تشريح ماكينة اللحام الموجي

الهيكل الأساسي لخط إنتاج SMT

خط إنتاج SMT (تقنية التثبيت السطحي) هو نظام تجميع آلي مصمم لإنتاج دقيق وكبير الحجم للوحات الدوائر المطبوعة (PCBs). فهم هيكله الأساسي أمر بالغ الأهمية لإتقان التثبيت واللحام الفعال للمكونات الإلكترونية. تتكون العملية بأكملها من سلسلة من المراحل المنسقة بعناية، يتم تنفيذ كل منها بواسطة معدات متخصصة. عادةً ما يتم تشكيل أساس خط الإنتاج الآلي هذا من خلال عدة آلات رئيسية متصلة لضمان الانتقال السلس من اللوحة العارية إلى المنتج النهائي.

تتكون بنية خط إنتاج SMT من المكونات الأساسية التالية:

• محمل PCB: تبدأ العملية مع محمل PCB , ، الذي يقوم تلقائيًا بتغذية اللوحات العارية من الكاسيتات إلى خط الإنتاج. هذه الخطوة الأولية تقضي على الحاجة إلى المناولة اليدوية وتقلل من مخاطر التلوث والتلف. في الطرف الآخر، يقوم جهاز تفريغ لوحات الدوائر المطبوعة بجمع لوحات الدوائر المطبوعة المكتملة وتكديسها للمرحلة التالية من الإنتاج أو الاختبار. تعتبر المناولة الآلية لخط الإنتاج أمرًا بالغ الأهمية للحفاظ على إنتاج مستمر وعالي السرعة. . [المصدر: التصميم الإلكتروني]
• طابعة معجون اللحام: بمجرد تحميل اللوحة العارية، يتم إرسالها إلى طابعة معجون اللحام. تستخدم هذه الآلة استنسل ومكشطة لتطبيق طبقة دقيقة من معجون اللحام على الوسادات المحددة حيث يتم وضع المكونات. الدقة في هذه المرحلة أمر بالغ الأهمية، حيث أن عدم كفاية أو زيادة معجون اللحام يمكن أن يؤدي إلى عيوب في اللحام مثل الفتحات أو جسور اللحام. . [المصدر: Epec Engineeringered Technologies]
• آلات وضع الرقائق: هذه الآلات هي قلب خط إنتاج SMT. فهي تلتقط المكونات الفردية المثبتة على السطح من البكرات أو الصواني وتضعها بدقة على الوسادات. تعمل الآلات الحديثة بسرعات عالية للغاية، وهي قادرة على وضع آلاف المكونات في الساعة بدقة عالية، وهو أمر بالغ الأهمية لكفاءة تجميع SMT.
• آلة لحام (لحام إعادة تدفق أو لحام موجي): بعد وضع المكونات، يجب تسخين لوحة الدوائر المطبوعة (PCB) لإذابة معجون اللحام، مما يؤدي إلى إنشاء اتصال كهربائي دائم. الطريقة الأكثر شيوعًا المستخدمة في SMT هي إعادة اللحام بإعادة التدفق . يتم نقل اللوحة على حزام ناقل عبر مناطق تسخين متعددة، وفقًا لخطوات محددة ملف درجة الحرارة لضمان تشكيل جميع وصلات اللحام بشكل صحيح دون الإضرار بالمكونات [المصدر: PCB Technologies] . بالنسبة للوحات التي تحتوي على مكونات ذات ثقوب،, لحام بالموجة يتم استخدام الآلة، حيث يتم تمرير اللوحة عبر موجة من اللحام المنصهر.
• ناقلات PCB: تربط بين جميع هذه الآلات ناقل PCB نظام . تنقل هذه الناقلات الآلية لوحات الدوائر الكهربائية من محطة عمل إلى أخرى. تعد سرعة الناقل واستقراره أمرين بالغين الأهمية لـ تحسين سير العمل ومنع الاختناقات أو تحول المكونات أثناء النقل. قد تتضمن الخطوط الأكثر تعقيدًا أيضًا ناقلات عازلة أو بوابات مكوكية لإدارة عملية الإنتاج ديناميكيًا.

تحضير اللوحة: مناطق التسخين والتسخين المسبق

عندما تمر مجموعة PCB عبر آلة لحام الموجة، فإنها تدخل أولاً إلى مناطق تطبيق التدفق والتسخين المسبق. هذه المراحل الأولية مهمة جداً لإعداد اللوحة لتشكيل وصلة لحام ناجحة. تخطي هذه الخطوات أو إدارتها بشكل غير صحيح يمكن أن يؤدي إلى العديد من عيوب اللحام.

دور منطقة التدفق

قبل أن يتلامس PCB مع اللحام المنصهر، يمر عبر منطقة تدفق حيث يتم طلاؤه بطبقة من التدفق. وتتمثل الوظيفة الرئيسية للتدفق في تنظيف سطح المعدن وإعداده للحام. ويتم ذلك بثلاث طرق رئيسية:

• إزالة الأكسيد: تشكل الأسطح المعدنية (بما في ذلك أسلاك المكونات ووسادات PCB) طبقات أكسيد بشكل طبيعي عند تعرضها للهواء. تمنع طبقات الأكسيد هذه اللحام من تكوين رابطة معدنية جيدة. يحتوي مادة التلحيم على منشطات كيميائية تعمل على إزالة هذه الأكاسيد بشكل فعال. . [المصدر: AIM Solder]
• تحسين الترطيب: يقوم الفلوكس بتنظيف السطح، مما يسمح لللحام المنصهر بـ“الترطيب” أو التوزيع المتساوي على الوسادات المعدنية والأسلاك. هذا الترطيب ضروري لتشكيل وصلات لحام قوية وموثوقة.
• يمنع إعادة الأكسدة: يشكل Flux حاجزًا وقائيًا على الأسطح النظيفة، مما يمنعها من إعادة الأكسدة أثناء مرور اللوحة عبر منطقة التسخين في الماكينة قبل وصولها إلى موجة اللحام.

يمكن تطبيق مادة التلحيم بعدة طرق، منها الرش أو الرغوة أو الغمس، مع كون الرش هو الطريقة الأكثر شيوعًا في المعدات الحديثة نظرًا لدقته العالية وقدرته على التحكم. لمزيد من المعلومات التفصيلية،, انظر دليل لاختيار وصيانة التدفق.

مرحلة الإحماء الحرجة

بعد تطبيق مادة التلحيم، تدخل لوحة الدوائر المطبوعة على الفور إلى منطقة التسخين المسبق. تتضمن هذه المرحلة رفع درجة حرارة المجموعة بأكملها تدريجياً. لا تقتصر عملية التسخين المسبق على تسخين اللوحة فحسب، بل تؤدي أيضاً عدة وظائف مهمة:

• تنشيط التدفق: تقوم الحرارة بتنشيط المواد الكيميائية الموجودة في مادة التلحيم، مما يعزز قدرتها على تنظيف الأسطح المعدنية. لكل مادة تلحيم نطاق درجة حرارة تنشيط محدد، لذا التحكم في درجة الحرارة هو معلمة حاسمة . [المصدر: EpecTec]
• تبخر المذيبات: يحتوي السائل المنصهر على مذيبات يجب أن تتبخر قبل تعريض اللوحة لموجة اللحام. إذا لم تتم إزالة المذيبات، فسوف تغلي هذه المذيبات بشدة عند ملامستها لللحام المنصهر، مما يتسبب في عيوب مثل كرات اللحام والفراغات.
• تقليل الصدمة الحرارية: أهم دور للتسخين المسبق هو تقليل الصدمة الحرارية. تشير الصدمة الحرارية إلى الضغط الذي يتعرض له لوح الدوائر المطبوعة ومكوناته عند التغير السريع في درجات الحرارة. تقوم منطقة التسخين المسبق بتسخين المكونات ببطء إلى درجة حرارة محددة (عادةً ما بين 100 درجة مئوية و 130 درجة مئوية) لضمان ألا يكون الفرق في درجة الحرارة بين اللوحة وموجة اللحام (حوالي 250 درجة مئوية) كبيرًا جدًا. يمنع هذا الارتفاع التدريجي في درجة الحرارة حدوث أضرار مثل انحناء اللوحة وتشقق المكونات أو تفريغها. . [المصدر: تقنيات ثنائي الفينيل متعدد الكلور]

التنفيذ السليم لمرحلتي التذويب والتسخين المسبق يضع الأساس لعملية اللحام بالموجة بالكامل , ، مما يضمن أن المكونات معدة كيميائياً وحرارياً لخطوات اللحام النهائية.

قلب الآلة: أواني اللحام وميكانيكا الموجات

وعاء اللحام هو قلب أي آلة لحام بالموجة، حيث يعمل كخزان لللحام المنصهر. يبدأ الوعاء عملية اللحام بتسخين سبيكة اللحام الصلبة (عادةً ما تكون تركيبة خالية من الرصاص مثل القصدير والفضة والنحاس (SAC)) إلى حالة سائلة دقيقة. يعد الحفاظ على درجة حرارة ثابتة داخل الوعاء أمرًا ضروريًا لتحقيق وصلات لحام موثوقة. كما تمت مناقشته في دليل درجة حرارة اللحام بالموجة , ، حتى التقلبات الطفيفة يمكن أن تؤدي إلى عيوب مثل الصدمة الحرارية أو التبليل غير الكامل. بمرور الوقت، يتفاعل سطح اللحام المنصهر مع الهواء، مكونًا طبقة من الأكاسيد والشوائب المعروفة باسم الخبث. من الضروري إزالة هذا الخبث بانتظام، لأنه يمكن أن يؤدي إلى ظهور ملوثات أثناء عملية اللحام ويسبب عيوبًا مثل التجلد والتوصيل. [المصدر: كيستر] .

من وعاء اللحام الذي يتم التحكم فيه بعناية، يتم ضخ اللحام المنصهر إلى أعلى من خلال الفوهة لتشكيل موجة لحام - وهي جوهر عملية اللحام بأكملها. تستخدم أنظمة اللحام بالموجة الحديثة بشكل شبه عالمي عملية موجة مزدوجة للتعامل مع لوحات الدوائر المطبوعة المعقدة والمختلطة التكنولوجيا. إن فهم الدور الفريد لكل موجة هو المفتاح لإتقان عملية اللحام، وهو موضوع سنستكشفه أثناء التعمق في ديناميكيات موجة اللحام .

1. الموجة المضطربة (موجة الرقاقة): الموجة الأولى التي يواجهها PCB هي التدفق المضطرب، وعادة ما يكون ثنائي الاتجاه. تم تصميم تدفقه القوي والمضطرب لضمان تغطية كاملة لللحام، مما يدفع اللحام إلى الأماكن الضيقة مثل الثقوب المطلية والمكونات المثبتة تحت السطح. يتغلب هذا الإجراء على تظليل المكونات ويعزز الترطيب الجيد لجميع الأسطح القابلة للحام. . [المصدر: Epec Engineeringered Technologies]
2. الموجة الطبقية (الناعمة): بعد الموجة المضطربة، يمر PCB عبر موجة ثانية أكثر سلاسة. تتدفق الموجة الطبقية في اتجاه واحد، مما ينتج عنه سطح هادئ ومستقر. والغرض منها هو التسوية والتشكيل: فهي تزيل اللحام الزائد المترسب بفعل الموجة المضطربة، وتزيل جسور اللحام بين المسامير المتقاربة، وتنتج في النهاية لحامًا مثاليًا.

تعتمد فعالية النظام بأكمله على المعايرة الدقيقة للخصائص الديناميكية لموجة اللحام. المعلمات الحاسمة مثل ارتفاع الموجة , ، وسرعة الناقل (التي تحدد وقت التلامس)، وزاوية الناقل يجب أن تكون متزامنة تمامًا. الهدف هو ضمان وقت تلامس كافٍ لترطيب PCB بشكل مناسب دون تعريض المكونات لضغط حراري مفرط. هذا التوازن بين حمام اللحام المستقر وموجة اللحام الديناميكية هو ما يحدد في النهاية جودة وموثوقية المنتج النهائي.

التجميع النهائي: التبريد والتنظيف والفحص

لا تنتهي عملية لحام لوحات الدوائر المطبوعة (PCBs) عند ذوبان اللحام. تعد مرحلة التبريد خطوة حاسمة ومحكومة تسمح للّحام المنصهر بالتصلّب، مما يشكّل اتصالاً كهربائياً قوياً وموثوقاً. إذا تمت هذه المرحلة على عجل أو بشكل غير صحيح، فقد يتم إبطال العمل الدقيق للتسخين المسبق وإعادة التدفق، مما يؤدي إلى ظهور مجموعة من العيوب.

الدور الرئيسي لمعدل التبريد

بعد أن تصل لوحة الدوائر المطبوعة إلى درجة الحرارة القصوى أثناء عملية اللحام، تدخل في منطقة التبريد . الهدف الأساسي هنا هو تقليل درجة حرارة المكون بمعدل يمكن التحكم فيه. يمكن القول إن هذا المعدل هو المعلمة الأكثر أهمية خلال هذه المرحلة، لأنه يؤثر بشكل مباشر على البنية المجهرية لمفصل اللحام، وبالتالي يؤثر على قوته الميكانيكية وموثوقيته على المدى الطويل.

معدلات التبريد المثلى (عادة حوالي -4 درجات مئوية في الثانية) ضرورية لتطوير بنية مجهرية دقيقة في اللحام. [المصدر: CircuitNet] . تعزز هذه البنية الدقيقة مقاومة المفاصل للتعب ومتانتها الإجمالية. ومع ذلك، يمكن أن تتسبب الانحرافات عن معدل التبريد الأمثل في مشاكل خطيرة:

• التبريد السريع للغاية: يمكن أن يتسبب الانخفاض السريع في درجة الحرارة في حدوث صدمة حرارية، مما يؤدي إلى إجهاد قد يتسبب في تكسير ركيزة PCB أو المكونات نفسها. وهذا أمر خطير بشكل خاص بالنسبة للمكثفات الخزفية الحساسة.
• تبريد بطيء للغاية: قد يؤدي التبريد البطيء إلى نمو مفرط للمركبات المعدنية (IMC) عند واجهة التلامس بين اللحام والمكونات. في حين أن طبقة IMC الرقيقة مرغوبة للحصول على اتصال جيد، فإن طبقة IMC السميكة والهشة يمكن أن تضر بسلامة الوصلة، مما يجعلها عرضة للفشل تحت الضغط أو الاهتزاز. . [المصدر: Bel Power Solutions]

إتقان نظام تبريد اللحام بإعادة التدفق الخاص بك هو المفتاح لمنع حدوث هذه المشكلات وضمان نتائج متسقة وعالية الجودة.

التنظيف والفحص بعد اللحام

بمجرد أن تبرد اللوحة وتتصلب وصلات اللحام، ينتقل التجميع إلى مرحلة ما بعد اللحام للتحقق من الجودة وإعداده للتطبيق النهائي.

1. التنظيف:
غالبًا ما تترك عملية اللحام بقايا من مادة التلحيم. على الرغم من أن مواد التلحيم “غير القابلة للتنظيف” شائعة الاستخدام، إلا أن بقاياها قد تتداخل أحيانًا مع الفحص أثناء الاختبار داخل الدائرة أو تمنع الطلاء المطابق من الالتصاق بشكل صحيح. التنظيف ضروري للتطبيقات عالية الموثوقية في صناعات السيارات والطب والطيران. قد تكون بقايا مادة التلحيم حمضية وتمتص الرطوبة من الهواء، مما قد يتسبب في التآكل وقصر الدائرة الكهربائية بمرور الوقت. [المصدر: Epec] . يمكن استخدام مجموعة متنوعة من طرق التنظيف، بما في ذلك الأنظمة المائية وشبه المائية والقائمة على المذيبات، لإزالة هذه الملوثات الضارة.

2. الفحص والاختبار:
لضمان الجودة، يخضع كل مكون لفحص دقيق. وتشمل الطرق الرئيسية ما يلي:

• الفحص البصري الآلي (AOI): يستخدم نظام AOI كاميرا عالية الدقة لمسح لوحة الدوائر المطبوعة ومقارنتها بنموذج تفصيلي للوحة “ذهبية”. يمكنه اكتشاف العيوب بسرعة مثل جسور اللحام والدوائر المفتوحة وعدم كفاية اللحام ووضع المكونات بشكل غير صحيح.
• الفحص الآلي بالأشعة السينية (AXI): تعد تقنية AXI ضرورية للمكونات ذات الوصلات الملحومة المخفية، مثل مصفوفات الشبكة الكروية (BGA). يمكن للأشعة السينية اختراق جسم المكون وتوليد صور للوصلات الأساسية، مما يكشف عن العيوب التي لا تستطيع الأنظمة البصرية اكتشافها، مثل فراغات اللحام أو شورتات . [المصدر: Creative Hi-Tech]

بعد هذا الفحص، يتم إجراء اختبار وظيفي للتأكد من أن اللوحة تعمل بشكل صحيح وتشغيلها كما هو مخطط لها. هذا الفحص النهائي يتحقق من أن كامل إعادة التدفق أو عملية اللحام الموجي تم الانتهاء منه بنجاح، مما أدى إلى تجميع إلكتروني موثوق به وعملي بالكامل.

المصدر

• AIM Solder – أهمية مادة التلحيم في تطبيقات اللحام
• Bel Power Solutions – التحكم في عملية لحام PCBA
• CircuitNet – تأثيرات معدل التبريد
• التكنولوجيا المتطورة الإبداعية – أساسيات الفحص الآلي بالأشعة السينية (AXI) للوحات الدوائر المطبوعة
• التصميم الإلكتروني – أساسيات تقنية التثبيت السطحي (SMT)
• Epec Engineered Technologies – تنظيف لوحات الدوائر المطبوعة بعد اللحام
• Epec Engineered Technologies – عملية تجميع SMT
• تكنولوجيا الهندسة Epec – عملية اللحام بالموجات
• Epec Engineered Technologies – مرحلة التسخين المسبق للحام الموجي
• كيستر – دريغز آند دريغز
• تكنولوجيا PCB – كيفية منع الصدمة الحرارية في لوحات PCB
• تكنولوجيا PCB – تجميع SMT – دليل شامل

“`