لحیم کاری ریفلو (Reflow Soldering) فرایندی حیاتی در صنعت الکترونیک است که به طور عمده برای اتصال قطعات نصب سطحی (SMD) به بردهای مدارچاپی (PCB) به کار می‌رود. این روش شامل اعمال خمیر لحیم به نقاط خاصی روی PCB، قراردادن قطعات روی خمیر و سپس گرم‌کردن کل مجموعه در یک اجاق ریفلو است که خمیر لحیم ذوب شده و اتصال الکتریکی و مکانیکی قابل‌اعتمادی بین قطعه و PCB ایجاد می‌کند. کیفیت این اتصالات تأثیر قابل‌توجهی بر عملکرد و قابلیت اطمینان محصول نهایی الکترونیکی دارد.
در طول فرایند ریفلو لحیم، عوامل مختلفی از جمله ترکیب خمیر لحیم، نوع اجاق ریفلو و پروفایل دما بر کیفیت اتصال لحیم تأثیر می‌گذارند؛ لذا درک این عوامل و نحوه تعامل آنها برای دستیابی به نتایج لحیم‌کاری مطلوب ضروری است.
این مقاله به طور عمیق به فرایند ریفلو لحیم، بررسی جنبه‌های مختلف، چالش‌ها و بهترین شیوه‌های آن پرداخته و درک جامعی از تکنیک‌ها و اصول درگیر را ارائه می‌دهد و به خواننده این امکان را می‌دهد تا هنگام کار با ریفلو لحیم، تصمیمات آگاهانه‌ای بگیرد.
بررسی اجمالی فرایند جریان مجدد لحیم کاری (Solder Reflow)
فرایند ریفلو در لحیم کاری، مراحل و مراتبی را ازجمله موارد زیر در بر می‌گیرد:
آماده‌سازی برد مدارچاپی (PCB)
برای اطمینان از کیفیت بالای اتصالات لحیم، تمیزکردن کامل و مناسب PCB قبل از ریفلو لحیم ضروری است. تمیزی سطح PCB به طور مستقیم بر توانایی خمیر لحیم برای چسبیدن به برد و ایجاد یک اتصال قابل‌اعتماد تأثیر می‌گذارد. آلودگی‌هایی مانند گردوغبار، گریس و اکسیداسیون می‌توانند منجر به نقص لحیم کاری و کاهش قابلیت اطمینان محصول شوند.
چندین روش برای تمیزکردن PCB قبل از ریفلو لحیم وجود دارد، از جمله تمیزکردن با امواج فراصوت، تمیزکردن با آب و تمیزکردن با حلال. تمیزکردن با امواج فراصوت از امواج صوتی با فرکانس بالا برای حذف آلاینده‌ها استفاده می‌کند. تمیزکردن با آب به محلول‌های پایه آب متکی است، درحالی‌که تمیزکردن با حلال از مواد شیمیایی خاصی برای حل‌کردن آلاینده‌ها استفاده می‌کند. هر روش بسته به عواملی مانند نوع و میزان آلودگی، مواد PCB و ملاحظات زیست‌محیطی، مزایا و معایبی دارد.
پس از تمیزشدن PCB، مرحله بعدی اعمال خمیر لحیم است. خمیر لحیم مخلوطی از ذرات آلیاژ فلزی، فلاکس و سایر افزودنی‌هایی است که در طی ریفلو ذوب می‌شوند. این کار پیوندی بین پدهای PCB و ترمینال‌های قطعه ایجاد می‌کند. یک جنبه مهم از کاربرد خمیر لحیم، رسوب دقیق خمیر روی پدهای PCB است. این کار معمولاً با استفاده از یک چاپگر شابلونی انجام می‌شود.
چاپ استنسیلی (چاپ شابلونی)
چاپ استنسیلی گامی حیاتی در فرایند ریفلو لحیم محسوب می‌شود، زیرا انتقال دقیق خمیر لحیم روی پدهای برد مدارچاپی (PCB) را تضمین می‌کند. یک استنسیل (شابلون) به‌خوبی طراحی شده برای دستیابی به کیفیت مطلوب اتصال لحیم ضروری است. استنسیل‌ها معمولاً از جنس فولاد ضدزنگ یا فیلم پلی‌آمید ساخته می‌شوند و دارای منافذی هستند که با چیدمان پدهای برد مطابقت دارند. استنسیل روی برد قرار داده می‌شود و خمیر لحیم با استفاده از یک‌تیغه لاستیکی روی آن پخش می‌شود، منافذ را پر می‌کند و خمیر را به پدها منتقل می‌کند.
چندین عامل بر فرایند چاپ استنسیلی و کیفیت انتقال خمیر لحیم تأثیر می‌گذارند:
- طراحی استنسیل: ضخامت و ابعاد روزنه (حفره) استنسیل باید به طور دقیق با اندازه پدهای برد مدارچاپی (PCB) و نیازمندی‌های قطعه مطابقت داشته باشد. ضخامت استنسیل میزان خمیر قلع قرار داده شده روی پدها را تعیین می‌کند، درحالی‌که ابعاد روزنه گسترش جانبی خمیر را کنترل می‌کند. یک استنسیل به‌خوبی طراحی شده، خطر اتصال کوتاه لحیم (bridging) و کمبود لحیم روی پدها را به حداقل می‌رساند.
- پارامترهای چاپ: زاویه، فشار و سرعت تیغه (اسک squeegee) نقش مهمی در چاپ استنسیلی دارند. زاویه نامناسب تیغه می‌تواند باعث پر نشدن کامل منافذ استنسیل شود، درحالی‌که فشار یا سرعت زیاد ممکن است باعث پخش‌شدن یا تراز نبودن خمیر لحیم روی پدها گردد. کالیبراسیون و تنظیم صحیح این پارامترها اطمینان از رسوب دقیق خمیر لحیم را تضمین می‌کند.
- ویژگی‌های خمیر لحیم: خواص رئولوژیکی خمیر لحیم‌کاری، مانند ویسکوزیته و تیکسوتروپی، بر توانایی آن برای عبور از دهانه‌های شابلون و چسبیدن به پدهای PCB تأثیر می‌گذارد. خمیر لحیم کاری باید دارای ویسکوزیته و رفتار تیکسوتروپیک مناسب برای رسوب‌دهی ثابت و دقیق باشد. محتوای فلز خمیر، ترکیب آلیاژ و توزیع اندازه ذرات عوامل مهمی هستند که بر کیفیت اتصال لحیم کاری نهایی تأثیر می‌گذارند.
برای جلوگیری از ایجاد عیب و حفظ کیفیت بالای رسوب‌گذاری خمیر لحیم، بازرسی و نگهداری منظم از چاپگر استنسیلی ضروری است. این کار شامل تمیزکردن استنسیل برای پاک‌کردن باقی‌مانده خمیر لحیم و بررسی هم‌راستایی و دقت فرایند چاپ می‌شود.
فرایند جای‌گذاری دقیق (Pick and Place) در لحیم‌کاری ریفلو
فرایند جای‌گذاری دقیق، مرحله‌ای حیاتی در لحیم‌کاری ریفلو به شمار می‌رود. در این مرحله، قطعات نصب سطحی (SMD) بادقت روی پدهای برد مدارچاپی (PCB) که با خمیر لحیم پوشانده شده‌اند، قرار می‌گیرند. ماشین‌های جای‌گذاری دقیق که به آنها سیستم‌های جای‌گذاری قطعه نیز گفته می‌شود، مسئول این کار هستند.
این ماشین‌ها از ترکیبی از دوربین‌ها، بازوهای رباتیک و نازل‌های وکیوم برای برداشتن قطعات از قرقره‌ها یا سینی‌های قطعه و قراردادن آنها بادقت روی PCB استفاده می‌کنند.
چندین عامل در کارایی و دقت فرایند جای‌گذاری دقیق نقش دارند که در ادامه به آنها خواهیم پرداخت.
- تشخیص و جهت‌گیری قطعات: دستگاه‌های مدرنِ جای‌گذاری قطعات از سیستم‌های دید پیشرفته برای شناسایی قطعات، تعیین جهت‌گیری آنها و اطمینان از قرارگیری صحیح روی برد مدارچاپی (PCB) استفاده می‌کنند. این سیستم‌های دید می‌توانند انواع مختلفی از قطعات را تشخیص دهند، از جمله قطعات غیرفعال، مدارهای مجتمع و کانکتورها.
- سرعت جای‌گذاری: سرعت برداشتن قطعات توسط ماشین و قراردادن آنها روی PCB در تعیین راندمان تولید بسیار مهم است. ماشین‌های جای‌گذاری پرسرعت می‌توانند ده‌ها هزار قطعه را در ساعت جای‌گذاری کنند، درحالی‌که ماشین‌های منعطف‌تر ممکن است سرعت جای‌گذاری پایین‌تری داشته باشند، اما از طیف وسیع‌تری از انواع و اندازه‌های قطعه پشتیبانی می‌کنند.
- دقت و تکرارپذیری دستگاه: دقت ماشین Pick and Place، صحت قرارگیری قطعات روی برد مدارچاپی (PCB) را تعیین می‌کند. ماشین‌های با دقت بالا می‌توانند قطعات را با دقتی در حد چند میکرون قرار دهند و این کار باعث ایجاد اتصالات لحیم‌کاری قابل‌اعتماد و حداقل نقص در فرایند ریفلو می‌شود. تکرارپذیری، توانایی دستگاه برای قراردادن مداوم قطعات در یک محدوده دقت مشخص است که برای حفظ کیفیت بالای اتصالات لحیم در چندین مجموعه PCB ضروری است.
- ظرفیت تغذیه‌کننده و زمان تغییر ابزار: تعداد تغذیه‌کننده‌های قطعه‌ای که یک دستگاه می‌تواند روی خود جای دهد، به طور مستقیم بر تطبیق‌پذیری و بهره‌وری آن دستگاه تأثیر می‌گذارد. دستگاه‌هایی که جایگاه‌های بیشتری برای تغذیه‌کننده دارند، می‌توانند با اجزای مختلفی کار کنند و در نتیجه، نیاز به تعویض‌‌های مکرر را کاهش دهند. علاوه بر این، دستگاه‌هایی با زمان تغییر ابزار سریع، خرابی تولید را به حداقل می‌رسانند و در نتیجه باعث افزایش کارایی کلی می‌شوند.
- کالیبراسیون و نگهداری صحیح: برای اطمینان از قرارگیری دقیق قطعات و به‌حداقل‌رساندن نقص‌ها در فرایند ریفلو لحیم، کالیبراسیون و نگهداری صحیح دستگاه جای‌گذاری ضروری است.
در مراحل آتی PCB و قطعات به طور آهسته تا دمای مشخصی گرم می‌شوند تا حلال و گاز موجود در خمیر لحیم تبخیر شود و دما به سرعت به نقطه ذوب خمیر لحیم می‌رسد و لحیم ذوب شده، اتصالات بین قطعات و PCB را ایجاد می‌کند. سپس PCB به آرامی خنک می‌شود تا اتصالات لحیم کاری به طور کامل سفت شوند.
