PCB板返修時(shí)的兩個(gè)關(guān)鍵工藝

. 引言

　　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題：

再流之前適當(dāng)預(yù)熱PCB板；
再流之后迅速冷卻焊點(diǎn)。
　　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(yàn)員所發(fā)現(xiàn)，但多數(shù)情況下總是看不出來，但在以后電路試驗(yàn)中馬上會暴露出來。

2．預(yù)熱——成功返修的前提

　　誠然，PCB長時(shí)間地在高溫（315－426℃）下加工會帶來很多潛在的問題。熱損壞，如焊盤和引線翹曲，基板脫層，生白斑或起泡，變色。板翹和被燒通常都會引起檢驗(yàn)員注意。但是，正是因?yàn)椴粫盁龎陌濉辈⒉坏扔谡f“板未受損壞”。高溫對PCB的“無形”損害甚至比上述所列問題更加嚴(yán)重。幾十年來，無數(shù)次試驗(yàn)反復(fù)證明PCB及其元件能“通過”返工后的檢驗(yàn)和試驗(yàn)，其衰減速度比正常PCB板高。這種基板內(nèi)部翹曲和其電路元件衰減等“隱形”問題來自于不同材料不同的膨脹系數(shù)。顯然，這些問題不會自我暴露，甚至在開始電路試驗(yàn)時(shí)也未被發(fā)現(xiàn)，但仍潛伏在PCB組件中。

　　盡管“返修”后看上去很好，但就象人們常說的一句話：“手術(shù)成功了，可病人不幸死去”。 巨大熱應(yīng)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(xiàn)象。

　　“ 爆米花”現(xiàn)象是指存在于一塊集成電路或SMD在器件內(nèi)部的濕氣在返修過程中迅速受熱, 使?jié)駳馀蛎? 出現(xiàn)微型爆裂或破裂的現(xiàn)象。因此，半導(dǎo)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(yù)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(yù)熱階段。無論P(yáng)CB裝配廠是采用波峰焊，紅外汽相或?qū)α髟倭骱福糠N方法一般均要進(jìn)行預(yù)熱或保溫處理，溫度一般在140-160℃。在實(shí)施再流焊之前，利用簡單的短期預(yù)熱PCB就能解決返修時(shí)的許多問題。這在再流焊工藝中已有數(shù)年成功的歷史了。因此, PCB組件在再流前進(jìn)行預(yù)熱的好處是多方面的。

　　由于板的預(yù)熱會降低再流溫度, 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。

3．預(yù)熱的好處是多方面的和綜合的

　　首先，在開始再流之前預(yù)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(yīng)地，就在再流之前活化焊劑的這種清洗會增強(qiáng)潤濕效果。預(yù)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(xiǎn)性。否則快速加熱將增加組件內(nèi)溫度梯度而產(chǎn)生熱沖擊。組件內(nèi)部所產(chǎn)生的大的溫度梯度將形成熱機(jī)械應(yīng)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(yù)熱，可降低再流溫度和縮短再流時(shí)間。如果沒有預(yù)熱，唯一辦法只能進(jìn)一步升高再流溫度，或延長再流時(shí)間，無論哪一個(gè)辦法都不太合適，應(yīng)該避免。

4．減少返修使電路板更可靠

　　作為焊接溫度的一個(gè)基準(zhǔn)，采用的焊接方式不同, 焊接溫度也不一樣, 譬如: 多數(shù)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(dá)到一樣的溫度。這是因?yàn)椋杭此蟹敌捱^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(biāo)準(zhǔn)的要求，即要返修點(diǎn)周圍的元器件所處溫度決不能超過170℃。所以，返修中再流溫度應(yīng)與PCB組件本身和要再流的元器件尺寸的大小相適應(yīng)，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。

　　這么說來，仍沒有充分理由說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(dǎo)體制造廠所推薦的目標(biāo)溫度。

5．返修前或返修中PCB組件預(yù)熱的三個(gè)方法：

　　如今，預(yù)熱PCB組件方法分為三類：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預(yù)熱基板，是行之有效的。而且，預(yù)熱烘箱在烘烤掉某些集成電路中內(nèi)部濕氣和防止爆米花現(xiàn)象上，采用烘烤是一個(gè)有利方法。所謂爆米花現(xiàn)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)會發(fā)生的微崩裂。PCB在預(yù)熱烘箱中的烘烤時(shí)間較長, 一般長達(dá)8小時(shí)左右。

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

　　熱板是預(yù)熱PCB板最無效的辦法。因?yàn)橐S修的PCB組件不全是單面的, 當(dāng)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(yù)熱是不可能的。

　　熱板的第二個(gè)缺陷是一旦實(shí)現(xiàn)焊料再流，熱板仍會持續(xù)對PCB組件釋放熱量。這是因?yàn)?，即使拔?a target="_blank">電源之后，熱板內(nèi)仍會有儲存的殘余熱量繼續(xù)傳導(dǎo)給PCB阻礙了焊點(diǎn)的冷卻速度。這種阻礙焊點(diǎn)冷卻會引起不必要的鉛的析出形成鉛液池，使焊點(diǎn)強(qiáng)度降低和變差。

　　采用熱風(fēng)槽預(yù)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(jié)構(gòu)），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。

6． 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(zhàn)在于返修工藝應(yīng)該模仿生產(chǎn)的工藝。事實(shí)證明: 第一，在再流前預(yù)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(yù)熱和二次冷卻更顯得重要。
常見的再流設(shè)備如鏈?zhǔn)綘t，PCB組件通過再流區(qū)后立即進(jìn)入冷卻區(qū)。隨著PCB組件進(jìn)入冷卻區(qū)，為達(dá)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(shè)備本身是結(jié)為一體的。

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

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

7．結(jié)束語

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

　　當(dāng)然，需要解決新返修的PCB組件工藝問題，因?yàn)樗€未通過電路試驗(yàn)，這也是一種真正的節(jié)約時(shí)間。顯然，不必將在返修中造成PCB報(bào)廢而節(jié)約了成本，一分預(yù)防抵得十二分治療。

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