Talasni fluks za lemljenjeodabir ostaje jedna od onih varljivo složenih odluka u proizvodnji elektronike-vrste koja odvaja iskusne procesne inženjere od novopridošlih koji posrću putem pokušaja i grešaka. Tok kojem se na kraju posvetite odredit će integritet lemnog spoja, propusnost proizvodnje, zahtjeve za čišćenje nakon-procesa i dugoročnu-pouzdanost svakog sklopa koji prolazi kroz vašu liniju. Pogriješite i provešćete mjesece u potrazi za fantomskim nedostacima koji su se mogli izbjeći uz malo više marljivosti unaprijed.
Zašto je Flux važniji nego što mislite
Evo nečega što većina ljudi zanemaruje: sam proces lemljenja talasima nije se dramatično promenio decenijama. Ono što se promijenilo-radikalno-je sve oko toga. Gustina ploča je naglo porasla. Bez olova-mandata je preoblikovana hemija legura lema. Geometrija komponenti je postala čudna. I nekako, fluks bi trebao nadoknaditi sve to.
Osnovni princip zvuči dovoljno jednostavno. Flux uklanja okside s metalnih površina prije nego što rastopljeni lem dođe u kontakt. Bez te akcije hemijskog čišćenja, lem bi se samo zgrčio i otkotrljao poput vode na svježe voskom automobil. Oksidi djeluju kao barijera, a nikakva količina topline ili vremena zadržavanja ne popravlja taj osnovni problem.
Ali ovdje stvari postaju neuredne.
Različite hemije fluksa napadaju okside kroz različite mehanizme. Neki se oslanjaju na organske kiseline koje postaju agresivne tek kada se zagreju. Drugi koriste halogenidna jedinjenja koja rade brže, ali ostavljaju korozivne ostatke za sobom. Nekoliko egzotičnih formulacija pokušava razdvojiti razliku, nudeći umjerenu aktivnost uz minimalne glavobolje. Sistem klasifikacije J-STD-004 pokušava sve ovo kategorizirati, razbijajući fluksove u porodice kolofonija (RO), smole (RE), organske (OR) i neorganske (IN), od kojih svaka ima oznake niske, srednje ili visoke aktivnosti.
Iskreno? Oznake pomažu, ali govore samo dio priče.
Rosin Question
Tradicionalni smola-na bazi kolofonija-izvedeni od smole borovog katrana, od svega-i dalje zauzimaju iznenađujući udio na tržištu. Postoje više od hiljadu godina u ovom ili onom obliku, što vam govori nešto o njihovoj temeljnoj ispravnosti. Prirodne kiseline u kolofoniju (prvenstveno abijetinska kiselina) obezbeđuju pristojno uklanjanje oksida bez ekstremne korozivnosti, a ostatak koji ostaje iza obično je relativno benigan.
Uz to, kolofonij nije magija.
Fluks tipa R- (čisti kolofonij) radi dobro na čistim, lako lemljivim površinama uz minimalnu oksidaciju. Ubacite neke potamnjele komponente ili ploču koja stoji u vlažnom skladištu šest mjeseci i tražite nevolje. Fluks jednostavno neće imati dovoljno hemijske snage da probije teže oksidne filmove.
RMA (kolofonijski blago aktiviran) formulacije dodaju male količine aktivatora-obično organskih kiselina ili halogenih jedinjenja-za poboljšanje performansi. RA (kolofonijski aktivirani) tokovi idu dalje. Kompromis? Agresivniji ostaci koji apsolutno zahtijevaju čišćenje kako bi se spriječila-dugotrajna korozija. Vidio sam da ploče nisu bile u inspekciji na terenu godinama nakon sklapanja jer je neko odlučio da je čišćenje nakon-lemljenja opciono na RA-opremanom sklopu. Ostatak je u početku izgledao dobro. Nije.
Ne-Čisto: obećanje i stvarnost
Ni-čisti tokovi nisu se pojavili kao odgovor na problem čišćenja. Visina je bila neodoljiva: formulirajte fluks sa tako malo ostatka, i tako benignom hemijom ostatka, da čišćenje nakon-lemljenja postaje nepotrebno. Proizvodne linije mogu preskočiti cijeli procesni korak. Troškovi bi pali. Svi pobeđuju.
I za mnoge aplikacije, nema-čistih isporuka.
Ostaci koje za sobom ostavlja pravilno formulirani ne-čisti fluks su obično minimalni, kozmetički prihvatljivi i električno inertni u normalnim radnim uvjetima. IPC-J-STD-004 ih klasifikuje kao L0 ili L1 aktivnost, što ukazuje na nizak sadržaj halogenida i nisku korozivnost. Za potrošačku elektroniku sa skromnim zahtjevima za pouzdanost, oni rade prekrasno.
Komplikacije nastaju na marginama.
Ploče visoke{0}}gustine sa finim-komponentama mogu zarobiti ostatke fluksa na mjestima gdje to uzrokuje probleme pri testiranju sonde. Adhezija konformnog premaza može pretrpjeti ako čak i male količine ostataka ostanu na površinama maske za lemljenje. Lemljenje-bez olova-sa svojim višim temperaturama predgrijavanja i talasa-može djelomično aktivirati fluksne sastojke koji bi ostali inertni u tradicionalnom procesu kalaj-olova. A oznaka "ne-čisto" ne uzima u obzir estetske standarde; neki kupci jednostavno neće prihvatiti vidljive ostatke, koliko god bili bezopasni.
Jednu stvar sam naučio na teži način: uvijek testirajte bez{0}}čiste fluksove pod vašim stvarnim procesnim uvjetima prije urezivanja. Tablica sa podacima kaže jednu stvar. Proizvodni pod govori drugo.
U vodi{0}}Tokovi rastvorljivi u vodi i kada imaju smisla
Tokovi{0}}topivi u vodi (koji se također nazivaju organska kiselina ili OA) zauzimaju suprotan kraj spektra od ne-čiste. Formulirani su za maksimalne performanse lemljenja, posebno na teško-za-mokrim površinama ili sa legurama bez olova{{5}koje zahtijevaju agresivno uklanjanje oksida. Ostaci koje ostavljaju su visoko provodljivi, potencijalno korozivni i apsolutno se moraju očistiti nakon lemljenja.
Zašto bi iko namjerno izabrao fluks koji zahtijeva obavezno čišćenje?
Jer ponekad ništa drugo ne radi.
Određene površinske završne obrade-OSP na bakru koji je predugo stajao, na primjer-razvijaju oksidne filmove u koje blagi tokovi jednostavno ne mogu prodrijeti. Mješoviti-metalni sklopovi s različitim lemljivim površinama mogu zahtijevati dodatnu aktivnost kako bi se postiglo dosljedno vlaženje na svim spojevima. Vojne i vazduhoplovne primene ponekad zahtevaju fluks rastvorljiv u vodi{5}} upravo zato što zahteva čišćenje; korak prisilnog pranja pruža dodatnu garanciju kvaliteta da su svi ostaci procesa uklonjeni.
Ipak, oprema za čišćenje. To je kvaka.
Odgovarajući sistemi za pranje vode nisu jeftini. Oni troše dejoniziranu vodu, stvaraju efluent koji može zahtijevati tretman prije ispuštanja i dodaju vrijeme ciklusa svakoj ploči. Za velike-operacije sa postojećom infrastrukturom za čišćenje, marginalni trošak po montaži može biti prihvatljiv. Za manje radnje ili proizvode u kojima čišćenje povećava troškove u značajnom postotku, fluks{4}}topivi u vodi postaje teže prodati bez obzira na njegove prednosti lemljenja.
Bez olova-komplikuje sve
Prijelaz sa kalaj-olova na-lemljenje bez olova iz temelja je promijenio proračun odabira fluksa. SAC305 i slične legure tope se na otprilike 217 stepeni u poređenju sa 183 stepena za eutektički kalaj-olovo-razlika koja zvuči skromno, ali stvara kaskadne efekte tokom procesa.
Zone predgrijavanja su toplije. Vrijeme kontakta s valom se često povećava za 50% ili više kako bi se postiglo pravilno punjenje rupa. PCB laminat provodi znatno više vremena na povišenoj temperaturi, povećavajući rizik od raslojavanja na rubnim pločama. Komponente doživljavaju veće termičko opterećenje. A aktivatori fluksa moraju ostati hemijski aktivni tokom ovog produženog izlaganja visokim-temperaturama.
Mnogi tokovi koji su se odlično pokazali u procesima sa kalaj-olovom jednostavno se raspadaju u uslovima bez olova-.
Aktivatori se iscrpljuju prije nego što lem i dodirne ploču, ostavljajući neadekvatno očišćene površine koje se slabo vlažu. Hlapljivi nosači rastvarača prebrzo ključaju u agresivnom predgrijavanju, ostavljajući guste, koraste taloge koji ometaju protok lema, a ne pospješuju ga. Neke formulacije dizajnirane za-bez olova eksplicitno specificiraju uže procesne prozore, zahtijevajući strožiju kontrolu nad brzinom transportera, visinom talasa i termičkim profilom od njihovih ekvivalenta olova-olova.
Proizvođači fluksa odgovorili su proizvodima koji su posebno optimizirani za{0}}bez olova. Potražite listove sa podacima koji se eksplicitno odnose na kompatibilnost-bez olova, uključujući preporučene temperature predgrijavanja, vremena kontakta i sva posebna razmatranja za proces viših{3}}temperatura. Nemojte pretpostavljati kompatibilnost unatrag; fluks koji briljantno radi za-bez olova može zapravo imati lošije rezultate od tradicionalnih formulacija na sklopovima limenog-olova gdje dodatna aktivnost nije potrebna.
Metode primjene: Sprej naspram pjene naspram talasa
Način na koji fluks nanesete na ploču je gotovo isto toliko važan koliko i koji fluks odaberete.
Spray fluxing dominira modernim linijama za valno lemljenje s dobrim razlogom. Pravilno konfigurisan sistem za raspršivanje obezbeđuje dosledno, kontrolisano taloženje fluksa sa minimalnim otpadom. Možete podesiti zapreminu prskanja, širinu uzorka i parametre zračnog noža kako biste fino-podesili pokrivenost za određene geometrije ploče. Fluks se raspršuje u fine kapljice koje prodiru između usko raspoređenih komponenti i u obložene kroz-rupe gdje je najpotrebnije.
Međutim, održavanje sistema za prskanje zahtijeva marljivost. Začepljenje mlaznica. Vazdušni pritisak varira. Zalihe fluksa mogu se vremenom kontaminirati ili degradirati ako se ne skladište na odgovarajući način. Vidio sam linije kako jure defekte vlaženja nedeljama pre nego što je neko konačno pomislio da proveri da li se mlaznica za prskanje delimično blokirala.
Fluksiranje pjene-gdje se zrak propušta kroz rezervoar fluksa kako bi se stvorila glava pjene koja dolazi u kontakt sa PCB-om koji prolazi-ostaje uobičajeno u starijim instalacijama. To je mehanički jednostavnije i nedvojbeno više oprašta zanemarivanje operatera. Pjena se prirodno prilagođava topologiji ploče, dodirujući izdignute površine i udubljenja. Ali kontrolisati tačnu količinu deponovanog fluksa je teže, a sistemi pjene obično koriste više fluksa po ploči od ekvivalentnih postavki za raspršivanje.
Talasni fluks-gdje ploča prolazi kroz mali stojni talas fluksa-postoji, ali nije uobičajen. Ima neke karakteristike sa fluksiranjem pjene, uključujući poteškoće u kontroli količine taloženja.
Koju god metodu da koristite, uniformnost je sve. Neravnomjerna distribucija toka stvara defekte lema koji izgledaju misteriozno dok ne shvatite da je osnovni uzrok nejednaka pokrivenost. Područja koja imaju premalo fluksa neće se dobro navlažiti. Područja koja su dobila previše mogu premostiti ili ostaviti prekomjerne taloge.
Usklađivanje fluksa sa vašom aplikacijom
Teoretski odabir toka je jednostavan: odaberite najmanje agresivan fluks koji pouzdano lemi vaše sklopove bez stvaranja problema nizvodno. Realnost uključuje znatno više nijansi.
Počnite s krajnjom upotrebom proizvoda. Potrošačka elektronika sa očekivanim životnim vijekom od dvije-godine i minimalnim stresom okoline može tolerirati ostatke fluksa koji bi bili neprihvatljivi u avionu ili medicinskom uređaju za implantaciju. Oznake IPC klase 1, 2 i 3 pružaju grube smjernice, ali pojedinačni kupci mogu imati zahtjeve koji premašuju ili se razlikuju od standardnih klasifikacija.
Uzmite u obzir konstrukciju ploče i završnu obradu površine. ENIG, OSP, HASL, imerziono srebro i potapajući lim predstavljaju različite površine za lemljenje sa različitim tendencijama stvaranja oksida. Flux koji savršeno radi na svježem HASL-u može se boriti s OSP pločama koje su premašile preporučeni rok trajanja.
Uzmite u obzir vašu sposobnost čišćenja-ili nedostatak iste. Ako čišćenje nakon-lemljenja trenutno nije dio vašeg procesa i nerado ga dodajete, topovi-topivi u vodi nisu dostupni bez obzira na njihove prednosti lemljenja. Suprotno tome, ako već očistite svaku ploču iz drugih razloga (priprema konformnog premaza, na primjer), aktivniji fluks bi mogao poboljšati prinose prvog-prolaska bez dodavanja složenosti neto procesa.
I iskreno? Razgovarajte sa svojim dobavljačem fluksa. Dobri imaju inženjere aplikacija koji su vidjeli vašu tačnu situaciju na desetine puta i mogu prekratiti sedmice eksperimentiranja uz preporuke zasnovane na iskustvu. Oni loši... pa, shvatićete to uskoro.
Uobičajene greške i kako ih izbjeći
Bio sam uključen u dovoljno vježbi rješavanja problema sa fluksom da sastavim prilično predvidljivu listu načina kvara.
Tretiranje odabira toka kao jednokratne-odluke je pri vrhu. Dizajn ploča se razvija. Izvori komponenti se mijenjaju. Taj fluks koji ste kvalifikovali prije tri godine možda neće biti tako dobar na revidiranoj skupštini, čak i ako ništa ne izgleda dramatično drugačije. Periodična provjera valjanosti-ne samo kada se pojave problemi-povlači se prije nego što preraste u krizu.
Zanemarivanje roka trajanja fluksa pojavljuje se češće nego što bi trebalo. Hemije fluksa nisu besmrtne. Rastvarači isparavaju, mijenjajući viskozitet i koncentraciju. Aktivatori mogu degradirati ili oksidirati. Korištenje protoka koji je istekao dovodi do nedosljednih performansi koje izluđuju dijagnosticiranje jer se nepredvidivo razlikuju od serije do serije.
Pod pretpostavkom da će proces koji je funkcionirao za kalaj-olovo funkcionirati bez olova-bez modifikacija, i dalje izaziva tugu čak i dvadeset godina nakon RoHS-a. Prozori procesa su zaista različiti. Reflow, prilagođavanja se moraju desiti kroz predgrijavanje, vrijeme kontakta i temperaturu talasa-a ne samo reformulaciju fluksa.
Štednja na čišćenju kada je čišćenje potrebno može biti najopasnija greška od svih. Ostaci fluksa rastvorljivih u vodi-ostavljeni na pločama ne uzrokuju samo trenutne kvarove. Oni uzrokuju odložene kvarove-kakve se dešavaju na terenu, pod garancijom, na načine koji stvaraju mnogo više troškova i štete po ugled nego što bi koštalo pravilno čišćenje.
Final Thoughts
Odabir fluksa za valovito lemljenje nije glamurozan posao. Rijetko se pojavljuje na naslovima inženjera ili na konferencijama. Ali odluke donesene ovdje se provlače kroz svaki sklop, svakog kupca, svaki zahtjev za garanciju ili nedostatak istih u godinama koje dolaze.
Ulozi opravdavaju trud.
Odvojite vrijeme da temeljno shvatite zahtjeve svoje aplikacije. Procijenite više opcija fluksa u realnim proizvodnim uvjetima umjesto da se oslanjate samo na tablice podataka. Izgradite odnose sa iskusnim dobavljačima koji mogu pružiti tehničku podršku kada se pojave problemi-i problemi će se pojaviti, na kraju, bez obzira na to koliko pažljivo planirate.
Savršen fluks možda ne postoji. Ali fluks koji se dobro-poklapa s vašom specifičnom kombinacijom dizajna ploče, mješavine komponenti, završne obrade površine, legure za lemljenje, sposobnosti čišćenja i zahtjeva za pouzdanošću? To je ostvarivo. To je cilj. A dolazak tamo je ono što razdvaja proizvodne linije koje se bore od onih koje tiho bruje, dan za danom, dajući pouzdane sklopove bez drame.
Što je tačno ono što svi žele, zar ne?
