如何解決PCB組裝中焊接橋連缺陷

印刷線路板組裝包含的技術(shù)范圍很廣，從單面通孔插裝到復(fù)雜的雙面回焊組裝，以及需要進(jìn)行選擇性波峰焊接的球柵格陣列(BGA)器件等。對(duì)這些板子進(jìn)行波峰焊接時(shí)，經(jīng)常可以看到在某些固定的區(qū)域(如連接器等處)會(huì)形成橋連，而這些缺陷其實(shí)事先就可以預(yù)計(jì)到。橋連通常是因板子設(shè)計(jì)的原因或者焊接時(shí)使用的托架造成的，要想徹底解決不是很容易，因此只有靠返修來消除缺陷，從而延長(zhǎng)了生產(chǎn)周期。
　　在用波峰焊進(jìn)行線路板組裝的過程中，焊接橋連是經(jīng)常出現(xiàn)的缺陷之一。要解決這一問題，除了改進(jìn)工藝參數(shù)外，還可以在波峰焊設(shè)備上加裝一種新型的選擇性去橋連裝置。試驗(yàn)證明，用這種系統(tǒng)能大大減少線路板的橋連。
　　焊接橋連
　　焊接橋連是由于焊料處于一種不穩(wěn)定的變化狀態(tài)引起的，它發(fā)生在波峰焊接后段的焊料回流區(qū)域。板子離開波峰時(shí)焊料突然回縮造成焊料回流，回流區(qū)里大量熔融的焊料最后就形成橋連。 熔融狀態(tài)下的焊料遇到任何微小擾動(dòng)其潤(rùn)濕性都會(huì)很容易改變，因此焊料橋連的形成與PCB和波峰焊工藝都有很大的關(guān)系。
　　選擇性去橋連
　　過了波峰焊之后再去查找橋連然后進(jìn)行返修將增加生產(chǎn)的成本和工作量，而且人們普遍認(rèn)為經(jīng)修補(bǔ)的焊點(diǎn)會(huì)降低產(chǎn)品的可靠性。經(jīng)過多年研究，工程人員開發(fā)了很多種在波峰焊接的最后階段減少橋連的技術(shù)，例如焊后對(duì)整塊板熱風(fēng)刀處理(用一束空氣或氮?dú)獯迪蛉廴诘暮更c(diǎn)以去除橋連)就是一種在波峰焊中應(yīng)用了多年的標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)。但是這種方法對(duì)焊接區(qū)域沒有選擇性，使好的焊點(diǎn)也受到一定影響。 最近，隨著工藝控制與計(jì)算機(jī)控制的逐漸成熟以及線路板跟蹤系統(tǒng)的應(yīng)用，已經(jīng)能夠開發(fā)出實(shí)用的選擇性去橋連工具加裝到波峰焊過程中，這種新技術(shù)可挑選易出現(xiàn)焊接缺陷的區(qū)域進(jìn)行去橋連處理，而不會(huì)碰到其它好的焊點(diǎn)。
　　選擇性去橋連通過調(diào)整氣流方向，使其只對(duì)準(zhǔn)橋連可能發(fā)生的區(qū)域達(dá)到去除橋連的目的。該工具用在線路板剛剛退出波峰的地方，此時(shí)焊料仍處于熔融狀態(tài)，噴射范圍和其它工藝參數(shù)先用程序設(shè)定，并由焊接系統(tǒng)里的計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制。實(shí)現(xiàn)選擇性去橋連的關(guān)鍵是要準(zhǔn)確地調(diào)整氣流，并使噴嘴在不接觸的情況下盡可能地靠近PCB。 在決定使用選擇性去橋連系統(tǒng)之前，我們先將它與常規(guī)的熱風(fēng)刀技術(shù)作一對(duì)比。經(jīng)比較發(fā)現(xiàn)，由于種種原因而使得熱風(fēng)刀技術(shù)不能夠滿足我們的要求，如與現(xiàn)有設(shè)備不兼容以及整體成本太高等等。 為了進(jìn)一步確定選擇性去橋連系統(tǒng)的效果，我們選用8個(gè)試驗(yàn)板進(jìn)行評(píng)估，并參考與線路板設(shè)計(jì)相關(guān)的橋連缺陷歷史數(shù)據(jù)。
　　這些樣板的情況如下：
　　樣板A和B 尺寸約12.7×7.5cm，雙面表面貼裝板。兩種板均含有過波峰焊后經(jīng)常會(huì)于底部產(chǎn)生橋連的穿孔(PTH)連接器，焊接時(shí)不使用選擇焊托架而是用可調(diào)節(jié)托架；除連接器以外，所有底面的表面貼裝元件都要經(jīng)過波峰焊，但只有連接器需要去橋連。
　　樣板C和D 尺寸約30×15cm。兩種板具有不同的表面貼裝元件，但卻有相同的PTH元件和多種連接器，橋連隨機(jī)發(fā)生在連接器上及某些表面貼裝元件中間。焊接時(shí)不使用選擇焊托架，而是由傳送帶上的卡爪傳送，去橋連裝置不是選擇性使用而是對(duì)整板進(jìn)行。
　　樣板E和F 尺寸約53.3×12.7cm，雙面表面貼裝板。兩種樣板在一個(gè)邊上都有多個(gè)PTH連接器，并使用選擇焊托架進(jìn)行波峰焊接，連接器上有隨機(jī)性橋連發(fā)生。
　　樣板G 尺寸約38.1×35.6cm，板上含有需雙面回流焊的表面貼裝元件和用于PTH元件的選擇焊托架。PTH元件中包含多個(gè)連接器，位置遍布整個(gè)板子，板子可允許有一點(diǎn)點(diǎn)翹曲。由于有選擇焊托架，所以去橋連裝置無法離板子太近，得不到充分利用。
　　樣板H 尺寸約50.8×38.1cm，板子其它情況和樣板G完全一樣，但是多了一個(gè)PGA插座。它也有選擇焊托架，而且允許出現(xiàn)翹曲。 試驗(yàn)顯示，使用選擇性去橋連系統(tǒng)后產(chǎn)品的缺陷大為減少，但是被試驗(yàn)的小尺寸樣板卻看不出去橋連工具的效果，所以我們又進(jìn)行了更大范圍的內(nèi)部評(píng)估。
　　測(cè)試參數(shù)：選擇性去橋連系統(tǒng)在正式安裝前先進(jìn)行了為期三個(gè)月的內(nèi)部評(píng)估，在得到客戶同意后，設(shè)備供應(yīng)商將去橋連系統(tǒng)安裝在一臺(tái)波峰焊機(jī)上，然后我們對(duì)成品率、停機(jī)時(shí)間、運(yùn)行成本以及維護(hù)等各種數(shù)據(jù)進(jìn)行全面評(píng)估。
　　如前所述，此次內(nèi)部試驗(yàn)采用了8種不同的復(fù)雜線路板。結(jié)果表明，每塊板的缺陷率平均改善了84%，選擇性去橋連系統(tǒng)的效果主要取決于PCB設(shè)計(jì)、工藝參數(shù)的優(yōu)化以及所用的工具，不過系統(tǒng)軟件也確實(shí)能使設(shè)置更加系統(tǒng)化并且可重復(fù)使用。
　　噴射形狀：因?yàn)槿蜻B工具是有選擇性地破壞焊接橋連處的潤(rùn)濕性，所以，確定噴射的形狀并加以控制是一個(gè)應(yīng)重視的問題。我們用一個(gè)專門的測(cè)試托架研究噴嘴的噴射形狀，將一張感熱紙夾在托架和試驗(yàn)PCB之間，測(cè)試PCB表面的溫度變化情況。在所有熱源都不開啟的時(shí)候，感熱紙上記錄的圖形就是由去橋連裝置產(chǎn)生的。我們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)簡(jiǎn)單的程序來做這個(gè)實(shí)驗(yàn)。
　　通過觀察感熱紙上記錄下來的圖形，可以很容易確定出程序設(shè)置的參數(shù)與實(shí)際噴射位置之間的差異。紙上深色區(qū)域表示高熱量傳導(dǎo)區(qū)，顏色深度取決于感熱紙的吸熱能力。該項(xiàng)測(cè)試得到的主要結(jié)果有：寬度與程序設(shè)定完全一致；在低速傳送時(shí)長(zhǎng)度方向控制得很好；在低速傳送時(shí)外形輪廓非常清晰：為了改進(jìn)噴嘴的噴射形狀，在最初的測(cè)試位置中再加入一個(gè)新區(qū)域，新增區(qū)域的主要作用是改變噴嘴的方向使它噴到不影響焊點(diǎn)的位置。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，加入新的區(qū)域后所得到的形狀變得更加穩(wěn)定和清晰。
　　溫度參數(shù)：如波峰焊操作手冊(cè)中所述，所有焊接面元件承受的溫度都不能高于270℃或溫升率大于4℃/秒。為了確保使用去橋連系統(tǒng)后不會(huì)對(duì)這些限制條件產(chǎn)生影響，我們對(duì)一個(gè)樣板的溫度曲線進(jìn)行了測(cè)量。溫度曲線顯示焊接面元件承受的熱應(yīng)力相對(duì)來說比較小，重要的是去橋連裝置不會(huì)影響所規(guī)定的溫度限制條件。 但是感熱紙也顯示出一些熱量不均勻的問題，為了更好地了解去橋連裝置的熱特性，我們?cè)谝粔KPCB樣板上放置了6個(gè)熱電偶探頭，希望能測(cè)出去橋連系統(tǒng)程序所設(shè)定的噴射區(qū)域的溫度變化。為了模擬去橋連系統(tǒng)的熱量變化效果，先編程設(shè)定一個(gè)7.6×7.6cm的噴射區(qū)。 噴射區(qū)存在過高的溫度梯度會(huì)造成噴射區(qū)局部出現(xiàn)翹曲。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，1號(hào)熱電偶和6號(hào)熱電偶之間測(cè)得的溫差為12℃，該溫差應(yīng)盡量減小以使基板及元件所承受的應(yīng)力最小。另外，試驗(yàn)還證實(shí)邊界部分溫度略微偏高，出現(xiàn)熱量不均勻主要是因?yàn)樵趪娮斓钠鹬刮恢脟娚鋾?huì)有重疊。
　　生產(chǎn)數(shù)據(jù)：對(duì)于去橋連系統(tǒng)性能的最終檢驗(yàn)要看其在實(shí)際生產(chǎn)環(huán)境中的效果，希望去橋連系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確地去除波峰焊后線路板上面的橋連。 與以前的工藝相比，選擇性去橋連系統(tǒng)確實(shí)可以減少橋連。圖2是安裝選擇性去橋連系統(tǒng)之后的缺陷數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，從圖中可看到，使用選擇性去橋連系統(tǒng)后，8個(gè)樣板中有6個(gè)(A～F)橋連減少了80%以上，其中A和B達(dá)到100%，C和D則達(dá)到95%。
　　造成結(jié)果改善主要是由于在焊接面沒有表面貼裝元件(樣板A和B)或只有很少的表面貼裝元件(樣板C和D)。這種技術(shù)在板子過波峰焊時(shí)不需要用選擇焊托架，請(qǐng)注意樣板A、B上的橋連全部消除了，而它們并沒有用任何托架。 由于如今線路板采用的技術(shù)和設(shè)計(jì)使得用傳統(tǒng)波峰焊托架進(jìn)行加工越來越困難，所以橋連也越來越多。樣板G的橋連減少75%，樣板H由于各種原因減少得最少，只有20%多一點(diǎn)。
　　樣板H的尺寸為50.8×38.1cm，由于焊接面有很復(fù)雜的表面貼裝元件，所以需要用選擇焊托架，托架上針對(duì)需要進(jìn)行波峰焊的元件設(shè)計(jì)了開口，但托架的這種設(shè)計(jì)卻使得焊料不能很容易地進(jìn)入或流出所開的口，因而影響了波峰的運(yùn)動(dòng)，造成隨機(jī)性橋連。 如果用熱風(fēng)刀進(jìn)行去橋連的范圍太小，則發(fā)揮選擇性去橋連的優(yōu)勢(shì)就有一定困難，另外選擇焊托架本身的厚度也無法使去橋連裝置與線路板的間距達(dá)到最佳。
　　成本分析：使用去橋連系統(tǒng)后在線路板修理方面節(jié)省了約9.8萬美元，此數(shù)據(jù)是以相同的產(chǎn)量一年花費(fèi)在橋連檢修上的費(fèi)用估算出來的。根據(jù)一年的使用維護(hù)估計(jì)，它的運(yùn)行成本約為8,000美元，另外以五年折舊和閑置計(jì)算，設(shè)備方面的成本約1.2萬美元。
　　橋連的減少在某種程度上取決于元件的形狀、混裝程度、托架類型和波峰焊設(shè)備，針對(duì)不同的情況，在修理方面節(jié)省的估算值會(huì)有所不同。