การบัดกรีด้วยไนโตรเจนแบบรีโฟลว์คืออะไร และเหตุใดจึงควรพิจารณา

การเติมไนโตรเจนจะแทนที่อากาศมาตรฐานในเตาอบด้วย N₂ บริสุทธิ์ 99.9% การไม่มีออกซิเจนจะป้องกันการเกิดออกไซด์บนสารบัดกรีและสายส่วนประกอบ

การเปรียบเทียบกระบวนการ

พารามิเตอร์การหมุนเวียนอากาศมาตรฐาน การเติมไนโตรเจน (N₂)ความแตกต่างระดับออกซิเจน20.9%< 1000 ppm (0.1%)200× O₂มุมเปียก25--35°10--15°2× ทำให้เปียกได้ดีขึ้น ทำให้เป็นโมฆะในแผ่นความร้อนพื้นที่ 15--25%5--10% พื้นที่50--70% การลดลงหมอนหนุนศีรษะ ข้อบกพร่อง0.5--2%< 0.05%10× น้อยลง การบัดกรีที่มองเห็นได้ไม่มี บอร์ดทำความสะอาด

ปัญหาการเกิดออกซิเดชันบน PCBA ของหุ่นยนต์อุตสาหกรรม

PCBA หุ่นยนต์อุตสาหกรรมมักใช้แผ่นระบายความร้อนขนาดใหญ่ (ทองแดงเปลือย) ภายใต้ MOSFET ไดรเวอร์เกต และ IC การจัดการพลังงาน แผ่นอิเล็กโทรดเหล่านี้จะออกซิไดซ์อย่างรวดเร็วในการไหลของอากาศ ป้องกันไม่ให้โลหะบัดกรีเปียกเต็มที่ ผลลัพธ์ที่ได้คือช่องว่างที่กักเก็บความร้อนและทำให้สนามไฟฟ้าขัดข้องหลังจากใช้งานมากกว่า 1,000 ชั่วโมง

โดยที่การเติมไนโตรเจนให้ค่าที่ชัดเจน

PCBA ของหุ่นยนต์อุตสาหกรรมทุกตัวไม่ได้ให้ประโยชน์เท่าเทียมกัน ไนโตรเจนเหมาะสมในสถานการณ์เฉพาะ

พื้นที่ทองแดงขนาดใหญ่และส่วนประกอบหนัก

คุณลักษณะของบอร์ด ความเสี่ยงในการรีโฟลว์อากาศ ประโยชน์ของไนโตรเจน แผ่นความร้อน 10×10 มม.> ช่องว่าง 30% จุดร้อน < ช่องว่าง 8% มีความสม่ำเสมอ แผ่นบอร์ด 20+ ชั้น (หนา) การทำความร้อนที่ไม่สม่ำเสมอทั่วทั้งชั้น การถ่ายเทความร้อนได้ดีกว่าผ่านการเปียก ขั้วต่อขนาดใหญ่ (พิน 40+ อัน) ข้อบกพร่องหมอนรองศีรษะ 100% การสร้างข้อต่อ โมดูล IGBT (ตัวขับเคลื่อนมอเตอร์หุ่นยนต์) การเกิดออกซิเดชันในระหว่างการแช่นาน ทำความสะอาดพื้นผิว

ข้อมูลในโลกแห่งความเป็นจริง: ใน PCBA ตัวควบคุมหุ่นยนต์หกแกนที่มี MOSFET กำลัง 12 ตัวบนบอร์ดเดียว การรีโฟลว์ไนโตรเจนจะลดผลตอบแทนของสนามจาก 3.2% เป็น 0.4% ในช่วง 24 เดือน โหมดความล้มเหลวหลัก - ช่องว่างของแผ่นระบายความร้อนที่ทำให้เกิดความร้อนสูงเกินไป - ลดลง 87%

ร่องรอยแรงดันต่ำและกระแสสูง

PCBA หุ่นยนต์อุตสาหกรรมสำหรับเซอร์โวไดรฟ์มีกระแสไฟ 30--80A บนชั้นใน ช่องว่างภายใต้ตัวต้านทานตรวจจับกระแส (0.5 mΩ, แพ็คเกจ 2512) ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงความต้านทานที่ทำให้การอ่านค่าแรงบิดเสียหาย

ส่วนประกอบการรับรู้กระแสไฟฟ้ารูปแบบการรีโฟลว์อากาศรูปแบบการรีโฟลว์ไนโตรเจน4-terminal shunt (2512)±8% เนื่องจากเป็นโมฆะ±1.5%Sense อุณหภูมิของตัวต้านทานเพิ่มขึ้น15°C5°CCการดริฟท์การสอบเทียบหลังจาก 500 รอบ12%2%

ในกรณีที่ไม่จำเป็นต้องเติมไนโตรเจน

ไนโตรเจนเพิ่มต้นทุน (การดัดแปลงเตาอบ + ปริมาณการใช้ก๊าซ = 0.08--0.12 USD ต่อ PCBA) อย่าใช้สำหรับกรณีเหล่านี้

บอร์ดขนาดเล็กที่มีมวลความร้อนต่ำ

สถานการณ์ไม่จำเป็นต้องใช้ไนโตรเจนด้านเดียว ส่วนประกอบ < 50 ชิ้น การไหลของอากาศทำให้เกิดช่องว่าง < 8% บรรจุภัณฑ์ขนาดเล็กทั้งหมด (0402, QFN 3×3)ไม่มีแผ่นระบายความร้อนขนาดใหญ่ SAC305 ไร้สารตะกั่วและไม่มีชิ้นส่วนที่ละเอียดอ่อน ฟลักซ์มาตรฐานจัดการการไหลของอากาศ การสร้างต้นแบบปริมาณต่ำ (< 100 บอร์ด) ค่าติดตั้งไม่สมเหตุสมผล

บอร์ดที่ใช้ฟลักซ์กิจกรรมสูง

ฟลักซ์ที่ไม่ต้องทำความสะอาดบางชนิด (เช่น Senju M705-GRN360-K2-V) มีแอคติเวเตอร์ที่ทำงานอย่างมีประสิทธิภาพในอากาศที่อุณหภูมิสูงถึง 240°C ไนโตรเจนเพิ่มประโยชน์ที่วัดไม่ได้ ตรวจสอบเอกสารข้อมูลฟลักซ์เพื่อดูความไวของออกซิเจน

พารามิเตอร์การใช้งานสำหรับ PCBA ของหุ่นยนต์อุตสาหกรรม

หากคุณตัดสินใจใช้ไนโตรเจน ให้ใช้การตั้งค่าเฉพาะเหล่านี้

โปรไฟล์เตาอบภายใต้ไนโตรเจน

ZoneTemperatureTimeO₂ TargetPreheat150--180°C60--90 วินาที< 5000 ppmSoak180--210°C60--90 วินาที< 2000 ppmReflow Peak (SAC305)240--250°C30--60 วินาที< 1000 ppmCooling-5°C/sec Ramp---ไม่มีข้อกำหนด

วิกฤต: รักษา O₂ ให้ต่ำกว่า 1,000 ppm ในช่วงที่มีการไหลย้อนสูงสุด เกินกว่า 1,500 ppm คุณประโยชน์จะหายไป -- ช่องว่างจะกลับสู่ระดับการไหลของอากาศ

อัตราการไหลของไนโตรเจนและความบริสุทธิ์

พารามิเตอร์คำแนะนำความบริสุทธิ์ขั้นต่ำ 99.9% (เกรด 3.0)จุดน้ำค้าง-40°C หรือต่ำกว่าอัตราการไหล15--25 ลบ.ม./ชั่วโมง (เตาอบ 6 โซนทั่วไป)

ประมาณการต้นทุน: สำหรับหุ่นยนต์อุตสาหกรรม PCBA ทั่วไปขนาด 100×150 มม. ไนโตรเจนจะเพิ่ม 0.10 ดอลลาร์ต่อบอร์ดที่ปริมาตร 10,000 ที่ปริมาณ 100,000 รายการ ราคาจะลดลงเหลือ 0.04 ดอลลาร์ต่อบอร์ด

การทดสอบเพื่อตรวจสอบประโยชน์ของไนโตรเจน

ก่อนที่จะตัดสินใจใช้ไนโตรเจนสำหรับ PCBA ของหุ่นยนต์อุตสาหกรรมของคุณ ให้ทำการทดสอบทั้งสองนี้ก่อน

การเปรียบเทียบโมฆะ (X-Ray)

1. Reflow 20 บอร์ดในอากาศ 20 บอร์ดในไนโตรเจน

2. เอ็กซเรย์แต่ละแผ่นด้วยความเอียง 0° และ 45°

3. วัดพื้นที่ว่างใต้แผ่นระบายความร้อนที่ใหญ่ที่สุด (เช่น IC ไดรเวอร์มอเตอร์)

4. ผ่านเกณฑ์สำหรับการให้เหตุผลด้านไนโตรเจน: ลดความว่างเปล่า > 50% เมื่อเทียบกับอากาศ

การทดสอบหน้าตัดและแรงเฉือน

การทดสอบผลลัพธ์การรีโฟลว์อากาศเป้าหมายไนโตรเจน ความหนาของ IMC (ระหว่างโลหะ)1--3 µm ไม่สม่ำเสมอ2--4 µm เส้นผ่านศูนย์กลางของช่องว่าง> 200 µm ทั่วไป< 100 µm หายาก ความต้านทานแรงเฉือนของลูกบอล (0.5 มม. BGA)800--1000 gf1100--1300 gf

คำถามที่พบบ่อย -- คำถามทั่วไปเกี่ยวกับการเติมไนโตรเจนสำหรับหุ่นยนต์อุตสาหกรรม PCBA

คำถามที่ 1: การรีโฟลว์ไนโตรเจนช่วยเพิ่มความน่าเชื่อถือของข้อต่อประสานสำหรับหุ่นยนต์อุตสาหกรรม PCBA ที่ต้องเผชิญกับการสั่นสะเทือนหรือไม่

ตอบ:ใช่ แต่สำหรับกลไกความล้มเหลวเฉพาะเท่านั้น หุ่นยนต์อุตสาหกรรมประสบกับการสั่นสะเทือน 5--50 กรัมจากเซอร์โวมอเตอร์และกระปุกเกียร์ ความล้มเหลวที่เกี่ยวข้องกับการสั่นสะเทือนสองครั้งดีขึ้นด้วยไนโตรเจน:

เคิร์กเคนดัลล์เป็นโมฆะ-- ในการปรับการไหลของอากาศ การเจริญเติบโตระหว่างทองแดง-ดีบุกระหว่างโลหะ (IMC) ไม่สม่ำเสมอ ทำให้เกิดช่องว่างขนาดเล็กมากที่ส่วนต่อประสาน ภายใต้การสั่นสะเทือน ช่องว่างเหล่านี้จะรวมตัวกันและแตกร้าวหลังจากผ่านไป 5,000--10,000 ชั่วโมง การเติมไนโตรเจนจะสร้าง IMC (ชั้น Cu₆Sn₅) ที่สม่ำเสมอโดยไม่มีช่องว่าง การทดสอบการสั่นสะเทือน (20 กรัม 10--2000 เฮิรตซ์ 100 ชั่วโมง) แสดงให้เห็นว่าข้อต่อไนโตรเจนอยู่รอดได้นานกว่า 3 เท่า

ความล้าของบัดกรีใกล้กับส่วนประกอบที่มีน้ำหนักมาก-- หม้อแปลงขนาดใหญ่ (15×15 มม.) บนหุ่นยนต์อุตสาหกรรม PCBA พบกับการขยายตัวทางความร้อนที่แตกต่างกันในระหว่างการอุ่นเครื่องหุ่นยนต์ (25°C ถึง 85°C) ในการปรับการไหลของอากาศ ช่องว่างจะรวมตัวกันที่มุมส่วนประกอบซึ่งมีความเครียดสูงสุด ช่องว่างเหล่านี้ทำหน้าที่เป็นจุดเริ่มต้นของแคร็ก ด้วยไนโตรเจน ข้อต่อที่ปราศจากช่องว่างจะกระจายความเครียดอย่างสม่ำเสมอ

การปรับปรุงเชิงปริมาณ-- การทดสอบอายุการใช้งานแบบเร่งความเร็ว (การเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิอย่างฉับพลัน -40°C ถึง +125°C, 1,000 รอบ + การสั่นสะเทือนพร้อมกัน) แสดงให้เห็นว่า:

- ข้อต่อ reflow อากาศ: แตกหรือล้มเหลว 12%

- ข้อต่อการรีโฟลว์ไนโตรเจน: แตก 1.5%

อย่างไรก็ตามไนโตรเจนไม่สามารถแก้ไขรูปทรงของแผ่นที่ออกแบบไม่ดีหรือช่องลายฉลุที่ไม่ถูกต้องได้ ปรับสิ่งเหล่านั้นให้เหมาะสมก่อนเสมอ จากนั้นจึงเติมไนโตรเจน

คำถามที่ 2: เปอร์เซ็นต์ช่องว่างที่ยอมรับได้สำหรับขั้นตอนกำลัง PCBA ของหุ่นยนต์อุตสาหกรรม และไนโตรเจนสามารถทำได้หรือไม่

ตอบ:สำหรับขั้นตอนกำลัง PCBA ของหุ่นยนต์อุตสาหกรรม (มอเตอร์ไดรฟ์, IGBT, MOSFET) ช่องว่างที่ยอมรับได้จะขึ้นอยู่กับภาระความร้อน มีสามชั้น:

ระดับ 1 -- พลังงานสูง (ต่อเนื่อง > 20A ต่อ FET)
พื้นที่โมฆะที่ยอมรับได้: <5% เส้นผ่านศูนย์กลางช่องว่างเดี่ยว: < 0.2 มม. สามารถทำได้เฉพาะกับการไหลย้อนของไนโตรเจน (1000 ppm O₂) บวกกับการไหลย้อนแบบสุญญากาศ (อุปกรณ์เสริม) หากไม่มีไนโตรเจน ช่องว่างทั่วไปจะอยู่ที่ 15--25%

ระดับ 2 -- กำลังปานกลาง (สูงสุด 10--20A ไม่ต่อเนื่อง)
พื้นที่โมฆะที่ยอมรับได้: <10% ไม่มีช่องว่างเดี่ยว > 0.5 มม. การรีโฟลว์ไนโตรเจนทำให้เกิดช่องว่าง 5--8% อย่างต่อเนื่อง การไหลเวียนของอากาศทำให้เกิด 12--18% ซึ่งมักจะน้อยแต่จะผ่านไปได้หากการจำลองความร้อนอนุญาต

ระดับ 3 -- พลังงานต่ำ (< 5A, ไอซีสัญญาณ)
พื้นที่โมฆะที่ยอมรับได้: <25% ช่องว่างมีผลกระทบต่อความร้อนน้อยที่สุด ไนโตรเจนไม่จำเป็น การรีโฟลว์ของอากาศก็เพียงพอแล้ว

ไนโตรเจนสามารถบรรลุระดับ 1 โดยไม่ต้องใช้สุญญากาศได้หรือไม่?ไม่ -- ไนโตรเจนเพียงอย่างเดียวมีช่องว่างขั้นต่ำ 5--8% เนื่องจากมีก๊าซฟลักซ์ติดอยู่ สำหรับช่องว่างต่ำกว่า 5% (สำคัญสำหรับ SiC MOSFET หรืออุปกรณ์ GaN) คุณต้องมีการไหลย้อนแบบสุญญากาศ (กำจัดก๊าซหลังจากบัดกรีละลาย) ไนโตรเจน + สุญญากาศทำให้มีช่องว่าง 1--3%

โปรโตคอลทดสอบสำหรับหุ่นยนต์อุตสาหกรรม PCBA: วัดช่องว่างบนกระดาน 10 แผ่น หากเฉลี่ย > 15% ให้เติมไนโตรเจน หากค่าเฉลี่ย 8--15% และการกระจายพลังงาน < 2W ต่อส่วนประกอบ แสดงว่าอากาศเป็นที่ยอมรับได้ หากต้องการ < 8% ให้ระบุไนโตรเจนพร้อมการปรับให้เหมาะสมของสเตนซิล (ผ่านในแผ่นระบายความร้อนเพื่อปล่อยฟลักซ์)

คำถามที่ 3: ฉันสามารถแปลงเตาอบหมุนเวียนอากาศที่มีอยู่ให้เป็นไนโตรเจนสำหรับการผลิต PCBA ของหุ่นยนต์อุตสาหกรรมได้หรือไม่

ตอบ:ใช่ แต่มีการปรับเปลี่ยนที่ไม่สามารถต่อรองได้สามครั้ง ผู้ผลิตหลายรายพยายามแปลงบางส่วนแต่ล้มเหลว

การดัดแปลง 1 - การปิดผนึกเตาอบ
เตาอบหมุนเวียนอากาศมีช่องว่างที่ม่านทางเข้า/ทางออกและระหว่างโซน ความบริสุทธิ์ของไนโตรเจนต้องมีออกซิเจนเข้า < 50 ลิตร/นาที ติดตั้ง:

- ม่านแม่เหล็ก 2 ชั้น (แทนที่โซ่ธรรมดา)

- การควบคุมแรงดันเชิงบวก (1--2 มม. H₂O ภายในเตาอบ)

- ปิดผนึกแผงทางเข้าทั้งหมดด้วยปะเก็นซิลิโคนอุณหภูมิสูง

หากไม่มีการปิดผนึก คุณจะใช้ไนโตรเจนเพิ่มขึ้น 3--5 เท่า (ราคา 0.30--0.50 เหรียญสหรัฐต่อกระดาน) และยังคงมี 5,000 ppm O₂ ที่จุดสูงสุด ซึ่งแย่กว่าเตาอบลมที่ได้รับการปรับแต่งอย่างเหมาะสม

การปรับเปลี่ยน 2 -- ระบบตรวจสอบออกซิเจน
ติดตั้งเซ็นเซอร์ O₂ เซอร์โคเนียสองตัว: ตัวหนึ่งอยู่ในโซนอุ่นเครื่อง และอีกตัวอยู่ในโซนจุดสูงสุดของการรีโฟลว์ เซ็นเซอร์จะต้องได้รับการสอบเทียบทุกเดือน ผู้ผลิต PCBA หุ่นยนต์อุตสาหกรรมหลายรายข้ามการสอบเทียบ แล้วสงสัยว่าเหตุใดจึงทำให้ผลตอบแทนเป็นโมฆะ

การดัดแปลง 3 - สายพานลำเลียงและการหล่อลื่น
สารหล่อลื่นสายพานลำเลียงเตาอบมาตรฐานจะระเหยเป็นไอในไนโตรเจน (หากไม่มีออกซิเจนจะเปลี่ยนอุณหภูมิการสลายตัว) ใช้จาระบีเพอร์ฟลูออโรโพลีเอเทอร์ (PFPE) แบรนด์ Kester หรือ Klüber สารหล่อลื่นมาตรฐานจะปนเปื้อนบอร์ดและสร้างลูกประสาน

ต้นทุนการแปลงและไทม์ไลน์:

- อุปกรณ์: 8,000--15,000 เหรียญสหรัฐ (ซีล ม่าน เซ็นเซอร์ ระบบควบคุมการไหล)

- การติดตั้ง: หยุดทำงาน 2 วัน

- การจ่ายไนโตรเจน: ถังของเหลวหรือเครื่องกำเนิด PSA (ค่าเช่า $300--$500/เดือน)

- ระยะเวลาคืนทุนสำหรับหุ่นยนต์อุตสาหกรรม ปริมาณ PCBA > 50,000/ปี: 6--8 เดือน (จากการทำงานซ้ำที่ลดลงและผลตอบแทนภาคสนาม)

อย่าแปลงหากปริมาณประจำปีของคุณต่ำกว่า 20,000 บอร์ด ใช้ผู้ผลิตตามสัญญาที่มีการเติมไนโตรเจนแทนอยู่แล้ว

เมทริกซ์การตัดสินใจ - คุณควรใช้ไนโตรเจนหรือไม่?

ปัจจัยการเติมอากาศที่เพียงพอปริมาณไนโตรเจนที่แนะนำ แผ่นระบายความร้อน > 25 มม.²ไม่มีใช่ส่วนประกอบที่มีฐานทองแดงเปลือย (QFN, DFN)ไม่มีใช่ ระยะพิทช์ BGA < 0.8 มม.ไม่ใช่ใช่ PCBA ของหุ่นยนต์ทำงาน > 60°C โดยรอบไม่มีใช่เป้าหมายความน่าเชื่อถือของสนาม < 0.5% ความล้มเหลวต่อปีไม่ใช่ใช่ สารบัดกรีไร้สารตะกั่ว (SAC305) พร้อมฟลักซ์ที่ไม่ต้องทำความสะอาดบางครั้งสำหรับบอร์ดขนาดใหญ่ปริมาตร < 10,000 บอร์ด/ปีใช่ไม่ใช่ (ต้นทุนไม่มีประสิทธิภาพ)

คำแนะนำขั้นสุดท้าย

การรีโฟลว์ไนโตรเจนทำให้ PCBA ของหุ่นยนต์อุตสาหกรรมมีความชัดเจน:

- แผ่นระบายความร้อนขนาดใหญ่ (> 25 มม.²)

- BGA หรือ QFN ที่มีไดแพดแบบเปลือย

- ระดับกำลังใดๆ ที่กระจาย > 5W ต่อส่วนประกอบ

- ข้อกำหนดด้านความน่าเชื่อถือ < 1% ความล้มเหลวของฟิลด์ในช่วง 5 ปี

ไนโตรเจนไม่สมเหตุสมผลสำหรับหุ่นยนต์อุตสาหกรรม PCBA ธรรมดาที่ใช้พลังงานต่ำ (อินเทอร์เฟซเซ็นเซอร์ บอร์ด I/O) ที่มีส่วนประกอบขนาดเล็กและไม่มีความท้าทายด้านความร้อน

คำแนะนำการปฏิบัติ: ทดลองทำบอร์ด 100 บอร์ดในไนโตรเจน การเอกซเรย์ถือเป็นโมฆะ เปรียบเทียบกับผลลัพธ์การปรับการไหลของอากาศในปัจจุบันของคุณ หากพื้นที่ว่างลดลงมากกว่า 50% ให้ใช้ไนโตรเจน หากลดลงน้อยกว่า 30% การออกแบบฟลักซ์หรือสเตนซิลของคุณคือปัญหาที่แท้จริง โปรดแก้ไขสิ่งเหล่านั้นก่อน