PCBA返修工艺的核心与常见问题

热度：　来源:SMT技术网　　2023-11-02评论 (0)

【编者按】

SMT无疑是电子组装技术的核心，然而，波峰焊、返修、清洗、敷形涂覆和胶材应用等也是电子组装技术不可或缺的重要工艺技术，普遍应用于军用及航空电子产品、通讯产品、汽车电子以及医疗电子等高可靠性产品的研发与生产。这些工艺技术在一般的工厂往往不被重视，因而也很少有比较深入的研究。鉴于此，本次将重点介绍波峰焊、返修、清洗、敷形涂覆和胶材应用等工艺技术的常见问题及解决方案。

摘要:现代电子产品向多功能、微型化和高密度方向发展，通讯网络产品上使用越来越多的细间距器件，间距最小到0.4mm，同时一些核心器件（如CPU）的尺寸越来越大，从55mm到80mm。用常规的返修工艺，出现合格率差和效率低，甚至无法返修的情况。从工程应用的问题出发，对当前系统单板中的返修难题进行分析研究，并针对问题提供解决办法。

关键词:细间距;高密度;大尺寸单板;返修

1、概述

随着电子产品的快速发展,电子产品体积向更大和更小两级化发展,对生产和逆向返修带来很大的挑战[1-3]。尤其对通信类产品，本身对可靠性要求高，如何保证返修品质，即可靠性返修是PCBA(Printed Circuit Board Assembly)返修的核心[4]。本文重点介绍PCBA返修中几种典型工艺与常见问题。

2、预热

预热是成功返修的前提，在返修之前使用烘箱来预热基板，可避免＂爆米花”现象。所谓“爆米花“现象是指SMD(Surface Mounted Devices)湿度高于正常器件，返修时因快速升温导致内部开裂。不同于回流炉焊接是在密闭的环境下，温差较小，返修是局部加热，PCB上各区域的温差较大，在未预热或未充分预热的情况下，返修在高温下长时间加热会出现基板脱层，生白斑或起泡，变色等问题。同时返修时PCB变形问题也很严重，尤其是较薄的PCB,单板变形很容易导致BGA虚焊或短路问题，而提前预热可有效解决该类问题。

3、大尺寸大热容PCBA返修

3.1 存在问题

1)大尺寸大热容单板吸热量大，受热不均，容易变形。

2)大尺寸的BGA(Ball Grid Array)受热不均，焊接温差大，容易出现短路和虚焊。

如图1所示，PCBA尺寸：840mm×300mmx3mm,BGA尺寸为55mm×55mm。

图1 大尺寸单板

3.2 解决方法

1)整板充分预热，将BGA各焊点的温差控制在10℃以内。

2)利用托架或支撑顶针，降低单板变形如图2所示。

图2 用工装降低PCBA变形

3)优化印锡钢片，因短路一般发生在BGA的四个角，可以通过减少钢网四个角的开口面积减少连锡问题。

4、大尺寸大热容PCB焊盘除锡

传统除锡方式为烙铁＋吸锡编带接触式除锡，这种除锡方式对一些焊盘间距小、热风焊盘多的单板有潜在风险，风险主要有：

1）烙铁接触时间长会熔铜。

2）焊盘脱落。

3）刮伤焊盘周围绿油导致短路。

4）一些特殊芯片，锡球中间有chip元件的，除锡时烙铁很容易碰到chip元件。

芯片手工除锡如图3所示。

图 3芯片手工除锡

5、PTH(Plating Through Hole)通孔器件返修

PTH返修通常是用小锡炉浸焊来完成，但对于较厚的PCBA或者吸热量大的器件，用小锡炉浸焊会有以下问题：

1)焊接时间长，容易掉焊盘。

2)焊接时间长，容易出现熔铜现象。

3)焊接时间不够，虚焊，透锡不良。

4)热冲击导致PCB变形，孔壁断裂，如图4所示。

图4浸锡时间长导致PCB孔内不良情况

解决方法：

1)返修前先预热PCBA,整板预热后再拆除器件。

2)要预先测量浸锡温度，浸锡时间要管控。

3)焊接新器件前也要整板预热，包括器件。

4)用BGA返修台拆焊。

6、BGA器件返修

6.1 BGA返修基本步骤

1)设置加热曲线；

2)拆除器件；

3)清理焊盘；

4)清洗；

5)印刷焊膏；

6)贴片；

7)再流焊接；

8)清洗；

9)外观检查及性能测试。

6.2 BGA返修各个环节需要注意的问题

6.2.1加热曲线设置

由于器件的热特性很大程度取决于器件的布局状况、器件本身特性和PCB状况，所以对于单板上每一个BGA器件都应设置相应的加热曲线。通常用测温板来标定器件的加热曲线，测温板的制作方法为：用钻头在焊点与PCB焊盘的结合处钻孔，将热电偶埋入孔中，填充红胶或银胶，然后加热固化。

BGA器件规格书中有推荐的回流温度曲线，利用测温板在BGA返修设备上进行温度调试得出满足该BGA的加热曲线。选择合适的加热曲线是BGA返修成功的关键，即加热曲线是整个BGA返修的核心。好的加热曲线如图5所示，尽可能让BGA的不同热容的焊点在同一液相温度内，不会出现过温现象。每个焊点的温差小，保证合理的液相时间，且不会连锡短路。

图5BGA加热曲线

加热曲线与BGA返修台的设备性能有关。BGA返修台按加热方式分为红外加热、热风加热和红外／热风混合加热三种。红外／热风混合加热的方式最好，BGA各点的温度几乎是一样的，如图6所示。

图6实际温度曲线与目标曲线重叠

6.2.1.1预热要求

整板预热的目的是减少对返修部位的热冲击，降低单板变形。预热过程要均匀稳定。一般来说，PCB整板要预热到120℃,对于热容量较大的BGA和较厚的PCB,需要更高的预热温度。预热温度要适当，太高若超过PCB基材的Tg(玻璃化转变温度）点，单板就容易变形，预热温度太低，又起不到减少变形的作用。

6.2.1.2拆除器件

当BGA所有焊点熔化后，用真空吸嘴把器件吸走，此时必须要确保所有焊点的温度都达到熔锡温度，无铅焊料最高温度235-245℃。如果未达到熔锡温度就拆除器件，可能会把焊盘拉起。

6.2.1.3焊盘清理

拆除器件后要清理PCB上的焊盘，得到平整度高的焊盘表面，以利于再次印锡。焊盘清理时要选择合适的烙铁温度和吸锡线，注意操作方法，避免损伤焊盘。对于一些贵重单板，建议采用非接触式的除锡工艺，先将焊锡加热融化，再用真空将焊锡吸走，可有效降低焊盘清理中的不良问题。

6.2.1.4印锡

对可靠性要求高的产品，返修时需要印锡，锡量对可靠性都有较大的影响，锡量不足不能形成充分的共晶焊点，容易产生疲劳损伤，长期可靠性较低。印锡的方式有两种，其一是在PCB焊盘上印锡，其二是在BGA引脚上印锡。在PCB上印锡要求BGA焊盘周围有足够的空间以便操作钢网，在BGA焊球上印锡需要制作印刷工装。

6.2.1.5贴片

贴片主要保证器件贴片后的精度要求，为保证器件自对中效果，引脚面积至少60%位于焊盘上。

6.2.1.6再流焊接

再流焊接的温度参照拆除器件的温度设置。在焊接时注意对周围的其他BGA或QFN(Quad FlatNo-lead Package)器件采取隔热措施，如隔热工装等。热敏或潮敏器件也要采取相应的保护措施。

7、QFN返修

QFN由于封装结构的特点，返修有一定难度气

1)元件小，重量轻，在加热时易被热风吹移位。

2)PCB上布局密度大，QFN周围有很多阻容元件，狭小的空间难于印锡。

3)QFN周围元器件一般布局较密，周围器件易发生焊点重熔，导致金属间化合物(IMC)增厚，从而降低可靠性。

4)器件温度传导快，内部芯片容易因温度过高而受损，在受潮的情况下易产生”瀑米花”现象。

5)不当的加热曲线会导致元器件翘曲变形，PCB起泡、变形和分层等。

QFN返修基本同BGA返修相同，需要注意的是由于QFN器件周围布局较密，QFN拆卸后PCB上可供印锡的空间很小，一般情况下，在如此狭小的空间内很难保证锡膏印刷质量的。为了提高印锡质量，通常我们在QFN器件焊盘上印锡。印锡需要制作支撑工装和印锡小钢片，如图7所示。钢片开口根据QFN的焊盘专门开孔设计，开口大于QFN焊盘开孔的1.2倍即可，厚度根据间距不同，一般可取0.08~0.15mm即可，具体厚度可依据IPC-7525标准。通过计算面积比和宽厚比来确定，以保证印刷后的脱模效果。钢片的加工建议使用激光切割加电抛光处理，开孔截面采用下宽上窄的梯形，以利于锡膏脱模。

图7 QFN印锡

8、CPUSOCKET返修

CPU SOCKET返修的难点在返修过程中PCB变形较大，通常是向下变形，如图8所示。加之CPU SOCKET尺寸大，超过50mm,所以经常会出现虚焊。

图8 CPU SOCKET单板变形示意图

通过测量CPU SOCKET位置PCB板SOCKET内外侧区域的平面度，测试数据如图9所示。可知返修的CPU1区变形较大，平面度实测0.193mm,正常焊接的CPU2区变形较小，平面度实测0.056mm。

9、总结

PCBA返修前一定要正确预热单板，同时随着PCBA组装密度越来越高，器件组装越来越精密，需要考虑自动或半自动返修方法[6]。传统的手持热风枪或烙铁来加热PCBA是不可控的工艺。因为不知道会对电路板、焊点和焊点周围的东西造成什么损坏。希望更多使用受控制的工艺方法，设定合适的温度曲线，这样就能够知道返修对PCBA其他部分的影响，以及对电路板的可靠性会产生哪些不利影响。总之，采用自动和半自动返修方法，过程严格遵循IPC-7711/7721标准中的返修程序，并完成相关测试和检验步骤，才能达到PCBA的可靠返修。

图9 CPU SOCKER平面度

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