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，以及需要進行選擇性波峰焊接的球柵格陣列(BGA)器件等。對這些板子進行波峰焊接時，經(jīng)?？梢钥吹皆谀承┕潭ǖ膮^(qū)域(如連接器等處)會形成橋連，而這些缺陷其實事先就可以預(yù)計到。橋連通常是因板子設(shè)計的原因或者焊接時使用的托架造成的，要想徹底解決不是很容易，因此只有靠返修來消除缺陷，從而延長了生產(chǎn)周期。
　　在用波峰焊進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其潤濕性都會很容易改變，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行返修將增加生產(chǎn)的成本和工作量，而且人們普遍認為經(jīng)修補的焊點會降低產(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)，例如焊后對整塊板熱風(fēng)刀處理(用一束空氣或氮氣吹向熔融的焊點以去除橋連)就是一種在波峰焊中應(yīng)用了多年的標準技術(shù)。但是這種方法對焊接區(qū)域沒有選擇性，使好的焊點也受到一定影響。 最近，隨著工藝控制與計算機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)域進行去橋連處理，而不會碰到其它好的焊點。
　　選擇性去橋連通過調(diào)整氣流方向，使其只對準橋連可能發(fā)生的區(qū)域達到去除橋連的目的。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)里的計算機進行控制。實現(xiàn)選擇性去橋連的關(guān)鍵是要準確地調(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。 為了進一步確定選擇性去橋連系統(tǒng)的效果，我們選用8個試驗板進行評估，并參考與線路板設(shè)計相關(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)常會于底部產(chǎn)生橋連的穿孔(PTH)連接器，焊接時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，橋連隨機發(fā)生在連接器上及某些表面貼裝元件中間。焊接時不使用選擇焊托架，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整板進行。
　　樣板E和F 尺寸約53.3×12.7cm，雙面表面貼裝板。兩種樣板在一個邊上都有多個PTH連接器，并使用選擇焊托架進行波峰焊接，連接器上有隨機性橋連發(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元件中包含多個連接器，位置遍布整個板子，板子可允許有一點點翹曲。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PGA插座。它也有選擇焊托架，而且允許出現(xiàn)翹曲。 試驗顯示，使用選擇性去橋連系統(tǒng)后產(chǎn)品的缺陷大為減少，但是被試驗的小尺寸樣板卻看不出去橋連工具的效果，所以我們又進行了更大范圍的內(nèi)部評估。
　　測試參數(shù)：選擇性去橋連系統(tǒng)在正式安裝前先進行了為期三個月的內(nèi)部評估，在得到客戶同意后，設(shè)備供應(yīng)商將去橋連系統(tǒng)安裝在一臺波峰焊機上，然后我們對成品率、停機時間、運行成本以及維護等各種數(shù)據(jù)進行全面評估。
　　如前所述，此次內(nèi)部試驗采用了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、工藝參數(shù)的優(yōu)化以及所用的工具，不過系統(tǒng)軟件也確實能使設(shè)置更加系統(tǒng)化并且可重復(fù)使用。
　　噴射形狀：因為去橋連工具是有選擇性地破壞焊接橋連處的潤濕性，所以，確定噴射的形狀并加以控制是一個應(yīng)重視的問題。我們用一個專門的測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PCB之間，測試PCB表面的溫度變化情況。在所有熱源都不開啟的時候，感熱紙上記錄的圖形就是由去橋連裝置產(chǎn)生的。我們設(shè)計了一個簡單的程序來做這個實驗。
　　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。該項測試得到的主要結(jié)果有：寬度與程序設(shè)定完全一致；在低速傳送時長度方向控制得很好；在低速傳送時外形輪廓非常清晰：為了改進噴嘴的噴射形狀，在最初的測試位置中再加入一個新區(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)后不會對這些限制條件產(chǎn)生影響，我們對一個樣板的溫度曲線進行了測量。溫度曲線顯示焊接面元件承受的熱應(yīng)力相對來說比較小，重要的是去橋連裝置不會影響所規(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，我們在一塊PCB樣板上放置了6個熱電偶探頭，希望能測出去橋連系統(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7.6×7.6cm的噴射區(qū)。 噴射區(qū)存在過高的溫度梯度會造成噴射區(qū)局部出現(xiàn)翹曲。試驗發(fā)現(xiàn)，1號熱電偶和6號熱電偶之間測得的溫差為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，試驗還證實邊界部分溫度略微偏高，出現(xiàn)熱量不均勻主要是因為在噴嘴的起止位置噴射會有重疊。
　　生產(chǎn)數(shù)據(jù)：對于去橋連系統(tǒng)性能的最終檢驗要看其在實際生產(chǎn)環(huán)境中的效果，希望去橋連系統(tǒng)能夠準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，從圖中可看到，使用選擇性去橋連系統(tǒng)后，8個樣板中有6個(A～F)橋連減少了80%以上，其中A和B達到100%，C和D則達到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)在板子過波峰焊時不需要用選擇焊托架，請注意樣板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)計使得用傳統(tǒng)波峰焊托架進行加工越來越困難，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。
　　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，托架上針對需要進行波峰焊的元件設(shè)計了開口，但托架的這種設(shè)計卻使得焊料不能很容易地進入或流出所開的口，因而影響了波峰的運動，造成隨機性橋連。 如果用熱風(fēng)刀進行去橋連的范圍太小，則發(fā)揮選擇性去橋連的優(yōu)勢就有一定困難，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)量一年花費在橋連檢修上的費用估算出來的。根據(jù)一年的使用維護估計，它的運行成本約為8,000美元，另外以五年折舊和閑置計算，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，針對不同的情況，在修理方面節(jié)省的估算值會有所不同。