Giới thiệu
Nhiều bài viết của tôi đã đề cập đến các loại chất trợ hàn cho hàn sóng: những ưu điểm và nhược điểm của chúng. Loạt bài này cũng sẽ tương tự, chỉ khác là sẽ tập trung vào các thiết bị làm nóng trước . Nhưng trước tiên, hãy cùng tìm hiểu sơ lược.
Định nghĩa của việc gia nhiệt trước là phương pháp áp dụng nhiệt cho PCB sau khi lắng đọng chất trợ dung và ngay trước khi hàn. Hàn sóng có thể được thực hiện mà không cần gia nhiệt trước, nhưng tốc độ hàn sẽ chậm. Câu nói lâu đời rằng "thời gian là tiền bạc" nhấn mạnh đến nhu cầu gia nhiệt trước. Trong Sổ tay hàn máy SMT và TH, Woodgate đề cập, "Trong một số công việc thử nghiệm với việc gia nhiệt trước, một bảng mạch đã được hàn ở tốc độ 12 ft. mỗi phút với việc áp dụng gia nhiệt trước thông thường. Nếu không có gia nhiệt trước, nó không thể được hàn nhanh hơn 2,5 ft. mỗi phút." Chỉ vì một mối nối có thể được hình thành mà không cần quá trình này không có nghĩa là nó phải như vậy.
Những lý do đưa ra cho việc làm nóng trước hầu như luôn luôn là:
- Để "kích hoạt" thông lượng bằng cách làm nóng nó
- Để ngăn ngừa các viên bi hàn bằng cách làm khô dung môi trợ dung có thể bắn tung tóe nếu chỉ tiếp xúc với sóng hàn
- Để giảm sốc nhiệt cho PCB từ sóng hàn, do đó giảm cong vênh và các khuyết tật khác liên quan đến nhiệt độ tăng đột ngột
Lý do quan trọng nhất để sử dụng phương pháp gia nhiệt trước là để “làm nóng bảng mạch, linh kiện, đầu nối và các bộ phận khác của mối nối để quá trình gia nhiệt và hàn cuối cùng có thể diễn ra nhanh hơn”. Bằng cách giảm thiểu tiếp xúc với chất hàn nóng chảy, thiệt hại cho các linh kiện cũng có thể được giảm thiểu.
Các loại bộ gia nhiệt sơ bộ
Trong phần trước, tôi đã đề cập rằng việc làm nóng trước là cần thiết để giảm chi phí hàn sóng. Trong nỗ lực giảm chi phí của quy trình hàn sóng, nhiều loại thiết bị làm nóng trước khác nhau đã được phát triển, mỗi loại đều có những ưu điểm và nhược điểm riêng. Các loại thiết bị làm nóng trước được sử dụng phổ biến nhất là:
- Bếp điện hoặc tấm nướng điện
- Điện ống (Cal Rod)
- Không khí nóng
- Đĩa bằng thạch anh
- Thanh thạch anh
- Gốm sứ
- Hồng ngoại
- Bức xạ mặt trời tập trung vào mắt
- *Lưu ý* Chỉ có một người duy nhất có khả năng làm được điều này và điều đó cực kỳ hiếm gặp. Anh ta còn “nhanh hơn cả viên đạn! Mạnh hơn cả đầu máy xe lửa! Có thể nhảy qua những tòa nhà cao chót vót chỉ trong một bước nhảy!” Tất nhiên, tôi đang nói đến Người Thép, Siêu Nhân. Một trong những siêu năng lực của anh ta là tia nhiệt. Đây sẽ là phương pháp lý tưởng để làm nóng trước các tấm ván vì nó chỉ cần sự hiện diện của Người Thép.
Tất cả những vấn đề này sẽ được thảo luận trong những tuần tới (ngoại trừ người Krypton).
Đây là những câu hỏi mà người vận hành cần tự đặt ra khi cố gắng lựa chọn thiết bị gia nhiệt sơ bộ phù hợp cho quy trình của mình:
- Bạn có lo lắng về chi phí điện và hiệu quả sử dụng năng lượng không?
- Bạn có cần làm nóng và làm mát rất nhanh không? Nếu vậy, một khối lượng nhiệt nhỏ sẽ là lựa chọn lý tưởng.
- Nó sẽ được làm sạch như thế nào? Tính năng tự làm sạch có hấp dẫn không?
- Bạn dự định sẽ sử dụng cùng một bộ gia nhiệt này trong bao lâu? Chắc hẳn bạn không muốn công suất nhiệt của nó giảm dần theo thời gian.
Thật không may, một thiết bị làm nóng sơ bộ có thể giải quyết tất cả các vấn đề nêu trên hiện vẫn chưa tồn tại. Tất cả chúng ta đều đang háo hức chờ đợi một thiết bị như vậy được phát minh ra. Hầu hết các thiết bị làm nóng trước được đề cập chỉ có một hoặc hai trong số các tính năng được liệt kê. Trong những tuần tới, tôi sẽ giới thiệu cho các bạn các tính năng của từng thiết bị làm nóng trước này.
Tấm gia nhiệt hoặc tấm ép
Phần trước đã giới thiệu tất cả các loại bộ gia nhiệt sơ bộ khác nhau. Bộ gia nhiệt sơ bộ dạng tấm nóng (Hot Plate hoặc Platen) sẽ là loại đầu tiên mà tôi sẽ đề cập.
Nếu bạn đang tìm kiếm một giải pháp tiết kiệm chi phí để làm nóng trước, thì Bếp điện hoặc Platen là lựa chọn phù hợp nhất. Thiết bị làm nóng sơ bộ này bao gồm một tấm sắt với các dải gia nhiệt được bắt vít ở mặt dưới, được bảo vệ bởi một nắp kim loại. Sơ đồ cấu tạo có thể xem dưới đây.
Các bộ gia nhiệt dạng dải thường được bố trí song song với hướng di chuyển của bảng mạch trên băng tải. Trong trường hợp này, bảng mạch sẽ di chuyển vuông góc với màn hình. Ưu điểm của cách bố trí này là có thể bật hoặc tắt một số bộ gia nhiệt tùy theo chiều rộng và kích thước của bảng mạch đang được hàn. Điều này giúp tiết kiệm điện khi cần thiết và gia nhiệt hiệu quả hơn trong các trường hợp khác. Tấm thép phải đủ dày để đảm bảo nhiệt được phân bố đều. Do đó, mức tiết kiệm điện đạt được, nếu có, cũng chỉ ở mức rất khiêm tốn.
Ưu điểm
- Hầu như tự làm sạch: bất kỳ cặn bám nào cũng sẽ bị đốt cháy và không ảnh hưởng đến khả năng làm nóng
- Không bị ảnh hưởng bởi những thay đổi nhỏ trong môi trường (chẳng hạn như việc mở cửa máy)
- Khối lượng nhiệt cao
- Chi phí thấp
Nhược điểm
- Việc sử dụng năng lượng điện không hiệu quả
- Cần một khoảng thời gian đáng kể để đạt được nhiệt độ ổn định
Loại bộ gia nhiệt sơ bộ này là lựa chọn lý tưởng nếu các thông số hàn không thay đổi nhiều trong quá trình sản xuất. Việc phải chờ các tấm đạt đến trạng thái cân bằng có thể trở thành vấn đề trong quy trình lắp ráp vì khi máy ngừng hoạt động, dây chuyền sẽ bị đình trệ. Một cách để giảm thiểu vấn đề này là điều chỉnh tốc độ băng tải phù hợp với các kích thước bo mạch khác nhau. Tuy nhiên, điều này sẽ dẫn đến tình huống phải cân bằng giữa tốc độ thông lượng và nhiệt độ sấy sơ bộ. Sự cân bằng này sẽ là giải pháp lý tưởng so với việc chờ các bộ sấy sơ bộ thay đổi nhiệt độ, trừ khi các cụm linh kiện được đóng gói chặt chẽ hoặc các kỹ thuật viên lắp ráp đang sử dụng bo mạch nhiều lớp.
Calrod®: Hàn sóng
Phần trước đã đề cập đến những ưu điểm và nhược điểm của việc sử dụng bộ gia nhiệt tấm phẳng hoặc tấm nóng trong quá trình hàn sóng. Có nhiều phương pháp làm nóng trước khác nhau. Phương pháp làm nóng trướcCalrod® có thời gian phản hồi nhanh hơn nhiều so với các phương pháp sử dụng tấm hoặc tấm phẳng. Cấu trúc vật lý của Calrod bao gồm các phần tử hình ống hoạt động ở nhiệt độ gần mức đỏ rực, có nghĩa là các phần tử này có thể phát sáng màu đỏ khi hoạt động trong một số điều kiện nhất định. Đây là công nghệ tương tự được sử dụng trên các bếp điện. Các phần tử này được sử dụng để làm nóng gián tiếp PCB thông qua việc sử dụng một tấm phản xạ thường được đặt trong khung mà các phần tử được bắt vít vào. Sơ đồ các phần tử có thể được xem bên dưới. Những lợi ích của việc sử dụng bộ gia nhiệt Calrod là:
- Chúng rất bền và sẽ không bị gãy khi di chuyển hoặc điều chỉnh thiết bị mà chúng được lắp đặt.
- Chúng có thể sử dụng được trong thời gian dài.
- Chúng nóng lên nhanh chóng và có thể điều chỉnh nhiệt độ mà không cần đến các thiết bị đắt tiền hay phức tạp.
- Chúng được thiết kế để sử dụng trong rất nhiều ứng dụng khác nhau.
Hiệu quả của loại bộ gia nhiệt sơ bộ này phụ thuộc vào mức độ sạch sẽ, có nghĩa là các thanh gia nhiệt và tấm phản xạ cần được giữ sạch để hoạt động đúng cách. Nếu chất hàn nhỏ giọt lên các bộ phận gia nhiệt hoặc tấm phản xạ, chất hàn sẽ bị cháy xém và có thể dẫn đến việc gia nhiệt không đủ, từ đó có thể gây ra kết quả hàn không đạt yêu cầu. Theo Sách hướng dẫn hàn máy SMT và TH của Ralph Woodgate, có một “thực hành phổ biến là lót tấm phản xạ bằng giấy bạc nhôm dùng trong nhà bếp. Khi giấy bạc này bị đổi màu, nó sẽ được thay thế bằng một tấm mới.” Điều này đảm bảo quá trình gia nhiệt đồng đều cho cụm linh kiện. Nếu các thanh gia nhiệt được vận hành ở nhiệt độ đủ cao, chúng có thể tự làm sạch.
Bộ gia nhiệt Calrod có thể hoạt động ở nhiệt độ cao hơn so với tấm gia nhiệt và không cần đoạn gia nhiệt dài để đạt được cùng mức nhiệt độ của bảng mạch. Khi sử dụng các linh kiện SMT, hãy luôn đảm bảo tuân thủ các thông số kỹ thuật và khuyến nghị của nhà sản xuất linh kiện.
Không khí nóng
Có thể hiểu rằng đây rất có thể là hình thức gia nhiệt sơ bộ đầu tiên, được sử dụng để làm khô các chất trợ hàn gốc nhựa thông vốn rất phổ biến trong quá khứ. Không khí nóng giúp loại bỏ các dung môi (chủ yếu là cồn), nhưng lại không làm nóng bảng mạch in (PWB) một cách hiệu quả. Hiệu suất truyền nhiệt giữa không khí và bảng mạch rất thấp khi không được cách ly với môi trường xung quanh, do đó, quá trình gia nhiệt sơ bộ không đạt hiệu quả cao.
Kết quả sẽ khác nếu bạn đặt hệ thống này trong một khoang kín. Năng lượng có thể làm nóng tấm ván. Nếu được triển khai đúng cách, hình thức làm nóng sơ bộ này có thể mang lại hiệu quả làm nóng đồng đều hơn so với hầu hết các hệ thống bức xạ trực tiếp khi sử dụng riêng lẻ. Do đó, việc kết hợp bộ làm nóng sơ bộ bằng không khí nóng với một phương pháp sưởi ấm khác là rất phổ biến.
Tấm thạch anh
Chúng ta tiếp tục thảo luận về các phương pháp hàn nóng chảy.
Như tên gọi, bộ gia nhiệt sơ bộ bằng tấm thạch anh có các tấm thạch anh dày, trong đó các bộ phận gia nhiệt được nhúng vào qua các hốc hoặc khe. Tốc độ gia nhiệt và làm mát rất nhanh so với các bộ gia nhiệt sơ bộ khác – lên đến 93°C mỗi phút. Do các bộ phận này nóng lên rất nhanh, chúng không cần bước làm sạch thứ cấp. Bất kỳ chất hàn nào nhỏ giọt xuống tấm thạch anh sẽ tự cháy hết. Giống như bộ gia nhiệt tấm nóng, các tấm thạch anh có thể được bố trí thành các đoạn song song với băng tải để phù hợp với nhiều kiểu thiết kế bảng mạch khác nhau.
Tốc độ gia nhiệt và làm mát nhanh đòi hỏi một hệ thống điều khiển tinh vi, khiến nó đắt hơn so với các giải pháp thay thế. Lưu ý: nếu tấm này bị bỏ mặc, nó có thể bị quá nhiệt, dẫn đến hư hỏng không thể khắc phục cho bộ gia nhiệt sơ bộ. Tấm thạch anh cũng rất nhạy cảm với các tác động mạnh, chẳng hạn như bảng mạch in (PWB) rơi xuống bề mặt hoặc việc xử lý thiếu cẩn thận. Các cụm linh kiện phức tạp hơn (nhiều lớp, khối lượng nhiệt cao) cần được gia nhiệt đầy đủ, điều này trong các hệ thống khác sẽ đòi hỏi thời gian gia nhiệt sơ bộ rất lâu. Khả năng một hệ thống như vậy được tích hợp vào máy hàn sóng là rất thấp.
Ống thạch anh
Tiếp theo bài viết về bộ gia nhiệt tấm thạch anh dùng trong hàn sóng, phần này sẽ tập trung vào bộ gia nhiệt ống thạch anh, một thiết bị có nguyên lý hoạt động rất tương tự. Như bạn còn nhớ, một trong những ưu điểm của việc sử dụng tấm thạch anh là nó có thời gian phản hồi nhanh nhất; tuy nhiên, ống thạch anh lại có thời gian phản hồicòn nhanh hơn nữa.
Các bộ phận gia nhiệt được đặt bên trong các ống thạch anh cùng với các cặp nhiệt điện. Các ống này có thể khá dễ vỡ và nếu có vật rơi trúng, chúng rất dễ bị nứt hoặc vỡ. Tuy nhiên, một ưu điểm là mỗi ống có thể được bật hoặc tắt riêng lẻ. Điều này rất hữu ích nếu chúng được lắp đặt song song với băng tải vì chúng sẽ cung cấp nhiệt đều đặn bất kể bảng mạch rộng bao nhiêu. Nếu hệ thống băng tải có chiều rộng cố định, các ống này có thể được lắp đặt vuông góc với đường ray và được bật hoặc tắt riêng lẻ để cung cấp lượng nhiệt sơ gia nhiệt cần thiết. Nếu máy hàn sóng của bạn có tùy chọn hệ thống tự động và điều khiển bằng máy tính, hoặc có chiều rộng cố định, thì những bộ sơ gia nhiệt đa năng này chính là lựa chọn phù hợp cho bạn. Thông thường, người ta kết hợp các ống thạch anh với khí nóng bằng cách thổi không khí nóng hoặc không khí xung quanh qua các ống. Đây là một trong những lựa chọn hấp dẫn nhất dành cho các kỹ thuật viên không có không gian dư thừa để đặt bộ gia nhiệt sơ bộ.
Bảng gốm và hồng ngoại kiểu đèn
Các bộ gia nhiệt kiểu đèn có thời gian phản hồi nhanh nhất so với bất kỳ loại bộ gia nhiệt nào đã được đề cập trong các bài viết trước. Dây tóc của đèn thực tế là thành phần tích nhiệt duy nhất; nó hoạt động nhanh đến mức thời gian phản hồi được tính bằng giây thay vì phút, như ở các mẫu khác. Loại bộ gia nhiệt này có thể đạt đến nhiệt độ đỉnh cực cao miễn là được trang bị hệ thống điều khiển tiên tiến. Nếu không có hệ thống điều khiển, điều này có thể gây hư hỏng cho bảng mạch.
Thật không may, những chiếc đèn này có thể khá đắt vì chúng thường được mạ vàng–phản xạ mạ kim loại, có thể cần làm mát bằng nước. Các thiết bị này cũng rất dễ vỡ và cần được giữ sạch sẽ tuyệt đối. Nếu bụi bẩn hoặc chất hàn dính vào đèn, Có nguy cơ cao là chúng sẽ bị trầy xước trong quá trình làm sạch, điều này có thể gây ra hư hỏng vĩnh viễn.
Các bộ gia nhiệt dạng tấm gốm cũng không được sử dụng phổ biến. Tốc độ gia nhiệt và thiết kế của chúng gần như giống hệt với bộ gia nhiệt tấm thạch anh . Thời gian phản hồi rất nhanh vì các bộ phận điện cùng với cặp nhiệt điện được nhúng vào bề mặt tấm. Điều này đảm bảo bề mặt nhẵn mịn và dễ lau chùi. Chúng cũng rất bền và có thể chịu được những hư hỏng có thể xảy ra do ván trượt rơi xuống.
Nhiệt, bước sóng và tia hồng ngoại
Như tôi đã đề cập trong phần trước, mục tiêu của việc làm nóng trước, bất kể phương pháp nào được sử dụng, là nâng nhiệt độ cấu trúc kim loại của mối nối lên mức quy định. Sẽ là lý tưởng nhất nếu tấm laminate và linh kiện vẫn duy trì ở nhiệt độ môi trường; tuy nhiên, điều này đòi hỏi kim loại phải hấp thụ năng lượng nhiệt trong khi vật liệu cách nhiệt phản xạ nó. Thật không may, điều này hiếm khi xảy ra vì hầu hết các mối nối được tạo thành đều là các bề mặt kim loại sáng bóng/phản xạ. Để đảm bảo gia nhiệt đầy đủ, nhiệt được truyền từ thân linh kiện hoặc tấm nền thay vì gia nhiệt trực tiếp lên các kim loại cần nối.
Các bộ gia nhiệt kiểu đèn thường gặp phải tình huống xấu nhất do bức xạ có bước sóng ngắn. Bề mặt thủy tinh epoxy của chúng có thể bị cháy, nhưng không có đủ thời gian để đồng hoặc các kim loại được phủ chất hàn đạt đến cùng mức nhiệt độ đó. Tuy nhiên, việc thiết lập các thông số chính xác có thể khắc phục vấn đề này.
Khi bước sóng tăng lên, lớp nền cách điện và mạch kim loại sẽ có nhiều thời gian hơn để đạt đến nhiệt độ đồng đều, nhưng khả năng tập trung năng lượng và đạt được thời gian phản hồi nhanh sẽ bị mất đi. Khả năng của bất kỳ bề mặt nào trong việc hấp thụ hoặc bức xạ năng lượng ở một bước sóng cụ thể phụ thuộc vào các yếu tố như màu sắc, kết cấu và bản chất của vật liệu. Điểm mấu chốt là không thể đánh giá một vật liệu một cách đầy đủ chỉ dựa trên các tiêu chí trực quan.
Tự động hóa và Điều khiển
Như đã đề cập trước đó, nhiệt độ của bộ gia nhiệt sơ bộ không thể so sánh được với nhiệt độ thực tế của bảng mạch in (PCB). Bằng cách triển khai hệ thống bộ gia nhiệt sơ bộ kép, trong đó có một cảm biến nhiệt hồng ngoại được đặt giữa hai bộ gia nhiệt sơ bộ, bạn có thể đảm bảo quá trình gia nhiệt đồng đều hơn trên toàn bộ cụm linh kiện. Cách thức hoạt động là đặt nhiệt độ của bộ gia nhiệt sơ bộ đầu tiên ở mức khoảng 70% so với nhiệt độ mong muốn. Sau khi bảng mạch đi qua giai đoạn này, nhiệt độ của nó sẽ được đo bằng cảm biến hồng ngoại. Cảm biến này truyền dữ liệu về máy tính, từ đó máy tính sẽ điều chỉnh điểm đặt cho bộ gia nhiệt thứ hai để đảm bảo toàn bộ cụm linh kiện được làm nóng đầy đủ trước khi tiếp xúc với sóng hàn. Sơ đồ nguyên lý có thể xem bên dưới. Hệ thống này giúp loại bỏ sự dao động lớn về nhiệt độ của cụm linh kiện, bao gồm cả sai sót của người vận hành trong quá trình hàn sóng.
Lựa chọn hệ thống sấy sơ bộ tối ưu
Ngoại trừ hệ thống tự động đã đề cập trong bài viết trước của tôi, hiệu suất thực tế của các loại bộ gia nhiệt sơ bộ khác nhau không có nhiều khác biệt. Việc lựa chọn phụ thuộc vào tính tiện lợi và khả năng cung cấp đủ nhiệt để nâng nhiệt độ cụm linh kiện lên mức yêu cầu trong khi vẫn duy trì tốc độ băng tải tối đa. Ngoài ra, đối với các máy có kích thước nhỏ hơn, kích thước hình học là yếu tố hạn chế.
Trong ngành công nghiệp SMT, có nhiều nhà sản xuất linh kiện đặt ra các giới hạn về tốc độ làm nóng sơ bộ. Khi kiểm tra hiệu suất của bộ làm nóng sơ bộ, hãy chạy thử các cụm linh kiện có khối lượng nhiệt lớn nhất, các linh kiện nặng nhất, bộ tản nhiệt và các lớp nối đất hoặc lớp điện áp để xem liệu chúng có thể đạt được nhiệt độ mong muốn hay không. Ngoài ra, bạn nên cân nhắc xem liệu nhiệt độ có cần được điều chỉnh thường xuyên trong suốt một ngày làm việc hay không. Một bộ gia nhiệt có thời gian phản hồi nhanh hơn sẽ là lựa chọn lý tưởng hơn nếu bạn cần tăng năng suất và hiệu quả. Ngược lại, bạn có thể muốn chọn bộ gia nhiệt đơn giản nhất có thể hoàn thành công việc với mức độ vệ sinh và bảo trì tối thiểu. Hãy nhớ rằng việc giảm công suất là không thể tránh khỏi khi bộ gia nhiệt già đi hoặc khi nguồn điện cung cấp giảm.
