Vấn đề đồng phẳng của các linh kiện: Điều chỉnh độ phẳng của linh kiện trước khi lắp đặt

Ba từ quan trọng: hình học trước tiên, luôn luôn.

Tôi đã chứng kiến quá nhiều đội SMT đổ lỗi cho đầu đặt linh kiện, áp suất chân không của vòi phun, khoảng cách giữa các đầu cấp liệu, hoặc hồ sơ hàn lại khi chính linh kiện đã bị lỗi trước khi máy tiếp xúc với nó. Đó là chẩn đoán sai, và chẩn đoán sai là tốn kém. Khi một chân linh kiện dạng cánh chim đến trong tình trạng cong, xoắn hoặc nằm ngoài mặt phẳng lắp đặt dự kiến, máy đặt linh kiện không “giải quyết” vấn đề. Nó chỉ tự động hóa sai lầm nhanh hơn.

Và đây là sự thật phũ phàng. Càng chặt chẽ mục tiêu thông lượng của bạn, dây chuyền sản xuất của bạn càng ít kiên nhẫn với các chi tiết linh kiện không chính xác. Vào tháng 2 năm 2024, IPC cho biết 66% nhà sản xuất điện tử đang phải đối mặt với chi phí lao động tăng cao và hơn 44% đang chứng kiến chi phí nguyên vật liệu tăng, điều này có nghĩa là mỗi lần sửa chữa không cần thiết sẽ gây tổn thất lớn hơn so với vài năm trước. Phế phẩm không còn là vấn đề phụ; nó ảnh hưởng trực tiếp đến biên lợi nhuận. Bản cập nhật ngành của IPC tháng 2 năm 2024 Điều đó khá rõ ràng. (điện tử.org)

Tại sao sự đồng phẳng của dây dẫn thường bị chẩn đoán sai?

Độ đồng phẳng của các chân linh kiện là sự nhất quán về chiều cao của các chân linh kiện so với mặt phẳng lắp đặt. Nói một cách đơn giản, tất cả các chân linh kiện cần tiếp xúc với keo hàn khi lắp đặt phải có chiều cao và góc nghiêng tương đối đồng đều, không bị lệch lạc, cong vênh hoặc nâng lên một phần. Điều này nghe có vẻ hiển nhiên. Nhưng thực tế không phải vậy. Trên các dây chuyền sản xuất bận rộn, người ta thường phát hiện triệu chứng muộn và xác định nguyên nhân sai sớm.

Vậy thì điều gì xảy ra? Một phần được đặt vào vị trí. Thậm chí nó trông “đủ gần” trong 2D. Sau đó, một góc bị nổi lên, một đầu ngón chân chỉ chạm nhẹ, hoặc cơ thể nghiêng trong quá trình tái chảy. Lỗi xuất hiện ở giai đoạn sau, nhưng nguyên nhân bắt nguồn từ giai đoạn trước.

Tháng 1 năm 2024 Bản hướng dẫn ứng dụng của Melexis về lắp ráp SMT Nó rất thẳng thắn về vấn đề này: nó liên kết độ đồng phẳng với chất lượng hàn và độ nghiêng dọc cuối cùng, tham chiếu đến JESD22-B108 để đo độ đồng phẳng, và khẳng định rằng sự biến đổi góc uốn của chân hàn là yếu tố chính. Nó cũng lưu ý một quy tắc thiết kế thực tế mà hầu hết các nhà điều hành không bao giờ nghe thấy trên thực tế: góc uốn của chân hàn phải ít nhất 90° để đảm bảo tiếp xúc đúng với bột hàn in, với độ dày bột hàn được trích dẫn là 6 mil, tương đương 152 μm, trong ví dụ đó. (Melexis)

Đó là lý do tại sao tôi không thích cụm từ “sự biến dạng nhỏ của đầu hàn”. Nhỏ so với ai? So với người mua đang xem các khay? Có thể. So với mối hàn giờ đây có áp lực tiếp xúc ban đầu không đều và hình dạng ướt không ổn định? Hoàn toàn không nhỏ chút nào.

Những bằng chứng gần đây cho thấy điều gì về vấn đề này?

Đây không phải là nỗi lo lắng kiểu cũ về SMT. Vỏ bọc đang trở nên dày đặc hơn, nhỏ gọn hơn và ít dung sai hơn. Một bài đánh giá năm 2024 do các nhà nghiên cứu bao gồm Duane Boning của MIT thực hiện cho biết, vỏ bọc mật độ cao đang tạo ra các vấn đề mới về hiệu suất và độ tin cậy của vỏ bọc, và rằng độ tin cậy đã trở thành ưu tiên hàng đầu trong các thị trường ô tô, công nghiệp và đám mây. Điều đó nên làm mọi người thức tỉnh. Vỏ bọc không còn là một hộp bị động bao quanh silicon; nó đã trở thành một biến số năng suất tích cực. Các xu hướng hiện đại trong kiểm tra độ tin cậy của đóng gói vi điện tử nói một cách rõ ràng như vậy. (MDPI)

NIST cũng đã đề cập điều tương tự trong báo cáo phiên họp đặc biệt ECTC năm 2024: đo lường đóng vai trò then chốt trong đóng gói và lắp ráp, và cần có các phương pháp đo lường tốt hơn để hỗ trợ chất lượng, năng suất và hiệu quả sản xuất. Tôi đồng ý. Bỏ qua những ý kiến trái chiều, đây chính là vấn đề cốt lõi: các nhà máy coi đo lường hình học là tùy chọn đang đặt cược vào năng suất dựa trên hy vọng. Báo cáo năm 2024 của NIST về đo lường vi điện tử Liên kết trực tiếp việc đo lường với độ chính xác, độ tin cậy, năng suất và hiệu quả. (Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ Quốc gia (NIST))

Và ở đây cũng có một tín hiệu thực tế từ phía nhà sản xuất. Năm 2024, Intel đã điều chỉnh các giá trị coplanarity và độ phẳng trong nhiều bản vẽ cơ khí của gói sản phẩm, bao gồm bản vẽ gói N15168 và bản vẽ N33898. Tôi hiểu điều này là một thực tế kỹ thuật đang diễn ra, không phải là thông số tĩnh trong catalog: giới hạn coplanarity của gói sản phẩm vẫn đang được hoàn thiện vì yếu tố này có ý nghĩa trong điều kiện lắp ráp thực tế. Đó là một suy luận, đúng vậy, nhưng là một suy luận có cơ sở. Bản vẽ gói sản phẩm Intel N15168 Hiển thị bản cập nhật năm 2024 về độ đồng phẳng của các bóng BGA và độ phẳng mặt dưới, và Bản vẽ gói sản phẩm Intel N33898 Cũng hiển thị các sửa đổi liên quan đến coplanarity cho năm 2024. (cdrdv2-public.intel.com)

Nơi độ phẳng của linh kiện thực sự bị mất trước khi lắp đặt.

Không ở một nơi. Đó là vấn đề.

Thỉnh thoảng, hư hỏng bắt đầu từ khâu đóng gói và vận chuyển. Hình dạng túi băng dính không đúng. Áp lực xếp chồng khay quá cao. Kiểm soát độ ẩm bị bỏ qua, sau đó ai đó hàn các bộ phận không đúng cách và gây ra biến dạng cơ học. Thỉnh thoảng, quy trình sản xuất của nhà cung cấp bị lệch. Thỉnh thoảng, kiểm tra đầu vào quá sơ sài và một lô sản phẩm có chân hàn cong lọt qua vì kích thước mẫu được chọn dựa trên tốc độ, không phải rủi ro.

Và đúng vậy, đôi khi chính đội ngũ của bạn là nguyên nhân. Xử lý thủ công. Hư hỏng một phần cuộn dây. Lắp ráp lại không đúng cách. Tải bộ cấp liệu không thuận tiện. Quá tự tin vào việc “nó sẽ tự điều chỉnh trong quá trình hàn lại”. Nó sẽ không. Không đáng tin cậy.

Đối với các gói gull wing, vùng nguy hiểm trở nên rõ ràng ngay khi bạn bắt đầu tìm kiếm nó: sự biến đổi chiều cao mũi chì, hình dạng gót không đều, góc bị cong, thân xe bị nghiêng và tư thế không đối xứng trên mặt phẳng ghế ngồi. Đối với QFPs và gói nguồn, một hàng chì có thể trông chấp nhận được từ một góc nhìn nhưng vẫn sai trong không gian ba chiều. Đó là lý do tại sao một cách nghiêm túc Hệ thống kiểm tra SMT Hãy đảm bảo máy in hoạt động tốt trước khi bạn đổ lỗi cho việc căn chỉnh máy in hoặc mòn vòi phun.

Tôi sẽ đi xa hơn. Nếu quy trình thiết lập dây chuyền sản xuất của bạn vẫn phụ thuộc nhiều vào khả năng quan sát của người vận hành hơn là các kiểm tra hình học định lượng, thì bạn không đang áp dụng một quy trình kiểm soát hiện đại. Bạn đang làm việc theo cách tùy tiện.

Cần điều chỉnh những gì trước khi vòi phun hạ xuống?

Tôi không tin vào một giải pháp thần kỳ duy nhất ở đây. Tôi tin vào sự kỷ luật nhàm chán. Loại kỷ luật giúp tiết kiệm tiền.

Đầu tiên, siết chặt các tiêu chí đầu vào theo gia đình gói. Không sử dụng một logic chấp nhận/từ chối chung cho các gói SOIC, QFP, SOT, gói cánh chim hình dạng đặc biệt và các gói cảm biến chuyên dụng. Các chế độ hình học khác nhau, do đó các quy tắc kiểm tra cũng phải khác nhau.

Thứ hai, phân biệt biến dạng thẩm mỹ với biến dạng ảnh hưởng đến khả năng hàn. Một vết trầy xước trên bề mặt là một chuyện. Sự thay đổi góc của chân hàn làm thay đổi tiếp xúc với keo hàn là một chuyện khác. Tài liệu của Melexis hữu ích vì nó buộc phải phân biệt rõ ràng hai yếu tố này và liên kết sự biến đổi góc với hành vi hàn thực tế. (Melexis)

Thứ ba, kiểm tra độ phẳng của thân và vị trí chân linh kiện trước khi lắp đặt khi gia đình linh kiện có lịch sử đã biết về chân linh kiện bị cong, khay bị biến dạng hoặc khoảng cách vận chuyển dài. Điều này có thể đơn giản như tăng cường kiểm tra đầu vào cho các đơn hàng có khối lượng nhỏ, hoặc có cấu trúc như các cổng kiểm tra hình ảnh trước khi lắp đặt trong các dây chuyền sản xuất có khối lượng lớn.

Thứ tư, đừng giả vờ rằng bảo trì và chất lượng là hai vấn đề riêng biệt. Các bộ phận cơ khí bị mòn sẽ làm cho các bộ phận ở mức giới hạn trông tệ hơn. Một đầu in lệch, kiểm tra độ cao Z không nhất quán, chân không yếu hoặc bộ cấp liệu bị kẹt sẽ làm trầm trọng thêm hành vi của một bộ phận kém chất lượng. Đó là lý do tại sao tôi muốn các nhà máy kết hợp Nguồn lực chất lượng quy trình với đúng cách Đào tạo và hỗ trợ sau bán hàng Thay vì tập trung vào việc điều chỉnh từng máy riêng lẻ.

Thứ năm, biết khi nào cần cách ly. Nếu một lô sản phẩm cho thấy sự lệch pha đồng trục có hệ thống, đừng để “sản xuất tự quyết định”. Hãy cách ly nó. Kiểm tra lịch sử lô hàng của nhà cung cấp. So sánh hành vi của cuộn, khay và mã ngày. Sau đó quyết định xem việc tái chế, kiểm tra lại hoặc từ chối có hợp lý hay không.

Bảng quyết định trước khi bố trí công việc thực tiễn

Dưới đây là khung sườn mà tôi sẽ sử dụng trên sàn thực tế.

Bàn đó không sang trọng. Tốt. Công việc sản xuất hiếm khi như vậy.

Đối với các nhà máy đang mở rộng dây chuyền sản xuất dựa trên tế bào, đây chính là nơi Giải pháp dây chuyền sản xuất SMT trọn gói và bên phải Danh mục máy đặt và lấy linh kiện Vấn đề: Bạn muốn logic kiểm tra, kiểm soát công thức và hành vi của máy móc hỗ trợ lẫn nhau, chứ không phải đối lập nhau.

Những người vận hành phát hiện sớm vấn đề này sẽ tiết kiệm được nhiều tiền nhất.

Muốn một ý kiến mạnh mẽ? Đây là nó. Người có giá trị nhất trong nhiều nhà máy SMT không phải là người có thể giải thích hóa học hàn chảy trên các slide PowerPoint được trình bày chuyên nghiệp. Đó là người vận hành hoặc kỹ sư có thể phát hiện ra một vị trí chân linh kiện hơi sai trước khi linh kiện đó gây ra một giờ thời gian dây chuyền và hai vòng tranh luận.

Bởi vì khi độ đồng phẳng kém đạt đến giai đoạn lắp đặt, cây lỗi sẽ lan rộng. Bạn lãng phí thời gian kiểm tra. Bạn kích hoạt các cuộc điều tra nguyên nhân gốc rễ sai lầm. Bạn phải sửa chữa các bảng mạch không nên được sản xuất. Bạn làm suy giảm niềm tin vào khả năng của máy móc khi linh kiện đã không tuân thủ tiêu chuẩn.

Đó là lý do tại sao tôi thà học. Các trường hợp khách hàng trong sản xuất SMT Và cần siết chặt quy trình kiểm tra thay vì cứ lặp đi lặp lại câu nói sáo rỗng của ngành rằng “độ chính xác trong việc đặt linh kiện giải quyết hầu hết các vấn đề lắp ráp”. Điều đó không đúng. Độ chính xác trong việc đặt linh kiện chỉ giải quyết các vấn đề liên quan đến độ chính xác đó. Các khuyết tật về hình học là một vấn đề hoàn toàn khác.

Câu hỏi thường gặp

Độ đồng phẳng của chân hàn trong lắp ráp SMT là gì?

Độ đồng phẳng của các chân linh kiện trong quá trình lắp ráp SMT là điều kiện mà các chân linh kiện có mối quan hệ vị trí chung với bảng mạch in (PCB), giúp chúng tiếp xúc đều với keo hàn khi đặt linh kiện; khi một hoặc nhiều chân linh kiện nằm cao, thấp hoặc ở góc sai, quá trình hình thành mối hàn trở nên không ổn định và nguy cơ lỗi tăng cao.

Sau định nghĩa trực tiếp đó, bài học thực tiễn rất đơn giản: coplanarity không chỉ là một dung sai vẽ. Nó ảnh hưởng đến tiếp xúc ban đầu của keo hàn, hành vi tự căn chỉnh trong quá trình hàn lại, hình dạng cuối cùng của mối hàn, và liệu gói linh kiện có nằm ngang hay nghiêng dưới tải nhiệt. Tài liệu ứng dụng năm 2024 của Melexis rõ ràng liên kết coplanarity với chất lượng hàn và độ nghiêng dọc cuối cùng. (Melexis)

Làm thế nào để khắc phục sự đồng phẳng của các chân dẫn trước khi đặt linh kiện?

Sửa chữa sự không đồng phẳng của chân linh kiện trước khi đặt linh kiện có nghĩa là kiểm tra các linh kiện để phát hiện sự lệch mặt phẳng lắp đặt, sự thay đổi góc chân linh kiện hoặc chân linh kiện bị cong trước khi chúng đến chu trình đặt linh kiện, sau đó sử dụng các biện pháp như kiểm soát, nâng cấp nhà cung cấp, kiểm tra lại hoặc định hình lại có kiểm soát thay vì hy vọng đầu đặt linh kiện hoặc lò hàn chảy sẽ bù đắp cho hình dạng linh kiện không đúng.

Trong sản xuất thực tế, tôi sẽ bắt đầu với việc phân loại lô hàng, kiểm tra đầu vào theo từng nhóm sản phẩm và xác minh sản phẩm đầu tiên sau khi thay cuộn. Nếu lỗi là hệ thống, đó là vấn đề của nhà cung cấp hoặc bao bì. Nếu lỗi là ngẫu nhiên, hãy xem xét cách xử lý, lưu trữ và tải liệu vào máy cấp liệu. Điều tôi sẽ không làm là đẩy lô hàng tiếp tục chỉ vì nó “nhìn chung trông ổn”.”

Tại sao độ đồng phẳng của cánh chim hải âu lại nhạy cảm đến vậy?

Độ đồng phẳng của chân hàn cánh chim hải âu là yếu tố nhạy cảm vì mối hàn phụ thuộc vào góc chân hàn, tiếp xúc mũi chân và độ đồng nhất của mặt phẳng lắp đặt tại thời điểm linh kiện tiếp xúc với bột hàn ướt. Do đó, ngay cả những biến động nhỏ cũng có thể làm thay đổi độ nghiêng, cân bằng ướt và nguy cơ hàn hở nhiều hơn so với dự kiến của nhiều đội ngũ.

Đó chính là lý do tại sao tài liệu kỹ thuật Melexis năm 2024 nhấn mạnh các quy tắc thiết kế SMT cánh chim như góc uốn chân linh kiện ít nhất 90° để đảm bảo tiếp xúc đúng cách và tham chiếu tiêu chuẩn JESD22-B108 để đo độ đồng phẳng. Vỏ linh kiện không chấp nhận thiết kế hình học cẩu thả. Nó sẽ "phản ánh" điều đó sau này. (Melexis)

Liệu việc cải thiện đo lường có thực sự nâng cao hiệu suất sản xuất SMT không?

Công nghệ đo lường tiên tiến giúp nâng cao hiệu suất sản xuất SMT bằng cách chuyển đổi các biến động hình học không thể quan sát thành các thông số quá trình có thể đo lường, cho phép kỹ sư phân biệt giữa lỗi linh kiện và lỗi máy móc, từ đó ngăn chặn lãng phí, sửa chữa lại và chẩn đoán sai trước khi các chi phí này lan rộng sang các giai đoạn in, đặt linh kiện, kiểm tra và hàn lại.

Báo cáo về đo lường đóng gói năm 2024 của NIST liên kết trực tiếp việc đo lường với chất lượng, năng suất và hiệu quả sản xuất, và tôi cho rằng đó là khung khổ đúng đắn. Đo lường không phải là thủ tục giấy tờ. Đó là biện pháp bảo vệ biên lợi nhuận. (Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ Quốc gia (NIST))

Nếu dây chuyền sản xuất của bạn gặp phải tình trạng nghiêng không rõ nguyên nhân, mối hàn yếu hoặc các lỗ hở “bí ẩn” sau quá trình hàn lại, đừng chỉ tập trung vào máy móc. Hãy bắt đầu từ linh kiện. Kiểm tra lại các thông số điều khiển hình học, kiểm tra mặt phẳng lắp đặt và siết chặt cửa xả trước khi đặt linh kiện. Đó chính là nơi gây ra sự rò rỉ.