PCB板返修时的两个关键工艺

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 -426C )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(2FC)的PCB组件突然接触热源为约370弋的烙铁、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349C 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弋。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弋左右下进行焊接的。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弋，汽相焊温度约 在215C,再流焊温度约为230C。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170C。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组件的夕卜 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。6PCB 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 冷啊却更显得重要。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夕卜 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。