ความเชื่อผิดๆ เกี่ยวกับโปรไฟล์ reflow ที่เสียเวลาไปหนึ่งสัปดาห์ในทุก NPI

การแนะนำผลิตภัณฑ์ใหม่ทุกชิ้นตามบทบาทที่คาดไว้ การออกแบบบอร์ดถูกล็อคแล้ว การตัดแผ่นสแตนซิลถูกทำ การติดตั้งส่วนประกอบเสร็จสิ้น จากนั้นก็เริ่มการ profiling ด้วย reflow ซึ่งหายไปในหนึ่งสัปดาห์ วิศวกรพยายามตามรอย curves ramp-soak-spike ของตำราเรียน ปรับร้อนในเตาอย่างต่อเนื่อง โดยการปรับอุณหภูมิในโซนอย่างเป็นขั้นเป็นตอน และเฝ้าสังเกต passive และ cold solder joints ที่อยู่บน Tombstone ซึ่งเป็นผลจากความเย็นของการบัดกรี วันที่เปิดตัวผลิตภัณฑ์นั้นล่าช้า วงจรซ้ำซากเกิดขึ้นในโครงการถัดไป

ของเสียนี้ไม่ได้เกิดจากความขยันขันแข็งไม่เพียงพอหรืออุปกรณ์ที่ calibration ผิดพลาด แต่มันเป็นผลลัพธ์ที่คาดการณ์ได้จากการใช้งาน profile ทฤษฎีบนการประกอบที่ละเมิดสมมติฐานพื้นฐานของมัน: มวลความร้อนที่สม่ำเสมอ โปรไฟล์ตำราเรียนไม่เคยออกแบบมาสำหรับบอร์ดที่มีขั้วต่อพลังงานขนาดใหญ่และแผงต้านทาน 0402 ที่เป็นตาข่าย มันสมมติว่ามีภาระความร้อนที่เป็นเนื้อเดียว ซึ่งผลิตภัณฑ์จริงไม่ค่อยแสดงออกมา เมื่อมวลความร้อนแตกต่างกัน โปรแกรมโปรไฟล์เดียวไม่สามารถตอบสนองหน้าต่างกระบวนการที่ขัดแย้งกันของส่วนประกอบหนักและเบา การปรับให้เหมาะสมสำหรับหนึ่งรับประกันความล้มเหลวในอีกอัน

ทางออกไม่ใช่การคาดเดาที่ดีกว่า แต่มุ่งไปที่ profiling ที่บันทึกข้อมูล การทำแผนที่เตาอย่างมีวินัย และการประเมินอย่างระมัดระวังว่าเมื่อไรที่บรรยากาศไนโตรเจนควรใช้อย่างจริงจัง วิธีการเหล่านี้ลดรอบเวลาการวนซ้ำโดยการวัดผลก่อนล่วงหน้าและเคารพในหลักฟิสิกส์ของการถ่ายเทความร้อน พวกเขาทดแทนสัปดาห์ที่ต้องลองผิดลองถูก ด้วยระเบียบวิธีที่สามารถทำงานได้ในการรอบแรกทันที

สัปดาห์ที่คุณแพ้ตามล่ารูปแบบโปรไฟล์ตำราเรียน

โปรไฟล์ reflow ตามตำราเรียนชักชวนในความเรียบง่ายของมัน: การเพิ่มความเร็วควบคุมเพื่อเปิดใช้งาน flux, การแช่เพื่อปรับอุณหภูมิให้เท่ากัน, การ spike เหนือ liquidus เพื่อเปียกบัดกรี และการลดอุณหภูมิอย่างควบคุมเพื่อสร้างความสัมผัส การเคลื่อนไหวเป็นเส้นทางที่ราบรื่น ช่วงเวลาชัดเจน และทฤษฎีสมเหตุสมผล มันรู้สึกเป็นวิศวกรรม มันรู้สึกปลอดภัย และเป็นสาเหตุของสัปดาห์ที่เสียนั่น

กระบวนการทำงานที่มันสร้างขึ้นไม่ใช่สิ่งที่ปลอดภัย การโปรไฟล์เริ่มต้นถูกโปรแกรมตามคำแนะนำของผู้ผลิต paste ซึ่งเป็นการประมาณที่ไม่ได้ระบุอะไรเกี่ยวกับความหนาแน่นของส่วนประกอบหรือความหนาของทองแดง บอร์ดถูกใช้งาน การตรวจสอบแสดงรายชื่อข้อบกพร่องที่คุ้นเคย: tombstoning บน passive ขนาดเล็กใกล้ขอบ การ wetting ของขั้วต่อขนาดใหญ่บนกลุ่มโครงสร้างรากฐาน หรือเชือกที่ถูกยกขึ้นจากการช็อคทางความร้อน การปรับเส้นโค้ง การแช่ขยายเวลาขึ้น เพื่อให้ส่วนประกอบหนักมีเวลาร้อนขึ้นอีกครั้ง บอร์ดถูกใช้งานอีกครั้ง ตอนนี้ส่วนประกอบเล็กถูกไหม้ การปรับอีกครั้ง การใช้งานอีกรอบ จนในวันศุกร์โปรไฟล์เตาเป็น Frankenstein ที่มีกระบวนการลองผิดลองถูก แต่ละอุณหภูมิในโซนเป็นการต่อรองระหว่างความต้องการที่ขัดแย้งกัน

ความ persistence ของวิธีนี้ไม่ได้มาจากความไม่รู้ แต่มาจากการสอนในหลักสูตรการประกอบทุกสอนในเอกสารข้อมูลของ paste และฝังในแบบจำลองทางความคิดว่าการ profiling ควรเป็นอย่างไร สมมติฐานว่ารูปแบบเดียวสามารถปรับให้เหมาะสมสำหรับบอร์ดทั้งแผ่นนั้นไม่ค่อยถูกตั้งคำถามเพราะเป็นแนวทางที่ทำกันทั่วไป

สมมติฐานนี้เป็นความผิดพลาดประเภท สรุปว่าการโปรไฟล์ตามตำราเรียนออกแบบมาสำหรับงานประกอบง่ายๆ ที่มวลความร้อนควบคุมไว้จริงๆ บอร์ดในโรงงานจริงเป็นความวุ่นวายด้านความร้อน แผงหลักที่มีขั้วต่อเยอะและแผง ground ที่ล้นหลามเป็นแหล่งสังเกตความร้อนที่ต้องใช้เวลา 30 วินาทีเพื่อถึงอุณหภูมิแช่ และ capacitors 0402 ที่อยู่ห่างกัน 50 มิลลิเมตรบนแผ่นเว้นว่างเดียวกันก็สามารถถึงอุณหภูมิเดียวกันใน 8 วินาที ไม่มีอัตรา ramp หรือเวลาแช่เดียวที่จะตอบสนองทั้งสองได้ โปรไฟล์ตามตำราเรียนไม่รับรู้ถึงความขัดแย้งนี้ เพราะมันไม่เคยจำลองมัน

ทำไมมวลความร้อนถึงฆ่าสถาปัตยกรรมแบบเดียวที่เหมาะกับทุกคน

ฟิสิกส์ของความร้อนที่ไม่สม่ำเสมอ

ในกระบวนการรีโฟลว์ มวลความร้อนเป็นความสามารถขององค์ประกอบในการดูดซับและกักเก็บความร้อน เชื่อมต่อทองแดงและพลาสติกขนาดใหญ่มีมวลความร้อนสูง; มันจะร้อนขึ้นช้าและต้านทานการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิ คาปาซิเตอร์เซรามิกขนาดเล็กมีมวลความร้อนต่ำ; มันตอบสนองเกือบจะทันทีต่อสภาพแวดล้อมของเตา องค์ประกอบสองชิ้นนี้จะไม่ร้อนในอัตราเดียวกัน

การถ่ายเทความร้อนในเตาอบแบบพาคความร้อนขับเคลื่อนด้วยอากาศที่ถูกบังคับให้เคลื่อนที่ อัตราที่ส่วนประกอบดูดซับพลังงานขึ้นอยู่กับพื้นที่ผิวสัมผัส ตัวนำความร้อน และความแตกต่างของอุณหภูมิระหว่างมันกับอากาศรอบข้าง คอนเนคเตอร์ขนาดใหญ่มีกำลังมากแต่พื้นผิวที่เปิดเผยจำกัด จึงให้ความร้อนช้าๆ Passive ขนาดเล็กที่มีอัตราส่วนพื้นผิวต่อมวลสูงจะให้ความร้อนอย่างรวดเร็ว แผงวงจรเอง โดยเฉพาะบริเวณที่มีการตกแต่งทองแดงอย่างหนัก ทำหน้าที่เป็นแหล่งเก็บความร้อนที่ซับซ้อนสำหรับการร้อนของส่วนประกอบใกล้เคียง

ผลลัพธ์คือแผงวงจรที่อยู่ในสภาพความร้อนที่ไม่เป็นระเบียบ ในทุกช่วงเวลาส่วนประกอบมีอุณหภูมิแตกต่างกันอย่างมาก เมื่อ Passive ขนาดเล็กอยู่ที่ 200°C และพร้อมสำหรับการพุ่งขึ้นไปสู่จุดหลอมเหลว คอนเนคเตอร์ที่หนักอาจยังคงอยู่ที่ 160°C เมื่อเตาอบปรับขึ้นอุณหภูมิให้คอนเนคเตอร์ได้รับพลังงานมากพอที่จะเข้าถึงอุณหภูมิสูงสุด Passive ขนาดเล็กจะได้รับผลกระทบจากเวลารอที่ยาวนานและเป็นอันตรายเหนือจุดหลอมเหลว

หน้าต่างกระบวนการที่ขัดแย้งกัน

ส่วนประกอบแต่ละตัวมีหน้าต่างกระบวนการ — ช่วงเวลและอุณหภูมิที่สร้างการเชื่อมต่อบัดกรีที่เชื่อถือได้โดยไม่ทำให้เสียหาย สำหรับตัวต้านทาน 0402 ขนาดเล็ก หน้าต่างนั้นแคบ; สามารถรับการพุ่งขึ้นของอุณหภูมิแบบชั่วคราวเหนือจุดหลอมเหลวได้ แต่การให้ความร้อนนานเกินไปจะทำให้ตัวมันแตกร้าวหรือเสื่อมสภาพของการเชื่อมต่อ สำหรับคอนเนคเตอร์ขนาดใหญ่ หน้าต่างนี้ถูกกำหนดโดยเวลาขั้นต่ำที่จำเป็นสำหรับการเปียกชื้นของหมุดขนาดใหญ่ และเวลาสูงสุดก่อนที่ตัวพลาสติกของมันจะเสียรูป

โปรไฟล์การรีฟโลว์เดียวเป็นความพยายามในการหาทางประนีประนอมที่ทำให้ส่วนประกอบทั้งหมดอยู่ภายในหน้าต่างของตนเอง เมื่อมวลความร้อนไม่เท่ากัน การประนีประนอมนี้จะไม่เกิดขึ้น

นึกภาพแผงวงจรที่มีคอนเนคเตอร์ไฟขาออก 40 ขาและกลุ่ม Passive ขนาดเล็ก คอนเนคเตอร์ต้องการระยะเวลาการแช่ที่นานและอุณหภูมิสูงสุดที่ต่อเนื่อง การตั้งโปรไฟล์เตาอบให้เหมาะสมจะทำให้ Passive ถูกทำความร้อนเกินไป การลดระดับโปรไฟล์เพื่อปกป้อง Passive จะรับประกันการเชื่อมต่อที่เย็นบนคอนเนคเตอร์

ข้อบกพร่องสามารถทำนายได้ ทอมบสโตนิงเกิดขึ้นเมื่อปลายหนึ่งของ Passive หลอมละลายก่อนอีกปลาย ทำให้แรงดึงของแรงเสียดทานบนพื้นผิวดึงให้มันตั้งตรง—เป็นผลโดยตรงจากโปรไฟล์ที่รุนแรงเกินไปสำหรับชิ้นส่วนที่มีมวลต่ำ การเชื่อมต่อบัดกรีเย็นบนชิ้นส่วนขนาดใหญ่เป็นปัญหาตรงกันข้าม: มวลความร้อนของชิ้นส่วนดูดซับความร้อนทั้งหมดก่อนที่บัดกรีจะสามารถเปียกน้ำทองแดงได้ การพยายามแก้ไขข้อบกพร่องหนึ่งอย่างน่าเชื่อถือจะสร้างข้อผิดพลาดอีกอย่างหนึ่ง นี่ไม่ใช่ปัญหาเกี่ยวกับการปรับแต่ง แต่มันเป็นการไม่ตรงกันพื้นฐานระหว่างอัลกอริทึมแบบเส้นเดียวและความเป็นจริงทางความร้อน

วินัยในการ Profiling ที่บันทึกข้อมูล

ทางเลือกแทนการสมมติว่าโปรไฟล์จะใช้งานได้นั้นคือการวัดว่ามันใช้งานได้จริงหรือไม่ การบันทึกข้อมูลโปรไฟล์โดยใช้เทอร์โมคัปเปิลติดตรงกับส่วนประกอบที่จุดสุดขั้วทางความร้อนของแผงวงจร: ส่วนที่ใหญ่ที่สุดและมีมวลมากที่สุด และส่วนที่เล็กที่สุดและมีมวลน้อยที่สุด การทำให้แผงผ่านเตาอบบันทึกอุณหภูมิที่แท้จริงของแต่ละส่วนประกอบตลอดเวลา ซึ่งให้ข้อมูลที่เป็นข้อเท็จจริงเกี่ยวกับสิ่งที่เกิดขึ้น ไม่ใช่การทำนายเชิงทฤษฎี

คุณค่าที่แท้จริงไม่ได้อยู่ที่การสร้างโค้งที่ดูสวยงามกว่า แต่มันคือการเปิดเผยอย่างชัดเจนว่าหน้าต่างกระบวนการถูกละเมิดเมื่อข้อมูลแสดงให้เห็นว่า Passive ขนาดเล็กแตะ 250°C ขณะที่คอนเนคเตอร์ขนาดใหญ่ยังคงลำบากที่ 210°C การเดาก็หยุดลง ความขัดแย้งถูกนำมาเป็นจำนวนและการตัดสินใจขึ้นอยู่กับการจัดลำดับความสำคัญ โดยทั่วไปแล้ว ส่วนประกอบที่หนักหน่วงต้องกำหนดโปรไฟล์ และส่วนประกอบที่เบากว่าจะได้รับการปกป้องด้วยวิธีอื่น เช่น การวางตำแหน่งบอร์ด หรือลำดับการอุ่นก่อนโซน

การบันทึกข้อมูลโปรไฟล์โดยใช้เทอร์โมคัปเปิลยังทำลายความมั่นใจเท็จที่มาจากการวัดอุณหภูมิอากาศของเตาอบหรือการใช้แผงวงจรเปล่า อุณหภูมิอากาศบอกคุณว่าเตาอบทำอะไร ไม่ใช่ว่าส่วนประกอบรู้สึกอย่างไร แผงเปล่าไม่มีความแตกต่างในมวลความร้อน ทำให้โปรไฟล์ของมันเป็นนวนิยายแบบอุดมคติ การวัดระดับส่วนประกอบเท่านั้นที่จับสัจธรรมได้ ทักษะนี้ต้องลงทุนล่วงหน้า แต่ต้นทุนนั้นจะได้คืนในครั้งแรกที่พัฒนา NPI โดยไม่ต้องทำซ้ำห้ารอบ

คำถามเกี่ยวกับไนโตรเจนที่ไม่มีใครถามอย่างถูกต้อง

บรรยากาศไนโตรเจนในระหว่างการรีฟโลว์กำหนดอย่างชัดเจนและได้รับการตั้งคำถามด้วยความหายาก สมมติฐานคือสภาพแวดล้อมที่ไม่มีกิริยาเคมีจะดีที่สุดเสมอ ความเป็นจริงเป็นเงื่อนไขมากขึ้น ไนโตรเจนยับยั้งการเกิดออกไซด์บนบัดกรีเหลว ซึ่งมีประโยชน์เฉพาะในกรณีที่เคมีของฟลักซ์อ่อนเกินไปที่จะทำงานได้เองหรือพื้นผิวของแผงวงจรมีความอ่อนไหวเป็นพิเศษ

เมื่อไนโตรเจนมีผลกระทบอย่างแท้จริง: ฟลักซ์ที่ไม่ต้องทำความสะอาดมีปฏิกิริยาเคมีต่ำ ในพื้นผิวเช่นทองแดงเปล่าหรือ ENIG ซึ่งออกไซด์สร้างขึ้นอย่างรวดเร็วในอุณหภูมิการรีฟโลว์ ฟลักซ์อาจไม่สามารถทำความสะอาดพื้นผิวก่อนที่บัดกรีจะเปียกน้ำได้ ที่นี่ ไนโตรเจนให้ระยะห่างในกระบวนการที่สำคัญ

เมื่อไนโตรเจนเป็นสิ่งที่เสียเปล่า: ฟลักซ์ที่รุนแรงและละลายน้ำถูกออกแบบมาเพื่อเพิ่มพลังให้ผ่านออกไซด์ การใช้งานภายใต้ไนโตรเจนไม่ให้ประโยชน์เพิ่มเติม เช่นเดียวกับการเคลือบบัดกรีด้วยอากาศร้อน (HASL) ซึ่งมีคุณสมบัติเป็นอิสระจากออกไซด์และไม่ได้ประโยชน์จากบรรยากาศที่เป็นกลาง การกำหนดไนโตรเจนในกรณีเหล่านี้เพิ่มต้นทุนและความซับซ้อนโดยไม่มีการปรับปรุงที่วัดได้

คำถามคือไม่ใช่ว่าไนโตรเจนนั้นดีหรือไม่ แต่เป็นว่าการรวมกันเฉพาะของฟลักซ์และพื้นผิวเคลือบของคุณนั้นเป็นความท้าทายด้านออกไซด์ที่ฟลักซ์ไม่ได้จัดการได้ด้วยตัวเองหรือไม่ นี่คือการตัดสินใจด้านวิศวกรรมวัสดุ ไม่ใช่มาตรฐานทั่วไป

การทำแผนที่เตาเดียวและจบ

ลักษณะการแมปห้องอบแสดงความสม่ำเสมอของอุณหภูมิและการไหลของอากาศในเตาอบของคุณ เครื่องทดสอบระนาบที่กริดด้วยเทอร์โมคัปเปิลถูกทำงานผ่านกระบวนการนี้ ซึ่งเผยให้เห็นโซนร้อนและเย็นทั่วทั้งสายพาน ข้อมูลนี้ช่วยให้คุณวางแผ่นบอร์ดในตำแหน่งที่เหมาะสมที่สุดและปรับค่าพารามิเตอร์แต่โซนเพื่อชดเชยลายเซ็นความร้อนที่เป็นเอกลักษณ์ของเตาอบ

วินัยคือการทำสิ่งนี้อย่างรอบคอบ ให้เสร็จในครั้งเดียว และถือว่าข้อมูลที่ได้เป็นข้อเท็จจริงพื้นฐานสำหรับงานในภายหลัง แผนที่นี้ไม่ถูกทำซ้ำสำหรับบอร์ดแต่ละอัน แต่เป็นข้อมูลเบื้องต้นสำหรับแต่ละ NPI แล้วคุณรู้แล้วว่าด้านซ้ายของสายพานร้อนกว่าด้านขวาถึง 10 องศา ดังนั้นคุณจึงปรับก่อนที่จะใส่บอร์ดชิ้นแรกเข้า

สิ่งนี้ช่วยขจัดความจำเป็นในการค้นพบลักษณะเฉพาะของเตาอบซ้ำ ๆ มันทำให้การระบุลักษณะของเตาอบเป็นสิ่งสำคัญ ไม่ใช่สิ่งที่มาภายหลัง เวลาที่ใช้ในการศึกษาการแมปที่ครบถ้วนเป็นเวลาสองสามชั่วโมง เวลาที่ประหยัดได้มากกว่าหนึ่งปีของ NPI คือหลายสัปดาห์

สร้างโปรโตคอลการทำ profiling ที่เคารพลักษณะของฟิสิกส์

การปฏิเสธอคติทางตำราเพื่อมุ่งเน้นการวัดผลนำไปสู่กระบวนการที่เน้นการเก็บข้อมูลล่วงหน้า มันไม่มุ่งหวังให้ได้เส้นโค้งที่สมบูรณ์แบบ แต่มุ่งหวังให้ได้ขอบเขตของกระบวนการที่ให้จุดต่อเชื่อมที่ยอมรับได้ในทุกชิ้นส่วน — เป้าหมายที่แตกต่างและเป็นไปได้มากขึ้น

แนวทาง:

1. แมปเตาอบ ถ้ายังไม่ได้ทำ ให้ทำการระบุความสม่ำเสมอทางความร้อนของมัน บันทึกจุดร้อน จุดเย็น และการเบี่ยงเบนจากโซนสู่โซน
2. ระบุขอบเขตความร้อนสูงสุดและต่ำสุด เลือกชิ้นส่วนที่มีขนาดใหญ่ที่สุดและเบาที่สุดบนบอร์ดของคุณ สิ่งเหล่านี้คือผู้เฝ้าระวังของคุณ
3. ติดเทอร์โมคัปเปิล ติดตั้งอุปกรณ์ในชิ้นส่วนผู้เฝ้าระวังและดำเนินการบอร์ดโดยใช้โปรไฟล์เบื้องต้นที่อิงตามข้อมูลแปะและแผนที่เตาอบของคุณ
4. ตรวจสอบข้อมูล ตรวจสอบเส้นโค้งอุณหภูมิที่บันทึกไว้ ทั้งสองผู้เฝ้าระวังอยู่ในช่วงพารามิเตอร์ของกระบวนการหรือไม่ ถ้าไม่ ให้ปรับค่าพารามิเตอร์โซนหรือความเร็วของสายพาน
5. ยืนยัน ดำเนินโปรไฟล์อีกครั้งหนึ่งด้วยการตั้งค่าที่ปรับแล้วเพื่อยืนยันว่าผู้เฝ้าระวังทั้งสองอยู่ในสเปค
6. ยืนยันแล้ว ตรวจสอบจุดเชื่อมต่อของบัดกรีบนเซนทินัลและตัวอย่างของส่วนประกอบอื่น ๆ หากตรงตามเกณฑ์ ให้ล็อคโปรไฟล์ไว้ หากยังพบข้อบกพร่อง ปัญหาไม่ได้อยู่ที่โปรไฟล์ แต่เป็นปัญหาการออกแบบต้นทางที่การทำซ้ำอีกไม่สามารถแก้ไขได้

โปรโตคอลนี้ใช้ข้อมูลจริงในการนำทางการตัดสินใจ และจำกัดรอบของการทำซ้ำไว้ที่การยืนยันครั้งเดียว ช่วยประหยัดเวลาโดยตรงจากการปฏิเสธการเดาเมื่อสามารถวัดได้