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SMT贴片加工返修过程介绍

网站编辑:admin发布时间:2018-04-07浏览次数:237次

多年来,电路和元件不但越来越小、越来越精密,而且结构越发复杂,功能更强大。与此同时,巨大的竞争压力遍及生产制造的各个环节;产量和获利能力是关键。正是在这种背景下,返工再也不是一种可有可无或者临时性的工作,它已经成为必不可少的工艺之一。它也是电子制造过程中最容易出问题但又不容忽视的一个环节,特别是在有阵列封装的地方。高效率、高质量返工是影响BGA成败和利润的最重要的因素。随着SMT贴片加工无铅工艺的引进,因为无铅材料需要更高的温度,而这可能会对对温度敏感的电路板材料和元件造成无法弥补的损害,所以返工质量变得越来越重要。


      不管是SMT贴片加工含铅工艺还是无铅工艺,也不管返工的是常规元件还是阵列封装元件,返工的主要步骤(解焊、移去、场地清洁和重新贴装)是一样的。关于这些,有很多文献作了介绍,从事返工的专业人员也都非常清楚,所以这篇文章的重点是加热技术,这是在无铅返工中令人最头痛的问题,以及怎样才能更好地在大型双面PCB上通过再流焊焊接阵列封装元件。

      SMT贴片加工含铅焊料的熔点是183℃,再流焊的温度是210-220℃;锡银铜(SAC)无铅焊料合金的熔点是217℃,再流焊温度在235℃和250℃之间。这个温度与元件的温度上限非常接近,很容易损坏元件。例如,IPC规定的元件最高温度是260℃,对一些元件制造商来说,这个温度已经太高了。无铅工艺的处理窗口比以前更窄,这一点无庸置疑。显然,如果要想避免问题,就必需准确设定和控制各项温度参数,例如,目标温度、升温速度、保温时间、温差和加热器的尺寸及放置位置。无铅工艺需要使用更高的温度,要形成可靠的焊点,就必需把无铅焊料加热到至少230℃。根据iNEMI标准,因为工艺变化约在±5℃之间,所以,要想得到可靠的无铅焊点,再流焊的最低温度要在235o-245℃这个范围。


      在这个温度范围下工作,最大的一个挑战是在如何保证进行返工的SMT贴片加工BGA外壳始终保持在较低的温度,BGA外壳一般是用对温度敏感的塑料制成。对大型BGA来说,高温会使外壳的四角向下弯曲,这很可能会造成短路,特别是对很难正确焊接的元件来说,更是如此。这可能是因为使用了的BGA基片材料很差。一些元件制造商没有对他们原有的含铅封装针对无铅温度重新进行开发,而只是简单地把含铅焊料更换成无铅焊料,或者,在转向无铅时,他们可能打算提供一种比较便宜的过渡性封装。


      在返工时还要考虑的另一个因素是SMT贴片加工温度的变化(ΔT),或在一个组装内不同元件之间的温差。一个良好的返修工艺,在对工艺进行严密控制的情况下,可以保证需要返工的焊球的温差低于10oC、接近5oC。与此相似的是,为了避免电路板出现扭曲变形以及以后出现可靠性方面的问题,一些制造商规定在返工位置沿着PCB纵向的ΔT为7oC。


      时间就是金钱。生产效率量越高,收益就越高。和电子制造其他各个环节一样,SMT贴片加工返工也是这样。也就是说,再流焊的速度越快越好。因此,对于无铅銲料,返工专业人员必需保证温度迅速上升,这其中部分原因是因为无铅焊接需要更高的温度。下降速度也要更快,确保从熔化到最高温度的时间应尽可能短。在这里,工艺控制是关键。


     在加热阵列封装元件时,在对流加热中,热空气是从喷嘴流出,立即起加热作用,但是可以使整个组装和封装的温度缓缓上升,所以热风加热比传导加热更加实用。


     最重要因素是加热器相对于PCB的尺寸和位置。如果热量只是集中在返修区域上,基板的实际温度将远远超出它所能承受的最高温度,此时,PCB的其他部位仍保持低温。这会造成PCB变形,对连接造成应力;局部高温可能会使阻焊剂起泡。


     为了避免这些SMT贴片加工问题,加热含铅PCB的标准方法不只是对需要返修的BGA进行加热,而是对整块电路板加热,把热风温度设到最高温度——220℃,加热,使它达到再流焊温度。用这个办法,元件的表面温度会达到190℃-200℃,焊鍚温度会达到220℃。


     可惜的是,出于某些原因,一些公司发现,更高的SMT贴片加工热风温度会给无铅PCB带来灾难性的后果,所以,在无铅PCB上不能使用同样的方法,特别是电路板的反面。这是因为与PCB正面一样,在反面也布满了容易损坏的元件和连接器。这些元件和连接器的塑料部分可能会翘曲和变形,需要额外的返工处理,或者它们的引脚只能不完全再流焊。然而,元件和连接器可能会使焊点拉长、塌陷和变宽,或者会电路板反面上脱落。正是因为可能存在这些缺陷和损坏,所以这些元件,和电路板正面上的元件一样,在返修后需要检查,看毛是否有烧坏、掉色或扭曲。


    一些返工专业人士想在反面把无铅电路板加热到接近217℃的熔点温度,然后再在正面直接把BGA加热到再流焊温度,来避免这些风险。虽然这比根本没有预热强很多,但是在再流焊接下面的焊球时,BGA的温度会超出它的温度上限──仍然有可能造成损坏。

     

      鉴于这些问题,在大型双面SMT贴片加工上返工阵列封装元件时,温度曲线需要编程并且连续地进行控制。这就要求再流焊设备的体积很大,足以容纳和支撑PCB,避免它出现扭曲;功率相当大,能够迅速预热整个电路板;准确度好,能够在精确的时间与温度范围内,只对需要返工的元件进行再流焊。


      当然,对所有电路板来说,理想的温度曲线还要由它的尺寸、质量、元件类型和元件密度来决定。举个例子,对含有阵列封装元件的大型双面PCB来说,这包括一个预热阶段,它通过放在电路板下面的大型阵列加热器来加热整个电路板,达到低于焊料的熔点温度的某个温度,理想的温度是190℃。这时,把下面大的加热器关掉,改用上面和下面的加热喷嘴,它们对准局部的BGA返工位置加热,使它在很短的时间内达到再流焊温度。因为预热阶段和局部加热喷嘴是顺序地进行的,所以喷嘴能够使用温度更低的气流达到目标温度。这降低了加热造成BGA及其外壳损坏的风险,也不会危及周围的标记。

      

      SMT贴片加工其他位置的温度保持在190-200℃之间,这意味着返工位置的温度能够迅速下降到安全水平,避免电路板出现局部扭曲。因为电路板的其他部位始终低于熔点温度,所以电路板下面的元件损坏的风险较小,而且只在必需的位置进行再流焊。整个电路板的温差(ΔT)始终不超出允许范围,这是能够做到的。

     

     根据经验、耐心和反复实验研制出针对双面电路板的返工加热工艺,以此为基础来开发用于具体产品的温度曲线。精度和速度是返工成功的关键,只是简单地提高现有的硬件的温度是不够的。重要的是,返工设备的功率要相当大,能够在无铅工艺所需要的更高温度下精确地工作,而闭路反馈和专门的控制软件将是实现阵列封装元件高质量返工的关键


2017-12-04 6人浏览
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