فناوری فرآیند لحیم‌کاری برد مدار چاپی مونتاژشده (PCBA): اصول، روش‌ها و کنترل کیفیت

فرآیند لحیم‌کاری PCBA (مجموعه‌ی برد مدار چاپی) گامی حیاتی در تولید الکترونیک است که به‌طور مستقیم بر عملکرد الکتریکی، استحکام مکانیکی و قابلیت اطمینان بلندمدت تأثیر می‌گذارد. با پذیرش گسترده‌ی فناوری نصب سطحی (SMT)، اجزای با گام ریز و مقررات بدون سرب، فرآیندهای لحیم‌کاری به‌طور فزاینده‌ای پیچیده‌تر شده‌اند. این مقاله روش‌های اصلی لحیم‌کاری PCBA، پارامترهای کلیدی فرآیند، عیوب رایج و روش‌های کنترل کیفیت مورد استفاده در تولید الکترونیک مدرن را معرفی می‌کند.

۱. مروری بر لحیم‌کاری PCBA

لحیم‌کاری PCBA فرآیند ایجاد اتصالات الکتریکی و مکانیکی قابل اعتماد بین اجزای الکترونیکی و پدهای برد مدار چاپی (PCB) با استفاده از آلیاژهای لحیم است. کیفیت اتصال لحیم‌شده تعیین‌کننده‌ی موارد زیر است:

· هدایت الکتریکی

· استحکام مکانیکی

· قابلیت اطمینان حرارتی و محیطی

تولید مدرن PCBA معمولاً شامل لحیم‌کاری SMT، لحیم‌کاری از طریق سوراخ (Through-hole) یا ترکیبی از هر دو روش است.

۲. روش‌های اصلی لحیم‌کاری PCBA

۲.۱ لحیم‌کاری با بازگشت حرارتی (Reflow Soldering)

لایه‌برداری مجدد (رفلو) جوشکاری روش اصلی مورد استفاده در مونتاژ SMT است.

فرآیند جریان:

۱. چاپ پاست جوشکاری

2. قرارگیری قطعات

3. حرارت دهی بازرسی

۴. خنک‌شدن و انجماد

ویژگی‌های کلیدی:

· مناسب برای اجزای با تراکم بالا و فاصله‌ی بین پایه‌ها بسیار کوچک (QFN، BGA، ۰۲۰۱)

· خودکارسازی بالا و یکنواختی زیاد

· سازگان با جوشکاری بدون سرب

مراحل نمودار دمایی رفلو:

· گرم‌کردن اولیه

· نگه‌داری در دمای متوسط (سوک)

· رفلو (دمای اوج)

· خنک‌کنندگی

کنترل دقیق دما برای جلوگیری از عیوبی مانند «تومبستونینگ» (بلند شدن یک سر قطعه)، حفره‌های لحیم و آسیب به قطعات ضروری است.

۲٫۲ لحیم‌کاری موجی

لحیم‌کاری موجی عمدتاً برای قطعات سوراخ‌دار (through-hole) استفاده می‌شود.

ویژگی‌های فرآیند:

· برد مدار چاپی (PCB) از روی موجی از لحیم مذاب عبور می‌کند

· مناسب برای اتصال‌دهنده‌ها، ترانسفورماتورها و قطعات با پایه‌های بزرگ

· اغلب پس از لحیم‌کاری SMT با روش ریفلو در مونتاژهای ترکیبی (mixed-technology) استفاده می‌شود

چالش‌های اصلی شامل اتصال ناخواسته لحیم (solder bridging)، تشکیل شمع‌های لحیم (icicles) و تنش حرارتی روی قطعات است.

۲٫۳ لحیم‌کاری انتخابی

لحیم‌کاری انتخابی راه‌حلی انعطاف‌پذیر برای مونتاژهای ترکیبی است.

مزایا:

· لحیم‌کاری محلی اجزای عبوری از سوراخ

· نیازی به قرار دادن کامل در معرض موج لحیم نیست

· کاهش تأثیر حرارتی بر اجزای SMT

لحیم‌کاری انتخابی به‌طور گسترده‌ای در الکترونیک خودرو و صنعتی استفاده می‌شود.

۳. مواد لحیم و فلکس

۳.۱ آلیاژهای لحیم

آلیاژهای رایج لحیم شامل موارد زیر هستند:

· Sn63/Pb37 (دارای سرب، اوتکتیک)

· SAC305 (Sn-Ag-Cu، استاندارد بدون سرب)

استفاده از لحیم بدون سرب نیازمند دمای بالاتر در فرآیند بازплавی و کنترل دقیق‌تر فرآیند است.

3.2 انواع فلکس

فلکس اکسیدها را از بین می‌برد و ترکیب‌پذیری (خیس‌شدن) را بهبود می‌بخشد.

· مبتنی بر رزین

· محلول در آب

· بدون نیاز به پاک‌سازی (No-clean)

انتخاب فلکس بر قابلیت لحیم‌کاری، باقی‌مانده‌ها و نیازهای پاک‌سازی پس از لحیم‌کاری تأثیر می‌گذارد.

4. پارامترهای کلیدی کنترل فرآیند

4.1 چاپ پاست لحیم

· ضخامت صفحه استنسیل و طراحی دهانه‌ها

· فشار و سرعت چاپ

· ویسکوزیته پاست و شرایط نگهداری

کیفیت پایین چاپ، عامل اصلی بسیاری از نقص‌های لحیم‌کاری است.

۴.۲ کنترل نمودار دمایی

· حاشیه دمای اوج

· زمان بالاتر از نقطه ذوب (TAL)

· نرخ‌های گرمایش و سرد شدن

ضخامت‌های مختلف برد مدار چاپی (PCB) و ابعاد مختلف قطعات، نیازمند نمودارهای سفارشی‌سازی‌شده هستند.

۵. نقص‌های رایج لحیم‌کاری و عوامل ایجادکننده آن‌ها

نقص‌های رایج لحیم‌کاری برد مدار چاپی (PCBA) شامل موارد زیر می‌شوند:

· پل‌های لحیمی (مقدار اضافی پاست، طراحی نامناسب استنسیل)

· اتصالات سرد (گرماي کافی نبودن)

· پدیدهٔ سنگ قبری (نیروهای تر شدن نامتعادل)

· حفره‌ها در اتصالات BGA (آزادسازی گاز، فرمولاسیون نامناسب پاست)

تشخیص زودهنگام عیوب، بازده را افزایش داده و هزینه‌های بازکاری را کاهش می‌دهد.

۶. بازرسی و تضمین کیفیت

روش‌های کنترل کیفیت شامل موارد زیر است:

· بازرسی اپتیکی خودکار (AOI)

· بازرسی با اشعهٔ ایکس برای BGA و QFN

· تست ICT و تست عملکردی

پایش داده‌های فرآیند و کنترل آماری فرآیند (SPC) در تولید انبوه اهمیت فزاینده‌ای پیدا کرده‌اند.

۷. ملاحظات قابلیت اطمینان

اتصال‌های لحیم‌کاری با کیفیت بالا باید در برابر موارد زیر مقاوم باشند:

· چرخه‌های حرارتی

· ارتعاشات مکانیکی

· رطوبت و خوردگی

محصولات خودرویی، پزشکی و صنعتی اغلب استانداردهای لحیم‌کاری بهبودیافته و آزمون‌های اعتبارسنجی سخت‌گیرانه‌تری را می‌طلبد.