DALGA LEHĐMLEME PROSESĐ TEMEL EĞĐTĐMĐ Mayıs 09
ĐÇERĐK LEHĐMLEMEYE GENEL BAKIŞ FLUX GENEL BAKIŞ DALGA LEHĐM PROSESĐ DALGA LEHĐM HATALARI
LEHĐMLEMEYE GENEL BAKIŞ
Lehimleme Nedir? Genel anlamda; Lehimleme, iki metal yüzeyin erime sıcaklığı görece çok daha düşük başka bir metal (lehim) kullanılarak birleştirilmesidir.
Lehimleme Nedir? Elektronik sektöründe; Elektronik malzemenin, baskı devre kartına lehim kullanılarak i) mekaniksel ii) elektriksel olarak sabitlenmesidir.
Metaller Lehimlenebilir (Base Metals); Bakır Copper (Cu) Bronz Bronze (Cu+Sn) Gümüş Silver (Ag) Pirinç Brass (Cu+Zn) Nikel Nickel (Ni) Altın Gold (Au)
Metaller Lehimlenmesi çok zor ya da mümkün değil; Alüminyum Aluminum Yüksek alaşımlı paslanmaz çelik High alloy steel Dökme demir Cast iron Titanyum - Titanium
Lehim Alaşımlarında Kullanılan Tipik Metaller Kalay Tin (Sn) Kurşun Lead (Pb) Gümüş Silver (Ag) Antimon Antimony (Sb) Bizmut Bismuth (Bi) Bakır Copper (Cu) Đndiyum Indium (In)
Bazı Lehim Alaşımları ve Erime Sıcaklıkları
Lehimin Temel Özellikleri (1) Islatma (Wetting): Erimiş haldeki lehim, malzeme bacakları ya da terminallerine ve PCB padlerinin yüzeyine yayılmalıdır.
Islatma (Wetting) X X X X
Islatma (Wetting) Islatmayı belirleyen faktörler şunlardır: Materyal ve lehimin içeriği Yüzeyin temizliği; oksitler ıslatmayı engeller Sıcaklık; yüksek sıcaklıkta ıslatma daha kolay gerçekleşir Yüzeyde bulunan diğer yardımcı maddeler; Flux
Lehimin Temel Özellikleri (2) Metaller Arası Bağlantı (Intermetallic Joints): Katı haldeki lehim elektriği iletmeli ve malzemeyi sağlam bir şekilde tutmalıdır. Bu özellik yeterli sıcaklıkta metal yüzey ve lehim arasında oluşan alaşımla sağlanır. Bakır+Kalay/Kurşun (SnPb) lehim için bu alaşımlar Cu3Sn ve Cu6Sn5 tir.
Metaller Arası Bağlantı (Intermetallic Joints)
FLUX GENEL BAKIŞ
Flux Nedir? Flux, metal yüzeyi lehimleme prosesine hazırlayan sistemdir. Lehimlenebilmeyi arttırır. Ürünün güvenilirliğini arttırır. Lehimleme prosesini geliştirir.
Flux ın Đçeriği Flux = Katı Maddeler + Çözücü(ler) Katı maddeler; - Flux ın işlevini belirler. Çözücü(ler); - Aktif maddeleri gerekli yere taşır. - Aktif maddelerin eşit dağılımını sağlar. - Uygulama şekli için gerekli özellikleri sağlar.
Flux ın Đçeriği Fluxlar Çözücü(ler) Katı maddeler Taşıyıcılar Aktif maddeler -Islatmayı Hızlandırır -Oksitlenmeyi engeller Yardımcı Maddeler -Oksit çözücüler ve önleyiciler -Yağ çözücüler -Isı düzenleyiciler -Đncelticiler -Diğer
Temel Flux Çeşitleri Aktif madde içeriğine göre; Đnorganik asit; Organik asit; Rosin (Reçine);
Temel Flux Çeşitleri Dalga Lehim Fluxları Alkol Bazlı Su Bazlı (VOC-Free) Reçine içeren Reçine içermeyen Reçine içeren Reçine içermeyen No-Clean No-Clean Water Soluble No-Clean No-Clean Water Soluble
No-Clean Nedir? Bir NO CLEAN lehimleme malzemesinin, - lehim teli, krem lehim veya sıvı flux, normal koşullar altında ürünün güvenilirliğini ve kullanım ömrünü etkilememesi gerekir. Lehimlemeden sonra temizleme işlemi gerektirmez. Normal koşullar altında tüketici elektroniği sektöründe kullanılan genel amaçlı fluxlar NO CLEAN dır.
Water Soluble Nedir? Aktivasyon seviyesi orta yada yüksek olan (Organik veya Đnorganik Acid) ve aşındırıcı özelliğe sahip artıkları su ile çözülebilen fluxlardır.
VOC Free Nedir? VOC (Volatile Organic Compounds) uçucu organik bileşiklerdir. Bu çözeltiler normal kullanım sırasında buharlaşıp havaya karışarak küresel ısınmayı arttırıcı etki yapar. Alkoller, eterler, alkanlar gibi hidrokarbonların çoğu VOC olarak nitelendirilir. Su bir VOC değildir. Su bazlı fluxlarda VOC Free olarak tanımlanır.
Dalga Lehim Prosesi
Dalga Lehimleme Nedir? PCB üzerine dizili bacaklı yada SMD elektronik malzemelerin çabuk ve güvenli şekilde lehimlemesine imkan veren bir lehimleme prosesidir. Bu lehimleme prosesi, malzeme dizili kartların bir veya iki lehim dalgası üzerinden geçirilmesiyle gerçekleştirilir.
Dalga Lehim Prosesi Aşamaları Tasarım Flux Uygulama Isı Profili Ön ısıtma Lehim Potası Soğutma
Dalga Lehim Prosesi - Tasarım PCB malzemesi; Lehimleme prosesi sıcaklılarına dayanıklı olmalıdır. Lehim maskesi; PCB lehim tutmayan bir malzeme ile kaplanmalıdır. Malzeme paket tipi; Kullandığınız lehim tipine Lehimleme prosesi süresi ve sıcaklığına, uygun olmalıdır.
Dalga Lehim Prosesi - Tasarım Pad aralıkları; lehimleme sırasında birbirine ardışık padler arasında kısa devre oluşmaması için gerekli olan aralık bırakılmalıdır. Lehimin akış yönünde köprü oluşması daha kolaydır.
Dalga Lehim Prosesi - Tasarım Gölge etkisi; malzemenin gövdesinin lehimin malzemenin arka tarafındaki padlerine ulaşmasını engellemesidir.
Dalga Lehim Prosesi Flux Uygulama Flux PCB nin yüzeyine; istenilen miktarda, homojen olarak, uygulanabilmelidir.
Dalga Lehim Prosesi Flux Uygulama Yaygın olarak kullanılan Flux Uygulama Yöntemleri; Köpük flux (Foam Fluxer) Sprey flux (Spray Fluxer)
Dalga Lehim Prosesi Flux Uygulama Köpük flux yöntemi (Foam Fluxer); PCB, yüzeyine ve deliklerin içine flux ulaşmasını sağlayan bir köpük bloğunun üzerinden geçirilir.
Dalga Lehim Prosesi Flux Uygulama Sprey flux yöntemi (Spray Fluxer); flux PCB yüzeyine ve deliklerin içine homojen olarak püskürtülür.
Dalga Lehim Prosesi Isı Profili
Dalga Lehim Prosesi Ön Isıtıcılar Ön ısıtıcılar; PCB yi ve malzemeleri ısıtarak termal şoku önler. Flux çözücülerini kurutur. Flux aktivasyonunu başlatır. Lehimin ilk temastan itibaren karta yayılmasını kolaylaştırır.
Dalga Lehim Prosesi Lehim Potası Lehimlemenin gerçekleştiği yer olan potadaki lehim ile ilgili parametreler şunlardır; Lehim akış hızı Temas süresi Lehim sıcaklığı Dalga geometrisi Cüruf
Dalga Lehim Prosesi Lehim Potası Çip Dalga; karta ilk temas eden çalkantılı ve yüksek enerjili dalga tipidir. Özellikle SMD malzemelerin bulunduğu ve ana dalganın tüm yüzeye yayılmasının zor olduğu yoğun kartlarda tüm yüzeyin ıslatılması için kullanılır.
Dalga Lehim Prosesi Lehim Potası Ana Dalga; asıl lehimlemenin gerçekleştiği düzgün yüzeyli dalgadır. Sıvı haldeki lehim bir nozzle içerisinden yukarıya doğru pompalanır ve nozzle ın iki yanından dökülür.
Dalga Lehim Prosesi Lehim Potası Ana Dalga Parametreleri; Dalganın yüksekliği; lehim pompa motoru ve pota yükseklik ayarıyla kontrol edilebilir. Lehimin yüksekliği PCB kalınlığının 1/2 sine kadar ulaşmalıdır. Kartın açısı; lehimin karttan ayrılması için gereklidir. Ana dalga şekline göre 4-9 arasında değişebilir. Küçük açılar daha dolgun lehim noktaları sağlarken açının aşırı artması eğik lehimlenmeye neden olabilir. Açı temas süresini de değiştiren bir faktördür.
Dalga Lehim Prosesi Lehim Potası Ana Dalga Parametreleri; Kartın dalgaya değme ve ayrılma noktaları Lehimin hızlı aktığı noktadan dalgaya temas etmeli. Kartın hızı ile lehimin akış hızının birbirine eşit yada lehimin biraz daha hızlı olduğu, noktadan ayrılmalıdır.
Dalga Lehim Prosesi Lehim Potası Ana Dalga Parametreleri; Dalga geometrisini değiştiren levha ayarları; kartın lehimden ayrılma noktasını ve lehim akış hızını belirlemede etkilidir.
Dalga Lehim Prosesi Soğutma
Dalga Lehim Hataları
Đyi Lehim Noktasının Özellikleri Malzeme terminalinin tümünü ıslatmış, Tüm kenarlarda simetrik, Kartla yaklaşık 45 açıya sahip, Bacaklı malzemeler için kartın üzerindeki delikleri üst yüzey seviyesine kadar doldurmuş, Çip malzemeler için terminalin %75 ine kadar yükselmiş, Lehim yapısı homojen, boşluk ve delik içermeyen,
Đyi Lehim Noktasının Özellikleri - Örnekler
Lehim Köprüsü Bridge Lehim köprüleri malzeme bacak aralıklarının giderek küçülmesiyle artan bir problem haline gelmiştir. Geçmişte bacak aralıkları 0,050 iken günümüzde 0.025 bacak aralıklı malzemeler yaygın olarak kullanılmaktadır. Lehim köprüleri, lehim katılaşırken iki yada daha fazla bacaktan ayrılmaması sonucu oluşur. Daha etkili bir flux kullanmak yada kullanılan flux ın miktarını arttırmak köprüleri azaltmada etkili olabilir. Bacak boyunun ve pad boyutlarının küçültülmesi kart üzerinde tutulan lehim miktarını azaltacaktır. Bunun yanında alternatif padlerin çıkışa paralel kenarlarının uzatılması gerçek ayrılma mesafesini arttırır ve köprü oranını düşürür.
Lehim Köprüsü Bridge 0.050 malzeme bacak aralığı altındaki malzemelerin dalga lehim için yeni dizaynlarda kullanılmasından kaçınılmalıdır. Bunun uygulanması mümkündür fakat daha çok makine ve mühendis çabası gerektirir. 0.032 malzeme bacak aralığı ulaşılabilir, 0.025 problemlidir ve 0.020 tamir için daha çok eleman gerektirir. Örnekte görülen pinlerin üst kısmında oluşmuş köprü flux miktarı arttırılarak iyileştirilebilir. Bu özellikle yanlış ön ısıtma ve dalga temas süresinin kısalığından kaynaklanır. Malzemenin termal etkisi lehimi soğutma yönündedir, bu lehimin ayrılmasını yavaşlatır. Bu nedenle bacakların malzemeye yakın üst kısımlarında ıslatma azdır ve köprü oluşur.
Gaz Çıkış Deliği Pin/Blow Hole Bu problemi gidermenin tek yolu PCB kalitesini delik içinde 25um bakır kaplama yapabilecek şekilde iyileştirmektir. Kartı fırınlayıp içindeki suyu atmasını sağlamakta bir yöntem olarak kullanılmaktadır.
Pad Kirlenmesi Pad Contamination Resimde lehim noktaları iyi görünmekle birlikte padler üzerindeki lehim maskesi lehim hacmini azaltmıştır. Lehim maskesinin 0.002-0.003 kadar padlerin boyutundan daha büyük olması gerekmektedir. Bu boşluk kartın üretilmesi sırasında oluşabilecek hataları tolare etmek için gereklidir. Örneğimizde lehim maskesinin boyutunun padinkinden daha küçük olduğu görülmektedir. Dalga lehimleme sırasında bu kötü bir görünüme neden olmakla birlikte, lehimin güvenilirliği açısından herhangi bir probleme neden olmaz. Daraltılmış lehim maskeleri lehim köprülerini gidermek amacıyla da kullanılmışlardır. Her zaman dalga lehim problemlerini parametreleri değiştirerek çözmek mümkün olmayabilir.
Lehim Bayrakları Solder Flugs Bazı durumlarda çıkıntıların nedeni sıcaklık problemleri de olabilir ve basitçe lehim temas süresi uzatılarak yada ön ısıtma arttırılarak giderilebilir. Büyük kütleye sahip bir malzeme de diğer malzemelerle aynı boyutlarda bacaklara sahip olabilir ve ön ısıtma sırasında malzemenin termal yükü nedeniyle bacaklar yeterli ısıyı alamayabilir. Bu bacaklar lehim dalgasından ayrılırken de daha hızlı soğurlar ve daha hızlı çıkıntı ve köprü oluşturabilirler. Örnekteki lehim bayrakları muhtemelen kartın diğer kesimlerinde de görülebilen kararsız flux uygulamasının sonucudur. Bacakların uzunluğu 1.5-2mm den büyük aşırı uzunluktadır. Köprüler aynı zamanda bacakların lehimi dalganın oksitlenmiş bir kısmından çıkması sonucu da oluşabillir.
Tamamlanmamış Lehim Noktası Incomplete Solder Joint Tamamlanmamış lehim dolguları genellikle tek taraflı kartlarda görülür. Örnekte lehimlenmeyi zorlaştıran delik bacak oranının yüksekliği görülmektedir. Aynı zamanda padin uçlarında reçine yapışmıştır. Bu dizayn için bile konveyör açısı 6 den 4 ye düşürülerek proses iyileştirilebilir. Bu lehimin ayrılmasını azaltacaktır fakat köprü olasılığını arttırır. Lehim sıcaklığının düşürmek de problemi gidermek için kullanılabilir. Normalde delik bacak oranı; bacak çapı + 0.010 tir.
Kalkmış Malzeme Lifted Component Örnekte malzeme bacaklarının farklı termal ihtiyaçlarından dolayı kalkmıştır. Kartın dalga temas süresi uzatılarak bu problem giderilebilir. Ana dalga için bazı plakalar ayarlanarak kontak zamanını arttırmak mümkündür. Tüm konveyörün hızını düşürmek gerekmez.
Eksik Delik Dolgusu Poor Hole Fill Örnekte lehim delik boyunca tam dolgu sağlayamamıştır. Bu ön ısıtma sıcaklığının çok düşük ayarlanmasından ya da yetersiz flux uygulamasından kaynaklanabilir. Her iki durumda da problemin çözümü için proses parametreleri kontrol edilmelidir.
Eksik Lehimleme Noktası Solder Skip Yüzey montaj malzemelerinin lehim tarafından ıslatılamaması sonucu eksik lehimleme noktaları oluşur. Problemi incelerken öncelikle malzeme terminali yada padin üzerinde taze lehim izi olup olmadığı kontrol edilmelidir. Genellikle lehimin varlığı yada yokluğu problem hakkında fikir verecektir. Eksik lehimin en yaygın sebepleri; yanlış çip dalgası yüksekliği, kart yüzeyi altından flux gazı çıkışı veya maske kalınlığının aşırı oluşudur. Maske dışındaki problemler proses parametreleriyle rahatlıkla çözülürken, lehim maskesi için PCB spesifikasyonları gözden geçirilmelidir. Örnekte yapıştırıcının pad yüzeyini kirletmektedir. Görülebilir bir katman olmamasına rağmen bazı yapıştırıcılar ısıl işlem sırasında şeffaf bir film sızdırırlar.
Lehim Topları Solder Ball Lehim toplarının oluşma sebepleri çok fazla olmakla birlikte, her zaman PCB nin alt yüzünde bulunurlar. Sebepten bağımsız olarak, eğer lehim topları lehim maskesine yapışmıyor ise problem büyük ölçüde çözülmüş demektir. Bir kart dizaynını kararlı yapmanın en iyi yolu iyi bir lehim maskesi seçmektir. Örneğimizde lehim topları rasgele olarak yayılmıştır ve lehim dalgası sıçraması sonucu gibi görülmektedir. Bu flux içinde hala uçucu maddeler kalmasından ya da dalgadan ayrılma yüksekliğinden kaynaklanıyor da olabilir.
Lehim Ağı Solder Webbing Lehim ağı oluşmasındaki diğer nedenler, yetersiz flux uygulaması, çok uzun lehim temas süresi, yanlış flux seçimi olabilir. Bazı flux ve maske malzemelerinin birbiriyle etkileşime girdiği ve maskenin zarar gördüğü tespit edilmiştir. Diğer bir neden lehim dalgası ayarları olabilir. Dalga kart ile temasa girdiğinde üzerinde bulunan ince oksit tabakası ile PCB nin tabanı temas etmeyecek şekilde ayarlanmalıdır. Dalganın bakımı iyi yapılmadığı durumlarda da lehim ile birlikte pompalanan oksit veya cüruf tabana yapışabilir.
Sonuç: Dalga Lehim Hatası Etkenleri Kart / Malzeme Dizaynı Kart ve Malzemenin Lehimlenebilirliği Flux Seçimi Flux Uygulaması ve Kontrolü Lehim Alaşımı Kullanılan Ekipman Proses Koşulları Kullanılan Ekipmanların Kontrolü ve Bakımı
DĐKKAT: Problemi gidermeye çalışırken şüphelendiğiniz nedenlerden her denemenizde sadece bir tanesini değiştiriniz!!!
Lehimleme Kendiliğinden Olmaz!!! Teşekkürler info@3s-technologies.com.tr