnet til masseproduktion. Reflow-lodning har en høj loddeeffektivitet. Når temperaturen først er indstillet, kan loddeparametrene kopieres igen og igen, hvilket gør den velegnet til masseproduktion. Anvendes den i forbindelse med en godkendelse af første artikel, bliver denne fordel ved reflow-ovnen endnu mere udtalt.
Ulemper ved reflow-lodning:
Omkostningerne er høje. Selve reflow-ovnen er dyrere end bølgeloddeovnen. Desuden bruger den mere strøm, når den er i drift, hvilket øger produktionsomkostningerne for producenten.
Det kan let føre til loddefejl. Som nævnt ovenfor kan enhver loddemetode forårsage fejl, hvis den ikke anvendes korrekt. I en reflow-ovn, som er et relativt komplekst stykke udstyr, kan forkerte parameterindstillinger eller en uhensigtsmæssig zoneinddeling forårsage kolde loddeforbindelser, åbne loddeforbindelser, brodannelse og andre loddefejl. For at sikre reflow-lodning af høj kvalitet skal operatøren derfor være professionel og erfaren.
Konklusion
Reflow-lodning er en af de vigtigste lodningsprocesser inden for SMT-montering. Kvaliteten heraf har direkte indflydelse på pålideligheden af PCBA-produkter. Fra design af fastspændingsanordninger og test af temperaturprofiler til lodning under nitrogenbeskyttelse – hvert eneste trin har betydning for det endelige lodningsresultat. I dag er reflow-lodning med varmluft og reflow-lodning med infrarød stråling og varmluft stadig de primære løsninger i branchen, mens laser-reflow-lodning og reflow-lodning i dampfase oftere anvendes i særlige tilfælde. I takt med den fortsatte udvikling af server-, kommunikations- og elektroniske produkter med høj tæthed opgraderes reflow-lodningsprocesser og -udstyr også for at imødekomme behovene for lodning med højere præcision og større pålidelighed.
