لحیم کاری مجدد نیتروژن چیست و چرا باید به آن توجه کرد؟
جریان مجدد نیتروژن جایگزین هوای استاندارد در اجاق با 99.9٪ N2 خالص می شود. عدم وجود اکسیژن از تشکیل اکسید روی خمیر لحیم کاری و سرنخ های اجزاء جلوگیری می کند.
مقایسه فرآیند
پارامتر استاندارد جریان مجدد هوا جریان مجدد نیتروژن (N2)تفاوت سطح اکسیژن 20.9%< 1000ppm (0.1%)200× کمتر O2 زاویه خیس شدن25--35°10--15°2×تر خیس شدن بهتر تخلیه در پدهای حرارتی15---25% کاهش در ناحیه 0% او5----7% در ناحیه 0% او5----7% عیوب 0.5--2%<0.05%10× کمتر تخته های توپی لحیم شده قابل مشاهده نیست
مشکل اکسیداسیون در PCBA ربات صنعتی
ربات صنعتی PCBA اغلب از پدهای حرارتی بزرگ (مس در معرض) زیر ماسفت ها، درایورهای گیت و آی سی های مدیریت انرژی استفاده می کند. این لنت ها در جریان هوا به سرعت اکسید می شوند و از خیس شدن کامل لحیم جلوگیری می کنند. نتیجه حفرههایی است که گرما را به دام میاندازند و پس از 1000 ساعت کار بیشتر باعث خرابی میدان میشوند.
جایی که جریان مجدد نیتروژن ارزش واضحی را ارائه می دهد
هر ربات صنعتی PCBA به یک اندازه سود نمی برد. نیتروژن در سناریوهای خاص منطقی است.
مناطق مسی بزرگ و اجزای سنگین
ویژگی تخته خطر جریان هوای مجدد خطر سود نیتروژن 10×10 میلیمتر پد حرارتی> 30% حفرهها، نقاط داغ < 8% فضای خالی، تخته یکنواخت 20+ لایه (ضخیم) گرمایش ناهموار در لایهها انتقال حرارت بهتر از طریق کانکتورهای بزرگ (40+ پین) هد در بالش% نقص ماژولهای موتور10 درایوها) اکسیداسیون در طول خیساندن طولانی سطوح تمیز
داده های دنیای واقعی: در یک PCBA کنترل کننده ربات شش محوره با 12 ماسفت قدرتمند روی یک برد، جریان مجدد نیتروژن بازده میدان را از 3.2٪ به 0.4٪ در طول 24 ماه کاهش داد. حالت خرابی اولیه - حفره های پد حرارتی که باعث گرم شدن بیش از حد می شود - 87٪ کاهش یافت.
ردیابی ولتاژ پایین، جریان بالا
ربات صنعتی PCBA برای درایوهای سروو 30--80A را روی لایه های داخلی حمل می کند. حفرههای زیر مقاومتهای حس جریان (0.5 mΩ، بسته 2512) تغییرات مقاومتی را ایجاد میکنند که خوانش گشتاور را خراب میکند.
Current Sense Component Air Reflow Variation VariationNitrogen Reflow Variation 4- ترمینال شنت (2512) ± 8 % به دلیل تخلیه ± 1.5 % افزایش دمای مقاومت سنس 15 ° C 5 ° CC رانش کالیبراسیون پس از 500 چرخه 12 % 2 %
جایی که جریان مجدد نیتروژن غیر ضروری است
نیتروژن هزینه را اضافه می کند (اصلاح کوره + مصرف گاز = 0.08-0.12 دلار در هر PCBA). برای این موارد از آن استفاده نکنید.
تخته های کوچک با جرم حرارتی کم
سناریو نیتروژن نیازی نیست یک طرفه، کمتر از 50 جزء جریان هوا کمتر از 8 درصد فضاهای خالی ایجاد می کند همه بسته های کوچک (0402، QFN 3×3) بدون پدهای حرارتی بزرگ SAC305 بدون سرب و بدون قطعات حساس.
تابلوهایی با استفاده از شار با فعالیت بالا
برخی از شارهای بدون تمیز کردن (مانند Senju M705-GRN360-K2-V) حاوی فعال کننده هایی هستند که به طور موثر در هوا تا 240 درجه سانتی گراد کار می کنند. نیتروژن هیچ مزیت قابل اندازه گیری اضافه نمی کند. برگه داده شار را از نظر حساسیت به اکسیژن بررسی کنید.
پارامترهای پیاده سازی برای PCBA ربات صنعتی
اگر تصمیم به استفاده از نیتروژن دارید، این تنظیمات خاص را اعمال کنید.
مشخصات فر زیر نیتروژن
Zone TemperatureTimeO2 TargetPreheat150--180°C60--90 sec<5000 ppm Soak180--210°C60--90 sec<2000ppmReflow peak (SAC305)240--250°C30--250 ppmCooling-5°C/sec ramp---بدون نیاز
انتقادی: O2 را زیر 1000 ppm در زمان اوج جریان مجدد نگه دارید. بالاتر از 1500 ppm، این مزیت از بین می رود - حفره ها به سطح جریان مجدد هوا باز می گردند.
نرخ جریان نیتروژن و خلوص
پارامتر توصیه خلوص حداقل 99.9٪ (درجه 3.0) نقطه شبنم - 40 درجه سانتیگراد یا نرخ جریان کمتر 15 تا 25 متر مکعب در ساعت (فر 6 منطقه ای معمولی)
برآورد هزینه: برای یک ربات صنعتی معمولی PCBA 100×150 میلی متر، نیتروژن 0.10 دلار به ازای هر برد در حجم 10000 اضافه می کند. در حجم 100000، هزینه به 0.04 دلار برای هر تخته کاهش می یابد.
آزمایش برای تأیید سود نیتروژن
قبل از متعهد شدن به نیتروژن برای PCBA ربات صنعتی خود، این دو آزمایش را انجام دهید.
مقایسه تخلیه ادرار (اشعه ایکس)
1. 20 تخته در هوا، 20 تخته در نیتروژن جریان دهید
2. هر تخته را با شیب 0 درجه و 45 درجه اشعه ایکس کنید
3. ناحیه خالی زیر بزرگترین پد حرارتی را اندازه گیری کنید (به عنوان مثال آی سی درایور موتور)
4. معیار قبولی برای توجیه نیتروژن: کاهش فضای خالی > 50 درصد نسبت به هوا
آزمون مقطع و برش
TestAir Reflow ResultNitrogen TargetIMC ضخامت (بین فلزی) 1--3 میکرومتر ناهموار2--4 میکرومتر یکنواخت قطر خالی> 200 میکرومتر معمولی< 100 میکرومتر نادر مقاومت برشی توپ (0.5 میلی متر BGA) 800--1000 gf1100--1300 gf
سؤالات متداول -- سؤالات متداول در مورد جریان مجدد نیتروژن برای PCBA ربات صنعتی
Q1: آیا جریان مجدد نیتروژن قابلیت اطمینان اتصال لحیم کاری را برای ربات PCBA صنعتی در معرض ارتعاش بهبود می بخشد؟
الف:بله، اما فقط برای مکانیسم های خرابی خاص. ربات های صنعتی لرزش 5-50 گرمی را از موتورهای سروو و گیربکس ها تجربه می کنند. دو خرابی مرتبط با ارتعاش با نیتروژن بهبود می یابد:
کرکندال ادرار کردن- در جریان هوا، رشد بین فلزی مس-قلع (IMC) نامنظم است و حفره های میکروسکوپی در سطح مشترک ایجاد می کند. تحت ارتعاش، این حفره ها پس از 5000 تا 10000 ساعت به هم می پیوندند و می ترکند. جریان مجدد نیتروژن IMC یکنواخت (لایه Cu₆Sn5) بدون حفره ایجاد می کند. آزمایش ارتعاش (20 گرم، 10-2000 هرتز، 100 ساعت) نشان می دهد که اتصالات نیتروژن 3× بیشتر زنده می مانند.
خستگی لحیم کاری در نزدیکی اجزای سنگین- ترانسفورماتورهای بزرگ (15×15 میلی متر) روی PCBA ربات صنعتی انبساط حرارتی متفاوتی را در طول گرم کردن ربات (25 درجه سانتی گراد تا 85 درجه سانتی گراد) تجربه می کنند. در جریان مجدد هوا، حفرهها در گوشههای اجزا که بیشترین تنش هستند، متمرکز میشوند. این حفره ها به عنوان محل شروع کرک عمل می کنند. با نیتروژن، مفاصل بدون فضای خالی استرس را به طور یکنواخت توزیع می کنند.
بهبود کمی- آزمایش عمر تسریع شده (شوک حرارتی -40 درجه سانتیگراد تا +125 درجه سانتیگراد، 1000 چرخه + لرزش همزمان) نشان می دهد:
- اتصالات جریان هوا: 12% ترک خورده یا از کار افتاده است
- اتصالات جریان مجدد نیتروژن: 1.5 درصد ترک خورده است
با این حالنیتروژن هندسه پد با طراحی ضعیف یا دیافراگم های شابلون نادرست را ثابت نمی کند. همیشه ابتدا آنها را بهینه کنید، سپس نیتروژن اضافه کنید.
Q2: چه درصد خالی برای مراحل قدرت ربات PCBA صنعتی قابل قبول است و آیا نیتروژن می تواند به آن برسد؟
الف:برای مراحل قدرت PCBA ربات صنعتی (درایوهای موتور، IGBT، MOSFET)، تخلیه قابل قبول به بار حرارتی بستگی دارد. سه طبقه وجود دارد:
سطح 1 -- توان بالا (پیوسته > 20 آمپر در هر FET)
منطقه خالی قابل قبول: < 5٪. قطر خالی تکی: < 0.2 میلی متر. این تنها با جریان مجدد نیتروژن (1000 پی پی ام O2) به اضافه جریان مجدد خلاء (اختیاری) قابل دستیابی است. بدون نیتروژن، فضای خالی معمولی 15-25٪ است.
سطح 2 -- توان متوسط (10--20A پیک، متناوب)
سطح خالی قابل قبول: < 10%. بدون فضای خالی بیش از 0.5 میلی متر. جریان مجدد نیتروژن به طور مداوم 5 تا 8 درصد حفره ایجاد می کند. جریان مجدد هوا 12 تا 18 درصد تولید می کند - اغلب حاشیه ای است اما اگر شبیه سازی حرارتی اجازه دهد عبور می کند.
سطح 3 -- توان کم (< 5A، آی سی های سیگنال)
سطح خالی قابل قبول: < 25٪. حفره ها حداقل تاثیر حرارتی دارند. نیتروژن غیر ضروری است. جریان مجدد هوا کافی است.
آیا نیتروژن می تواند بدون خلاء به ردیف 1 برسد؟خیر -- نیتروژن به تنهایی به دلیل گازهای شار به دام افتاده به حداقل 5--8 درصد فضاهای خالی می رسد. برای حفرههای زیر 5 درصد (برای دستگاههای SiC MOSFET یا GaN حیاتی است)، به جریان مجدد خلاء نیاز دارید (گازها را پس از ذوب شدن لحیم حذف میکند). نیتروژن + خلاء 1--3 درصد خلاء ایجاد می کند.
پروتکل تست PCBA ربات صنعتی: فضای خالی را روی 10 تخته اندازه گیری کنید. اگر میانگین بیشتر از 15% بود نیتروژن اضافه کنید. اگر میانگین 8 تا 15 درصد و اتلاف توان کمتر از 2 وات در هر قطعه باشد، هوا قابل قبول است. اگر کمتر از 8٪ مورد نیاز است، بهینه سازی نیتروژن به علاوه شابلون را مشخص کنید (از طریق پد حرارتی برای آزاد کردن شار).
Q3: آیا می توانم کوره جریان هوای موجود خود را برای تولید PCBA ربات صنعتی به نیتروژن تبدیل کنم؟
الف:بله، اما با سه تغییر غیرقابل مذاکره. بسیاری از تولیدکنندگان اقدام به تبدیل جزئی می کنند و با شکست مواجه می شوند.
اصلاح 1 - آب بندی کوره
کوره های جریان هوا دارای شکاف هایی در پرده های ورودی/خروجی و بین مناطق هستند. خلوص نیتروژن نیاز به ورودی اکسیژن <50 لیتر در دقیقه دارد. نصب کنید:
- پرده های مغناطیسی دو لایه (جایگزین زنجیر ساده)
- کنترل فشار مثبت (1--2 میلی متر H2O داخل فر)
- تمام پانل های دسترسی را با واشرهای سیلیکونی با دمای بالا ببندید
بدون آب بندی، شما 3-5× نیتروژن بیشتری مصرف خواهید کرد (هزینه هر تخته 0.30--0.50 دلار) و همچنان 5000 پی پی ام O2 در اوج مصرف خواهید داشت -- بدتر از یک اجاق هوا که به درستی تنظیم شده است.
اصلاح 2 -- سیستم نظارت بر اکسیژن
دو سنسور زیرکونیا O2 نصب کنید: یکی در منطقه پیش گرم، دیگری در منطقه اوج جریان مجدد. سنسورها باید هر ماه کالیبره شوند. بسیاری از تولید کنندگان PCBA ربات های صنعتی از کالیبراسیون صرف نظر می کنند، سپس تعجب می کنند که چرا تخلیه باز می گردد.
اصلاح 3 -- نوار نقاله و روانکاری
روان کننده های استاندارد نقاله اجاق گاز در نیتروژن تبخیر می شوند (فقدان اکسیژن دمای تجزیه را تغییر می دهد). از گریس پرفلوروپلی اتر (PFPE) استفاده کنید. برندهای Kester یا Klüber. روان کننده استاندارد تخته را آلوده می کند و توپ های لحیم ایجاد می کند.
هزینه تبدیل و جدول زمانی:
- تجهیزات: 8000 تا 15000 دلار (مهر، پرده، سنسور، کنترل جریان)
- نصب: 2 روز توقف
- تامین نیتروژن: مخزن مایع یا ژنراتور PSA (300 تا 500 دلار اجاره ماهانه)
- دوره بازپرداخت برای حجم PCBA ربات صنعتی > 50000 در سال: 6--8 ماه (از کاهش مجدد کار و بازگشت میدانی)
تبدیل نکنیداگر حجم سالانه شما زیر 20000 تخته باشد. به جای آن از یک سازنده قراردادی استفاده کنید که قبلاً جریان نیتروژن دارد.
ماتریس تصمیم -- آیا باید از نیتروژن استفاده کرد؟
FactorAir Reflow SufficientNitrogen پدهای حرارتی توصیه شده > 25 میلی متر مربع خیر بله اجزای دارای پایه مسی در معرض (QFN، DFN) خیر بله گام BGA < 0.8 میلی متر خیر بله، عملکرد PCBA ربات > 60 درجه سانتیگراد محیطی خیربله هدف قابلیت اطمینان در میدان < 0.5% خرابی بدون AC-50 در سال fluxSometimesبرای تخته های بزرگ حجم کمتر از 10000 تخته در سال بله خیر (هزینه ناکارآمد)
توصیه نهایی
جریان مجدد نیتروژن برای PCBA ربات صنعتی منطقی است که شامل:
- پدهای حرارتی بزرگ (> 25 میلی متر مربع)
- BGA یا QFN با پدهای قالب در معرض
- هر مرحله توان اتلاف کننده > 5 وات در هر قطعه
- نیاز به قابلیت اطمینان < 1٪ خرابی میدان در طول 5 سال
نیتروژن برای PCBA ربات صنعتی ساده و کم مصرف (رابط حسگر، بردهای ورودی/خروجی) با اجزای کوچک و بدون چالش های حرارتی منطقی نیست.
مشاوره عملی: یک آزمایش 100 تخته ای در نیتروژن اجرا کنید. تخلیه اشعه ایکس. با نتایج جریان هوای فعلی خود مقایسه کنید. اگر سطح خالی بیش از 50% کاهش یابد، نیتروژن را وارد کنید. اگر کمتر از 30 درصد کاهش داشته باشد، طرح شار یا استنسیل شما مشکل واقعی است -- ابتدا آن ها را برطرف کنید.
