介绍

随着电子制造技术的飞速发展，越来越多的客户对 于 PCB 返修的需求也日趋增加，需要有新的方案和技术 来解决这些新的需求。

大部分的客户需要有效进行BTC（Bottom  Terminated Component，底部终端元件）和 SMT PCB 的 返修，现在至未来的数年里，以下一些课题会被更多人重视并普遍讨论：

•    BTC器件及其特征： 气泡问题的处理

•     更小的器件：微型化（01005 的返修能力）

•     大尺寸 PCB 的处理： 应用于大板返修的动态预热

•     返修工艺的重复性： 助焊剂和锡膏的应用（浸覆技术），残锡的去 除（自动清锡），原料供给，多颗器件的处理，以及返修的可追溯性。

•     操作支持：更高程度的自动化，软件引导操作（友好的人机交 互界面）

•     成本效益：

满足不同预算的返修系统，投资回报率评估

以上几个课题并没有表达出他们的实践相关性。 业界里一直存在不少关于 01005 返修能力的讨论，但 到目前为止，那些声称有此返修能力的技术，还没有 一个被证实能够在日常的实际返修工作中，为这种微 小器件提供真正成功的返修工艺。在精密的流水生产 线中，许多参数需要被观察和控制，包括：

•     解焊和提取器件的时候，不能对紧邻的其 他器件造成影响

•    为小焊点定点添加新的锡膏

•     器件的吸取、校正、贴装

•     PCB 涂层

•    PCB 清洁及其他

然而，由于 01005 器件的存在，返修的挑战已经不可避免地出现。一方面器件尺寸越来越小，装配密度越来越高，另一方面是 PCB 的尺寸越来越大。受益于 通讯产品及网路数据传送技术（云计算，物联网）的发 展，如今计算机中心的运算能力一直在快速的增长。与 此同时，计算系统的主板尺寸也一直在增长。这就有了 一个挑战，如何在返修过程中，均匀且完全地预热一块24“ x 48“（610 x 1220mm）的多层 PCB？

此外，在不断增长的电子制造领域，返修工艺已公认为是电子组装的一部分，而对单个电路板进行返修的记录和追踪，已经成为一个必不可少的要求。在以上提 到的课题中，主要描绘了到 2021年时返修能力的蓝图，接下来将介绍其中三个主题。其他的议题在未来的返修中也是非常重要的，其中有不少已经通过实践认证是可行的，因此只是需要在现有的返修设备中加入或改进。

返修过程中气泡的处理

在含有底部终端元件（BTC）的组装中，气泡的存在对众多应用而言都已经是一个非常严重的问题。对于气泡的定义，在有关焊接缺陷的文章中有如下描述:

[…] 融锡会快速填满适合的空缺处，并在焊点中捕 获了一些助焊剂，这些被捕获助焊剂的气泡就是空洞； […]这些空洞阻碍了融锡的填满。在这样的焊点中，焊 锡是无法填满整个焊点的，因为助焊剂已经被密封在里 面了。[1]

在 SMT 领域，气泡只可能产生以下的这样一种影 响：[…] 由于很少有焊料能适用于每一个焊点，因此焊锡点的可靠性被关注的更多。气泡的存在已经是伴随着焊点的一种普遍的缺陷，尤其是在 SMT 的回流焊过程 中。气泡的存在会恶化焊点的强度并最终导致焊点失效。[2]

关于焊点内气泡的形成对品质造成的影响，在众多 讨论中已经被多次报道：

•    减少了元件到 PCB 之间的热传递，增加了元 件本体温度过高的风险

•     降低了焊点的机械强度

•     焊点内气体本能的逸出 – 会造成焊锡的泼溅

•     影响焊点的载流容量（安培容量） – 由于焊点 的电阻值升高，导致连接处温度过高

•     影响信号的传输 – 在高频应用中，气泡会减弱 信号

尤其在电力电子产品中，气泡在散热焊垫（比如 QFN 封装元件）上的生成，成为现阶段一个不断增加 的问题。热量需要从元件传输到 PCB 进行散热，这个 重要的进程无法实现，从而严重缩短了元件的使用寿命。

除去一些常规减少气泡的方法：如使用低气泡的锡 膏，优化回流焊温度曲线，以及优化钢网的开口以获得 最佳的锡膏量，还有一种在锡膏处于液相状态时进行气 泡处理的方案，也是在整个电子装配过程中一个新的选项。

所以问题是，如何将气泡处理工艺应用到返修设备 这样一个开放的环境中？回流焊使用的真空技术显然不适用。一种基于对 PCB 基板进行正弦激发的技术更加适用于返修（图 1）。 首先是 PCB 受到波幅小于 10μm 的纵波的激励，这种正弦波通过设定的频率对 PCB进行激励，在这个区域内，无论是 PCB 本体还是上面的焊点都会受到这种应激进行自谐振。PCB 在被能量扫描时，元器件保持在原位不动，气泡在液态焊锡的边缘地区被捕获，并有能力从焊点中逸出。

通过这种方式，在新元件的焊接中，将气泡比例降低至 2%成为可能（图 2）。甚至可以通过这种技术， 在二次回流的过程中，可以对已装配好的 PCB 上的目标焊点进行显著的气泡去除。在这种去气泡的返修工艺中，仅仅是 PCB 上被选中的区域被加热至回流状态， 而且只有这个区域被正弦激励，所以对整个产品没有任何的负面影响。

扫描波沿着 PCB 基板 进行纵向前进

通过压电驱动器生产 的线性扫描波进行激励

图 1. 通过压电驱动器处理 PCBA 中的气泡。

图 2. 回流过程中开启激励功能，可以明显减少 MLF 中的气泡比例（应用前和应用后）。

残留焊料的去除 — 除锡

与生产过程不同的是，在电子线路板上进行返修时，去除焊盘上残留的焊料是一个非常重要的步骤。对于将一颗新的元件重新安装到指定位置，以及获得重复性好、可靠性高的焊点而言，这个步骤是必不可少的。

如今常见的手动操作方式取决于操作人员的技能，并隐藏着风险。一颗新的元件重新安装到指定位置，以及获得重复性好、可靠性高的焊点而言，这个步骤是必不可少的。

图 3.  SMT 返修和贴装的过程中，清除多余焊锡的除锡系统。

手动操作、但非接触式地去除残锡的模块，有以下优点：

• 重复性较高，而且非接触式地抽取焊锡

• 没有焊垫破损和剥离的风险

• 没有绝缘漆破损的风险

• 杜绝助焊剂或焊锡在 PCB 上的污染

方法是使用柔和的热风对 PCB 的底部进行预热， 直到残留在 PCB 上的焊锡融化，然后使用真空吸嘴快 速的液态的焊锡从 PCB 表面抽走（图 3）。

除了这种已知的通过热风融化焊锡再通过真空清除 残锡的技术之外，为了保证电路板不受到损伤，控制吸嘴高度也是正常重要的。在第一次操作时，吸嘴的高度 往往需要通过手动方式调节，而在先进的系统中，设备 可以通过压力传感或三角激光测定法自动调节高度。

对于高品质的日常操作来说，焊锡分离及助焊剂过 滤和便捷的保养都是非常重要的产品特征。

这种模组是不会独立于返修台设备而单独存在的， 需要集成在设备中。在除锡工艺过程中，电路板的温度 需要被感知，而且 PCB 底部预热功能必须具有主动性和可控性。

操作引导 — 软件辅助操作

市场明确地需要返修台具有灵活的适应性，操作的 简单性，以及更高的自动化，设备不依赖于操作人员。 集合上述需求，一套面向操作者或设备管理者的具有清 晰结构的交互界面是必需的。

客户对返修流程的一个清晰的期望是实现不依赖操 作人员，并获得高品质的返修结果。这就是为什么越来 越多的自动化工艺流程被应用到返修设备中，HCI（人 际交互界面）的改善也被提出。在返修过程中，具有操 作引导和辅助的系统可以明显的减少作业人员的失误。 具有清晰架构的软件界面能够提供每一个分解步骤所需 的所有必要信息，从温度曲线选择、元件移除、直到最 后的贴装焊接，以及是否需要添加助焊膏或锡膏（图 4）。

所有的工艺步骤都得到辅助，操作人员在整个过程 中都得到引导，并被指导进行下一个工艺操作。当遇到 系统没有自动执行的时候，象形引导图会告诉使用者下 一步该如何操作（图 5）。

图 4. 返修过程中具有清晰架构的曲线选择界面。

图 5. 象形引导图指导使用人员一步一步的进行贴装操作。

计算机辅助贴装（CAP）是另一种手段，通过对影像的处理来获取最佳的结果，并实现对操作人员的辅助。在这个例子中被称为“比较器模式”的画面显示了带有色彩的焊垫和元件焊脚，以及重叠后的虚拟颜色（图 6）。元件的焊脚显示为红色，PCB 上的焊垫显示为绿色，一旦焊脚和焊垫的图像重叠，则会显示为蓝色，标志着已经到达了最佳的贴片条件。

不同于实时相机的图像，计算机辅助贴装功能通过 图像处理手段，提供最佳的颜色对比画面。就好像航空 管制图一样（图 7），系统向使用人员清楚地显示有意 义的数据。因此，操作人员可以把注意力集中在位置校正的任务上，人员的疲劳度也变得最小化。

关于计算机辅助贴装的另一个要素是实现了数字裂像镜（digital split optic）。它可以在高倍率下提供多张图片（如较大的 QFP 元件）来实现最精准的定位（图 8）。它取代了需要另购镜头的光学放大技术，高分辨率的相机图片被分为四个区域，每个区域显示了元件的一个角。定位的工作在高倍的图像中进行，将焊脚和焊垫进行匹配的过程也将变得更加容易。

图 6. 计算机辅助贴装，焊脚和焊垫重叠后颜色变化。

图 7. 飞行雷达图通过高对比度显示有意义的图像（作为参考）

图 8. 数字裂像镜显示元件的四个区域  —  图示为理想的匹配结果。

综述及未来展望

在电子工业中，即使产品的质量在不断的提升，返 修却仍然会是以后数十年的一个挑战课题。电子装配的 集成度越来越高，产品越来越复杂，返修系统的供应商 的任务就是要跟随市场的步伐，并提供可以成功修复电 路板的方案。同时，在返修设备的部分，自动化程度也 将不断提高，操作辅助功能将变得更加重要。除了技术 挑战之外，集成了尽可能多功能的高端返修系统，需要
找到他们的方式，衍生出符合市场需求的出入门级产品。由于更少的报废和电子浪费，商业及环保也将因 此得益。