PCB板返修时的两个关键工艺

引言

  对于成功返修SMT起帮助作用的两个最关键工艺,也是两个最容易引起忽视的问题:

再流之前适当预热PCB板;
再流之后迅速冷却焊点。
  由于这两个根本工艺经常为返修技术人员所忽视,事实上,有时返修后比返修之前的状况更糟糕。尽管有些“返修”缺陷有时能被后道工序检验员所发现,但多数情况下总是看不出来,但在以后电路试验中马上会暴露出来。

2.预热——成功返修的前提

  诚然,PCB长时间地在高温(315-426℃)下加工会带来很多潜在的问题。热损坏,如焊盘和引线翘曲,基板脱层,生白斑或起泡,变色。板翘和被烧通常都会引起检验员注意。但是,正是因为不会“烧坏板”并不等于说“板未受损坏”。高温对PCB的“无形”损害甚至比上述所列问题更加严重。几十年来,无数次试验反复证明PCB及其元件能“通过”返工后的检验和试验,其衰减速度比正常PCB板高。这种基板内部翘曲和其电路元件衰减等“隐形”问题来自于不同材料不同的膨胀系数。显然,这些问题不会自我暴露,甚至在开始电路试验时也未被发现,但仍潜伏在PCB组件中。

  尽管“返修”后看上去很好,但就象人们常说的一句话:“手术成功了,可病人不幸死去”。 巨大热应力的产生原因,常温下(21℃)的PCB组件突然接触热源为约370℃的烙铁、去焊工具或热风头进行局部加热时,对电路板及其元器件有约349℃的温差变化, 产生”爆米花”现象。

  “ 爆米花”现象是指存在于一块集成电路或SMD在器件内部的湿气在返修过程中迅速受热, 使湿气膨胀, 出现微型爆裂或破裂的现象。因此,半导体工业和电路板制造业要求生产人员在再流之前, 尽量缩短预热时间, 迅速升到再流温度。事实上PCB组件再流工艺中已经包括再流前的预热阶段。无论PCB装配厂是采用波峰焊,红外汽相或对流再流焊,每种方法一般均要进行预热或保温处理,温度一般在140-160℃。在实施再流焊之前,利用简单的短期预热PCB就能解决返修时的许多问题。这在再流焊工艺中已有数年成功的历史了。因此, PCB组件在再流前进行预热的好处是多方面的。

  由于板的预热会降低再流温度, 所以波峰焊、IR/汽相焊和对流再流焊均可以在大约260℃左右下进行焊接的。

3.预热的好处是多方面的和综合的

  首先,在开始再流之前预热或“保温处理”组件有助于活化焊剂,去除待焊接金属表面的氧化物和表面膜,以及焊剂本身的挥发物。相应地,就在再流之前活化焊剂的这种清洗会增强润湿效果。预热是将整个组件加热到低于焊料的熔点和再流焊的温度。这样可大大地降低对基板及其元器件的热冲击的危险性。否则快速加热将增加组件内温度梯度而产生热冲击。组件内部所产生的大的温度梯度将形成热机械应力,引起这些低热膨胀率的材料脆化,产生破裂和损坏。SMT片式电阻器和电容器特别容易受到热冲击的伤害。

  此外,如果整个组件进行预热,可降低再流温度和缩短再流时间。如果没有预热,唯一办法只能进一步升高再流温度,或延长再流时间,无论哪一个办法都不太合适,应该避免。

4.减少返修使电路板更可靠

  作为焊接温度的一个基准,采用的焊接方式不同, 焊接温度也不一样, 譬如: 多数波峰焊温度约在240-260℃,汽相焊温度约在215℃,再流焊温度约为230℃。正确地讲,返工温度不高于再流焊温度。尽管温度接近,但决不可能达到一样的温度。这是因为:即所有返修过程只需要对一个局部元器件采取加温,而再流需要对整个PCB组件进行加温,无论是波峰焊IR和汽相再流焊均如此。

  同样限制返工中降低再流温度的另一个因素是工业标准的要求,即要返修点周围的元器件所处温度决不能超过170℃。所以,返修中再流温度应与PCB组件本身和要再流的元器件尺寸的大小相适应,由于本质上是PCB板的局部返修,所以返修工艺限制了PCB板的维修温度。局部化返修的加热范围比生产工艺中的温度更高一些,以抵消整个电路板组件的吸热。

  这么说来,仍没有充分理由说明整块板的返修温度不能高于生产工艺中的再流焊温度,从而接近半导体制造厂所推荐的目标温度。

5.返修前或返修中PCB组件预热的三个方法:

  如今,预热PCB组件方法分为三类:烘箱、热板和热风槽。在返修和进行再流焊拆卸元器件之前使用烘箱来预热基板,是行之有效的。而且,预热烘箱在烘烤掉某些集成电路中内部湿气和防止爆米花现象上,采用烘烤是一个有利方法。所谓爆米花现象是指返修的SMD器件在湿度上高于正常器件的湿度在突然受到快速升温时会发生的微崩裂。PCB在预热烘箱中的烘烤时间较长, 一般长达8小时左右。

  预热烘箱的一个缺陷是不同于热板和热风槽,预热时由一个技术员进行预热和兼同时返修是行不通的。而且,对烘箱来讲做到迅速冷却焊点是不可能的。

  热板是预热PCB板最无效的办法。因为要维修的PCB组件不全是单面的, 当今是混合技术的世界,一面全部是平整或平面的PCB组件的确是少见的。PCB在基板两边一般都要安装元器件。这些不平整的表面采用热板预热是不可能的。

  热板的第二个缺陷是一旦实现焊料再流,热板仍会持续对PCB组件释放热量。这是因为,即使拔掉电源之后,热板内仍会有储存的残余热量继续传导给PCB阻碍了焊点的冷却速度。这种阻碍焊点冷却会引起不必要的铅的析出形成铅液池,使焊点强度降低和变差。

  采用热风槽预热的优点是: 热风槽完全不考虑PCB组件的外形(和底部结构),热风能直接迅速地进入PCB组件的所有角落和裂缝中。使整个PCB组件加热均匀, 且缩短了加热时间。

6. PCB组件中焊点的二次冷却

  如前所述,SMT对PCBA(印制板组件)返修的挑战在于返修工艺应该模仿生产的工艺。事实证明: 第一,在再流前预热PCB组件是成功生产PCBA所必需的;第二,再流之后立即迅速冷却组件也是很重要的。而这两个简单工艺一直被人们所忽视。但是,在通孔技术以及敏感元件的微型焊接中,预热和二次冷却更显得重要。
常见的再流设备如链式炉,PCB组件通过再流区后立即进入冷却区。随着PCB组件进入冷却区,为达到快速冷却, 对PCB组件通风是很重要的,一般返修与生产设备本身是结为一体的。

  PCB组件再流之后放慢冷却会使液体焊料中的不需要的富铅液池产生会使焊点强度降低。然而,利用快速冷却能阻止铅的析出,使晶粒结构更紧,焊点更牢固。

  此外,更快地冷却焊点会减少PCB组件在再流时由于意外移动或振动而产生一系列的质量问题。对于生产和返修,减少小型SMD可能存在的错位和墓碑现象是二次冷却PCB组件的另一优点。

7.结束语

  正确预热和再流时的二次冷却PCB组件的好处有很多,需要把这两种简单程序纳入技术人员的返修工作中。事实上,预热PCB时,技术员可以同时做其它准备工作,如在PCB板上涂焊膏和焊剂。

  当然,需要解决新返修的PCB组件工艺问题,因为它还未通过电路试验,这也是一种真正的节约时间。显然,不必将在返修中造成PCB报废而节约了成本,一分预防抵得十二分治疗。

  相应地,可减少因基板脱层,生斑点或气泡,翘曲,褪色和过早硫化而消除过多的废品。正确使用预热和二次冷却是PCB组件两个最简单,且最必要的返修工艺。


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