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SMT再流焊成功返修的關(guān)鍵工藝
發(fā)布時(shí)間:2018-04-11 11:40:08
再流之前適當預熱PCB板;再流之后迅速冷卻焊點(diǎn)。對于成功返修SMT起幫助作用的兩個(gè)最關(guān)鍵工藝,也是兩個(gè)最容易引起忽視的問(wèn)題:

由于這兩個(gè)根本工藝經(jīng)常為返修技術(shù)人員所忽視,事實(shí)上,有時(shí)返修后比返修之前的狀況更糟糕。盡管有些“返修”缺陷有時(shí)能被后道工序檢驗員所發(fā)現,但多數情況下總是看不出來(lái),但在以后電路試驗中馬上會(huì )暴露出來(lái)。

預熱——成功返修的前提

誠然,PCB長(cháng)時(shí)間地在高溫(315-426℃)下加工會(huì )帶來(lái)很多潛在的問(wèn)題。熱損壞,如焊盤(pán)和引線(xiàn)翹曲,基板脫層,生白斑或起泡,變色。板翹和被燒通常都會(huì )引起檢驗員注意。但是,正是因為不會(huì )“燒壞板”并不等于說(shuō)“板未受損壞”。高溫對PCB的“無(wú)形”損害甚至比上述所列問(wèn)題更加嚴重。幾十年來(lái),無(wú)數次試驗反復證明PCB及其元件能“通過(guò)”返工后的檢驗和試驗,其衰減速度比正常PCB板高。這種基板內部翹曲和其電路元件衰減等“隱形”問(wèn)題來(lái)自于不同材料不同的膨脹系數。顯然,這些問(wèn)題不會(huì )自我暴露,甚至在開(kāi)始電路試驗時(shí)也未被發(fā)現,但仍潛伏在PCB組件中。

盡管“返修”后看上去很好,但就象人們常說(shuō)的一句話(huà):“手術(shù)成功了,可病人不幸死去”。

巨大熱應力的產(chǎn)生原因,常溫下(21℃)的PCB組件突然接觸熱源為約370℃的烙鐵、去焊工具或熱風(fēng)頭進(jìn)行局部加熱時(shí),對電路板及其元器件有約349℃的溫差變化,

產(chǎn)生”爆米花”現象。

“爆米花”現象是指存在于一塊集成電路或SMD在器件內部的濕氣在返修過(guò)程中迅速受熱, 使濕氣膨脹,

出現微型爆裂或破裂的現象。因此,半導體工業(yè)和電路板制造業(yè)要求生產(chǎn)人員在再流之前, 盡量縮短預熱時(shí)間,

迅速升到再流溫度。事實(shí)上PCB組件再流工藝中已經(jīng)包括再流前的預熱階段。無(wú)論PCB裝配廠(chǎng)是采用波峰焊,紅外汽相或對流再流焊,每種方法一般均要進(jìn)行預熱或保溫處理,溫度一般在140-160℃。在實(shí)施再流焊之前,利用簡(jiǎn)單的短期預熱PCB就能解決返修時(shí)的許多問(wèn)題。這在再流焊工藝中已有數年成功的歷史了。因此,

PCB組件在再流前進(jìn)行預熱的好處是多方面的。

由于板的預熱會(huì )降低再流溫度, 所以波峰焊、IR/汽相焊和對流再流焊均可以在大約260℃左右下進(jìn)行焊接的。

預熱的好處是多方面的和綜合的

首先,在開(kāi)始再流之前預熱或“保溫處理”組件有助于活化焊劑,去除待焊接金屬表面的氧化物和表面膜,以及焊劑本身的揮發(fā)物。相應地,就在再流之前活化焊劑的這種清洗會(huì )增強潤濕效果。預熱是將整個(gè)組件加熱到低于焊料的熔點(diǎn)和再流焊的溫度。這樣可大大地降低對基板及其元器件的熱沖擊的危險性。否則快速加熱將增加組件內溫度梯度而產(chǎn)生熱沖擊。組件內部所產(chǎn)生的大的溫度梯度將形成熱機械應力,引起這些低熱膨脹率的材料脆化,產(chǎn)生破裂和損壞。SMT片式電阻器和電容器特別容易受到熱沖擊的傷害。

此外,如果整個(gè)組件進(jìn)行預熱,可降低再流溫度和縮短再流時(shí)間。如果沒(méi)有預熱,唯一辦法只能進(jìn)一步升高再流溫度,或延長(cháng)再流時(shí)間,無(wú)論哪一個(gè)辦法都不太合適,應該避免。

減少返修使電路板更可靠

作為焊接溫度的一個(gè)基準,采用的焊接方式不同, 焊接溫度也不一樣, 譬如:

多數波峰焊溫度約在240-260℃,汽相焊溫度約在215℃,再流焊溫度約為230℃。正確地講,返工溫度不高于再流焊溫度。盡管溫度接近,但決不可能達到一樣的溫度。這是因為:即所有返修過(guò)程只需要對一個(gè)局部元器件采取加溫,而再流需要對整個(gè)PCB組件進(jìn)行加溫,無(wú)論是波峰焊IR和汽相再流焊均如此。

同樣限制返工中降低再流溫度的另一個(gè)因素是工業(yè)標準的要求,即要返修點(diǎn)周?chē)脑骷帨囟葲Q不能超過(guò)170℃。所以,返修中再流溫度應與PCB組件本身和要再流的元器件尺寸的大小相適應,由于本質(zhì)上是PCB板的局部返修,所以返修工藝限制了PCB板的維修溫度。局部化返修的加熱范圍比生產(chǎn)工藝中的溫度更高一些,以抵消整個(gè)電路板組件的吸熱。

這么說(shuō)來(lái),仍沒(méi)有充分理由說(shuō)明整塊板的返修溫度不能高于生產(chǎn)工藝中的再流焊溫度,從而接近半導體制造廠(chǎng)所推薦的目標溫度。

返修前或返修中PCB組件預熱的三個(gè)方法:

如今,預熱PCB組件方法分為三類(lèi):烘箱、熱板和熱風(fēng)槽。在返修和進(jìn)行再流焊拆卸元器件之前使用烘箱來(lái)預熱基板,是行之有效的。而且,預熱烘箱在烘烤掉某些集成電路中內部濕氣和防止爆米花現象上,采用烘烤是一個(gè)有利方法。所謂爆米花現象是指返修的SMD器件在濕度上高于正常器件的濕度在突然受到快速升溫時(shí)會(huì )發(fā)生的微崩裂。PCB在預熱烘箱中的烘烤時(shí)間較長(cháng),

一般長(cháng)達8小時(shí)左右。

預熱烘箱的一個(gè)缺陷是不同于熱板和熱風(fēng)槽,預熱時(shí)由一個(gè)技術(shù)員進(jìn)行預熱和兼同時(shí)返修是行不通的。而且,對烘箱來(lái)講做到迅速冷卻焊點(diǎn)是不可能的。

熱板是預熱PCB板最無(wú)效的辦法。因為要維修的PCB組件不全是單面的,

當今是混合技術(shù)的世界,一面全部是平整或平面的PCB組件的確是少見(jiàn)的。PCB在基板兩邊一般都要安裝元器件。這些不平整的表面采用熱板預熱是不可能的。

熱板的第二個(gè)缺陷是一旦實(shí)現焊料再流,熱板仍會(huì )持續對PCB組件釋放熱量。這是因為,即使拔掉電源之后,熱板內仍會(huì )有儲存的殘余熱量繼續傳導給PCB阻礙了焊點(diǎn)的冷卻速度。這種阻礙焊點(diǎn)冷卻會(huì )引起不必要的鉛的析出形成鉛液池,使焊點(diǎn)強度降低和變差。

采用熱風(fēng)槽預熱的優(yōu)點(diǎn)是: 熱風(fēng)槽完全不考慮PCB組件的外形(和底部結構),熱風(fēng)能直接迅速地進(jìn)入PCB組件的所有角落和裂縫中。使整個(gè)PCB組件加熱均勻,

且縮短了加熱時(shí)間。

PCB組件中焊點(diǎn)的二次冷卻

如前所述,SMT對PCBA(印制板組件)返修的挑戰在于返修工藝應該模仿生產(chǎn)的工藝。事實(shí)證明:

第一,在再流前預熱PCB組件是成功生產(chǎn)PCBA所必需的;第二,再流之后立即迅速冷卻組件也是很重要的。而這兩個(gè)簡(jiǎn)單工藝一直被人們所忽視。但是,在通孔技術(shù)以及敏感元件的微型焊接中,預熱和二次冷卻更顯得重要。

常見(jiàn)的再流設備如鏈式爐,PCB組件通過(guò)再流區后立即進(jìn)入冷卻區。隨著(zhù)PCB組件進(jìn)入冷卻區,為達到快速冷卻,

對PCB組件通風(fēng)是很重要的,一般返修與生產(chǎn)設備本身是結為一體的。

PCB組件再流之后放慢冷卻會(huì )使液體焊料中的不需要的富鉛液池產(chǎn)生會(huì )使焊點(diǎn)強度降低。然而,利用快速冷卻能阻止鉛的析出,使晶粒結構更緊,焊點(diǎn)更牢固。

此外,更快地冷卻焊點(diǎn)會(huì )減少PCB組件在再流時(shí)由于意外移動(dòng)或振動(dòng)而產(chǎn)生一系列的質(zhì)量問(wèn)題。對于生產(chǎn)和返修,減少小型SMD可能存在的錯位和墓碑現象是二次冷卻PCB組件的另一優(yōu)點(diǎn)。

總結

正確預熱和再流時(shí)的二次冷卻PCB組件的好處有很多,需要把這兩種簡(jiǎn)單程序納入技術(shù)人員的返修工作中。事實(shí)上,預熱PCB時(shí),技術(shù)員可以同時(shí)做其它準備工作,如在PCB板上涂焊膏和焊劑。

當然,需要解決新返修的PCB組件工藝問(wèn)題,因為它還未通過(guò)電路試驗,這也是一種真正的節約時(shí)間。顯然,不必將在返修中造成PCB報廢而節約了成本,一分預防抵得十二分治療。

相應地,可減少因基板脫層,生斑點(diǎn)或氣泡,翹曲,褪色和過(guò)早硫化而消除過(guò)多的廢品。正確使用預熱和二次冷卻是PCB組件兩個(gè)最簡(jiǎn)單,且最必要的返修工藝。

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