بروفايلات لحام إعادة التدفق: SAC305 خالي الرصاص والرصاصي
بروفايلات اللحام بإعادة التدفق لتجميع PCB في الصين: درجات حرارة مناطق SAC305 وSn63Pb37، ومعدلات التسخين، وحساسية الرطوبة J-STD-020.
اللحام بإعادة التدفق (Reflow Soldering) يصهر معجون اللحام لتشكيل وصلات دائمة بين المكونات السطحية (SMD) ووسادات PCB. البروفايل الحراري — أي منحنى درجة الحرارة-الزمن الذي تمر به اللوحة عبر فرن إعادة التدفق — هو أهم متغير في العملية. البروفايل الخاطئ يسبب وصلات باردة، أو ظاهرة الشاهد (tombstoning)، أو تشقق المكونات، أو غليان الإلكتروليت؛ وكلها تجتاز الفحص البصري وتفشل في الميدان. التحقق من البروفايل هو جزء أساسي من فحص الجودة لأي مشروع تجميع PCB.
نظرة عامة
يحتوي فرن إعادة التدفق الناقل على 6–14 منطقة حرارة. تمر اللوحة عبر كل منطقة بسرعة مضبوطة، لتتعرض لمنحنى درجة حرارة صاعد ثم هابط. يجب أن يسخن البروفايل اللوحة بدرجة كافية لإذابة اللحام وترطيبه بالكامل، مع البقاء دون حدود التلف لكل مكون على اللوحة. بالنسبة للتجميعات المختلطة (دبابيس عبر الفتحة تُلحم موجياً بلوحة تحوي مكونات SMD سبق لحامها بإعادة التدفق)، يجب ألا يعيد بروفايل إعادة التدفق إذابة وصلات العملية السابقة.
نظاما لحام رئيسيان في الإنتاج الصيني:
- SAC305 (Sn96.5/Ag3.0/Cu0.5): خالي من الرصاص، متوافق مع RoHS، نقطة الانصهار 217°م
- Sn63Pb37: رصاصي، نقطة الانصهار 183°م — لا يزال مستخدماً للتطبيقات الصناعية والعسكرية وبعض التطبيقات عالية الموثوقية المستثناة من RoHS
المعاملات الأساسية
| المعامل | SAC305 (خالي من الرصاص) | Sn63Pb37 (رصاصي) | ملاحظات |
|---|---|---|---|
| درجة حرارة الانصهار (Liquidus) | 217°م | 183°م | نقطة الانصهار الكاملة |
| معدل التسخين التمهيدي | 1–3°م/ثانية | 1–2°م/ثانية | سريع جداً = صدمة حرارية |
| درجة حرارة منطقة النقع | 150–200°م | 140–170°م | تنشيط التدفق (flux)، طرد الغازات |
| مدة النقع | 60–120 ثانية | 60–90 ثانية | تحت نقطة الانصهار |
| درجة حرارة الذروة | 235–250°م | 205–225°م | عند أشد نقطة حرارة على اللوحة |
| الهامش فوق الانصهار | +18–33°م | +22–42°م | يضمن الترطيب الكامل |
| الوقت فوق الانصهار (TAL) | 30–90 ثانية | 30–60 ثانية | طويل جداً = تلف المكونات |
| التبريد من الذروة إلى المحيط | ≤4°م/ثانية | ≤4°م/ثانية | أسرع = وصلة باردة، هشة |
| أقصى معدل تسخين صاعد | 3°م/ثانية | 2°م/ثانية | خطر تشقق المكثفات السيراميكية |
تفصيل البروفايل منطقة بمنطقة
المنطقة 1–3: التسخين التمهيدي (25°م → 150°م) الهدف: رفع درجة حرارة اللوحة تدريجياً لتجنب الصدمة الحرارية التي تشقق المكثفات السيراميكية متعددة الطبقات (MLCCs). يجب ألا يتجاوز معدل التسخين 3°م/ثانية (SAC305) أو 2°م/ثانية (الرصاصي). في هذه المرحلة، تُطرد الرطوبة المتبقية على اللوحة أو داخل عبوات المكونات. إذا لم تُطرد الرطوبة قبل منطقة النقع، فإنها تتبخر داخل معجون اللحام مسببة فراغات.
المنطقة 3–5: النقع/التنشيط (150–200°م لـ SAC305) ينشط تدفق (flux) معجون اللحام وينظف أسطح الوسادات والمكونات (إزالة الأكاسيد). يجب أن يبقى المعجون في هذه المنطقة لفترة كافية للتنشيط الكامل — 60–120 ثانية. قصيرة جداً: ترطيب ضعيف على الوسادات المؤكسدة. طويلة جداً: يحترق التدفق قبل إعادة التدفق، مما يسبب أيضاً ترطيباً ضعيفاً. أثناء النقع، تتساوى درجة حرارة اللوحة عبر اللوحة الكاملة — أمر بالغ الأهمية للوحات ذات فروق الكتلة الحرارية الكبيرة بين المناطق.
المنطقة 5–7: إعادة التدفق (فوق الانصهار، 217–250°م لـ SAC305) ينصهر اللحام، يرطب الوسادة وطرف المكون، ويشكل الوصلة. الوقت فوق الانصهار (TAL) من 30–90 ثانية يسمح بترطيب كامل دون تسخين زائد للمكونات. تقاس درجة حرارة الذروة عند أبرد نقطة على اللوحة (تحت أكبر كتلة حرارية، مثل موصل طاقة أو وسادة مشتت حراري كبير). العديد من المصانع تقيس الذروة عند أسهل موقع للحساس الحراري — اشترط أن يوضع الحساس الحراري تحت أكثر المكونات تحدياً حرارياً.
منطقة التبريد: الذروة → 100°م تبريد سريع لكن مضبوط (<4°م/ثانية). بطيء جداً: تزداد سماكة الطبقة بين المعدنية (intermetallic)، مما يقلل قوة الوصلة مع الزمن. سريع جداً: صدمة حرارية، أو أن بنية وصلة اللحام لا تملك وقتاً كافياً للتنظيم — مما ينتج وصلات حبيبية هشة. جو النيتروجين (إذا استُخدم) يمنع إعادة الأكسدة أثناء التبريد.
بدائل منخفضة الحرارة
SnBiAg (مثلاً، Sn42/Bi57/Ag1): نقطة الانصهار ~138°م، بروفايل الذروة 150–165°م. يُستخدم للمكونات الحساسة للحرارة التي لا تتحمل ذرى SAC305 البالغة 250°م — بعض QFNs ذات الرقاقة الرقيقة، وبعض وحدات العرض، والمكونات ذات الموصلات البلاستيكية المصنفة لـ 180°م. تخفض درجات الذروة المنخفضة التواء PCB في اللوحات كبيرة الحجم. المقايضة: قوة شد ومقاومة إجهاد حراري أقل من SAC305. لا ينصح به للتطبيقات عالية الاهتزاز أو التدوير الحراري.
مستويات حساسية الرطوبة J-STD-020 (MSL)
تمتص المكونات الرطوبة أثناء التخزين. إذا دخلت مكونات مشبعة بالرطوبة فرن إعادة التدفق، يتبخر الماء ويتمدد داخل العبوة أسرع مما يمكنه الخروج، مسبباً تقشراً داخلياً (“popcorning”) — غالباً غير مرئي خارجياً لكنه مدمر للموثوقية. تصنف J-STD-020 المكونات حسب سرعة امتصاصها للرطوبة إلى مستويات غير آمنة:
| مستوى MSL | العمر الأرضي (عند 30°م/60% رطوبة نسبية) | خبز قبل إعادة التدفق؟ |
|---|---|---|
| MSL 1 | غير محدود | لا (لكن خزن محكم الإغلاق) |
| MSL 2 | سنة واحدة | إذا تجاوز العمر الأرضي |
| MSL 2a | 4 أسابيع | إذا تجاوز العمر الأرضي |
| MSL 3 | 168 ساعة (أسبوع واحد) | نعم، إذا >168 ساعة منذ الفتح |
| MSL 4 | 72 ساعة | نعم |
| MSL 5 | 48 ساعة | نعم |
| MSL 5a | 24 ساعة | نعم |
| MSL 6 | TOL (الوقت على الملصق) | اخبز دائماً حسب الملصق |
BGAs و QFNs غالباً ما تكون MSL 3 أو أعلى. إذا كانت في تخزين مفتوح لأكثر من 168 ساعة (أو لا يستطيع المصنع تأكيد ظروف التخزين)، يجب خبزها قبل إعادة التدفق: 125°م لمدة 8–24 ساعة حسب سماكة العبوة ومستوى MSL، وفقاً لـ J-STD-033.
اسأل المصنع: “كيف تتتبعون MSL للمكونات؟ هل تسجلون وقت فتح البكرات؟” إذا لم يكن لديهم إجراء، فأنت في خطر.
إعادة التدفق بجو النيتروجين
استبدال الهواء بالنيتروجين (O₂ <100 ppm) داخل الفرن يمنع أكسدة اللحام والوسادات أثناء إعادة التدفق. الفوائد: ترطيب أفضل، معدلات عيوب أقل على المكونات ذات الخطوة الدقيقة، إمكانية استخدام تدفق no-clean مع بقايا ضئيلة. التكلفة: يضيف $0.10–0.30 للوحة لاستهلاك النيتروجين. مطلوب لـ: بعض عمليات no-clean الخالية من الرصاص على BGAs بخطوة 0.3 مم؛ موصى به لتجميعات الفئة 3 عالية الموثوقية.
ما يجب تحديده عند الطلب من الصين
- سبيكة اللحام: SAC305، Sn63Pb37، أو سبيكة محددة منخفضة الحرارة — اذكر أيها وأشر إلى تسمية السبيكة وفق J-STD-006
- إجراء التعامل مع MSL: اشترط على المصانع توثيق مستويات MSL للمكونات وتاريخ الخبز؛ اجعل هذا بنداً في قائمة تدقيق المصنع
- توصيف البروفايل على لوحتك: اشترط سجل الحساس الحراري من أول دورة إنتاج موضوعاً في أسوأ موقع حراري، وليس بروفايلاً عاماً محفوظاً
- جو النيتروجين: حدد “نعم” أو “لا” — إذا لم يُحدد، معظم المصانع تفترض الهواء افتراضياً
- فحص القطعة الأولى (FAI): اشترط تصوير لوحة واحدة من أول panel بالأشعة السينية وعمل مقطع عرضي لها للتحقق من جودة الوصلات قبل الموافقة على الإنتاج الكمي
فحوصات الجودة
الفحص الحاسم: بروفايل مسجل بالحساس الحراري للوحتك المحددة، مع تثبيت الحساس الحراري على الجانب السفلي لأضخم مكون حرارياً. قارن درجة حرارة الذروة المقاسة، وTAL، ومعدلات التسخين بجدول المواصفات أعلاه. اطلب هذا كجزء من وثائق فحص القطعة الأولى.
المجهر المقطعي (cross-section) على وصلات BGA يكشف: سماكة الطبقة بين المعدنية (1–3 µm مثالية)، ونسبة الفراغات، وهندسة الوصلة. للإنتاج، يؤكد فحص AXI بالأشعة السينية تشكل الوصلات على كل لوحة.
المشكلات الشائعة
وصلات لحام باردة على SAC305: درجة حرارة ذروة غير كافية أو TAL قصير جداً. يتطلب SAC305 ذروة أعلى من الرصاصي — المصانع التي تشغل معجون SAC305 ببروفايل مضبوط للحام الرصاصي ستنتج وصلات باردة قد تجتاز الاختبار الكهربائي (مقاومة التلامس) لكنها تفشل ميكانيكياً حرارياً تحت الاهتزاز أو التدوير الحراري.
تشقق MLCCs: تجاوز معدل التسخين 3°م/ثانية في التسخين التمهيدي، أو وضع اللوحة في أداة تثبيت باردة مباشرة بعد إعادة التدفق. MLCCs (خصوصاً 0402 و 0201 X7R/X5R) هشة؛ الانحدار الحراري عبر جسمها يسبب كسور إجهاد ميكانيكية. التشققات الدقيقة غالباً تجتاز الاختبار الكهربائي في درجة حرارة الغرفة لكنها تفشل في درجة حرارة مرتفعة أو بعد إجهاد ميكانيكي.
فشل المكثفات الإلكتروليتية: تجاوزت درجة حرارة الذروة تصنيف المكون (عادة 260°م لمدة 10 ثوانٍ وفق J-STD-020). يغلي الإلكتروليت، مما يؤدي إلى تنفيس المكثف. أكثر شيوعاً في اللوحات عالية الكثافة حيث يكون تدفق الهواء في الفرن غير متساوٍ وتتشكل نقاط ساخنة. تحقق من تصنيفات درجة حرارة المكونات مقابل أسوأ بروفايل فرن.
مصادر ذات صلة
- عملية تجميع SMT — تدفق خط SMT الكامل
- معايير القبول IPC-A-610 — تصنيف جودة الوصلات
- إرشادات DFM — قواعد التصميم المؤثرة على سلوك البروفايل الحراري
- قائمة تدقيق المصنع
- خدمات فحص الجودة
- توريد تصنيع PCB و SMT
- دليل مشتري تجميع PCB في الصين