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返修系统的选择




关键词:

    返修设备应当能够重复电路板、焊膏和元件原先在再流焊炉中的环境,要求返工系统的温度曲线和再流焊炉一样。它应具备处理在各种规格的电路板上所有元件的能力,包括从最小的无源元件到最大的BGA。

    那么,在评价返修系统时,为什么所有人都把重点放在热管理之外的其他问题上呢?如果系统无法通过这第一个“基本”测试,评价人员就应当转向那些能够通过这种测试的设备。在确定了入围厂商的名单之后,就可以开始着手评价其他相对次要的问题。但是,如果在需要加热的地方温度达不到要求,而其他位置的温度又不够低,就是有再多其他功能也无法按焊膏的技术要求顺利地进行返修。

    现在你该想想如何回答这个问题:你是怎样选择返修系统的?一旦开始展开返修系统的选择流程,需要考虑以下几个问题:
    ● 这是你的第一个返修系统吗?
    ● 是不是在每个地方都配一套系统?在一个地方配备多台工具?或者在遍布全世界的许多任务厂中每个工厂配备各种不同的系统呢?
    ● 所有的系统使用的都是同一个温度曲线吗?得到的结果是不是也都差不多?
    ● 它适合常见的返修工作吗?

    整机制造商(OEM)的要求一般不同于合同制造商(CM)。如果与某一家工具厂商一起干过,可以把它列入名单,这要看他们在这方面的经验。不过,其他厂商之所以被淘汰出局的也只是因为他们没有这方面的经验。尽管新工具需要较长的时间累积经验,但是,长远地讲好处可能超过了增加必要的培训。其他厂商可能有其他方面的优势,但是现在的工具供应商可能会认为这些好处不见得都很重要或者有些优点在技术上是行不通的。

    首要的目标是找到一种在技术上可行的解决办法。然后,才能去考虑其他问题。从根本上讲,在技术上可行就意味着有钱赚。我们也不能忽视一些相对次要的问题,例如应用方面的知识、培训、支持和喷嘴,这些都不容忽视。但是,只有充分认识到首要的技术目标之后,才能够体会他们的真正价值。
    大部分选择流程使用一种评分办法,它采用一套加权的方法,给最终用户认为最重要的问题打分。不论这种对性能进行评分的办法是怎样构成的,结果是预先估计得到的。在用户最重视的问题上至始至终都获得最高分的系统和厂商最终将胜出。预先确定的结论似乎没有什么新意。但是,这个结果也正好说明这种加权的方法对最终结果的影响是多么的重要。
    技术细节对你预先确定的工作内容的影响最大,只有认真对待技术细节的评价,才能保证你的选择不带有主观性。如果没有经过适当研究,那你只能根据各种特征来做决定,而这些特征对返要达到的目标来说可能很重要也可能不重要。例如,如果你选择某一家供应商只是因为你知道如何充分发挥你现有系统的作用,这样你就失去了学习一些新东西所带来的好处。
    价格会是障碍吗?关于现在市场上买得到的“非手工”返修系统的调查通常把市场分成“三万五千美元以下”和“六万美元以上(含六万美元)”。当然,如果考虑到额外元件的价格,可能会有例外的情况;但不管怎样,确实存在这种区别。如是这是你的第一个返修系统,可能只有基本的要求:没有太大的电路板,没有太小的元件,也没有太小的间距。就这类应用而言,价格比较低的产品就能够满足你的要求。除了这些基本需求之外,还要采用最好的方法,并且投入大量的时间进行全面的市场调查。
    这个问题可以归结为温度。高于焊膏或者焊球熔点的温度是很好的。这才是最根本的。但是,必须把它控制在要拆掉的或者要更换的元件上。把时间、流动速度和系统能力结合起来,用它来传递热量,把热量限制在需要它的地方。通过界面可以看到整个热量达到电路板两侧的元件。
    不论是哪个工艺的温度曲线,不论是再流焊炉还是返修系统,乍一看它们都非常相似。它们以大约每秒3℃的速度上升,然后进入平坦的保温区,在高于液相线上停留30至90秒,然后再迅速下降到室温。但是当我们把多个热电耦放在电路板的不同位置上、同时测试它们的温度时,就可以明显地看到不同系统间存在重大的差别。
    这是iNEMI在评价和比较返工系统的可重复性和模拟再流焊炉的规定中采用的方法。它使用一个在重要位置埋入了热电耦的器件*来测量温度。在很多情况下,元件出现的问题和在喷嘴下面出现的问题一样重要。把热电耦安装在电路板的末端,保证温度变化不超出允许的范围,以避免电路板扭曲变形。也可以把它们安装在印刷电路板的上面和下面。在电路板上面进行返修,而稍不注意就会影响到电路板下面的元件,这种返修没有任何实际意义。因此,正确评价系统性能的办法是加热、探测和 量。在选择一个返修系统时不一定要采用如此详细的评价体系,但它可以从所有的返修系统的同一个位置收集到数据,可以避免主观性。两个热源促成这个能量密度——上面的和下面的。

底部加热
    对返修系统来说,在电路板下面加热是“大范围”加热,这通常会提高电路板周围的温度(保温)。这个温度要相当高,但是上面的局部热量不必过于集中,温度要适度,不能损坏在电路板上面和下面对温度敏感的元件。最重要的是加热要均匀,我们可以在电路板上测量从这一端到另一端的温度,这最能说明加热器能否提供均匀的基准温度,我们可以通过在上面通过局部加热来补充基准温度的不足。我们可以放上热电耦,运行温度曲线,然后再测量并且比较结果。对供应商的底部加热器技术规格作一个调查,可能会使人相信加热器的功率规格是系统给电路板加热的保障。不过,根据这个参数来做判断是错误的。需要确定的是下面的加热器的效率;仅提高功率解决不了任何问题。通过热量的扩散,保证电路板及时、充分地加热才是关键。

顶部加热
    顶部加热是比较重要的,或者说是在有源元件周围产生一个“小范围”加热环境,这样我们可以很好地把加热控制在局部范围内。这时不仅要向需要加热的地方及时输送热量,同时要防止热量传到不需要它的地方,保证邻近组件不受影响,这点是同样重要的。由于红外加热无法把热量完全集中在需要它的地方,因而会影响邻近的元件,所以下面不讨论顶部红外加热系统。

    在返工艺中使用的喷嘴是操控加热器产生的热气流的装置。所有厂商都宣称自己拥有独一无二的喷嘴设计;大多数厂商都设计出了复杂的喷嘴,让热量流到需要它的地方,而且看起来做得很不错。不过,只有当加热元件和流量控制电子电路产生的温度和流动速度是均匀的时候,才能达到我们的要求。有两种完全不同的、用于加热元件的热空气生产理论(图1),尽管这两种理论完全不同,但是它们的目的是一样的:形成温度可调的热气体(空气或者氮气),让热气流流到器件以及焊球和印刷电路板之间的界面。它还必需能够控制热气流的数量。大型元件需要的热量比小型元件的更多,如果气流的流动速度过大,可能会因此造成小元件错位。
在大多数系统中使用的某种比例积分微分(PID)电子控制。从系统跟随预定斜升信号的能力、达到设定温度的超调量和失调量就可以看到它的作用(图2)。为了克服过度饱和的影响,用热气旁通的办法可以在短时间出现的周围的热气送进混合室,然后经过喷嘴。这种系统得到的结果是明显地降低了超调量或者失调量──系统能够直接跟随设定温度。如果不能保证喷嘴内的空气的温度保持均匀,也就无法均匀地加热组件。随着电路板越来越复杂,影响加热的因素就变得非常重要。这些因素不管在哪方面的改进都有利于提高系统的整体性能。
最后是返修工艺的重复性。操作人员能够独立地得到可重复的结果吗?在一个系统上多次运行同一条温度曲线,得到的结果是不是一样?在不同的机器上运行标准的温度曲线,得到的结果是不是相同?这可能需要作全面彻底的分析,但是,如果返工工作不是用一个系统偶尔进行返修,这就很重要。对于同一组电路板和组件,A系统使用A曲线、B系统使用B曲线,是否都能达到同样的结果,这取决于系统的热管理能力。是否能做到这点,充分地说明了厂商的质量控制,也说明了他们生产的相同工具的一致程度。

结论
    评估返修系统时,以下三点要满足要求:
    ● 电路板尺寸:最大和最小的电路板都能够返修吗?
    ● 精度:这个系统的精度达到要求了吗?对于尺寸最小的元件精度优于0.5密耳?
    ● 分辨率:用同样的光学系统能否分辨出最小的元件(0201或者更小)和最大的元件(大于50mm)?
假设以上三点都做到了,就应当注意每个系统的热管理能力上。在进行评估时,按照以下步骤进行,确保系统达到技术要求:
    1. 制定技术要求:每项技术加权;
    2. 评估整个市场;
    3. 让销售商把设备搬到你的工厂里;
    4. 使用你自己的测试材料;
    5. 抛弃旧有的偏见,测量性能,充分展示自己;
6. 要充分信任供应商,向他们提供各种有用的信息,发挥他们的智能和作用,要能够接受新事物。

* Rework Rider, ECD, Milwaukie, Ore.

chris Underhill博士是Finetech公司总经理,电话:1 480 893-1630;电子邮件:chris@finetechusa.com.
图2 旁通的好处。

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