Thông tin PCB - Nguyên nhân của vấn đề hàn lạnh trong hàn ngược PCB

Cold welding là gì? Hàn lạnh PCB là hiện tượng xảy ra khi nhiệt độ ẩm thấp nhất cần thiết giữa linh kiện điện tử và PCB không đạt được trong quá trình hàn. Ngay cả khi có sự hiện diện của ẩm cục bộ, nó có thể dẫn đến sự xuất hiện của hàn lạnh nếu phản ứng luyện kim không đầy đủ. Hàn lạnh được đặc trưng bởi sự xuất hiện tối hơn và thô hơn của bề mặt điểm hàn và không thể hợp nhất hoàn toàn với vật liệu hàn.

Hàn lạnh PCB xảy ra trong quá trình hàn, khi nhiệt độ ẩm thấp nhất cần thiết không đạt được giữa linh kiện điện tử và PCB, các kết nối kém được hình thành tại các điểm hàn. Ngay cả khi có một lượng ẩm cục bộ nhất định, nếu không đạt được phản ứng luyện kim đầy đủ, có thể dẫn đến sự xuất hiện của hàn lạnh. Hàn lạnh được đặc trưng bởi sự xuất hiện bề mặt tối hơn và thô hơn của các mối hàn và không thể hợp nhất hoàn toàn với chất hàn.

Nguyên nhân hàn lạnh:

1. Không đủ sưởi ấm

Một trong những lý do chính cho hàn lạnh là nhiệt độ ẩm thấp nhất không đạt được giữa các linh kiện điện tử và PCB trong quá trình hàn. Nếu nhiệt độ hàn dòng chảy quá thấp, hàn không thể tan chảy hoàn toàn, dẫn đến các mối hàn không thể tạo thành liên kết kim loại mạnh.

2. Thời gian hàn ngắn

Không đủ thời gian hàn cũng là một yếu tố quan trọng dẫn đến hàn lạnh. Nếu không đủ thời gian hàn dòng chảy, hàn không thể chảy đầy đủ và tản nhiệt trong thời gian thích hợp và sự hình thành của các điểm hàn sẽ không đủ mạnh. Trong trường hợp này, bề mặt của các mối hàn có thể xuất hiện mờ và thô, ảnh hưởng đến hiệu suất của mạch.

3. Ô nhiễm bề mặt

Các chất gây ô nhiễm trên bề mặt hàn, chẳng hạn như dầu, bụi, v.v., có thể ảnh hưởng đến tính chất làm ẩm của hàn, khiến các khớp không thể tạo thành các kết nối kim loại tốt. Ngay cả khi nhiệt độ và thời gian chính xác được áp dụng, ô nhiễm vẫn có thể dẫn đến hàn lạnh.

4. Kiểm soát nhiệt độ không đúng cách

Trong quá trình hàn trở lại, đường cong nhiệt độ lò được thiết lập không đúng cách, dẫn đến nhiệt độ tăng hoặc giảm nhanh, và hàn lạnh cũng có thể được kích hoạt. Sự căng thẳng không đồng đều của dán hàn trong quá trình gia nhiệt có thể dẫn đến các điểm hàn không mạch lạc. Hàn lạnh có thể được giảm hiệu quả bằng cách kiểm soát nhiệt độ chính xác.

5. Vấn đề mạ thiếc

Hàn lạnh cũng có thể xảy ra do bản thân các mối hàn thiếu tính chất ăn thiếc. Hàn không thể hình thành một liên kết tốt trên giao diện có thể dẫn đến các mối hàn yếu hơn và do đó dẫn đến hàn lạnh. Do đó, việc lựa chọn các mối hàn phù hợp và đảm bảo tình trạng tốt của bề mặt hàn là một biện pháp quan trọng để ngăn chặn hàn lạnh.

Trong hàn FR4-PCB trong ngành công nghiệp điện tử, vàng là một trong những kim loại phủ bề mặt được sử dụng phổ biến nhất vì độ ổn định và độ tin cậy tuyệt vời của nó. Tuy nhiên, là một tạp chất trong hàn, vàng rất có hại cho độ dẻo của hàn, vì các hợp chất liên kim loại Sn-Au (Sn-Au) giòn (chủ yếu là AuSn4) được hình thành trong hàn. Mặc dù nồng độ AuSn4 thấp có thể cải thiện tính chất cơ học của nhiều loại hàn có chứa thiếc của Hàn Quốc, nhưng độ bền kéo và độ giãn dài đứt gãy có thể giảm nhanh chóng khi hàm lượng vàng trong hàn vượt quá 4%. Các lớp vàng nguyên chất và hợp kim dày 1,5um trên đĩa có thể được hòa tan hoàn toàn trong hàn nóng chảy trong quá trình hàn sóng, tạo thành AuSn4 không đủ để làm hỏng các tính chất cơ học của tấm. Tuy nhiên, đối với quá trình lắp ráp bề mặt, độ dày chấp nhận được của lớp phủ vàng là rất thấp và yêu cầu tính toán chính xác. Glazer et al. báo cáo rằng độ tin cậy của mối hàn giữa lớp phủ kim loại Cu-Ni-Au và FR-4 PCB trên gói phẳng tứ giác nhựa (PQFP) không bị suy giảm khi nồng độ vàng không vượt quá 3,0 W/O.

Quá nhiều IMC gây nguy hiểm cho độ bền cơ học của các mối hàn do tính giòn của chúng và ảnh hưởng đến sự hình thành các lỗ chuông trong các mối hàn. Ví dụ, các mối hàn được hình thành trên lớp vàng 1,63um của que Cu Ni Au có thể được hàn trở lại sau khi in dán Sn63Pb37 với hàm lượng kim loại 91% trong 7 triệu (175 um) trên que. Các hợp chất kim loại Sn-Au trở thành các hạt và phân tán rộng rãi trong các mối hàn.

Trong chế biến bảng PCB, ngoài việc chọn hợp kim hàn phù hợp và kiểm soát độ dày của lớp vàng, việc thay đổi thành phần của kim loại ma trận chứa vàng cũng có thể làm giảm sự hình thành các hợp chất liên kim loại. Ví dụ, nếu hàn Sn60Pb40 vào Au85Ni15, sẽ không có độ giòn vàng.

Trong quá trình hàn trở lại bảng mạch, phương pháp kiểm tra hàn lạnh thường được sử dụng:

Kiểm tra trực quan: Các tiêu chuẩn kiểm tra chuyên ngành được thiết kế để xem các mối hàn trông như thế nào và để kiểm tra sự hiện diện của các hiện tượng như mối hàn dạng hạt hoặc bề mặt không nhẵn, một đặc điểm phổ biến của hàn lạnh.

Phát hiện quang học tự động (AOI): Sử dụng thiết bị tự động để tạo ra hình ảnh chính xác cao về các mối hàn, cho phép xác định nhanh chóng và chính xác các mối hàn lạnh tiềm năng và cung cấp hỗ trợ dữ liệu định lượng.

Phát hiện tia X: Đối với các mạch phức tạp, đặc biệt là các gói BGA, việc sử dụng tia X để phát hiện cấu trúc bên trong của các mối hàn là một cách rất hiệu quả để phát hiện các vấn đề hàn lạnh ẩn.

Cách hiệu quả để ngăn chặn hàn lạnh PCB:

1. Đảm bảo nhiệt độ hàn thích hợp

Trong quá trình hàn hồi lưu của PCB, nhiệt độ hàn thích hợp là một yếu tố quan trọng để ngăn chặn hàn lạnh. Đường cong nhiệt độ hàn hồi lưu hợp lý nên được thiết lập theo kích thước và độ dày của bảng PCBA, cũng như hệ số nhiệt của các yếu tố, để đảm bảo hàn có thể tan chảy hoàn toàn và làm ướt pad. Độ chính xác của kiểm soát nhiệt độ ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng hàn, vì vậy điều này cần được đặc biệt chú ý khi thiết kế.

2. Kiểm soát thời gian hàn

Kiểm soát thời gian hàn cũng quan trọng không kém, thời gian hàn quá ngắn có thể dẫn đến việc hàn không thể chảy hoàn toàn và dính, tạo thành hàn lạnh. Cần đảm bảo rằng cài đặt thời gian của quá trình hàn đáp ứng yêu cầu nóng chảy và làm ẩm của hàn, thường đạt được bằng cách điều chỉnh các thông số hoạt động của thiết bị hàn hồi lưu. Kiểm soát thời gian chính xác giúp đảm bảo tính toàn vẹn của các mối hàn.

3. Lựa chọn và sử dụng vật liệu

Việc sử dụng dán hoạt tính cao và thông lượng thích hợp cũng có thể giúp ngăn ngừa hàn lạnh. Chất lượng thấp thường dẫn đến độ ẩm kém, vì vậy điều quan trọng là chọn dán chất lượng cao và kiểm soát chặt chẽ các điều kiện sử dụng và bảo quản. Ngoài ra, lượng thông lượng thích hợp sẽ thúc đẩy dòng chảy của hàn và tăng cường độ bám dính của hàn.

4. Làm sạch bề mặt hàn

Trước khi hàn, điều quan trọng là phải đảm bảo bề mặt hàn sạch sẽ. Bất kỳ loại dầu, bụi hoặc oxit nào cũng có thể cản trở sự tiếp xúc tốt giữa chất hàn và miếng đệm, có thể dễ dàng dẫn đến hàn lạnh. Do đó, PCB và chân yếu tố nên được làm sạch trước khi hàn để cung cấp điều kiện hàn tốt.

5. Giữ vị trí bộ phận ổn định

Trong quá trình hàn, các thành phần nên được giữ ở một vị trí ổn định để tránh rung hoặc nâng. Trong quá trình hàn trở lại, việc nâng và di chuyển vị trí của các yếu tố dẫn đến giảm tính đồng nhất của các điểm hàn, dẫn đến hàn lạnh. Điều này có thể được thực hiện bằng cách đảm bảo độ cứng của PCB và thiết bị hàn thích hợp.

Hàn lạnh PCB là một vấn đề quan trọng ảnh hưởng đến hiệu suất mạch, chủ yếu là do các yếu tố như sưởi ấm không đủ, thời gian hàn ngắn và ô nhiễm bề mặt, có thể được ngăn chặn hiệu quả bằng cách đảm bảo nhiệt độ hàn thích hợp, kiểm soát thời gian, lựa chọn vật liệu và độ sạch của bề mặt hàn. Tập trung vào các biện pháp phòng ngừa này sẽ cải thiện đáng kể chất lượng mối hàn, dẫn đến độ tin cậy và hiệu suất tổng thể của bảng.