การบัดกรีแบบเลือกอัตโนมัติ: ขจัดความเค้นจากความร้อนในบอร์ดระบบจัดการแบตเตอรี่รถยนต์ไฟฟ้าและบอร์ดจ่ายไฟทางการแพทย์

แผงวงจรจ่ายไฟทางการแพทย์สมัยใหม่และแผงวงจรระบบจัดการแบตเตอรี่ (BMS) ของรถยนต์ไฟฟ้า มีลักษณะการออกแบบที่มีข้อกำหนดด้านโครงสร้างคล้ายกัน คือเป็นชุดประกอบแบบไฮบริดที่บรรจุชิ้นส่วนชนิดเสียบรู (THT) ที่มีมวลมาก เช่น ตัวเก็บประจุแบบบัลก์ เฮดเดอร์หม้อแปลง ขั้วต่อกำลัง ซ็อกเก็ตรีเลย์ พร้อมกันกับชิ้นส่วน SMD แบบระยะขาแน่นและไวต่อความร้อน เช่น ตัวเก็บประจุเซรามิก (MLCC), ไอซีแบบ μBGA และอุปกรณ์แทนทาลัมโพลิเมอร์ชนิด ESR ต่ำ

ตระกูลคอมโพเนนต์สองประเภทนี้มีข้อกำหนดด้านการประมวลผลทางความร้อนที่แตกต่างกันอย่างมาก ข้อต่อบาร์เรลแบบ THT ต้องการเวลาในการสัมผัสกับบัดกรีที่เพียงพอเพื่อให้เกิดการเปียกสมบูรณ์และการเติมรูทะลุภายในบาร์เรลชุบได้อย่างเพียงพอ ตามIPC-A-610 คลาส 3ตามเกณฑ์ ต้องมีการเติมรูทะลุขั้นต่ำที่ยอมรับได้ 75% ในขณะที่การเติมบาร์เรล 100% ยังคงเป็นสภาวะเป้าหมายที่ต้องการสำหรับการประกอบที่มีความเชื่อถือได้สูง การทำให้ได้ตามนี้โดยทั่วไปต้องใช้คลื่นบัดกรีไร้สารตะกั่วที่ทำงานในช่วงอุณหภูมิ 255°C–265°C โดยมีเวลาแช่บัดกรีทั่วไปอยู่ระหว่าง 2 ถึง 6 วินาที ขึ้นอยู่กับมวลความร้อนของบอร์ด ความเร็วสายพานลำเลียง และรูปทรงของรู

ความท้าทายเกิดขึ้นเมื่อชิ้นส่วน THT ที่มีมวลความร้อนสูงเหล่านี้ถูกวางไว้ใกล้กับส่วนประกอบระยะพิชช์ละเอียดอุปกรณ์ SMT. การได้รับความร้อนเพิ่มเติมอาจเพิ่มความเค้นให้กับ MLCC, BGA และชิ้นส่วนอื่น ๆ ที่ไวต่ออุณหภูมิซึ่งอยู่ใกล้เคียง อาจส่งผลต่อความน่าเชื่อถือในระยะยาว

ทำไมการบัดกรีด้วยมือและการบัดกรีแบบคลื่นแบบดั้งเดิมจึงล้มเหลวในกรณีนี้

การบัดกรีด้วยมือ: ความท้าทายด้านความสม่ำเสมอ

ผู้รับจ้างผลิตจำนวนมากมองว่าการบัดกรีด้วยมือเป็นทางเลือกที่ใช้งานได้จริงแทนบอร์ดแบบผสมเทคโนโลยี สำหรับต้นแบบ งานซ่อมแก้ไข และการผลิตในปริมาณน้อย การบัดกรีด้วยมือถือว่ามีประโยชน์ แต่ในการทำงานกับชุดประกอบจำนวนมากอาจเกิดปัญหาเกี่ยวกับการควบคุมกระบวนการได้

ลองนึกถึงแหล่งที่มาของความแปรปรวนที่พบบ่อยอยู่ไม่กี่อย่าง:

อุณหภูมิของจุดเชื่อมอาจเบี่ยงเบนจากค่าที่ตั้งไว้บนหัวแร้งอย่างมาก ขึ้นอยู่กับสภาพของปลายหัวแร้ง ภาระความร้อน และเทคนิคของผู้ปฏิบัติงาน

ระยะเวลาที่ข้อต่ออยู่ภายในเตาอบอาจแตกต่างกันไปตามลักษณะของข้อต่อและผู้ปฏิบัติงาน ซึ่งส่งผลต่อการเปียกของบัดกรีและการเกิดสารประกอบระหว่างโลหะ

การใช้ฟลักซ์ด้วยมือมีความสามารถในการทำซ้ำได้น้อยกว่าวิธีการจ่ายแบบอัตโนมัติ ซึ่งอาจทำให้ทำความสะอาดได้ยากขึ้นและทำให้ปริมาณคราบตกค้างแปรปรวนได้

การฝึกอบรม การรับรอง และการกำกับดูแลผู้ปฏิบัติงานมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการทำให้กระบวนการสามารถทำซ้ำได้อย่างสม่ำเสมอ

การสร้างความมั่นใจในความสามารถของกระบวนการทางสถิติด้วยการบัดกรีแบบแมนนวลนั้นยากกว่าการใช้กระบวนการบัดกรีอัตโนมัติอย่างมาก สำหรับสภาพแวดล้อมการผลิตแบบผสมสูง ปริมาณต่ำ (HMLV) ที่ความสามารถในการทำซ้ำของคุณภาพมีความสำคัญสูงสุด การบัดกรีแบบแมนนวลยังสามารถใช้ได้กับบางอุตสาหกรรมที่อยู่ภายใต้กฎระเบียบ เช่น อิเล็กทรอนิกส์ทางการแพทย์ อย่างไรก็ตาม ต้องมีการตรวจสอบความถูกต้องอย่างรอบคอบ มีการรับรองคุณสมบัติของผู้ปฏิบัติงาน และควบคุมด้วยการตรวจสอบอย่างเข้มงวด

การบัดกรีแบบคลื่นเต็มแผ่นวงจรแบบดั้งเดิม: ความท้าทายด้านการรับสัมผัสความร้อน

กระบวนการบัดกรีแบบคลื่นดั้งเดิมใช้โลหะผสม SAC305 (Sn96.5/Ag3.0/Cu0.5) ที่รักษาอุณหภูมิไว้ประมาณ 260°C–265°C และทำให้ด้านล่างของแผงวงจรพิมพ์ (PCB) ทั้งแผ่นสัมผัสกับคลื่นบัดกรีหลอมเหลว ซึ่งจะเพิ่มรอบความร้อนพิเศษให้กับชิ้นส่วน SMD ที่ติดตั้งทั้งหมด สำหรับชุดประกอบที่ผ่านกระบวนการรีโฟลว์ SMT ที่อุณหภูมิสูงสุดประมาณ 245°C–250°C แล้ว

มีข้อกังวลด้านความน่าเชื่อถือที่เป็นที่รู้จักกันดีหลายประการที่อาจเกิดขึ้นได้:

การแตกร้าวขนาดเล็กของ MLCCความแตกต่างระหว่าง CTE ของไดอิเล็กทริกเซรามิก (โดยทั่วไป 6–12 ppm/°C) และ CTE ของลามิเนต FR-4 (โดยทั่วไป 12–18 ppm/°C ในระนาบ XY) สามารถก่อให้เกิดความเค้นทางกลระหว่างการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิซ้ำ ๆ ข้อบกพร่องเหล่านี้อาจแฝงตัวอยู่และปรากฏให้เห็นก็ต่อเมื่อมีการใช้งานภาคสนามเป็นเวลานานเท่านั้น

การเสื่อมสภาพของจุดเชื่อม BGAการให้ความร้อนบางส่วนกับข้อต่อ BGA ที่มีอยู่เดิมอาจส่งผลให้เกิดกลไกการเสื่อมสภาพของข้อต่อประสาน เช่น การเติบโตของสารประกอบอินเทอร์เมทัลลิก การสะสมของความเค้นตกค้าง หรือความไวต่อความล้าระยะยาว

การหลุดลามิเนตของชิ้นส่วนอุปกรณ์ที่ไวต่อความชื้น (MSDs) ที่ถูกเก็บหรือผ่านกระบวนการอย่างไม่ถูกต้องอาจเกิดความเสียหายภายในแพ็กเกจระหว่างการผ่านกระบวนการให้ความร้อนเพิ่มเติม

หากชุดประกอบจะต้องใช้งานเป็นเวลาหลายปี การลดการสัมผัสความร้อนให้น้อยที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ก็มีความสำคัญเช่นกันเพื่อเพิ่มความน่าเชื่อถือ

สถาปัตยกรรมวิศวกรรมของการบัดกรีคลื่นแบบเลือกอัตโนมัติ

การบัดกรีแบบเลือกจุดไม่ใช่การบัดกรีแบบคลื่นที่ใช้หน้ากาก มันเป็นสถาปัตยกรรมกระบวนการที่แตกต่างโดยพื้นฐาน ซึ่งแก้ปัญหาการแยกตัวทางความร้อนในระดับฟิสิกส์

ของเราระบบบัดกรีคลื่นแบบเลือกอัตโนมัติทำงานบนแกนความแม่นยำอิสระสามแกน มอบประสิทธิภาพหัวฉีดบ่อบัดกรีขนาดจิ๋ว—โดยทั่วไปมีเส้นผ่านศูนย์กลางด้านใน 4 มม. ถึง 10 มม.—โดยตรงไปยังแต่ละจุดเชื่อม THT ที่ตั้งโปรแกรมไว้หรือกลุ่มจุดเชื่อม แผงวงจรจะไม่สัมผัสกับอ่างบัดกรีแบบจุ่มรวม มีเพียงแผ่นรองเป้าหมายเฉพาะเท่านั้นที่ถูกทำให้เปียกด้วยบัดกรี

การควบคุมหัวฉีดแบบปรับโปรแกรมได้และพารามิเตอร์ของกระบวนการ

แต่ละการออกแบบบอร์ดจะได้รับของตัวเองโปรแกรม NCการกำหนด ทีละข้อต่อ

เส้นทางการเคลื่อนที่ในแกน X และ Y และตำแหน่งพัก(ความแม่นยำ: ความทำซ้ำได้ ±0.05–0.10 มม.)

การเลือกขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางหัวฉีดให้ตรงกับระยะห่างขาของคอนเน็กเตอร์และรูปทรงแผ่นรอง

เวลาในการสัมผัสบัดกรีต่อข้อต่อหนึ่งหรือกลุ่มข้อต่อ (ช่วงทั่วไป: 2–8 วินาที ปรับความแม่นยำตามมวลความร้อน)

ปริมาณและรูปแบบการพ่นฟลักซ์: การพ่นฟลักซ์แบบไมโครสเปรย์อย่างแม่นยำ สามารถตั้งโปรแกรมตามตำแหน่งข้อต่อแต่ละจุดได้ ช่วยขจัดปัญหาฟลักซ์ล้นเกินจากการฟลักซ์ทั้งแผ่น ปริมาตรการเคลือบฟลักซ์โดยทั่วไป: ใช้ฟลักซ์ในปริมาณที่น้อยกว่าอย่างเห็นได้ชัด และให้การเคลือบฟลักซ์ที่ทำซ้ำได้ดีกว่าวิธีการทาฟลักซ์ด้วยมือทั่วไป

อุณหภูมิหม้อบัดกรีควบคุมกระบวนการที่260°C ±2°C(SAC305 ปราศจากสารตะกั่ว) พร้อมระบบป้อนกลับแบบเรียลไทม์จากเทอร์โมคัปเปิล

พลังงานความร้อนที่ส่งไปยังจุดเชื่อมมีปริมาณพอดีกับที่จุดเชื่อมต้องการ—ไม่มากไปกว่านั้น ส่วนประกอบ SMD ที่อยู่ติดกันบนระยะห่างอย่างน้อย 5 มม.บริเวณรอบนอกของหัวฉีดมักเผชิญกับการรับความร้อนที่ต่ำกว่ามากเมื่อเทียบกับการบัดกรีแบบคลื่นเต็มแผ่น ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับการออกแบบแผงวงจรและการตั้งค่ากระบวนการ ความแตกต่างนี้สามารถวัดได้เชิงประจักษ์ด้วยการถ่ายภาพความร้อน และยังคงอยู่ต่ำกว่าค่าขีดจำกัดความเสียหายสำหรับ MLCC มาตรฐาน ตัวเก็บประจุโพลิเมอร์ หรือไอซีบอดี้พลาสติก

การป้องกันบรรยากาศไนโตรเจน

หัวฉีดน้ำพุบัดกรีทำงานภายใต้ผ้าห่มไนโตรเจน (N₂) เฉพาะพื้นที่โดยรักษาความเข้มข้นของออกซิเจนให้ต่ำกว่าหลายร้อย ppm ในโซนบัดกรี (เทียบกับ ~21% O₂ ในอากาศโดยรอบ) ผลลัพธ์ที่ตามมาสามารถมองเห็นได้โดยตรงในตัวชี้วัดคุณภาพของข้อต่อ:

มุมการเปียกของบัดกรีลดลง 15–25%เมื่อเปรียบเทียบกับการบัดกรีแบบคลื่นในบรรยากาศอากาศ จะให้รูปทรงฟิลเลต์ที่แบนราบและสม่ำเสมอยิ่งขึ้น

การเกิดตะกรันถูกยับยั้งมากกว่า 80%ลดความเสี่ยงการปนเปื้อนของบัดกรีและยืดอายุการใช้งานของอ่าง

ความสม่ำเสมอของชั้น IMC ดีขึ้น: ชั้นอินเตอร์เมทัลลิก Cu₃Sn / Cu₆Sn₅ ที่บริเวณรอยต่อแผ่นรองจะก่อตัวอย่างสม่ำเสมอยิ่งขึ้นในบรรยากาศเฉื่อย ส่งเสริมการก่อตัวของชั้นอินเตอร์เมทัลลิกที่สม่ำเสมอมากขึ้นและความสม่ำเสมอของกระบวนการ

สำหรับการปฏิบัติตามมาตรฐาน IPC-A-610 ระดับคลาส 3, เกณฑ์การเติมรูทะลุของขั้นต่ำ 75%—โดยกระบวนการของเรามุ่งเป้าไปที่ 100%—สามารถทำได้อย่างสม่ำเสมอและมีการบันทึกต่อแต่ละล็อต

สถาปัตยกรรมคุณภาพแบบบูรณาการ

การบัดกรีแบบเลือกจุดทำงานภายในระบบคุณภาพแบบวงปิด ไม่ได้ทำงานอย่างโดดเดี่ยว

การตรวจสอบครีมประสานแบบสามมิติ (3D SPI)— การวัดปริมาณครีมประสาน 100% โดยกำหนดเป้าหมายความสามารถของกระบวนการตามข้อกำหนดของผลิตภัณฑ์ แผงวงจรที่อยู่นอกสเปกจะถูกปฏิเสธก่อนขั้นตอนการวางชิ้นส่วน เพื่อป้องกันไม่ให้ข้อบกพร่องสะสมไปถึงขั้นตอนรีโฟลว์

การตรวจสอบออปติคัลอัตโนมัติแบบสามมิติพร้อม SPC แบบวงปิด— การตรวจสอบหลังการรีโฟลว์ ครอบคลุมการมี/ไม่มีชิ้นส่วน ขั้วไฟฟ้า ความเป็นระนาบเดียวกัน ขาอุปกรณ์ยกตัว และรูปทรงเรขาคณิตของฟิลเล็ตแบบสามมิติ ข้อมูลข้อบกพร่องจะถูกส่งกลับแบบเรียลไทม์ไปยังอุปกรณ์พิมพ์บัดกรีและวางชิ้นส่วนต้นทาง ช่วยให้สามารถปรับแก้กระบวนการได้ภายในกะทำงาน

ออฟไลน์การตรวจสอบด้วยเอกซเรย์— หลังการบัดกรีแบบเลือกเฉพาะจุดด้วยเครื่อง (post-selective soldering) การวิเคราะห์ภาพเอกซเรย์แบบตัดขวางช่วยยืนยันเปอร์เซ็นต์การเติมโลหะประสานในรู THT ปริมาณโพรงอากาศ (void) ใต้ BGA และความครอบคลุมของข้อต่อ QFN สำหรับขั้วต่อกำลังที่ตัวขั้วต่อบดบังการมองเห็นด้วยแสงทางกายภาพ เอกซเรย์จึงเป็นวิธีการแบบไม่ทำลายเพียงวิธีเดียวที่สามารถยืนยันความลึกของการเติมได้ — และมักเป็นวิธีแบบไม่ทำลายที่มีประสิทธิภาพที่สุดในการตรวจสอบรอยบัดกรีที่ซ่อนอยู่และลักษณะการเติมในตำแหน่งที่มีการป้องกันหรือถูกบดบัง

ระบบ MES อัจฉริยะพร้อมการทำซีเรียลไลซ์ด้วยเลเซอร์— การประกอบบอร์ดทุกชุดมีค่าหมายเลขซีเรียลเฉพาะที่ทำด้วยเลเซอร์เชื่อมต่อกับฐานข้อมูล MES: รหัสล็อตของคอมโพเนนต์, รหัสวันที่, ค่าจริงของโปรไฟล์รีโฟลว์, เวอร์ชันโปรแกรม NC และผลการตรวจสอบ SPI/AOI/X-ray ทั้งหมด ความสามารถในการติดตามย้อนกลับในระดับยูนิตแบบสมบูรณ์เป็นโครงสร้างพื้นฐานมาตรฐานในการผลิต ไม่ใช่ตัวเลือกแบบพรีเมียม

สำหรับบอร์ดแบบผสมเทคโนโลยีใด ๆ ที่ติดตั้งอุปกรณ์กำลังแบบ THT อยู่ภายในระยะ 10 มม. จากอุปกรณ์ SMD ระยะพิชช์ละเอียด — ซึ่งเป็นสถานการณ์การออกแบบที่พบได้ทั่วไปในชุดประกอบแหล่งจ่ายไฟทางการแพทย์สมัยใหม่และระบบ BMS ของยานยนต์ไฟฟ้า — การเลือกกระบวนการบัดกรีไม่ใช่ตัวแปรด้านต้นทุนการผลิต แต่เป็นการตัดสินใจด้านสถาปัตยกรรมความเชื่อถือได้ของผลิตภัณฑ์ ซึ่งจะเป็นตัวกำหนดอัตราความล้มเหลวในภาคสนาม ระดับความเสี่ยงด้านกฎระเบียบ และท้ายที่สุดคือผลลัพธ์ด้านความปลอดภัยของผู้ป่วยและผู้โดยสาร

การบัดกรีแบบคลื่นเชิงเลือกอัตโนมัติที่ดำเนินการภายในระบบคุณภาพแบบวงปิดสมบูรณ์ ช่วยลดกลไกความเสียหายจากความร้อนที่เกิดจากการบัดกรีด้วยมือและการบัดกรีแบบคลื่นดั้งเดิมที่มีต่อแอสเซมบลีเหล่านี้ กระบวนการนี้ให้หลักฐานเชิงกระบวนการที่สามารถวัดได้และมีการบันทึกไว้ — อัตราการเติม การโปรไฟล์ความร้อน ค่า Cpk จาก SPI อัตราข้อบกพร่องจาก AOI — ซึ่งสนับสนุนการยื่นเอกสารด้านกฎระเบียบ การตรวจสอบของลูกค้า และโครงการวิศวกรรมความเชื่อถือได้ภายในองค์กร

PCBCart เชี่ยวชาญด้าน HMLV (High-Mix Low-Volume) ที่มีความน่าเชื่อถือสูงแผงวงจรพิมพ์ประกอบสำหรับภาคส่วนอุปกรณ์การแพทย์ วิทยาศาสตร์ชีวภาพ และอิเล็กทรอนิกส์กำลังสำหรับยานยนต์ไฟฟ้า (EV) พื้นที่การผลิตของเราดำเนินงานด้วยระบบบัดกรีคลื่นแบบเลือกอัตโนมัติ (selective wave soldering) ระบบตรวจสอบปริมาณบัดกรีแบบ 3 มิติ (3D SPI) และระบบตรวจสอบภาพอัตโนมัติแบบ 3 มิติ (3D AOI) พร้อมการป้อนกลับ SPC แบบวงปิด การตรวจสอบด้วยเอ็กซเรย์ออฟไลน์สำหรับการยืนยัน BGA และ THT และระบบ MES อัจฉริยะที่มีการติดตามย้อนกลับระดับยูนิตด้วยเลเซอร์ — ทั้งหมดนี้เป็นโครงสร้างพื้นฐานการผลิตมาตรฐานสำหรับการประกอบทุกชิ้น หากแหล่งจ่ายไฟทางการแพทย์หรือบอร์ด BMS สำหรับ EV ชิ้นต่อไปของคุณเกี่ยวข้องกับเทคโนโลยีแบบผสมระหว่าง THT และ SMD โปรดติดต่อทีมวิศวกรรมของเราเพื่อขอรับการทบทวน DFM และการประเมินความเสี่ยงด้านความร้อนก่อนที่การผลิตของคุณจะเริ่มต้นขึ้น

แหล่งข้อมูลที่เป็นประโยชน์
•กลยุทธ์การประกอบแบบไฮบริดสำหรับชิ้นส่วน THT และ SMT
•การเปรียบเทียบระหว่างการประกอบแบบรูทะลุ (THA) และการประกอบแบบติดตั้งบนผิวหน้า (SMA)
•ปัจจัยที่มีผลต่อคุณภาพการบัดกรี SMT และมาตรการปรับปรุง
•การประกอบแผงวงจรพิมพ์ขั้นสูง
•ตรวจสอบ DFM ฟรี