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探索PCBA的返工与维修
材料来源:SMT CHINA           录入时间:2018/4/16 11:10:34

(本文摘自《SMT China表面组装技术》杂志2018年3月/2018年4月刊技术文章,仅限于SMTC读者及业内人士参考,不得作为商业用途!版权所有,违者必究!)

                                                                          ——Stephen Las Marias,I-Connet007

尽管许多用于SMT工艺的技术已经取得了长足的进步,但是PCB组件返工和维修的需求仍然不会消失。最重要的是,电子行业的趋势是朝着元件尺寸越做越小、元件间的间距和空隙越来越小的方向发展,而用户对可靠性的要求却在不断提高。

不言而喻,返工和维修工艺需要面对严峻的挑战。你需要返工或者维修成品电路板,而在返工过程中如果采用不正确的焊接可能会对返工位置周围的元件造成二次损害。

所以,我们(SMT Magazine)采访了BEST公司的总经理Dan Patten和负责返工/维修的客服经理Laura Ripoli,Colab Engineering公司的总裁Gary Freedman,以及Circuit Technology Center的销售经理Andy Price,目的是进一步了解PCB组件的返工和维修的情况、面临的关键难题和持续改进工艺的策略。

面临的挑战

Dan Patten

Patten说:“我们一直在努力地提高电路板上的元件密度,同时,我们还努力把元件或产品的尺寸做得更小,把更多的东西塞进电路板里,诸如此类。”

Price说:“从我们的角度看,我们每天要面对一些与电路板设计紧密相关而且是非常难解决的问题。元件之间的空隙变得越来越窄,电路板的厚度变得更大,而且包含厚厚的铜板层。这些因素再加上欧盟RoHS法规的要求,大幅度增加我们在试图返工元件时要面临的问题的难度。这还增加了焊锡完全填充电镀通孔的难度。其中大部分的问题都与电路板的设计直接相关。其他的一些因素包括在电路板上进行的返工和维修,这些电路板需要经过最后的处理。它们可能是在涂布敷形涂层后或在BGA元件位置经过底部填充工艺后,导致因故障在用户现场直接返厂处理或者在用户现场出现故障。在用敷形涂料返工电路板时会出现许多问题。如果需要维修的区域没有得到正确的处理,例如,焊点的焊锡不足、焊锡短路和其他问题,往往会导致其相邻元件受到二次损害。这只是我们在面对部分返工问题时的一些总体思路。”

Price还提到,电路板的厚度是个挑战。他说:“几年前,电路板厚度在0.062英寸到0.092英寸之间。现在,我们经常看到的电路板的厚度是0.125英寸,甚至更厚。包含在这些电路板结构中的接地层会在你试图移走元件时散发热量。这就意味着你必须在符合RoHS法规要求的情况下,提高再流焊的温度。这些只是我们必须面对的挑战。我并不认为这种情况会消失,而是这类问题会越来越严峻。我们注意到采用这类结构的电路板的普遍问题是它们都与提高加热要求有关。电路板在返工前需要进行预热和完全烘干。在返工区域需要更多的热量以达到再流焊温度的要求。一旦你需要更多的热量,就会增加电路板受到物理损坏的可能。你也许会看到基板褪色,或者发生像分层这样更严重的基板损坏。在返工位置增加热量还可能导致安装元件的位置、表面贴装焊盘升高而把电镀通孔填充拽出来。所有从事返工的人都会注意到这些问题,而最专业的公司在这方面拥有丰富的经验,在返工时很少会出现这种情况,但是,有些电路板由于设计的缘故很难解决这个问题。”


Gary Freedman

Freedman经常看到的一个问题是试图在电路板上修理那些并不需要维修的东西,比如不完全符合IPC规范要求的通孔填充。Freedman说:“许多年来我一直在做的一件事就是与Digital公司、康柏公司和惠普公司合作,尝试去改进通孔填充的规范。我们和IPC共同推动这项工作并取得了一定的成果。如果你观察通孔焊点,就会发现它要比SMT焊点牢固很多倍。当然,我们也非常希望能只用非常少的焊锡完成SMT焊点焊接。但是,在通孔焊锡不足时,人们可以用电烙铁焊接来解决问题,这种做法也许是不对的。我们要做的是尽可能地减少电路板的热循环次数。除了热循环的次数,我们还要尽可能地减少接触电路板的次数。你只要接触电路板,就存在损坏它的可能,你用电烙铁接触电路板,不管是在背面还是正面,无论是通过元件的弯曲或者剪切加工,都存在这种可能。我还看到操作人员总是拿着尖锐的小工具,在电路板上到处戳戳撬撬,检查要焊接的东西是不是焊好了。就像我前面说的,只要尽可能减少接触电路板的次数,你就有更好的收获。我总是更愿意让一块不完全符合IPC标准的电路板通过检查,而不是对它进行维修以达到IPC标准。经过维修的电路板出现可靠性下降的可能性更大。”

Freedman还说:“通孔的焊点要比表面贴装元件的焊点牢固很多倍。我们非常了解这些大量牢固焊点,同时,我们也非常希望那些几乎没有焊锡的SMT焊点通过检查。我当然清楚,通孔焊点的收缩与膨胀力学机制和SMT焊点的不一样。我们对SMT焊点的收缩与膨胀视而不见,而对通孔的收缩与膨胀过度在意。我这里要说的是两个问题:第一个问题是我们在焊点上进行的热循环次数。这在一定程度上定义了焊点中的金属间化合物的特性和可靠性。另一个问题是接触电路板的次数。无论什么时候,电路板只要经过返工,就更容易受到损坏。”

多年来,Freedman在焊点可靠性方面做了大量的工作,包括通孔焊点的可靠性,以及大量的焊点的模拟和测试,以修改它们的规范要求并影响IPC。他说:“我们在某种程度上做到这些要求。如果你的电路板非常薄,IPC对这种电路板的要求是尽可能减少焊点的数量。如果你的电路板非常厚,他们的要求是焊点也要是厚实的,但是,如果你正在进行模拟和可靠性测试,就会发现,即使在厚的电路板上焊点厚度是电路板厚度的20%,其可靠性也是足够的。我并不是说要我们把焊点的厚度下降到电路板厚度的20%,而是说,我们要真正了解我们自己真实的需求的是什么。我认为,我们必须从过去的通孔焊接经验的框框里跳出来,根据通孔的模型和通孔焊点的可靠性规范的角度出发,做更多的工作。”

Freedman接着说:“在有通孔的电路板上,通孔焊点的可靠性肯定是我们在焊接方面最常遇到的问题。通孔的填充始终是个问题。很长时间以来,我都在处理非常厚的电路板;服务器的电路板和通讯设备的电路板的厚度远远超过0.093英寸。在这种电路板上出现的所有问题都是可以修复的。首先要解决的维修问题是通孔焊点自身的问题。我们在电路板的信号部件上看到通孔填充做得很好,当然,也在电源部件和接地部件上看到勉强合格的通孔焊点。这些都是看得到的焊点。我们根据视觉检察或者X射线检查的结果,让操作人员把这些问题找出来,并尝试着填充某种材料,延长本已足够耐用的产品的使用期限。”


Laura Ripoli

Ripoli说,他们经常发现,那些试图把元件,特别是底部终端元件,从电路板中移走的人,并没有合适的设备来做这件事,他们更倾向于把整个焊盘从电路板上扯下来。她说:“修复焊盘并把它放回到BGA的下面的事情到最后还是会回到我们的手中。我们拥有超过二十年处理这类维修工作的经验。”

Patten说,BEST公司返工和维修工作的主要业务包括底部终端元件。

Ripoli补充说:“这些元件的返工与维修工作要比通孔元件多得多。当然,我们大部分工作是处理QFN、LGA和BGA这类元件。我们注意到,其中有许多是焊点中存在焊锡空洞过多或者焊锡不足的问题。”

Price也持有相同的观点,他认为对返工需求最大的元器件是底部终端器件。他说:“在通常情况下,造成大量质量很好的元件返工的原因,要么是制造商断定元件上的制造日期代码很糟糕,造成成百上千安装了这种元件的电路板必须送去返工,要么是其他的问题,例如,混合化学材料问题。例如,把符合RoHS法规要求的无铅元件贴放到含铅工艺中,那么,它就无法在合适的温度中再流焊。与此类似,有许多不同的原因都会导致出现大批量返工。总的来说,不管是谁,返工BGA、LGA和QFN都将面临巨大的挑战。返工本身就很难,检查工艺也不例外。缺少训练有素的火眼金睛,能够在出现‘枕头效应’或‘焊锡开路’或其他的缺陷时,准确无误地检查、理解和观察X射线照片,这是非常有挑战的。”

Price说:“我想说的是,特别是在进入前面提到的使用增厚的电路板和相邻元件间的间隙更窄的电路板设计领域,对于那些在内部进行返工的一般的合同制造商来说,这可能是最有挑战的返工应用。当你进行热空气返工时,防止出现次生问题是很困难的,热空气会散开,而不会停留在它吹到的方向上,事实上也是如此。它会在电路板上扩散,到达相邻的元件,而且它会在目标区域外产生造成二次损害的条件。造成相邻的元件和再流焊焊点过度加热以及其他常见的问题都可能会出现。把敷形涂层涂布到要返工的元件上并且在这个特定的返工位置进行底部填充,那么现在你已经把返工应用的难度提高了。考虑到所有这些因素,要达到100%的成功率是极其困难的。”

在谈到焊点中的焊锡空洞时,Ripoli说,造成空洞的原因有很多:其中一种情况是用户在组装电路板时使用了混合合金。她说:“我们会找到相关的证据。可能是焊锡膏的厚度不对。引起这个问题的原因可能是使用了之前的组装用的温度曲线。要解决这个问题,需要用户先搞清楚在他们的工艺中的哪个环节出了问题。”

Patten说:“他们更可能拥有工艺数据或者多种知识和产生问题的原因,我们拥有解决这个问题的相关专业知识和经验。我们的业务并不仅限于提供建议。有时候,以我们现有的能力,我们还能够提供解决问题的方案,但是这要求完全掌握整个工艺,包括它是如何生产的和使用的温度曲线等这些往往不是我们做的工作。”

Ripoli说:“我们有些用户会在组装样机阶段和我们合作。他们会回来找我们,把一块装有连接器的电路板发给我们,要求我们用X射线测量焊锡填充的百分比。我们把测量结果反馈给他们,他们就会根据这个反馈结果改变自己的工艺,然后再把另一批电路板发给我们,我们使用相同流程展开工作,经过多次反复,直到最终找到适合的填充方案。”

在进行返工和维修时,最大的问题是温度循环。

Price说:“问题是当你不得不返工某些东西时,它必须经过四到六个热循环或者类似的情况。这是他们所没有预料到的。没有人会预料要在自己的电路板上进行返工。”

Patten说:“除此之外,你不一定清楚,这块电路板在送到你这里之前,已经经过了几次维修。”

多数情况是,返工专家永远搞不清楚在自己拿到产品之前,自己的用户,也就合同制造商/PCB组装制造商,接触这个产品多少次。Patten说:“这是个秘密,而且这常常是导致出现各种无法预知的故障的原因。”

不过,有些PCB组装/合同制造商会追踪电路板送去返工/维修的次数。

Patten说:“在我们进行较大批量的返工或维修时,这种情况并不常见;但是,在我们返工或维修某种专门定制的电路板时,我们会有很多收获。他们进行了尝试,但是失败了,于是把电路板交给我们。我们并不知道他们对电路板做过什么,也不知道他们为什么会失败。在通常情况下,我们并不清楚这些电路板过去曾经历了哪些事情。”

关键问题

当你开始思考自己的返工策略时,哪些问题是最重要的,需要给予重视?在Price看来,首先要考虑的是操作人员的技术水平。

Price说:“承担这项工作的人员必须拥有丰富的经验和手工操作的技术技能,具备使用放大装置连续工作几小时的能力、知识和耐心;其中的点点滴滴都与完成这项工作的操作人员紧密相关。在把电路板送去返工和维修时,每一块电路板都可能存在一些不一样的地方。在返工和维修电路板时,操作人员必须从工艺的开始到结束至始至终都在观察电路板。这就是为什么你所要寻找的维修程序从本质上来看都非常相似,因为你无法建立起一套用来识别在返工时遇到的每个细节的程序。依我所见,第一步是挑选合格的操作人员,你需要的是经过良好培训、技艺高超的操作人员来完成这项工作。第二步是要拥有良好的现代化设备和工具,确保训练有素的操作人员能够取得成功。例如,焊接工作台能够非常迅速地把热量推送到电路板里。拥有合适的工具和设备很重要。”

Patten说:“我会按照这个标准来做。就像我希望销售更多的培训一样,我相信高水平的培训的作用,但只有资格证书是不够的。从事返工和维修工作的人需要面对数百种不同的情况,这需要大量的经验,不是只接受过为期一周的培训的人所能掌握的。我们所要找的人,必须是思维敏捷,会使用精密的工具,拥有极其丰富的经验。这种人少之又少,非常难找。”

他补充说,你可以培训成千上万个人,但实际上只会有少数几个人会长期从事高端技术工作。

返工中的自动化

是否会用某种形式的自动化操作来取代返工/维修中的某些人工操作?

Patten说:“取代意味着完全替代。但是,自动化只能起到辅助作用,它无法完全替代人工。”而且,它不可能完全消除这么多年积累下来的经验的作用。

在Patten看来,这要求操作人员拥有更丰富的经验。尽管这允许他们能够做更多数量的返工/维修。他说:“你可能有一些不是用于裸电路板而是用于成品电路板的贴装类型,或者是不可接触的可移走的焊锡等类似的东西。你仍然需要高超的技能、经过良好培训的技术来运作它。我们既要尽可能控制返工成本,又要能够适应市场发展的要求快速地跟上技术的发展,这是个巨大的挑战。”


Andy Price

怎样才能找到这样的人呢?这样的人的共同点是拥有丰富的合同制造经验。Price说:“我们有一个合作多年的团队。人总是会退休,所以必须不断地从该领域的人才库里找到合适的人进行补充。我们并不面向全国进行招聘,所以要从那些以前有合同制造经验的人中吸收我们需要的人材,作为后备力量。我们的职责是让他们先把注意力放在某些领域,这样他们就能以某些形式帮助我们。接着,再让他们接触更多的东西,这往往需要几周的时间。这是一项长期的培训计划。”

他说:“具备这样技术能力组合的人在市场上是找不到的,所以我们必须找到拥有好的心态和相应能力的人,把他们吸收到我们的团队中来。没有经验没有关系,我们可以培训他们。”

返工/维修的未来

向小型化发展的趋势继续迫使电子制造业生产出间距和空隙都更小的产品。这将把返工/维修工艺带向何方?

Patten说:“在过去的20年里,我们已经逐步接近我们在维修上所能达到的极限。而且,随着产品的尺寸不断缩小我们必须继续前进。但是,我们要维修的是2毫米的封装、40密尔的焊锡球,它们的尺寸实在是太小了,处理起来难度非常大。”

Freedman说:“有时候,维修的难度取决于具体的环境。如果电路板是针对常用的封装设计的,我们就可以很轻松地把它们贴放到电路板上。以服务器的电路板为例,上面有微型BGA,也有很多通孔元器件和厚的电源组件和接地层,这就会使事情变得复杂。如果电路板上没有任何其他元件而只有QFN,那么我可能只要一整天的时间就可以完成维修方案,做起来很轻松。如果这块电路板上有其他元件,事情就会变复杂。如果我们能够减少对通孔元器件的依赖,是一种解决问题的办法。还有许多我没有提到的事情,其中一个就是我所见过的温度曲线在最初组装和在维修中都做得很糟糕的情况。在这个例子,我注意到没有人把时间和材料用在为电路板的最初组装或者维修建立温度曲线上。我只看到他们把这些事情放在一边,只想着尽快把产品生产出来。”

Patten说:“对此,我想强调的是他们不想花时间或钱来检测电路板并确保能够正确地维修。这相当于是在裸奔。”

Freedman说:“我在考虑的另一件事是自动化或半自动化维修方法。我非常不喜欢看到人们拿着手持热空气工具来加热电路板;这是个不可控的工艺。你不知道结果会怎么样;你不知道自己会对电路板、焊点和焊点周围的东西造成什么损坏。我希望看到更多使用受控制的方法和计量方法,这样我们就能够知道维修位置要达到什么温度和电路板将会怎么样。使用可编程的热风维修机,你就可以设定合适的温度曲线,并且知道对电路板其余部分的影响。你在维修时用的是烙铁吗?只要有可能,尽量不要用烙铁。当然,有时候我们还是要用到烙铁。此外,我注意到有的人会延长电路板悬挂在焊锡喷泉上的时间,我不喜欢这样做。我看到有的人在为元件重新制作焊锡球,但是这不符合重制焊锡球的规范。在返工中,有很多方面会对电路板的可靠性产生不利影响。”

那么,如何保证返工或维修后的电路板的可靠性没有问题呢?

Price说:“你必须使返工后的电路板达到相关标准的要求。这就像你在组装电路板一样,有相应的可接受标准,而且你必须达到这些标准。在通常情况下,只要达到这些标准,你的返工就是可靠的。还有许多不同的检查环节,例如,要完成X射线检查和在工艺中的视觉检查,从而确认这是可靠的。对于经过维修的电路板,我们严格遵循IPC-7711/7721标准中的维修程序,要完成许多测试和检验步骤。例如,在维修缺失的表面安装焊盘时,它包含一个用来验证连接正确的测量步骤。”(SMTC@ACT)


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