La química del flux determina la diferència entre una línia de producció que aconsegueix un 98% de rendiment al primer-passeig i una que coixeja al 87% mentre tothom discuteix sobre de qui és la culpa. El compost en si-una mescla reactiva d'activadors, vehicles i dissolvents formulats per eliminar les pel·lícules d'òxid i promoure la humectació metal·lúrgica-representa potser el 2% del cost de la vostra llista de materials i aproximadament el 40% de les causes de l'arrel dels defectes quan alguna cosa va de costat. IPC J-STD-004B classifica aquestes formulacions segons els nivells d'activitat (L, M, H), el contingut d'halogenurs i la química base, però el full d'especificacions no us diu gairebé res sobre si un determinatfluxrealment funcionarà a la teva línia, amb els teus taulers, executant els teus perfils tèrmics. Aquesta bretxa entre les promeses del full de dades i la realitat del sòl de producció és on el rendiment viu o mor.
El problema de l'òxid en què ningú no pensa fins que sigui massa tard
L'oxidació es produeix més ràpid del que la majoria de la gent s'adona. Esteu mirant un creixement mesurable d'òxid en qüestió de segons després que el coure arribi a temperatures elevades-no minuts, no "eventualment", sinó immediatament. I aquí està la cosa: la soldadura fosa no s'uneix al metall oxidat. La seva física no és-negociable.
Aquí és on flux guanya el seu sou. Els activadors-derivats de l'àcid abiètic en formulacions de colofonia, àcids orgànics com adípics o succínics en sistemes-solubles en aigua-redueixen químicament aquestes capes d'òxids alhora que estableixen una barrera protectora contra la re-oxidació durant els segons crítics quan la soldadura flueix realment. Sense aquesta barrera, esteu lluitant en una batalla perduda contra la termodinàmica.
El fenomen de la humectació importa més del que aprecia la majoria dels enginyers de producció. La tensió superficial fa que la soldadura fosa minimitzi l'àrea de contacte de manera natural. Vol pujar. Els compostos de flux redueixen aquesta tensió superficial, permetent que l'aliatge s'escampi per les pastilles a velocitats que realment donen suport al rendiment de producció. Quan l'activitat del flux és insuficient? Obteniu la deshumidificació, la soldadura en bola, les juntes incompletes que es veuen bé sota la inspecció visual, però que es fan cràter durant el cicle tèrmic tres mesos després.
Per què probablement el vostre flux no-net no funciona tan bé com us penseu
Siguem sincers sobre alguna cosa als venedors de flux que no els agrada parlar: no-clean és un terme de màrqueting més que una classificació tècnica.
La química va sorgir a finals de la dècada de 1980 com a resposta a les restriccions del Protocol de Mont-real sobre dissolvents de neteja de CFC. En lloc de desenvolupar processos de neteja alternatius, la indústria va empènyer els químics de flux a formular productes amb residus que teòricament podrien romandre als taulers sense causar problemes de fiabilitat. L'enfocament implicava una reducció dràstica del contingut de sòlids-de vegades un 1,5% enfront del 20% de la colofonia tradicional-combinat amb activadors dissenyats per descompondre's completament durant el reflux.
Quan el perfil tèrmic és perfecte i la lluna està en la fase correcta i ningú esternuda a prop de la impressora de plantilla, cap-neteja funciona raonablement bé.
El problema és que cap-flux net és extraordinàriament sensible a la variació del procés. Aquests activadors necessiten temperatures específiques per a durades específiques per trencar-se completament. La zona de remull és massa curta? Queden residus actius. La temperatura màxima no ha arribat a les especificacions a les vores del tauler? Teniu un flux parcialment descompost sota els components, absorbint lentament la humitat atmosfèrica i creant les vies conductores que causen fallades de camp divuit mesos després de l'enviament.
Això és el que ningú us diu al dinar del venedor de flux-i-aprendreu: un percentatge important de fabricants d'alta-fiabilitat netegen el seu flux no-de totes maneres. Els requisits de classe 3 de l'IPC-A-610 per a muntatges mèdics i aeroespacials ho obliguen essencialment. Les plaques denses amb BGA de 0,4 mm-de pas i components amb terminació inferior creen entorns perfectes perquè els residus de flux provoquin migracions electroquímiques. Per què arriscar?
I si decideixes no netejar cap-residu net després del fet-molta sort. La mateixa formulació de baixa activitat-que suposadament els fa "segurs" també els fa obstinadament resistents a les químiques de neteja típiques. Necessitareu dissolvents agressius, i aquests porten la seva pròpia manipulació i mals de cap ambientals.
Aigua-Soluble: l'opció nuclear
Si no-neteja és un ganivet de mantega, el flux-soluble en aigua és una motoserra. Fa la feina ràpidament, però les conseqüències d'una manipulació descuidada són greus.
Les formulacions basades en activadors d'àcids orgànics-glicol-amb àcids cítrics, làctics o adípics-ofereixen una eliminació d'òxids excepcional. Per a superfícies molt oxidades, metal·litzacions difícils com l'ENEPIG o les taxes d'oxidació accelerades del processament-sense plom a 260 graus, el flux soluble en aigua- sovint supera la resta per marges substancials.
L'altra cara és una neteja absoluta, no-negociable i ràpida. Els residus-solubles en aigua són intensament higroscòpics. Deixeu-los durant la nit en un ambient amb un 60% d'humitat i trobareu corrosió visible al matí. He vist que les taules passaven de perfectes elèctricament a ferralla en menys de setze hores perquè algú les va deixar assegudes després de soldar-les amb ona i es va oblidar d'executar el cicle de neteja.
La neteja en si és senzilla-aigua DI, sovint amb saponificadors, en sistemes d'aspersió o d'immersió. L'agitació ultrasònica ajuda a arribar a components de baix-distancia. El requisit crític és la minuciositat. La neteja parcial redistribueix els contaminants iònics a llocs més difícils d'--arribar sense eliminar-los, cosa que és d'alguna manera pitjor que no netejar-los.
Una cosa que atrapa la gent desprevinguda: els residus-solubles en aigua condueixen l'electricitat mentre estan humits. Qualsevol prova elèctrica abans de l'assecat complet produeix dades d'escombraries. Les plaques d'alta-densitat amb vies cegues retenen la humitat en llocs que són sorprenentment difícils d'assecar sense cocció al buit.
La relació de perfil de refluig
El flux no existeix de manera aïllada. Forma part d'un sistema que inclou el vostre perfil tèrmic, la vostra química de pasta, la metal·lització del vostre tauler, la soldabilitat dels vostres components i unes quaranta variables més que interactuen de manera que la resolució de problemes sembli com un treball de detectiu.
La zona de remull és on s'originen la majoria dels defectes relacionats amb el flux-. Un preescalfament massa agressiu crema els portadors volàtils abans que hagin fet el seu treball de protecció. Els activadors s'acostumen a combatre l'oxidació durant el preescalfament en lloc de romandre disponibles per a l'esdeveniment de refluig real. Veuràs que això es manifesta com un raïm-un patró de defecte que sembla exactament un grapat de raïm sota augment, on les partícules de soldadura individuals van refluir però mai es van unir perquè les pel·lícules d'òxid impedien la fusió.
Els defectes del coixí--de capçalera als BGA es remunten a aquest mateix mecanisme aproximadament el 60% del temps. El paquet es deforma durant el reflux, aixecant les boles de soldadura lluny del dipòsit de pasta. Si el flux ja ha esgotat la seva activitat durant un preescalfament massa agressiu, no queda res per reduir la capa d'òxid que es forma a la superfície de la bola exposada durant la separació. Tant la bola com la pasta es fonen, però no es combinen. Teniu el que sembla un cap premut contra un coixí-físicament en contacte però metal·lúrgicament separat.
El nitrogen ajuda, però no és màgia. L'execució del reflux sota atmosfera inert redueix però no elimina les demandes d'activitat de flux. Encara necessiteu l'activació adequada per a la vostra combinació específica de pasta i tauler.
La soldadura selectiva és el seu propi animal
Els requisits de flux per a la soldadura selectiva difereixen de l'ona i el reflux d'una manera que la indústria va trigar anys a entendre's completament.
El repte fonamental és la calefacció localitzada. Un broquet de soldadura selectiva aplica una energia tèrmica intensa a una àrea petita mentre que les regions adjacents romanen relativament fresques. Això crea gradients tèrmics pronunciats i un temps limitat perquè l'activitat de flux funcioni. Necessiteu formulacions amb prou activació per tallar els òxids ràpidament, però sense el contingut d'halogenurs que causaria problemes de fiabilitat a les àrees que no obtenen el benefici de neteja total del contacte directe de la soldadura.
L'obstrucció dels broquets per fluxos basats en colofonia-continua sent una càrrega de manteniment constant. La colofonia-que és el terme tècnic dels derivats de la resina de pi-tendeix a carbonitzar-se i acumular-se als broquets dels aplicadors de flux amb el pas del temps. Les alternatives sintètiques solucionen aquest problema, però de vegades introdueixen les seves pròpies limitacions d'humitat.
L'aplicació de flux Microjet requereix un control de viscositat més estricte del que mantenen la majoria dels entorns de producció. La variació de temperatura en el dipòsit de flux canvia les característiques del flux prou per afectar la consistència del dipòsit. He vist les línies perseguint defectes fantasma durant setmanes abans que algú es pensava comprovar la viscositat del flux amb les especificacions entrants.
El que realment impulsa la millora del rendiment
La veritat poc glamurosa és que la millora del rendiment relacionada amb el flux-generalment prové de la disciplina del procés més que de formulacions miraculoses.
Superviseu la gravetat específica del vostre flux. Els sistemes basats en aigua-absorbeixen la humitat de l'atmosfera. Els sistemes basats en alcohol-perden dissolvent per evaporació. Qualsevol patró de deriva canvia els nivells d'activitat d'una manera que no s'anuncien fins que pugen les taxes de defectes.
Comproveu la neteja de la plantilla més sovint del que creieu necessari. Els residus de flux parcialment secs a les obertures de la plantilla afecta l'alliberament de la pasta d'una manera que semblen problemes de pasta, però en realitat són problemes de neteja.
Valideu la soldabilitat dels components entrants. La millor formulació de flux del món no pot superar les terminacions de components mal oxidades. La prova J-STD-002 costa diners, però estalvia més del que costa quan n'agafes un lot dolent abans que arribi a la producció.
Relacioneu la vostra activitat de flux amb la vostra condició superficial real, no amb la vostra condició superficial teòrica. Els taulers que van estar en inventari durant sis mesos necessiten un flux més agressiu que la producció fresca. Això sembla obvi, però el nombre de línies que executen els mateixos paràmetres de flux independentment de l'edat de la placa suggereix que no és prou evident.
L'epidèmia del-cap-coixí
Si hi ha un defecte que defineix la conversa moderna sobre el rendiment de l'SMT, és el cap{0}}-coixí a les juntes BGA. La transició cap a-lliure de plom ho va agreujar. Els paquets de components més grans amb més boles ho van fer estadísticament inevitable. La indústria ha desenvolupat el que equival a una sub-especialitat completa sobre la prevenció i la detecció d'ells.
El mecanisme de defecte implica la separació entre la bola BGA i el dipòsit de pasta de soldadura durant el reflux, normalment causada per la deformació dels components a temperatures elevades. La superfície de la bola exposada s'oxida. Quan el component es torna a aplanar durant el refredament, la bola entra en contacte amb la pasta, però la capa d'òxid impedeix la coalescència.
L'activitat del flux és fonamental aquí, però només és una variable. Les pastes d'-activitat més alta poden superar les pel·lícules d'òxid moderades. L'atmosfera de nitrogen redueix les taxes de formació d'òxids. El disseny de la plantilla afecta el volum de la pasta-més pasta vol dir que hi ha més flux disponible per afrontar el repte de l'òxid. L'optimització del perfil de reflux minimitza el diferencial de temperatura que provoca la deformació.
Però aquí és on importa l'experiència: de vegades la resposta és la selecció de components en lloc de l'optimització del procés. Alguns paquets BGA simplement es deformen més que altres. Algunes construccions de substrat són més estables dimensionalment. Cap quantitat d'optimització de flux compensa un disseny de components fonamentalment problemàtic.
Voiding: el defecte que amaga
Els buits de soldadura es formen quan els volàtils de flux queden atrapats a la junta durant la solidificació. Alguns buits són inevitables-els estàndards IPC permeten fins a un 25% d'àrea buit per a conjunts de classe 2 i fins a un 25% per a la classe 3, tot i que moltes especificacions OEM exigeixen límits més estrictes.
Els components-terminats inferiors com els QFN són imants buits. El gran coixinet tèrmic central crea una geometria que atrapa els dissolvents de flux de desgasificació sense camí d'escapament. Podeu veure-ho amb raigs X-: bells patrons de buit que es formen a mesura que la soldadura es solidifica al voltant de bombolles que no tenien on anar.
Hi ha formulacions de pasta de baix-buit i ajuden. La química implica sistemes volàtils que desgasten abans en el perfil tèrmic, abans que la soldadura arribi a liquidus. El reflux al buit elimina els gasos atrapats reduint la pressió ambiental durant la fase de solidificació-eficaç però costós d'implementar i mantenir.
Les solucions pràctiques solen incloure el disseny de plantilla. Obertures més petites amb més espai. Panells de finestres o patrons d'-escotilla creuada que creen canals d'escapament per als volàtils. Optimització de la relació d'àrea que equilibra el volum de pasta amb el risc de formació de buits.
Selecció de flux del món real
La conversa d'adquisició sol ser una cosa així: l'enginyeria vol el millor flux per a la seva aplicació específica, la compra vol el flux més barat que, òbviament, no trencarà les coses i el venedor de flux vol vendre el que tingui el millor marge en aquest trimestre. Ningú d'aquest triangle està completament alineat amb els vostres objectius de rendiment.
Comenceu amb les vostres dades de defectes reals. Si el vostre mode d'error principal és una humitat insuficient, necessiteu més activitat. Si el vostre mode d'error principal és la corrosió-de residus o problemes de prova, necessiteu menys activitat o una millor neteja. La solució a un problema sovint en crea un altre, de manera que entendre la vostra distribució actual de fallades importa més que l'optimització teòrica.
Tingueu en compte les vostres capacitats d'inspecció. Els taulers densos amb components de pas-fins poden amagar defectes que només es manifesten sota els raigs X-. Si no teniu capacitat d'inspecció per raigs X-, no hi ha-formulacions netes en conjunts pesats de BGA-suposen una aposta de fiabilitat important que no detectareu fins que no comencin a arribar els retorns de camp.
Considereu honestament la vostra infraestructura de neteja. No seleccioneu el flux-soluble en aigua si la vostra capacitat de neteja equival a una ampolla de polvorització-superior de banc i optimisme. No seleccioneu cap-neteja i assumiu que els residus són realment benignes si el vostre producte funciona en entorns d'alta-humitat o se sotmet a un recobriment conforme.
I pel que val: el flux que va funcionar perfectament per a l'últim producte pot fallar miserablement en el següent. La metal·lització del tauler, l'estat d'oxidació dels components, la distribució de la massa tèrmica, la capacitat de perfil de refluig-tot això interacciona. L'enfocament conservador és fer proves de qualificació en conjunts representatius abans de comprometre's amb els volums de producció.
El factor humà
La gestió del flux és avorrida. Ningú es va dedicar a la fabricació d'electrònica perquè els apassiona el control de la gravetat específica o la substitució de les pedres de flux d'escuma. Els horaris de manteniment es salten. El seguiment del procés es torna inconsistent. La inspecció entrant s'abreuja quan la línia arriba endarrerida.
I després els tancs de rendiment, i tothom s'esforça per identificar la causa arrel, i resulta que el flux havia estat fora de les especificacions durant dues setmanes, però ningú estava comprovant.
L'aspecte disciplinari de la millora del rendiment no és glamurós. No serveix per a presentacions de proveïdors emocionants ni anuncis de tecnologia innovadora. Però els fabricants que aconsegueixen un rendiment del primer-pas superior al 98% no ho fan amb formulacions secretes de flux que no estan disponibles per a tothom. Ho estan fent amb una atenció incansable als fonaments: seguiment, manteniment, control de qualitat entrant, formació d'operadors, documentació de processos.
El flux en si és necessari però no suficient. Comprendre aquesta distinció probablement val més que qualsevol recomanació específica de producte que pugui fer.
La millora del rendiment no és una destinació-és un argument continu amb l'entropia. El flux que seleccioneu determina els termes d'aquest argument, la finestra del procés en què heu de treballar i els modes de fallada que trobareu quan alguna cosa es desvia inevitablement. Fer-ho bé requereix comprendre tant la química del que fa el flux com la realitat pràctica de com funcionen les línies de producció. L'un sense l'altre produeix una elegància teòrica que falla a la pràctica o una solució empírica de problemes que mai no aborda les causes fonamentals. Els fabricants que assoleixen constantment els seus objectius de rendiment han descobert com mantenir les dues perspectives simultàniament.
