מאמר: טכנולוגית ריוורק היברידית

טכנולוגית Rework היברידית: סלחנית גם לרכיבי BGA רגישים

 

חברת ERSA מגרמניה הכריזה על מערכת Mini Rework היברידית, HR100, המבוססת על שילוב של טכנולוגיות חימום באמצעות אוויר חם וקרינה אינפרא-אדומה. מטרתה: לספק פתרון שולחני למערכות  Reworkנטולות עופרת ועתירות ברכיבים רגישים, המגשר על הפער בין מערכות ידניות למכונות גדולות.
 
Mark Cannon & Jörg Nolte, ERSA
 

מערכת ה- Rework ההיברידית HR100 של חברת ERSA מגרמניה, שהושקה במסגרת תערוכת פרודוקטרוניקה 2007, פותחה במטרה להיענות לאתגרים החדשים של ההרכבה האלקטרונית ומבוססת על שילוב מהפכני של טכנולוגיות שונות.

עידן העופרת

בזמן שסגסוגות בדיל ועופרת שלטו בתחום ההלחמה ורכיבי SMD נחשבו לרכיבים המתקדמים ביותר, העמידה בדרישות מערכת התיקון ו-Rework היתה פשוטה יחסית. גם מוצרי "מגע" כגון מלחמים ופינצטות פירוק, גם מוצרים ללא מגע כגון אקדחי אויר חם, היו אלטרנטיבה אפשרית למערכת Rework שולחנית. דרישות בקרת התהליך ממערכות אלו לא היתה גבוהה במיוחד כי תהליכי ההלחמה והרכיבים עצמם היו ברוב המקרים סלחניים.

הכניסה לשוק של רכיבי BGA שינתה את חוקי המשחק בתהליכי Rework, משום שטכנולוגית "ללא מגע" היא האופציה היחידה להחלפתם. בשנת 1997 השיקה חברת ERSA טכנולוגיה חדשה לחלוטין לתהליכי Rework עבור רכיבי BGA, המבוססת על מערכות אינפרא אדום באורכי-גל בינוניים (Medium wavelength IR).
 
המערכות המסורתיות המבוססות על זרימת אויר עובדות בטכנולוגיה של זרימת חום (Heat convection) באמצעות דחיסה של האויר החם דרך נחיר (Nozzle) ומעניקות מחזורים מהירים יחסית. לעומתה, טכנולוגיית אינפרא-אדום איטית יותר, אולם מבטיחה חימום אחיד ומבוקר על פני הרכיב.
 

אתגר נטול עופרת

כיום, הדרישות הגוברות מתעשיית ההרכבות האלקטרוניות מתייחסות גם לסגסוגות ולא רק לרכיבים. הכנסת מאפייני ההלחמה לסגסוגות נטולות עופרת הינה אבן דרך גם לדרישות מציוד ההרכבות וגם מהציוד המשמש לתיקונים. מערכות ה- Rework ניצבות כיום בפני אתגרים חדשים בהם:

 

  • הרכבה ופירוק יעילים של הרכיבים ללא גרימת נזק (לפי דרישת IPC קצב עלית הטמפרטורה המקסימלי המותר הוא 4°C בשניה)
  • הבאת אנרגית החום במיקוד מקסימלי אל הרכיב המיועד ללא השפעות מזיקות על רכיבים שכנים או למצע.
  • יצירת תהליך יציב, הדיר ובר תיעוד
  • הפעלה פשוטה אך מודולרית המאפשרת עבודה נוחה למפעיל פשוט, עם אופציות מתקדמות למפעיל מתוחכם

סגסוגות נטולות עופרת מציבות אתגרים קשים בפני מערכות Rework מודרניות מכיוון שהן דורשות תהליך הדוק יותר ושימוש בטמפרטורות גבוהות יותר. השילוב של עוצמת חימום גבוהה עם בקרת טמפרטורה הדוקה עקב שימוש ברכיבים רגישים לטמפרטורות, מחייב איזון עדין מאד בין שתי דרישות מנוגדות.

 כאשר משתמשים במכשיר ידני המבוסס על אויר חם יש להתמודד עם בעיה תמידית של אחידות, חימום יתר, והעפת רכיבים קטנים וקרובים לרכיב המחומם. מנגד, חברות גדולות רבות אוסרות את השימוש בכלי מגע כגון מלחמים או פינצטות לפירוק הלחמות, עקב חשש מהלם תרמי שעשוי להיגרם לרכיבים קרמיים זעירים. כיצד אם כן, צריכה להיראות עמדה לתיקון רכיבי 0402 או 0201 ?

מערכת Rework שולחנית

ניתן לחלק את הדרישות הטכניות ממערכת Rework שולחנית לשלושה מרכיבים עיקריים: "מחויב המציאות", "מאוד יעיל ורצוי", "נחמד, אך לא הכרחי". הדרישות "מחויבות המציאות" כוללות תהליך Rework מהיר, עלות מערכת נמוכה, מידות קטנות, יכולת לבצע תיקונים בתחומי המערכת, גמישות ובטיחות בתהליך. הדרישות ל"מאוד יעיל" כוללות יציבות של התהליך, הדירות, תפעול פשוט והדרכה פשוטה למפעיל. הדרישות בקטגורית "נחמד אך לא הכרחי" כוללות תמיכת תכנה, שימוש בפרופיל טמפרטורה, תיעוד ויכולת מעקב.

חברת ERSA מייצרת גם מערכות Rework (המבוססות על הקרנת אנרגיה באמצעות אינפרא-אדום) וגם מערכות Reflow איכותיות. החברה נחשבת גם כאחת מהמובילות בתחום מוצרי ההלחמה הידנית, מעמד עליו היא שומרת מאז חשפה את פטנט המלחם הידני הראשון בשנת 1921.
 

פתרון היברידי: ליהנות מכל העולמות

לכל אחת משתי הטכנולוגיות, אויר חם ואינפרא אדום, יש יתרונות וחסרונות. אויר חם מאפשר להגיע לקצב עלית טמפרטורה של עד  10°C לשניה ואף יותר. הדבר מאפשר, למשל, לפרק רכיב מקולקל באם אין לרכיב שכנים קטנים ורגישים לחום העלולים להיפגע או לעוף. לעומת זאת, ברכיבים ברי שימוש מחדש, קצב חימום כזה אינו מותר. מערכות האינפרא אדום של ERSA מאפשרות קצב חימום מקסימלי של עד 2°C לשניה (איור 1). שיטה זו אמנם בטוחה, אבל עשויה להיחשב איטית ביישומים מסוימים. שילוב של שתי השיטות – אויר חם וקרינת אינפרא אדום – מציע אלטרנטיבה מושלמת לתהליך ה- Rework.

לחברת ERSA ניסיון רב בשתי הטכנולוגיות: הזרמת חום על ידי אויר חם במכונות Reflow גדולות והקרנת אנרגיית אינפרא אדום במערכות ה- Rework. החברה שילבה את שתי הטכנולוגיות למערכת Rework היברידית המוגנת בפטנט: מערכת HR 100 משלבת טכנולוגיות של IR והזרמת חום בהתקן ידני להלחמת ופירוק רכיבי SMD צפופים (איור 2).
 
העברת אנרגיה שמקורה בקרינת IR מתבצעת על ידי שילוב של מידה מדויקת של זרימת אויר. המערכת יכולה לחמם רכיבים החל מ- 0201 עד לרכיבי SMD בגודל של 20X20 מ"מ ואפילו רכיבים גדולים יותר. שלושה מתאמים היברידיים הניתנים להחלפה (מגיעים כסטנדרד) מרכזים אנרגית חימום של עד 200W מגופי החימום ההיברידיים בצורה ממוקדת בשעה שרכיבים שכנים נשארים מוגנים מחימום-יתר ומהעפה .
 
קרינת חום אחידה באורכי גל אינפרא אדום בינוני (Medium Wavelength IR), המלווה בזרם עדין אבל מרוכז של אוויר חם, מעניקה תערובת ייחודית לצורך תהליך Rework יעיל במשטחים הקטנים של רכיבים מודרניים כמו CSP, QFN, או MLF.
 
מרכיב הזרמת החום (Heat Convection)  מוקטן כדי למנוע חימום יתר והזזת רכיבים שכנים. בהשוואה למערכות האינפרא-אדום הגדולות יותר של ERSA , גודל שטח הפנים של הקרינה הוא די קטן. הודות למרחק העבודה המוקטן מהרכיב והחלק של הזרמת החום, יעילות העברת החום ההיברידית שוות ערך ואפילו טובה יותר ממערכות אינפרא-אדום אוטומטיות למחצה (תמונה 3). המערכת החדשה מספקת Rework, הפועל בקצב עלית הטמפרטורה המומלץ על ידי IPC (עד 4°C בשניה) ללא סיכון של הזזת או העפת רכיבים שכנים וקרובים.
 

 

המאמר המלא עומד לרשותך בקובץ PDF  (בראש דף זה). בכל שאלה, ניתן לפנות אלינו באמצעות "צור קשר"