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返工热循环最多能进行几次?
  2019-12-31      28

    作者:Bob Wettermann, BEST公司

    工艺工程师针对PCB返工工艺提出一个典型问题:最大热循环次数是多少次?换句话说,这个问题就是在保证可靠性不受PCB返工操作环境影响的合理前提下,如何确定PCB可以返工的次数上限?

  虽然这个问题的答案由很多因素决定,但是它在很大程度上是受到电路板在最终的运行环境中的功能的影响。打个比方,在飞行中用来保护乘客的飞机控制模块所要求的功能与快餐店提供的免费玩具的是完全不同的。在考察最大热循环次数时,还需要考虑PCB在返工循环中损耗的一部分有用的热力学寿命。

    在计算一块PCB允许的最大返工循环次数时,需要考虑几个因素。其中,一些关联性最大的因素包括PCB的设计、材料(包括在设计PCB时用到的元件),以及电路板经历的热循环或加热与冷却循环的次数。对于这个问题,在返工和维修指导文件IPC-7711/21中也认为影响的因素很多,而且没有提供明确的数字,在IPC-7711/21中的表述如下: 本文件没有限制对印刷电路组件进行返工、修改或维修活动的最大次数。

PCB设计会影响PCB允许的最大返工循环次数。好的层压板可以承受多次热循环。如果构成层压板的材料不够结实牢固,使用宽高比大的通孔的多层PCB只要经历几次焊接循环后就容易发生故障。总的说来,比较大的焊盘能够承受的热循环次数多一些;使用比较小的焊盘时,只要经过很少的几次热循环之后,就很可能会出现电路板分层。测试和对通孔生命周期实验的测试将告诉你什么样的通孔适合特定的应用和最终的操作环境。在大多数情况下,对大部分2类或3类设计来说,精心挑选的材料组合能够承受最多6次的热循环(三次返工循环)。

    在PCB设计中使用的材料(包括元件和电路板)会影响电子组件所能承受的最大返工次数或热循环次数。需要提醒的是,如果只有一个元件受到损坏,整个组件可能都会受此影响。要确定所有元件的规格都经过检查,审查元件制造商规定的温度限制。这里特别要注意的是,无源元件的超温暴露的限制时间可能比尺寸比较大的有源元件更短。这在元件规范领域中被称为工艺敏感性等级(PSL)。此外,要核实这些无源元件的PSL值对PCB上的其他元件会有什么影响,这些元件在《IPC J-STD-075:对组装工艺的非IC电子元件的分类》中有进一步的定义。在进行回流工艺的过程中,电路板、焊点和所有元件都处于受力状态。

    加热与冷却循环的总次数应当是限制返工循环次数的部分决定因素。总的来说,2类和3类PCB的典型返工次数是3次,(返工次数乘2就得到热循环次数)。一定要计算电路板已经经历过的所有热循环。对于典型的双面PCB来说,这可能包括主要侧面的元件贴放和回流,以及第二个侧面的元件贴放和回流。

  要为每一个使用温度分析仪的工艺开发各自的温度曲线,以证明你没有超过任何元件的温度或时间限制。如果我们只是简单地取出并替换掉组件中的一个器件,那么,回流循环的次数就已达到四次。对于BGA和其他有源器件,必不可少的加热次数就已经等于芯片暴露在所使用焊料合金的液相温度上的次数。不过,PCB在波峰焊、烘烤和三防漆涂层固化工艺中可能存在热胀冷缩。如果需要重新制作焊锡球,还需要进行两次热循环,一次是移除BGA的焊锡球,另一次是重新连接焊锡球的回流焊,这两次热循环要加到热循环的总数里。有些移除焊锡球的工艺不会把芯片的温度升高到液相线温度之上。

  对于最大返工次数,除了技术上的限制之外,根据返工工艺的成本与收益关系做出的经济决策也可能会限制允许的最大返工的次数。在很多时候,评估的替换方案包括移出和更换器件,或者拆除电路板并用新的组件来替代它。有时候,这些选项的成本和可用性会将返工决策推向某个方向。PCB的返工产量、管理成本和使用劳动力方面的机会成本(这可能会生产出利润更高的PCB)都是在决策过程要考虑的因素。因此,需要回答的问题是, 返工循环最多是多少次?

其他参考读物


    1. IPC "Association Connecting Electronics Industries.  "IPC-7711/21: Rework, Modification, and Repair of Electronic Assemblies. " November 1, 2011.

  2. Coyle, R., Meilunas, M., Popowich, R., Anselm, M., Read, P., Oswald, M.,   Fleming, D.  "Interconnection Reliability of Interposer and Reballing Options for BGA Backward Compatibility. " SMTA International proceedings, October 14, 2012.

  3. Ma, H., Xie, W., Subbarayan, G.,   Lieu, K.C.  "Effects of Multiple Rework on the Reliability of Lead-free Ball Grid Array Assemblies. " IEEE 61st Electronic Components and Technology Conference, 2011.


作者简介:Bob Wettermann是BEST公司的负责人,BEST公司是一家返工与维修工厂,总部设在美国芝加哥。

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