Việc tách rời linh kiện trong quá trình hàn chảy: Các chiến lược phòng ngừa

Lỗi nhỏ. Tín hiệu lớn.

Tôi chưa bao giờ thích cách một số nhà máy mô tả hiện tượng bong tróc linh kiện. Họ nói về nó như thể đó là một vấn đề kỳ lạ của lò nung, gần như là một sự thay đổi tâm trạng trong vùng tái chảy, trong khi thực tế, lỗi này thường phức tạp hơn nhiều so với mô tả đó. NIST mô tả hiện tượng tombstoning là kết quả của sự không đồng đều về sức căng bề mặt của hàn chảy ở hai đầu linh kiện, và liệt kê các nguyên nhân quen thuộc: gia nhiệt hoặc làm mát không đồng đều, lượng hàn chảy quá nhiều, vị trí đặt linh kiện không chính xác, pad quá lớn, khối lượng nhiệt không đồng đều, và hợp kim hàn chảy không phù hợp. Đó không phải là hành vi ngẫu nhiên. Đó là quá trình tự bộc lộ bản thân. (tsapps.nist.gov)

Và mức độ nghiêm trọng không hề nhỏ. Năm 2023, Ford đã thực hiện một đợt thu hồi an toàn tại Mỹ liên quan đến 931 xe F-150 BEV do mô-đun sưởi ấm chất làm mát cabin điện tử có thể được sản xuất với một mối hàn thiếu, liên quan đến dây chuyền sản xuất có khối lượng thấp của nhà cung cấp, nơi thiếu các biện pháp kiểm soát để ngăn chặn các đơn vị hàn không đúng cách tiếp tục di chuyển. Năm 2024, Hyundai báo cáo các mối hàn trên bảng mạch in (PCB) của camera lùi có thể nứt trong quá trình sản xuất và trở nên nghiêm trọng hơn theo thời gian, làm giảm tầm nhìn phía sau. Một “vấn đề nhỏ về hàn” có thể nhanh chóng trở thành vấn đề tuân thủ. Xem trường hợp của Ford. Báo cáo thu hồi sản phẩm vì lý do an toàn số 573 và Hyundai’s Báo cáo thu hồi sản phẩm vì lý do an toàn số 573.

Ý nghĩa thực sự của việc tách linh kiện trên dây chuyền SMT là gì?

Việc linh kiện bị nâng lên trong quá trình hàn chảy có nghĩa là một đầu của linh kiện SMD mất tiếp xúc ổn định với pad của nó khi hàn đang ở trạng thái lỏng hoặc khi nó đông cứng, khiến linh kiện bị nghiêng, nâng lên một phần hoặc đứng thẳng hoàn toàn sau chu kỳ gia nhiệt. Trong các linh kiện thụ động dạng chip nhỏ, trường hợp nghiêm trọng nhất là hiện tượng "tombstoning". Tuy nhiên, tôi cho rằng nhãn hiệu hẹp này có thể che giấu vấn đề lớn hơn, vì không phải mọi khuyết tật tách rời nguy hiểm đều đứng thẳng rõ ràng trước ống kính. Một số chỉ nâng lên đủ để tạo ra mối hàn yếu hoặc gián đoạn. (tsapps.nist.gov)

Sự phân biệt đó có ý nghĩa quan trọng trong sản xuất thực tế. Một vết nứt hoàn toàn là rõ ràng. Một vết bong tróc một phần thì tinh vi, và những khuyết tật tinh vi chính là những khuyết tật lọt qua kiểm tra trực quan, xuất hiện trong quá trình thử nghiệm hoặc gây ra sự cố trong quá trình sử dụng thực tế. Vì vậy, khi tôi nói “vết bong tróc thành phần”, tôi đang đề cập đến một nhóm khuyết tật, không chỉ là phiên bản "đẹp mắt" mà các nhân viên sản xuất thường đùa giỡn trên dây chuyền. Quan điểm rộng hơn này phù hợp với mô tả vật lý của NIST và cũng phù hợp với cách các sự cố thực sự diễn ra trong quá trình sản xuất. (tsapps.nist.gov)

Tại sao lỗi thường bắt đầu trước khi hàn lại?

Lò nướng là nơi bạn nhìn thấy nó. Không phải nơi nó bắt đầu.

Nhiều đội vẫn tiếp cận vấn đề này theo cách ngược lại. Họ bắt đầu với nhiệt độ đỉnh, tốc độ băng tải và cân bằng vùng trước khi thậm chí xem xét sự đối xứng của pad, quá trình chuyển giao khuôn, sự lệch vị trí linh kiện hoặc phân bố đồng cục bộ. Đó là thứ tự sai. Giải thích của NIST đã chỉ ra nguyên nhân gốc rễ, và tóm tắt luận văn năm 2024 của Đại học Binghamton về sự dịch chuyển của linh kiện thụ động trong quá trình hàn chảy cũng đưa ra cùng một điểm từ góc độ khác: sự tự căn chỉnh trong quá trình hàn chảy bị ảnh hưởng bởi thể tích pad của bột hàn và vị trí lệch được ghi nhận qua SPI, và nghiên cứu báo cáo độ phù hợp trung bình 99% cho mô hình dự đoán SVR tốt nhất của nó trên các hướng. Nói một cách đơn giản, sự di chuyển của linh kiện trong quá trình hàn chảy không phải là điều bí ẩn. Nó có thể đo lường được và một phần có thể dự đoán được. Xem Tóm tắt của Đại học Binghamton. (tsapps.nist.gov)

Vì vậy, khi một sản phẩm bị lỗi, tôi không chỉ hỏi, “Điều gì đã xảy ra trong lò?” Mà tôi hỏi, “Sự mất cân bằng nào đã xâm nhập vào lò khi nó đã được nạp sẵn?” Cách tiếp cận này thay đổi mọi thứ. Nó buộc bạn phải truy vết lỗi trở lại qua thiết kế, in ấn và vị trí đặt, thay vì đổ lỗi cho trạm cuối cùng chỉ vì nó là trạm dễ thấy nhất. (tsapps.nist.gov)

Thiết kế pad và sự mất cân bằng nhiệt: Yếu tố kích hoạt im lặng

Đây là phần mà nhiều nhà máy thường tránh né.

Hình dạng pad và cân bằng đồng đóng vai trò quan trọng hơn nhiều trong câu chuyện này so với những gì mọi người thường thừa nhận. IPC-7530A cho biết việc lập hồ sơ nhiệt là duy nhất đối với mỗi bảng mạch in (PWBA) được lắp đầy đủ linh kiện, và nó giải thích lý do: tất cả các mối hàn phải đạt đến nhiệt độ hàn tối thiểu mà không làm các linh kiện vượt quá giới hạn an toàn. Nó cũng cho biết rằng các bảng mạch có linh kiện có khối lượng nhiệt rất lớn và linh kiện rất nhỏ tạo ra một thách thức cân bằng cho kỹ sư quy trình. Ngôn ngữ này rất quan trọng, vì việc linh kiện bị bong ra thường là kết quả rõ ràng của việc cân bằng đó bị sai lệch. (điện tử.org)

Và NIST cũng ủng hộ lập luận về khuyết tật đó. Sự không đồng đều về khối lượng nhiệt tại các pad đối diện và các pad quá lớn đều được liệt kê trong số các nguyên nhân gây ra hiện tượng tombstoning. Kết hợp hai nguyên nhân này lại, thông điệp rất rõ ràng: nếu hai đầu của linh kiện không gặp điều kiện nhiệt và ẩm ướt tương đương, màng hàn sẽ không hành xử “lịch sự” chỉ vì tệp công thức của bạn ghi "profile không chì phiên bản 12".tsapps.nist.gov)

Đó là lý do tại sao tôi muốn thấy việc đánh giá DFM được liên kết trực tiếp với chất lượng quy trình Việc xử lý công việc này như một cuộc họp riêng biệt với những lý do riêng biệt là không hợp lý. Một bố cục pad kém có thể gây ra vấn đề tái chảy trước khi máy in tiếp xúc với bảng mạch. Và một khi điều đó xảy ra, phần còn lại của dây chuyền sản xuất chỉ đang cố gắng đối phó với một lựa chọn thiết kế yếu kém. (tsapps.nist.gov)

Kiểm soát thể tích keo hàn là vấn đề quan trọng hơn nhiều so với những gì mọi người thừa nhận.

Keo không chỉ ảnh hưởng đến cầu và các phần không đủ. Nó còn ảnh hưởng đến cân bằng lực.

NIST đã liệt kê rõ ràng lượng keo hàn quá mức là một yếu tố gây ra hiện tượng "tombstoning". Nghiên cứu của Binghamton đã liên kết sự di chuyển của linh kiện trong quá trình hàn lại với thể tích và vị trí lệch của pad keo hàn được quan sát bởi SPI. Sự kết hợp này khó có thể bỏ qua. Nếu một bên của chip nhận được lực hút ướt mạnh hơn hoặc sớm hơn do lượng hàn lớn hơn, sạch hơn hoặc được đặt tốt hơn, linh kiện có thể xoay hoặc nâng lên trước khi bên còn lại bắt kịp. Điều này không phải là truyền thuyết trong ngành. Nó phù hợp với cả cơ chế lỗi và các nghiên cứu dự đoán gần đây. (tsapps.nist.gov)

Tôi đã chứng kiến các nhà máy lãng phí hàng ngày để điều chỉnh cài đặt lò nướng, trong khi vấn đề thực sự nằm ở cân bằng khẩu độ, hỗ trợ khuôn, quy trình lau chùi hoặc tình trạng keo dán. Đó là lý do tại sao tôi sẽ kiểm tra máy in và... Hệ thống kiểm tra SMT Trước khi tôi bắt đầu chỉnh sửa lại các công thức nấu ăn. Nếu dữ liệu SPI của bạn đã cho thấy sự không đối xứng, lò nướng sẽ làm lộ ra điều đó. Không phải để sửa chữa nó.

Độ chính xác của vị trí, hình dạng linh kiện và độ ổn định của máy vẫn là yếu tố quan trọng.

Tự căn chỉnh có thể hữu ích. Cho đến khi nó không còn hiệu quả.

Phiên bản lãng mạn của SMT cho rằng hàn chảy sẽ kéo các linh kiện trở lại vị trí ban đầu. Đôi khi điều đó xảy ra. Đôi khi nó kéo chúng vào tình trạng hỏng hóc vì vị trí ban đầu đã xấu và cân bằng ướt đã yếu. NIST liệt kê việc đặt linh kiện không chính xác là nguyên nhân đã biết gây ra hiện tượng tombstoning, và nghiên cứu của Binghamton một lần nữa củng cố điểm này bằng cách liên kết hành vi dịch chuyển với vị trí lệch. Vì vậy, không, hiện tượng lift-off không chỉ là vấn đề nhiệt. Lỗi đặt linh kiện làm thu hẹp biên độ mà cơ chế tự căn chỉnh có thể cứu vãn linh kiện. (tsapps.nist.gov)

Đó là nơi tình trạng máy móc trở thành một phần của việc phòng ngừa lỗi, không chỉ là giấy tờ bảo trì. Độ lặp lại của bộ nạp, mài mòn vòi phun, chất lượng thu gom, hỗ trợ bảng mạch và sự lệch vị trí nhỏ có thể đẩy các linh kiện ở giới hạn vào trạng thái tách rời khi hàn hoạt động. Đó là lý do tại sao việc kết nối việc giảm thiểu lỗi trở lại Máy đặt và lấy linh kiện, tình trạng bộ cấp liệu và độ ổn định của dây chuyền thay vì giả vờ rằng vấn đề chỉ tồn tại bên trong quá trình hàn lại. (tsapps.nist.gov)

Profil tái chảy để ngăn ngừa hiện tượng bong tróc

Bây giờ chúng ta đến lò nướng. Cuối cùng.

Nhưng ngay cả ở đây, giải pháp tạm bợ thường là sai lầm. Tiêu chuẩn IPC-7530A quy định rằng mỗi sản phẩm yêu cầu các thiết lập lò nướng và tốc độ băng tải riêng biệt để đạt được hồ sơ nhiệt độ mong muốn trên PWBA, và giải thích rằng các linh kiện nhỏ và nhạy cảm với nhiệt độ phải được bảo vệ trong khi tất cả các mối hàn vẫn đạt được nhiệt độ tối thiểu trên điểm nóng chảy. Nói cách khác, sao chép công thức của tuần trước không phải là kiểm soát quy trình. Đó chỉ là hy vọng viển vông với một tên tệp. (điện tử.org)

Cùng một gia đình IPC giúp điểm kiểm soát trở nên chính xác hơn. Danh mục của ANSI cho IPC-7801A nêu rõ tiêu chuẩn này đưa ra các yêu cầu về kiểm soát quá trình cho lò hàn chảy trên băng tải, trong khi IPC-7530A định nghĩa hồ sơ nhiệt cụ thể cho sản phẩm. Khi kết hợp, các tiêu chuẩn này hướng bạn đến việc xác minh lặp lại, không phải cài đặt một lần. Đó là lý do tại sao một tiêu chuẩn tốt Máy phân tích nhiệt độ tái chảy và ổn định Lò nung chảy Điều quan trọng hơn là những tuyên bố chung chung về số lượng khu vực hoặc uy tín thương hiệu. (webstore.ansi.org)

Tôi sẽ tập trung vào bốn điểm chính sau: đảm bảo nhiệt độ được phân phối đều trên toàn bộ quá trình lắp ráp, thời gian đủ dài trên điểm nóng chảy để cả hai đầu kết thúc có thể được làm ướt đúng cách, quá trình làm mát không tạo ra các gradient cục bộ không mong muốn, và kiểm soát công thức có thể duy trì ổn định ngay cả khi thay đổi quy trình. Không có gì trong số đó là hấp dẫn. Nhưng nó vẫn hoạt động. (điện tử.org)

Tombstoning so với Component Lift-Off: Tại sao sự phân biệt này vẫn có ý nghĩa?

Một số kỹ sư lắc đầu trước sự phân biệt này. Tôi thì không.

Tombstoning là hình thức rõ ràng nhất của hiện tượng tách rời: thành phần bị nâng lên và chỉ còn gắn ở một đầu. Hiện tượng tách rời thành phần có phạm vi rộng hơn. Nó có thể bao gồm việc nâng một phần, nghiêng góc hoặc tách rời yếu không khiến thành phần đứng thẳng. Lý do tôi giữ cả hai thuật ngữ là đơn giản: nhãn rộng giúp các đội tìm kiếm các trường hợp biên, không chỉ các trường hợp rõ ràng. Điều này phù hợp với cơ chế lỗi mà NIST mô tả và phù hợp với những gì thoát khỏi kiểm tra trong các nhà máy thực tế. (tsapps.nist.gov)

Và đúng vậy, ngôn ngữ bạn sử dụng sẽ ảnh hưởng đến những gì mọi người kiểm tra. Nếu đội ngũ chỉ tập trung vào việc tìm kiếm “tombstones”, họ có thể bỏ qua những phần bị nâng lên nhưng vẫn trông phẳng ở cái nhìn đầu tiên. Đó chính là cách các lỗ hổng bảo mật xảy ra. Một cách lặng lẽ. (tsapps.nist.gov)

Các chiến lược phòng ngừa thực sự giúp giảm tỷ lệ lỗi

Không có giải pháp thần kỳ. Chỉ có sự kiểm soát chặt chẽ.

Một nghiên cứu kiểm soát chất lượng PCB năm 2023 được công bố trên PMC cho biết việc cải tiến dựa trên FMEA đã giảm tỷ lệ từ chối lô hàng từ 5.500 PPM xuống 900 PPM, với số lỗi giảm 0,76%. Nghiên cứu này rộng hơn so với chỉ tập trung vào tombstoning, nhưng tôi nghĩ bài học này vẫn áp dụng một cách rõ ràng: kiểm soát có cấu trúc vượt trội so với việc khắc phục sự cố ngẫu nhiên. Và vụ thu hồi của Ford là một lời nhắc nhở tốt về tình trạng kỷ luật quy trình yếu kém trong thực tế: một dây chuyền sản xuất phụ, có sản lượng thấp của nhà cung cấp không có các biện pháp kiểm soát để ngăn chặn mô-đun hàn không đúng cách di chuyển sang công đoạn tiếp theo. ([pmc.ncbi.nlm.nih.gov][4])

Dưới đây là mô hình phòng ngừa mà tôi tin tưởng nhất:

Bảng đó là tổng hợp của tôi về cơ chế khuyết tật trong NIST, quy tắc phân loại trong IPC-7530A, hướng dẫn kiểm soát quy trình trong IPC-7801A, và cách tiếp cận của các nghiên cứu học thuật và công tác chất lượng nhà máy gần đây trong việc định hình sự tự điều chỉnh và giảm thiểu khuyết tật. Đó không phải là phép màu. Đó chỉ là một trật tự thao tác tốt hơn. (tsapps.nist.gov)

Kiểm soát quy trình để ngăn chặn lỗi tái phát

Đây là nơi nhiều giải pháp thất bại. Họ chỉ khắc phục triệu chứng và duy trì hệ thống yếu kém.

Tôi cho rằng quá nhiều nhà máy vẫn coi các lỗi hàn lại (reflow defects) như những sự cố riêng lẻ thay vì là kết quả của sự thất bại trong kiểm soát. Tuy nhiên, các nguồn tài liệu lại chỉ ra hướng ngược lại. IPC-7530A quy định mỗi sản phẩm cần có hồ sơ riêng, ANSI cho biết IPC-7801A cung cấp các yêu cầu kiểm soát quy trình cho lò hàn lại có băng chuyền, Binghamton liên kết hành vi tự căn chỉnh với các đầu vào SPI và độ lệch có thể đo lường, và nghiên cứu của PMC cho thấy điều gì xảy ra khi việc giảm lỗi được xử lý một cách hệ thống thay vì cảm tính. Mô hình này rất rõ ràng: các nhà máy tốt giảm thiểu hiện tượng bong tróc bằng cách xây dựng vòng lặp kiểm soát, chứ không phải bằng cách ăn mừng một lần chạy thử may mắn. (điện tử.org)

Đó cũng là lý do tại sao kiến trúc dây chuyền sản xuất tổng thể lại quan trọng. Nếu máy in, máy đặt linh kiện, công cụ lập hồ sơ và trạm kiểm tra của bạn đều tạo ra dữ liệu nhưng không ai kết nối các dữ liệu đó lại với nhau, bạn không có một dây chuyền sản xuất thông minh. Bạn chỉ có sự tách biệt đắt đỏ. Phòng ngừa thực sự trông giống như... Giải pháp dây chuyền sản xuất SMT trọn gói Liên kết với việc đánh giá có kỷ luật, được hỗ trợ bởi Đào tạo và hỗ trợ sau bán hàng Khi đội ngũ cần sự hỗ trợ để chuyển đổi khả năng của máy móc thành sản lượng ổn định. (webstore.ansi.org)

Câu hỏi thường gặp

Quá trình tách linh kiện trong quá trình hàn chảy là gì?

Sự tách rời linh kiện trong quá trình hàn chảy là một lỗi hàn bề mặt, trong đó một đầu nối của linh kiện mất liên lạc ổn định với pad PCB của nó một phần hoặc hoàn toàn khi hàn đang ở trạng thái lỏng hoặc khi nó đông cứng, khiến linh kiện bị nghiêng, nhô lên hoặc yếu về mặt điện sau chu kỳ gia nhiệt. Trong các linh kiện thụ động dạng chip, phiên bản dễ nhận thấy nhất là hiện tượng "tombstoning", nơi một đầu vẫn được hàn chặt trong khi đầu kia nhô lên.tsapps.nist.gov)

Nguyên nhân gây ra hiện tượng bong tróc linh kiện trong quá trình lắp ráp mạch in (PCB) là gì?

Việc linh kiện bị bong ra trong quá trình lắp ráp PCB thường do lực thấm ướt không đều giữa hai đầu của linh kiện, và sự mất cân bằng này thường xuất phát từ việc gia nhiệt hoặc làm mát không đồng đều, lượng keo hàn quá nhiều, vị trí đặt linh kiện không chính xác, pad quá lớn, hoặc khối lượng nhiệt không đều giữa hai mối hàn. Đó là lý do tại sao lỗi này thường chỉ ra sự yếu kém trong quy trình tổng thể thay vì một cài đặt sai lầm duy nhất. (tsapps.nist.gov)

Làm thế nào để ngăn chặn hiện tượng bong tróc linh kiện trong quá trình hàn chảy?

Cách tốt nhất để ngăn chặn hiện tượng bong tróc linh kiện trong quá trình hàn chảy là kiểm soát sự đối xứng của pad, thể tích keo hàn, độ chính xác của vị trí đặt linh kiện và hồ sơ nhiệt cụ thể của bảng mạch như một quy trình liên kết, vì khuyết tật hình thành khi các điều kiện này ngừng cung cấp cho cả hai đầu nối cơ hội bằng nhau để thấm ướt và định vị chính xác. Trên thực tế, điều đó có nghĩa là kiểm tra cân bằng SPI, độ lệch vị trí đặt và hồ sơ nhiệt thực tế của sản phẩm trước khi thực hiện các thay đổi rộng rãi trong lò hàn. (tsapps.nist.gov)

Tombstoning có phải là cùng một khái niệm với việc tách rời thành phần không?

Tombstoning là hình thức rõ ràng nhất của hiện tượng tách rời linh kiện, trong đó một linh kiện thụ động nhỏ đứng thẳng hoặc nghiêng đột ngột trong khi vẫn được gắn chặt ở một đầu. Tuy nhiên, thuật ngữ rộng hơn “tách rời linh kiện” cũng bao gồm các trường hợp ít nghiêm trọng hơn, trong đó linh kiện chỉ tách rời nhẹ và vẫn tạo ra mối nối yếu hoặc không ổn định. Thuật ngữ rộng hơn này hữu ích hơn trong kiểm soát chất lượng vì không phải mọi khuyết tật nguy hiểm đều có biểu hiện rõ ràng.tsapps.nist.gov)

Tại sao hiện tượng lift-off thường xuất hiện sau khi thay đổi sản phẩm?

Việc tách lớp thường xảy ra sau khi thay đổi sản phẩm vì mỗi cụm linh kiện đầy đủ cần có hồ sơ nhiệt riêng, và công thức đã hoạt động trên bo mạch cũ có thể không phù hợp với cân bằng đồng, hỗn hợp khối lượng nhiệt, mật độ linh kiện thụ động nhỏ hoặc rủi ro bố trí của bo mạch mới. Đó là lý do tại sao các cài đặt đã lưu không phải là điều khiển đã được xác minh. (điện tử.org)

Cần giảm hiện tượng bong tróc linh kiện trên dây chuyền SMT của bạn? Việc linh kiện bị bong ra hiếm khi do một lỗi riêng lẻ. Thường thì điều này cho thấy có vấn đề kiểm soát rộng hơn trong các quy trình in ấn, lắp đặt, hiệu chỉnh và kiểm tra. Hãy xem xét lại... chất lượng quy trình, nghiên cứu xem cấu hình hiện tại của bạn có thực sự phù hợp với danh mục sản phẩm của bạn hay không, và sử dụng Trang liên hệ Nếu bạn cần hỗ trợ thực tế về ổn định đường truyền, xác minh quá trình tái chảy hoặc lập kế hoạch thiết bị.

[4]: https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC9838248/ ”Phân tích chế độ hỏng hóc và tác động (FMEA) của bảng mạch in (PCB) trong quy trình kiểm soát chất lượng – PMC“