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BTC 和 SMT 返修的挑战
录入时间:2018/7/30 17:49:17

 

by Joerg Nolte

ERSA GMBH

 

介绍

随着电子制造技术的飞速发展,越来越多的客户对 于 PCB 返修的需求也日趋增加,需要有新的方案和技术 来解决这些新的需求。

大部分的客户需要有效进行BTC(Bottom  Terminated Component,底部终端元件)和 SMT PCB 的 返修,现在至未来的数年里,以下一些课题会被更多人重视并普遍讨论:

•    BTC器件及其特征: 气泡问题的处理

•     更小的器件:微型化(01005 的返修能力)

•     大尺寸 PCB 的处理: 应用于大板返修的动态预热

•     返修工艺的重复性: 助焊剂和锡膏的应用(浸覆技术),残锡的去 除(自动清锡),原料供给,多颗器件的处理,以及返修的可追溯性。

•     操作支持:更高程度的自动化,软件引导操作(友好的人机交 互界面)

•     成本效益:

满足不同预算的返修系统,投资回报率评估

以上个课题并没有表达出他们的实践相关性。 业界里一直存在不少关于 01005 返修能力的讨论,但 到目前为止,那些声称有此返修能力的技术,还没有 一个被证实能够在日常的实际返修工作中,为这种微 小器件提供真正成功的返修工艺。在精密的流水生产 线中,许多参数需要被观察和控制,包括:

•     解焊和提取器件的时候,不能对紧邻的其 他器件造成影响

•    为小焊点定点添加新的锡膏

•     器件的吸取、校正、贴装

•     PCB 涂层

•    PCB 清洁及其他

然而,由于 01005 器件的存在,返修的挑战已经不可避免地出现。一方面器件尺寸越来越小,装配密度越来越高,另一方面是 PCB 的尺寸越来越大。受益于 通讯产品及网路数据传送技术(云计算,物联网)的发 展,如今计算机中心的运算能力一直在快速的增长。与 此同时,计算系统的主板尺寸也一直在增长。这就有了 一个挑战,如何在返修过程中,均匀且完全地预热一块24“ x 48“(610 x 1220mm)的多层 PCB?

此外,在不断增长的电子制造领域,返修工艺已公认为是电子组装的一部分,而对单个电路板进行返修的记录和追踪,已经成为一个必不可少的要求。在以上提 到的课题中,主要描绘了到 2021年时返修能力的蓝图,接下来将介绍其中三个主题。其他的议题在未来的返修中也是非常重要的,其中有不少已经通过实践认证是可行的,因此只是需要在现有的返修设备中加入或改进。

返修过程中气泡的处理

在含有底部终端元件(BTC)的组装中,气泡的存在对众多应用而言都已经是一个非常严重的问题。对于气泡的定义,在有关焊接缺陷的文章中有如下描述:

[…] 融锡会快速填满适合的空缺处,并在焊点中捕 获了一些助焊剂,这些被捕获助焊剂的气泡就是空洞; […]这些空洞阻碍了融锡的填满。在这样的焊点中,焊 锡是无法填满整个焊点的,因为助焊剂已经被密封在里 面了。[1]

在 SMT 领域,气泡只可能产生以下的这样一种影 响:[…] 由于很少有焊料能适用于每一个焊点,因此焊锡点的可靠性被关注的更多。气泡的存在已经是伴随着焊点的一种普遍的缺陷,尤其是在 SMT 的回流焊过程 中。气泡的存在会恶化焊点的强度并最终导致焊点失效。[2]

关于焊点内气泡的形成对品质造成的影响,在众多 讨论中已经被多次报道:

•    减少了元件到 PCB 之间的热传递,增加了元 件本体温度过高的风险

•     降低了焊点的机械强度

•     焊点内气体本能的逸出 – 会造成焊锡的泼溅

•     影响焊点的载流容量(安培容量) – 由于焊点 的电阻值升高,导致连接处温度过高

•     影响信号的传输 – 在高频应用中,气泡会减弱 信号

尤其在电力电子产品中,气泡在散热焊垫(比如 QFN 封装元件)上的生成,成为现阶段一个不断增加 的问题。热量需要从元件传输到 PCB 进行散热,这个 重要的进程无法实现,从而严重缩短了元件的使用寿命。

除去一些常规减少气泡的方法:如使用低气泡的锡 膏,优化回流焊温度曲线,以及优化钢网的开口以获得 最佳的锡膏量,还有一种在锡膏处于液相状态时进行气 泡处理的方案,也是在整个电子装配过程中一个新的选项。

所以问题是,如何将气泡处理工艺应用到返修设备 这样一个开放的环境中?回流焊使用的真空技术显然不适用。一种基于对 PCB 基板进行正弦激发的技术更加适用于返修(图 1)。 首先是 PCB 受到波幅小于 10μm 的纵波的激励,这种正弦波通过设定的频率对 PCB进行激励,在这个区域内,无论是 PCB 本体还是上面的焊点都会受到这种应激进行自谐振。PCB 在被能量扫描时,元器件保持在原位不动,气泡在液态焊锡的边缘地区被捕获,并有能力从焊点中逸出。

通过这种方式,在新元件的焊接中,将气泡比例降低至 2%成为可能(图 2)。甚至可以通过这种技术, 在二次回流的过程中,可以对已装配好的 PCB 上的目标焊点进行显著的气泡去除。在这种去气泡的返修工艺中,仅仅是 PCB 上被选中的区域被加热至回流状态, 而且只有这个区域被正弦激励,所以对整个产品没有任何的负面影响。

扫描波沿着 PCB 基板 进行纵向前进

通过压电驱动器生产 的线性扫描波进行激励

图 1. 通过压电驱动器处理 PCBA 中的气泡。

图 2. 回流过程中开启激励功能,可以明显减少 MLF 中的气泡比例(应用前和应用后)。

残留焊料的去除 — 除锡

与生产过程不同的是,在电子线路板上进行返修时,去除焊盘上残留的焊料是一个非常重要的步骤。对于将一颗新的元件重新安装到指定位置,以及获得重复性好、可靠性高的焊点而言,这个步骤是必不可少的。

如今常见的手动操作方式取决于操作人员的技能,并隐藏着风险。一颗新的元件重新安装到指定位置,以及获得重复性好、可靠性高的焊点而言,这个步骤是必不可少的。

图 3.  SMT 返修和贴装的过程中,清除多余焊锡的除锡系统。

手动操作、但非接触式地去除残锡的模块,有以下优点:

• 重复性较高,而且非接触式地抽取焊锡

• 没有焊垫破损和剥离的风险

• 没有绝缘漆破损的风险

• 杜绝助焊剂或焊锡在 PCB 上的污染

方法是使用柔和的热风对 PCB 的底部进行预热, 直到残留在 PCB 上的焊锡融化,然后使用真空吸嘴快 速的液态的焊锡从 PCB 表面抽走(图 3)。

除了这种已知的通过热风融化焊锡再通过真空清除 残锡的技术之外,为了保证电路板不受到损伤,控制吸嘴高度也是正常重要的。在第一次操作时,吸嘴的高度 往往需要通过手动方式调节,而在先进的系统中,设备 可以通过压力传感或三角激光测定法自动调节高度。

对于高品质的日常操作来说,焊锡分离及助焊剂过 滤和便捷的保养都是非常重要的产品特征。

这种模组是不会独立于返修台设备而单独存在的, 需要集成在设备中。在除锡工艺过程中,电路板的温度 需要被感知,而且 PCB 底部预热功能必须具有主动性和可控性。

操作引导 — 软件辅助操作

市场明确地需要返修台具有灵活的适应性,操作的 简单性,以及更高的自动化,设备不依赖于操作人员。 集合上述需求,一套面向操作者或设备管理者的具有清 晰结构的交互界面是必需的。

客户对返修流程的一个清晰的期望是实现不依赖操 作人员,并获得高品质的返修结果。这就是为什么越来 越多的自动化工艺流程被应用到返修设备中,HCI(人 际交互界面)的改善也被提出。在返修过程中,具有操 作引导和辅助的系统可以明显的减少作业人员的失误。 具有清晰架构的软件界面能够提供每一个分解步骤所需 的所有必要信息,从温度曲线选择、元件移除、直到最 后的贴装焊接,以及是否需要添加助焊膏或锡膏(图 4)。

所有的工艺步骤都得到辅助,操作人员在整个过程 中都得到引导,并被指导进行下一个工艺操作。当遇到 系统没有自动执行的时候,象形引导图会告诉使用者下 一步该如何操作(图 5)。

图 4. 返修过程中具有清晰架构的曲线选择界面。

图 5. 象形引导图指导使用人员一步一步的进行贴装操作。

计算机辅助贴装(CAP)是另一种手段,通过对影像的处理来获取最佳的结果,并实现对操作人员的辅助。在这个例子中被称为“比较器模式”的画面显示了带有色彩的焊垫和元件焊脚,以及重叠后的虚拟颜色(图 6)。元件的焊脚显示为红色,PCB 上的焊垫显示为绿色,一旦焊脚和焊垫的图像重叠,则会显示为蓝色,标志着已经到达了最佳的贴片条件。

不同于实时相机的图像,计算机辅助贴装功能通过 图像处理手段,提供最佳的颜色对比画面。就好像航空 管制图一样(图 7),系统向使用人员清楚地显示有意 义的数据。因此,操作人员可以把注意力集中在位置校正的任务上,人员的疲劳度也变得最小化。

关于计算机辅助贴装的另一个要素是实现了数字裂像镜(digital split optic)。它可以在高倍率下提供多张图片(如较大的 QFP 元件)来实现最精准的定位(图 8)。它取代了需要另购镜头的光学放大技术,高分辨率的相机图片被分为四个区域,每个区域显示了元件的一个角。定位的工作在高倍的图像中进行,将焊脚和焊垫进行匹配的过程也将变得更加容易。

图 6. 计算机辅助贴装,焊脚和焊垫重叠后颜色变化。

图 7. 飞行雷达图通过高对比度显示有意义的图像(作为参考)

图 8. 数字裂像镜显示元件的四个区域  —  图示为理想的匹配结果。

综述及未来展望

在电子工业中,即使产品的质量在不断的提升,返 修却仍然会是以后数十年的一个挑战课题。电子装配的 集成度越来越高,产品越来越复杂,返修系统的供应商 的任务就是要跟随市场的步伐,并提供可以成功修复电 路板的方案。同时,在返修设备的部分,自动化程度也 将不断提高,操作辅助功能将变得更加重要。除了技术 挑战之外,集成了尽可能多功能的高端返修系统,需要
找到他们的方式,衍生出符合市场需求的出入门级产品。由于更少的报废和电子浪费,商业及环保也将因 此得益。


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