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SMT贴片返修技术
SMT贴片返修技术
一、返修的基本方法
1.返修的基本概念
表面组装自动化和组装制造工艺一直在为满足高的一次组装通过率要求而努力,但是100%的成品率仍然是一个可望而不可及的目标,不管工艺有多完美,总是存在着一些组装制造中无法控制的因素而产生出不良品。PCB组装中必须对废品率有一定的估计,且可以用返修来弥补产品组装过程中产生的一些问题。
SMA的返修,通常是为了去除失去功能、损坏引线或排列错误的元器件,重新更换新的元器件。或者说就是使不合格的电路组件恢复成与特定要求相一致的合格的电路组件。返修和修理是两个不同的概念,修理是使损坏的电路组件在一定程度上恢复它的电气机械性能,而不一定与特定要求相一致。
为了完成返修,必须采用安全而有效的方法和合适的工具。所谓安全是指不会损坏返修部分的器件和相邻的器件,也指对操作人员不会有伤害。所以在返修操作之前必须对操作人员进行技术和安全方面的培训。习惯上返修被看作是操作者掌握的手工工艺,实际上,高度熟练的维修人员也必须借助返修工具才可以使修复的SMA产品完全令人满意。然而为了满足电子设备更小、更轻和更便宜的要求,电子产品越来越多地采用精密组装微型元器件,如倒装芯片、CSPBGA等。新型封装器件对装配工艺提出了更高的要求,对返修工艺的要求也在提高,此时手工返修已无法满足这种新要求。因此,更加应注意采用正确的返修技术、方法和返修工具。
2.返修基本过程
(1)取下元器件。成功的返修首先是将故障位置上的元器件取走。将焊点加热至熔点,然后小心地将元器件从板上拿下。加热控制是返修的一个关键因素,焊料必须完全熔化,以免在取走元器件时损伤焊盘。与此同时,还要防止PCB加热过度而造成PCB扭曲。
(2)线路板和元器件加热。先进的返修系统采用计算机控制加热过程,使之与焊膏制造厂商给出的规格参数尽量接近,并且应采用顶部和底部组合加热方式(女日图8-42所示)。底部加热用以升高PCB的温度,而顶部加热则用来加热元器件,元器件加热时有部分热量会从返修位置传导流走。而底部加热则可以补偿这部分热量而减少元器件在上部所需的总热量,另外,使用大面积底部加热器可以消除因局部加热过度而引起的PCB扭曲。
(3)加热曲线。加热曲线应精心设置,先预热,然后使焊点回焊。好的加热曲线能提供足够但不过量的预热时间,以激活助焊剂,时间太短或温度太低则不能做到这一点。正确的再流焊温度和高于此温度的停留时间非常重要,温度太低或时间太短会造成浸润不够或焊点开路。温度太高或时间太长会产生短路或形成金属互化物。设计最佳加热曲线最常用的方法是将一根热电偶放在返修位置焊点处,先推测设定一个最佳温度值、温升率和加热时间,然后开始试验,并把测得的数据记录下来,将结果与所希望的曲线相比较,根据比较情况进行调整。这种试验和调整过程可以重复多次,直至获得理想的效果。
(4)取元器件。一旦加热曲线设定好,就可准备取走元器件,返修系统应保证这部分工艺尽可能简单并具有重复性。加热喷嘴对准好元器件以后即可进行加热,一般先从底部开始,然后将喷嘴和元器件吸管分别降到PCB和元器件上方,开始顶部加热。加热结束时许多返修工具的元器件吸管中会产生真空,吸管升起将元器件从板上提起。在焊料完全熔化以前吸起元器件会损伤板上的焊盘,"零作用力吸起"技术能保证在焊料液化前不会取走元器件。
(5)预处理。在将新元器件换到返修位置前,该位置需要先做预处理。预处理包括两个步骤:除去残留的焊料和添加助焊剂或焊膏。
①除去焊料。除去残留焊料可用手工或自动方法,手工方式的工具包括烙铁和铜吸锡线,不过手工工具用起来很困难,对于小尺寸CSP和倒装芯片焊盘还很容易受到损伤。
自动化焊料去除工具可以非常安全地用于高精度板的处理(图8-43),有些清除器是自动化非接触系统,使用热气使残留焊料液化,再用真空将熔化的焊料吸入一个可更换过滤器中。清除系统的自动工作台一排一排依次扫过线路板,将所有焊盘阵列中的残留焊料除掉。对PCB和清除器加热要进行控制,提供均匀的处理过程以避免PCB过热。
②助焊剂、焊膏。在大批量生产中,一般用元器件浸一下助焊剂,而在返修工艺中则是用刷子将助焊剂直接刷在PCB上。 CSP和倒装芯片的返修很少使用焊膏,只要稍稍使用一些助焊剂就足够了。BGA返修场合,焊膏涂敷的方法可采用模板或可编程分配器。许多BGA返修系统都提供一个小型模板装置来涂敷焊膏,该方法可用多种对准技术,包括元件对准光学系统。
在PCB上使用模板是非常困难的,并且不太可靠。为了在相邻的元器件中间放人模板,模板尽寸必须很小,除了用于涂敷焊膏的小孔就几乎没有空间了,由于空间小,因此很难涂敷焊膏并取得均匀的效果。设备制造商们建议多对焊盘进行检查,并根据需要重复这一过程。有一种工艺可以替代模板涂敷焊膏,即用元器件印刷台直接将焊膏涂在元器件上,这样不会受到旁边相邻元器件的影响,该装置还可在涂敷焊膏后用作元器件容器,在标准工序中自动拾取元器件。焊膏也可以直接点到每个焊盘上,方法是使用PCB高度自动检测技术和一个旋转焊膏挤压泵,精确地提供完全一致的悍膏点。
(6)元器件更换。取走元器件并对PCB进行预处理后,就可以将新的元器件装到PCB上去了。制定的加热曲线应仔细考虑以避免PCB扭曲并获得理想再流焊效果,利用自动温度曲线制定软件进行温度设置可作为一种首选的技术。
(7)元器件对位。新元器件和PCB必须正确对准,对于小尺寸焊盘和细间距CSP及倒装芯片器件而言,返修系统的放置能力必须要能满足很高的要求。放置能力由两个因素决定:精度(偏差)和准确度(重复性)。一个系统可能重复性很好,但精度不够,只有充分理解这两个因素才能了解系统的工作原理。重复性是指在同一位置放置元件的一致性,然而一致性很好不一定表示放在所需的位置上;偏差是放置位置测得的平均偏移值,一个高精度的系统只有很小或者根本没有放置偏差,但这并不意味放置的重复性很好。返修系统必须同时具有很好的重复性和很高的精度,以将器件放置到正确的位置。对放置性能进行试验时必须重视实际的返修过程,包括从元器件容器或托盘中拾取元器件、对准以及放置元器件。
(8)元器件放置。返修工艺选定后,PCB放在工作台上,元器件放在容器中,然后用PCB定位以使焊盘对准元器件上的引脚或焊球。定位完成后元器件自动放到PCB上,放置力反馈和可编程力量控制技术可以确保正确放置,不会对精密元器件造成损伤。
(9)其它工艺注意事项。小质量元器件在对流加热过程中可能会被吹动而不能对准,一些返修系统用吸管将元器件按在位置上防止它移动,这种方法在定位元器件时需要有一定的热膨胀余量。元器件对准时不能存在表面张力,该方法很容易把BGA类元器件放得太靠近PCB(短路)或者太离开(开路)。防止元器件在再流焊时移动的一个好方法是减小对流加热的气流量,一些返修系统可以编程设置流量,按工艺流程要求降低气流量。最后喷嘴自动降低开始进行加热。自动加热曲线保证了最佳加热工艺,系统放置性能则确保元件对位准确。放置能力和自动化工艺结合在一起可以提供一个完整且一致性好的返修工艺。
二、 返修加热方法及返修工具
可以用3种方法对PCB加热,即热传导加热、热空气对流加热和辐射加热。传导加热时热源与PCB相接触,这对背面有元器件的PCB不适用;辐射法使用红外(IR)能,比较实用,但由于PCB上各种材料和元器件对红外线吸收不均匀,故而也影响质量;对流加热被证明是返修和装配中最有效和最实用的技术。
1.热空气对流加热返修
热空气对流加热方法是将热空气施加到SMA上要返修的器件引线焊缝处,使焊料熔化。常用两种类型的对流加热返修工具:手持便携式和固定组件式。
(1)手持便携式热空气返修工具。手持便携式热空气返修工具重量轻,使用方便。采用这种返修工具时,要为不同类型的SMD设计特殊的热空气喷嘴。操作时要精确地控制加热的空气流,使之喷流到与被返修的器件引脚相对应焊盘的位置上,而又不会使相邻器件焊缝上的焊料熔化。焊缝上的焊料熔化后,即刻用银子夹取器件或用热空气工具将器件引脚推离焊盘,完成拆焊操作。更换新器件可用镀子进行取放操作,用普通烙铁进行焊接操作或用手持式热空气返修工具进行再流焊接操作。
(2)固定组件式热空气返修系统。固定组件热空气返修系统有通用型和专用型(如图8-44和图8-45所示),通用型用于常规元器件的返修,专业型用于BGA类焊点不可见元器件的返修。通用型工作原理与手持式热空气返修工具相同,对应于不同的SMD有不同的特殊的热空气喷嘴。但是,它能半自动地用热空气喷嘴加热器件引脚,焊料熔化后能用安装在喷嘴中央并与喷嘴同轴的真空吸嘴拾取拆下的器件。这种固定式返修工具有不同的结构形式,一种结构形式是在PCB下面设置一个用于预热SMA的热空气喷嘴,以减少SMA所受的热冲击,避免返修引起的SMA故障。这种结构使要返修的组件放在两个固定的热空气喷嘴之间。还有一种结构形式是通用喷嘴固定组件式热空气返修工具。它的喷嘴可根据拆焊的元器件类型进行调整。另外,这种喷嘴设置了两种空气通孔,内侧是热空气通孔,外侧是冷空气通孔(小孔),这种喷嘴结构可有效地防止邻近器件引脚焊接部位受热。
2.传导加热返修
传导加热返修工具也可以分为手持式和固定组件式两种类型。这种返修工具与热棒再流焊接工具完全相同。但它用的热靴制造精度和拆焊操作要求都很严格,因为拆焊时要求热靴端能与器件的所有引脚焊接部位均匀地同时接触,还要防止和相邻器件引线接触,所以返修操作必须十分小心。
8.5.3 装有BGA器件的SMA返修工艺
BGA器件具有高的I/0数量、易于SMA产品的小型化等优点,应用越来越广泛。但由于其焊点阵列面在器件下面不可见,返修操作比较困难,必须借助专用返修设备和返修工具进行。
装有塑料球形栅格阵列(PBGA)器件的SMA返修工艺包含BGA拆除、重新补加焊料球、再焊接几个主要内容。
1.BGA器件拆除
将BGA器件从SMA上拆除可采用专用夹具嵌抱器件后加热至共晶合金焊料熔化时取下BGA器件,也可采用喷嘴式热风通用返修工具进行加热。采用专用夹具加热的特点是对器件整体的加热温度均匀,操作时间短,易于控制,不易损坏器件。采用喷嘴式热风加热时,易形成BGA器件局部受热温度过高现象,操作较难,容易损坏器件。为使BGA器件整体均匀受热,加热过程中应控制热风喷嘴在BGA器件上有规律移动或旋转。
BGA器件从SMA上拆除后,有部分焊料或焊料球将保留在PCB上,部分被BGA器件携带。若是PBGA器件,还会拉成丝状。为此,必须对它们进行清理和焊料球修复或补加。
2.焊料球修复
BGA器件的焊料球修复一般可采用3种方法。一种是预成形法,该方法将已备焊料球嵌入水溶基焊剂中,将BGA面向下通过再流焊接实现,修复成本较高。另一种方法是模仿原始制造技术,即在BT(bimahimide triazine)玻璃基板上印刷焊膏及将焊料球自动填加到面向下的BGA上的厚模板中,修复成本比预成形法低。但当焊料球过多时,应拆除模板进行再流焊接。第三种方法是焊膏印刷法,成本较低,它使用专用模板在BGA器件上印刷焊膏,用温控热风加热再流,再流过程中模板保留在器件上,能保证焊料球可靠
定位,再流焊后再取下模板。模板一般采用冷轧不锈钢板制成,可重复使用。
3.返修焊接
返修焊接前对PCB焊盘进行清理,重新印刷焊膏,贴上BGA器件后进行再流焊接。
装有陶瓷球形栅格阵列(CBGA)器件的SMA返修比装PBGA器件的SlMA返修简单,由于CBGA器件的焊料球是非拥塌高温焊料球,拆卸后可重复利用,但其前提是不损坏。为此,CBGA器件在拆除和清理加热过程中要特别注意温度桂制,不能形成高温再流。
器件加热(或称顶部加热)一般采用对流热气喷嘴(图8-46所示),仔细控制顶部加热使器件均匀受热是极为重要的,特别是对小质量器件尤为关键。还有很重要的一点是要避免返修工位附近的元器件再次回焊,吸嘴喷出的热气流必须与这些元器件隔离,可以在返修工位周围的元器件上放一层薄的遮板或者掩膜。掩膜技术相当有效,不过比较麻烦费时。
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