■ 李志鵬 周群 羅江雄 辛孝軍/ 成都航利(集團(tuán))實(shí)業(yè)有限公司 空裝成都局某軍代室
某型全權(quán)限數(shù)字式電子控制(FADEC)上使用電子調(diào)節(jié)器(以下簡(jiǎn)稱電調(diào))替代了機(jī)械液壓計(jì)算機(jī)構(gòu),簡(jiǎn)化了發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)械液壓結(jié)構(gòu)。電調(diào)中使用數(shù)字電路取代了模擬電路,減小了電調(diào)的體積,但增加了電調(diào)的維修難度。面對(duì)修理高度集成且無(wú)相關(guān)大修資料的難題,本文就使用返修工作站進(jìn)行該型電調(diào)芯片級(jí)維修方法開(kāi)展研究,以實(shí)現(xiàn)自主保障,提高產(chǎn)品維修質(zhì)量,降低操作一致性差異對(duì)產(chǎn)品帶來(lái)的影響。
以往電調(diào)修理中,操作人員以手工維修方式進(jìn)行芯片級(jí)維修工作。培養(yǎng)一名合格的維修人員大約需要5 ~8 年。伴隨著航空裝備維修需求的日益增加,產(chǎn)品數(shù)量成倍增長(zhǎng),手工維修方式已經(jīng)無(wú)法滿足修理產(chǎn)能需求。由于數(shù)字電路高集成度、高精度的發(fā)展趨勢(shì),維修風(fēng)險(xiǎn)不斷加大,對(duì)操作人員的技能水平要求逐漸提高,維修過(guò)程中的溫度控制直接影響PCB 基板維修質(zhì)量,因此手工維修難以持續(xù)滿足新型電調(diào)的修理可靠性需求。為應(yīng)對(duì)這些問(wèn)題,亟需進(jìn)行新型電調(diào)芯片級(jí)維修方法的研究。
返修工作站可實(shí)現(xiàn)各類芯片的自動(dòng)化貼裝與維修工作。主流的返修工作站分為熱風(fēng)型、紅外型、熱風(fēng)紅外型,考慮到進(jìn)口PCB 組件上都會(huì)使用涂覆層進(jìn)行保護(hù),且涂覆層會(huì)反射部分紅外線,故選取Summit 750i 熱風(fēng)型返修工作站進(jìn)行新型電調(diào)芯片級(jí)維修方法的研究。
參考近年來(lái)國(guó)內(nèi)外通用的電子行業(yè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),選取IPC 國(guó)際焊接標(biāo)準(zhǔn),結(jié)合現(xiàn)有電子產(chǎn)品修理技術(shù)文件,作為研究過(guò)程中的產(chǎn)品質(zhì)量控制、工藝要求的指導(dǎo)性文件。
由于航空航天類電子產(chǎn)品對(duì)PCB組件的可靠性要求極高,且惡劣的使用環(huán)境會(huì)導(dǎo)致元器件引腳與PCB 板之間的金屬互化物結(jié)構(gòu)趨向不穩(wěn)定,進(jìn)一步導(dǎo)致電子產(chǎn)品發(fā)生故障[1],因此在PCB板表面覆蓋涂覆層,與大氣環(huán)境隔絕,可以有效降低電子產(chǎn)品的故障率,做到防塵、防污染、防氧化。
在使用返修工作站維修過(guò)程中,首先需要?jiǎng)冸x涂覆層,在維修完成后再進(jìn)行修復(fù)。使用IPC7711/7721 維修指南中的敷形涂覆層鑒別方法(見(jiàn)圖1)對(duì)新型電調(diào)表面的涂覆層進(jìn)行鑒定[2]。結(jié)果表明其主要成分為聚氨酯樹(shù)脂,故選擇丙酮溶劑作為溶液,使用溶劑法剝離新型電調(diào)表面的涂覆層,具體方法如圖2所示。
圖1 涂覆層材質(zhì)鑒別
圖2 剝離涂覆層方法
實(shí)際工作中,涂覆層剝離的范圍應(yīng)適當(dāng)大于待拆除元器件的尺寸,以防在后續(xù)翻修過(guò)程中熱風(fēng)將元器件附近的涂覆層融化。剝離完成后,可在已剝離的區(qū)域進(jìn)行維修工作,待元器件更換完成后再對(duì)剝離的涂覆層進(jìn)行修復(fù),如圖3 所示。
圖3 涂覆層修復(fù)方法
2.2.1 預(yù)熱方法及溫度的選擇
新型電調(diào)采用的焊料均為Sn63Pb37有鉛焊料,熔點(diǎn)為183℃,因此芯片拆除過(guò)程中的加熱溫度應(yīng)大于183℃。但新型電調(diào)采用的是多層PCB 板,當(dāng)局部受熱與整板溫差過(guò)大時(shí)會(huì)出現(xiàn)PCB 板分層現(xiàn)象,且在加熱過(guò)程中板層之間的水分子受熱膨脹,導(dǎo)致PCB 板出現(xiàn)氣泡。為杜絕以上情況的發(fā)生,最大程度上降低維修對(duì)整板造成的熱損傷,決定采用三級(jí)加熱的方法對(duì)整板進(jìn)行預(yù)熱。
如圖4 所示,三級(jí)加熱即是整板加熱(底部)、待修區(qū)域加熱(底部)、元器件加熱(頂部),通過(guò)階梯式溫度控制,有效縮小整板的溫度差異,從而保證修理后的可靠性。同時(shí),為降低熱風(fēng)對(duì)其他元器件的影響,應(yīng)在待拆除芯片周圍使用聚酰亞胺膠帶進(jìn)行保護(hù)。
圖4 三級(jí)加熱示意圖
2.2.2 溫度曲線設(shè)定
將PCB 板放置在返修工作站的工作臺(tái)面上,使用工作臺(tái)上的夾具將PCB板固定,固定時(shí)應(yīng)防止夾具與元器件接觸造成機(jī)械損傷,或是在后續(xù)加溫過(guò)程中造成熱損傷。
溫度曲線坐標(biāo)系內(nèi)X軸為時(shí)間,Y軸為溫度,主要由預(yù)熱曲線、加溫曲線、冷卻曲線組成,坐標(biāo)系內(nèi)應(yīng)至少包含整板溫度、元器件封裝溫度、元器件引腳溫度三條溫度曲線。溫度曲線的設(shè)定原則是使用最短時(shí)間,將所有焊料融化,滿足元器件拆除、安裝的需求[3]。根據(jù)以上原則,結(jié)合IPC7711/7721 中的方法與實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果,新型電調(diào)芯片溫度曲線應(yīng)滿足表1 的要求。
表1 三級(jí)加熱示意表
表1 中目標(biāo)溫度是指熱源模塊溫度通過(guò)熱風(fēng)傳遞到不同測(cè)溫點(diǎn)的實(shí)際溫度,加熱溫度是指熱源模塊發(fā)熱體的溫度。加熱溫度是由Summit 750i 熱風(fēng)型返修工作站根據(jù)設(shè)置的目標(biāo)溫度,通過(guò)接觸需加熱表面熱電偶傳感器反饋的實(shí)際溫度不斷修正生成的[4]。
為保障PCB 板表面水分蒸發(fā)、焊接過(guò)程中助焊劑充分激活,應(yīng)設(shè)置足夠的預(yù)熱時(shí)間,且為了保證整個(gè)拆除過(guò)程中PCB 板表面溫度差的穩(wěn)定,需將預(yù)熱溫度作為輔助加熱貫穿整個(gè)流程。
2.3.1 簡(jiǎn)單芯片安裝
部分芯片可參照IPC7711/7721 中的焊接方法進(jìn)行手工焊接。
2.3.2 復(fù)雜芯片安裝
復(fù)雜芯片可使用拆除過(guò)程中的溫度曲線進(jìn)行安裝,具體實(shí)施流程如圖5所示。
圖5 復(fù)雜芯片焊接流程
1)焊接前準(zhǔn)備
焊接前準(zhǔn)備包括焊盤引腳上錫和待焊板件的固定。上錫前,錫膏須進(jìn)行回溫、充分?jǐn)嚢杼幚?。目前,該型電調(diào)修理涉及的元器件引腳間距較小,上錫采用的是目前主流的鋼網(wǎng)刷錫法,此方法操作簡(jiǎn)單、方便靈活、成本較低、錫量容易控制,可以使元器件放置時(shí)具有良好的共面性。不同元器件可根據(jù)焊接錫量要求和錫膏顆粒度等指標(biāo)定制不同厚度的鋼網(wǎng)?;诖朔椒ㄊ褂玫暮噶霞霸骷?,鋼網(wǎng)厚度一般設(shè)定為0.15mm。
2)選擇焊接程序
參考待焊元器件焊接過(guò)程和PCB板溫度控制要求,保證板件及待焊元件周圍元器件的完整性和可靠性,擬定不同元器件的焊接曲線。針對(duì)該型電調(diào)修理中經(jīng)常更換復(fù)雜芯片的情況,依據(jù)溫度設(shè)定原則,通過(guò)大量試驗(yàn)分別設(shè)定焊接溫度曲線并固化在焊接程序中,焊接時(shí)根據(jù)待焊芯片選擇對(duì)應(yīng)的焊接溫度程序。
3)元器件夾取和定位
設(shè)計(jì)專用工裝進(jìn)行夾取前元器件的位置固定。依據(jù)元器件封裝形式及大小設(shè)計(jì)工裝,通過(guò)前后定位孔將之固定在焊臺(tái)上,可保證夾取后元器件與已固定待焊板件對(duì)正。
定位系統(tǒng)由工作臺(tái)移動(dòng)控件和棱鏡裝置控件組成,圖6 所示為進(jìn)行元器件定位時(shí)的具體操作流程。
圖6 元器件定位操作方法
首先,移動(dòng)元器件至棱鏡成像裝置上方,通過(guò)觀察焊盤的成像以及參考待焊板件放置位置調(diào)節(jié)工作臺(tái)平面度;其次,通過(guò)移動(dòng)控件粗調(diào),將元器件大致移動(dòng)至焊盤正上方;最后,經(jīng)過(guò)細(xì)調(diào)調(diào)整定位。經(jīng)過(guò)反復(fù)試驗(yàn)驗(yàn)證,對(duì)于SMT 封裝雙排鷗翼型芯片的定位操作,可預(yù)先使元器件引腳與對(duì)應(yīng)焊盤表面垂直對(duì)齊,再通過(guò)水平調(diào)節(jié),使元器件引腳移動(dòng)至焊盤中間。整個(gè)調(diào)節(jié)過(guò)程中,通過(guò)棱鏡成像光學(xué)系統(tǒng)觀察定位情況。光學(xué)照明系統(tǒng)由元件照明系統(tǒng)和基板照明系統(tǒng)組成。利用照明控制盒對(duì)照明的相對(duì)強(qiáng)度進(jìn)行控制,可通過(guò)暫時(shí)關(guān)閉任一組照明的方法實(shí)現(xiàn)最佳的觀察效果。
若出現(xiàn)元器件無(wú)法準(zhǔn)確定位情況,則需移開(kāi)元器件重新進(jìn)行夾取,保證夾取時(shí)元器件相對(duì)待焊板件保持對(duì)正。
4)元器件放置
元器件精確定位后,操作設(shè)備進(jìn)行元器件放置,將元器件固定至待焊表面。放置后通過(guò)棱鏡成像系統(tǒng)再次觀察,若有元器件偏移等定位不準(zhǔn)確現(xiàn)象則重新完成定位步驟。
5)元件安裝及安裝后質(zhì)量檢查
啟動(dòng)焊接程序,依據(jù)設(shè)計(jì)好的溫度曲線加熱焊接,通過(guò)鉑電阻進(jìn)行溫度監(jiān)控,焊接完成后按照IPC 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行焊接質(zhì)量檢查。
使用返修工作站完成修理工作后,進(jìn)行了目視及X 射線檢查,產(chǎn)品焊接質(zhì)量達(dá)到了IPC 檢查目標(biāo)值,而且焊點(diǎn)一致性大幅度提高,驗(yàn)證此方法可靠有效,可推廣至類似電調(diào)的修理中。
目前該方法已應(yīng)用于新型電調(diào)修理并固化在修理工藝中,改進(jìn)后的修理工藝解決了新型電調(diào)修理現(xiàn)場(chǎng)因部分復(fù)雜芯片無(wú)法手工維修造成的停修現(xiàn)象,提升了新型電調(diào)的國(guó)內(nèi)自主保障維修能力。
本文對(duì)于某型電調(diào)中常換復(fù)雜芯片夾取工裝設(shè)計(jì)、刷錫鋼網(wǎng)厚度、定位對(duì)齊順序、焊接溫度曲線以及檢查工藝標(biāo)準(zhǔn)的研究,已經(jīng)在實(shí)際維修工作中經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)和改進(jìn),能夠有效提高修理工藝水平,提高修后產(chǎn)品的可靠性,在提高電調(diào)自主保障維修能力的同時(shí),對(duì)于類似電子元件的修理有借鑒意義。