Селективная пайка волной: Решение проблем производительности в реальном времени и избыточности безопасности в печатных платах управления промышленными роботами

technology3 ноября 2025 г. 12 мин чтения

Селективная пайка волнойСелективная пайкаTHTSMTПроверка первого образца (FAI)Тест летающим зондомПрослеживаемость/MESОбзор DFM/DFT/DFAПроектирование оснастки (ICT/FCT)

Как инженер по тестированию и сертификации, отвечающий за ICT/FCT, сертификацию CE и процессы нанесения покрытий, я полностью понимаю строгие требования к печатным платам управления промышленными роботами. Эти системы должны не только обрабатывать высокоскоростные данные в реальном времени, но и обладать чрезвычайно высокой избыточностью безопасности. В этом контексте технология селективной пайки волной становится ключом к соединению высокоплотных SMT-компонентов с высоконадежными сквозными (THT) устройствами (такими как разъемы и силовые компоненты). Она напрямую определяет электрические характеристики продукта, механическую прочность и долгосрочную надежность.

Платы управления промышленными роботами обычно представляют собой сложные печатные платы со смешанной технологией, включающие как прецизионные BGA и QFN, так и THT-разъемы, которые должны выдерживать высокие токи и механические нагрузки. Традиционная пайка волной не может удовлетворить требования такой высокоплотной, локализованной пайки, в то время как ручная пайка с трудом обеспечивает согласованность и качество. Поэтому точно контролируемый процесс селективной пайки волной стал основным производственным этапом для обеспечения качества и надежности конечного продукта. Эта статья будет посвящена этому критически важному процессу, исследуя ключевые моменты контроля качества на протяжении всего рабочего процесса, от проектирования и тестирования до массового производства.

Обзор DFM/DFT/DFA: Обеспечение успеха селективной пайки волной с самого начала

Любой успешный производственный процесс начинается с превосходного дизайна. Для селективной пайки волной ранняя проверка DFM/DFT/DFA (Design for Manufacturability/Testability/Assembly) является первой линией защиты для снижения рисков и сокращения затрат. Если на этапе проектирования не будут полностью учтены ограничения процесса пайки, это приведет к бесконечным проблемам с качеством в дальнейшем.

На этапе проверки наша команда уделяет внимание следующим ключевым моментам:

Расположение и расстояние между компонентами: Паяльное сопло требует достаточного пространства для перемещения. Необходимо поддерживать безопасное расстояние (обычно 3-5 мм) между THT-компонентами и соседними SMT-компонентами (особенно мелкими чип-компонентами), чтобы предотвратить тепловой удар или образование перемычек припоя во время процесса пайки.
Тепловая конструкция: Большие заземляющие или силовые плоскости действуют как массивные теплоотводы, вызывая недостаточный нагрев выводов THT и приводя к холодным паяным соединениям. В рамках проверки DFM/DFT/DFA мы рекомендуем использовать тепловые развязывающие площадки (Thermal Relief Pads), чтобы обеспечить быстрое и равномерное достижение паяными соединениями температуры пайки.
Тестируемость (DFT): Размещение тестовых точек имеет решающее значение. Тестовые зонды требуют стабильных и надежных контактных точек. Мы гарантируем, что тестовые точки находятся вдали от областей пайки THT, чтобы избежать загрязнения остатками флюса, и резервируем достаточно места для прижима зондов при проектировании оснастки (ICT/FCT). Комплексный DFM/DFT/DFA-анализ интегрирует требования к производству и тестированию в фазу проектирования, закладывая прочную основу для последующего автоматизированного производства и эффективного тестирования.

Ключевые аспекты DFM для селективной пайки волной

Беспаечные зоны и экранирование: Соблюдайте безопасное расстояние 3-5 мм (пример) для движения сопла и защиты паяльной маски
Термобарьеры: Используйте термобарьеры для контактов земляных/силовых полигонов для предотвращения холодных паяных соединений
Отсос припоя и направляющие: Добавьте зоны отсоса припоя/дренажа по длинным краям для уменьшения образования перемычек

Обработка переходных отверстий: Переходные отверстия рядом с контактными площадками должны быть закрыты или покрыты паяльной маской для предотвращения капиллярного эффекта припоя

Высота и ориентация компонентов: Располагайте выводы вдоль направления волны и контролируйте высоту нижних компонентов для соответствия паллете

Планирование контрольных точек: Избегайте областей пайки и путей флюса для облегчения ICT/FPT

Основы проектирования паллет

Выбор материала: Высокотемпературные композитные материалы (пример), с карманами и уплотнительными барьерами, соответствующими поверхности платы
Зазор кармана: Поддерживать зазор 0,3-0,8 мм (пример) вокруг контактов для лучшего смачивания и вентиляции
Поддержка и плоскостность: Добавлять опорные блоки в критических областях, контролировать коробление и снижать нагрузку на приспособления ICT
Путь и сопло: Планировать пути с одним/двумя соплами, чтобы избежать теневых зон и накопления тепла
Обслуживаемость: Легко очищаемая, устойчивая к остаткам конструкция; серийные маркировки для отслеживаемости MES

Тестирование ICT/FCT: Ключевые моменты для охвата и проектирования приспособлений

После пайки тщательное тестирование является единственным стандартом для проверки качества. Внутрисхемное тестирование (ICT) и функциональное тестирование (FCT) являются двумя столпами для обеспечения надлежащей функциональности печатных плат управления промышленными роботами. Внутрисхемный тест (ICT) в основном используется для обнаружения дефектов пайки, таких как обрывы цепи, короткие замыкания, неправильные компоненты, обратная полярность и т. д. Для печатных плат, обработанных селективной волновой пайкой, тестирование ICT сталкивается с уникальными проблемами. Присутствие THT-компонентов влияет на плоскостность платы, предъявляя более высокие требования к конструкции тестового приспособления. Профессиональная разработка приспособлений (ICT/FCT) должна точно рассчитывать высоту и давление зонда для обеспечения надежного контакта с тестовыми точками без причинения механических повреждений припаянным THT-компонентам. Для небольших партий или этапов прототипирования тест летающим зондом предлагает гибкую альтернативу без дорогих приспособлений, позволяя быстро проверить связность цепи.

Функциональный тест (FCT) имитирует работу печатной платы в реальных условиях для проверки соответствия всем функциональным спецификациям. Это включает проверку сигналов привода двигателя, считывание данных датчиков, производительность коммуникационных интерфейсов в реальном времени (например, EtherCAT) и т. д. Надежное решение FCT в сочетании с точной разработкой приспособлений (ICT/FCT) является ключом к обеспечению того, чтобы каждая отгруженная высокоскоростная печатная плата соответствовала строгим критериям производительности промышленных роботов.

Ключевые моменты стратегии тестирования

Доступность контрольных точек: Ключевые места расположения сетевых зондов должны избегать путей припоя и флюса.
Стабильность оснастки: Учитывайте изменения высоты печатной платы, используя плавающие прижимные блоки/многослойные опоры для равномерного распределения силы.
Летающий зонд + Ложе из игл: Используйте **FPT** во время прототипирования, переходите к ICT для массового производства.
Точность диагностики: Программы должны различать отказы паяных соединений/компонентов с визуализируемой локализацией неисправностей.

Инспекция первого образца (FAI): Проверка технологического окна и качества первого образца

Перед началом массового производства инспекция первого образца (FAI) является незаменимой контрольной точкой качества. Она всесторонне проверяет, могут ли производственный процесс, параметры оборудования, материалы и методы работы стабильно производить квалифицированную продукцию, соответствующую проектным требованиям. Для процессов селективной пайки волной FAI имеет особое значение.

Во время FAI мы проводим разрушающие и неразрушающие анализы первых нескольких производственных плат, включая:

Рентгеновский контроль: Проверяет степень заполнения паяных соединений THT (Hole Fill), пустоты и внутренние дефекты.
Поперечный анализ: Вертикально разрезанные паяные соединения микроскопически исследуются для оценки углов смачивания и толщины слоя интерметаллического соединения (IMC) - ключевых показателей долгосрочной надежности.
Электрическое и функциональное тестирование: Полное выполнение ICT и FCT обеспечивает 100% соответствие всем показателям производительности для первых образцов.

Путем тщательной инспекции первого образца (FAI) HILPCB определяет оптимальные параметры пайки (например, температуру предварительного нагрева, продолжительность пайки, тип сопла) и стандартизирует их в SOP, устанавливая надежную базовую линию процесса для последующей сборки печатных плат под ключ.

Окно процесса и параметры (Пример)

Параметр	Типичный диапазон/практика (Пример)	Ключевые моменты
Флюс	Тип без очистки/смываемый водой, контролируемое содержание твердых веществ и объем распыления	Избегать остатков и холодной пайки; обеспечить равномерность распыления
Предварительный нагрев верхней стороны	Прибл. 90-130°C (пример)	Способствовать испарению растворителя и смачиванию, предотвращать конденсацию
Температура паяльной ванны	Прибл. 250-275°C (пример)	Соответствие сплава и подложки, предотвращение перегрева
Время контактной/погружной пайки	Прибл. 1.0-3.0 с (пример)	Баланс между заполнением отверстий и образованием перемычек
Азотная среда	Низкое содержание кислорода (напр., низкое содержание ppm)	Уменьшить окисление, улучшить смачивание, минимизировать шарики припоя
Транспортировка/отслаивание	Контролируемая скорость транспортировки и угол отрыва	Предотвращение сосулек/заусенцев и затенения

Примечание: Вышеуказанные параметры являются общими примерами. Конкретные диапазоны должны быть проверены и закреплены в SOP/MES во время FAI на основе системы сплава (например, SAC305/Sn63Pb37), толщины платы/толщины меди/апертуры, теплоемкости компонентов и характеристик оборудования. См. применимые стандарты и примечания по применению материалов/оборудования (например, IPC J-STD-001, IPC-A-610 и т.д.).

Получить предложение по печатным платам

Конформное покрытие: Синергия между выбором материала и технологическим окном

Промышленные роботы часто работают в суровых условиях, сталкиваясь с такими проблемами, как влага, пыль и химическая коррозия. Поэтому конформное покрытие является необходимой мерой для обеспечения долгосрочной стабильной работы управляющих печатных плат. Обработка остатков флюса после селективной пайки волной напрямую влияет на адгезию и защитные характеристики покрытия. Процесс требует тщательной очистки печатной платы перед нанесением покрытия для удаления всех ионных и неионных загрязнений, которые могут повлиять на адгезию. Выборочное нанесение покрытия также является проблемой, поскольку такие области, как разъемы, обычно должны оставаться открытыми. Мы используем прецизионное автоматизированное оборудование для нанесения покрытия и специальные маскирующие приспособления для обеспечения равномерной толщины покрытия, четких краев и идеального покрытия областей, требующих защиты, избегая при этом загрязнения функциональных интерфейсов. Это особенно важно для высоконадежных гибко-жестких печатных плат, поскольку различные области имеют разные требования к защите.

Очистка и конформное покрытие: Ключевые синергии

Ионное загрязнение: Выполните оценку ROSE/ионного загрязнения (пример) после очистки, чтобы снизить риски остатков
Совместимость материалов: Выберите системы покрытия, совместимые с флюсом, чтобы избежать воздействия пластификаторов/растворителей
Рекомендации по толщине (пример): Акрил 25-75 мкм, силикон 50-150 мкм, с предотвращением наплывов по краям
Маскирование и экспозиция: Маскируйте разъемы/подключаемые/регулируемые области; выборочно покрывайте критические ВЧ/высокоскоростные зоны

УФ-контроль и инспекция: УФ-трассировка и отбор проб толщины, при необходимости с поперечным сечением для подтверждения качества интерфейса

Преимущества сборки HILPCB

Комплексное обслуживание: Предоставляет полное решение под ключ от производства печатных плат до закупки компонентов, пайки SMT, THT, тестирования и нанесения покрытия.
Синергия процессов: Наши инженеры рассматривают пайку, очистку и нанесение покрытия как интегрированный рабочий процесс для обеспечения бесшовных переходов и предотвращения потенциальных рисков качества.
Экспертиза материалов: Рекомендует наиболее подходящие материалы для припоя, флюса и конформного покрытия на основе среды применения вашего продукта, достигая оптимального баланса между стоимостью и производительностью.
Автоматизация и точность: Использует передовое оборудование для селективной пайки волной и автоматического нанесения покрытия для обеспечения стабильности и высокого качества каждой печатной платы.

Последовательность и прослеживаемость: Ценность прослеживаемости/MES в массовом производстве

Для дорогостоящего, высоконадежного оборудования, такого как промышленные роботы, прослеживаемость в производственном процессе имеет решающее значение. При возникновении проблем на производстве должна быть возможность быстро отследить конкретные производственные партии, оборудование, операторов или даже параметры процесса. Именно здесь Traceability/MES (Manufacturing Execution System) доказывает свою ценность.

На производственной линии HILPCB каждой печатной плате присваивается уникальный QR-код. Через систему Traceability/MES мы записываем все ключевые параметры на станции селективной пайки волной: номер партии используемого припоя, температурный профиль во время предварительного нагрева и пайки, скорость движения и траекторию сопла и т.д. Аналогично, данные испытаний ICT/FCT, отчеты о первичной инспекции образца (FAI) и информация о партии материала покрытия - все это связано с этим QR-кодом.

Эта сквозная возможность отслеживания является не только предпосылкой для удовлетворения требований к качеству высококлассных клиентов, но и служит основой данных для нашего постоянного улучшения процессов и анализа качества. Когда данные указывают на колебания выхода конкретной партии, система Traceability/MES помогает нам быстро определить первопричину - будь то проблема с материалом или отклонение параметров оборудования - что позволяет принимать точные корректирующие меры.

Матрица дефектов и инспекции (Общие элементы паяных соединений THT)

Дефект	Возможные Причины	Проверка/Верификация
Недостаточное заполнение отверстия/Холодная пайка	Недостаточный предварительный нагрев, низкая температура сплава, рассеивание тепла от больших медных участков	Визуальный осмотр/поперечное сечение, рентген, проверка соединений ICT/FPT
Перемычки/Заострения/Заусенцы	Чрезмерное время контакта, неправильный угол отрыва, недостаточная зона отвода припоя	Визуальный осмотр, AOI (THT), функциональное тестирование
Шарики припоя/Разбрызгивание	Недостаточное испарение флюса/растворителя, чрезмерное распыление	Визуальный осмотр, чистота (ROSE)

Тестирование и Оценка (Паяные соединения THT, Пример)

Пункт	Типовая цель/Критерий (Пример)	Метод	Описание
Заполнение отверстия	≥ 75% (Типовая цель Класса 3, пример)	Поперечное сечение/Визуальный осмотр/Рентген	Соответствие применимым стандартам (IPC-A-610 и т.д.)
Внешний вид смачивания/Галтель	Непрерывное смачивание, паяный галтель достигает соответствующей высоты на выводах/площадках	Визуальный осмотр/Микроскопия	В сочетании с оценкой толщины IMC (поперечное сечение)
Перемычки/Шипы	Отсутствие перемычек, контролируемые шипы/сосульки	Визуальный контроль/АОИ (THT)	При необходимости отрегулировать угол разделения и время контакта

Таким образом, для успешного решения производственных задач, связанных с печатными платами управления промышленными роботами, крайне важно создать комплексную систему обеспечения качества, основанную на селективной пайке волной, охватывающую весь процесс от проектирования, тестирования, верификации до массового производства. Это требует глубоких знаний процесса, точного оборудования и надежных возможностей управления данными. От ранней стадии анализа DFM/DFT/DFA, через тестирование летающим зондом и проектирование оснастки ICT/FCT, до окончательной поддержки системы прослеживаемости/MES, каждый шаг взаимосвязан, совместно формируя надежное "сердце" систем управления промышленными роботами.