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      SMT貼片加工返修過程介紹


      多年來,電路和元件不但越來越小、越來越精密,而且結構越發復雜,功能更強大。與此同時,巨大的競爭壓力遍及生產制造的各個環節;產量和獲利能力是關鍵。正是在這種背景下,返工再也不是一種可有可無或者臨時性的工作,它已經成為必不可少的工藝之一。它也是電子制造過程中最容易出問題但又不容忽視的一個環節,特別是在有陣列封裝的地方。高效率、高質量返工是影響BGA成敗和利潤的最重要的因素。隨著SMT貼片加工無鉛工藝的引進,因為無鉛材料需要更高的溫度,而這可能會對對溫度敏感的電路板材料和元件造成無法彌補的損害,所以返工質量變得越來越重要。

            不管是SMT貼片加工含鉛工藝還是無鉛工藝,也不管返工的是常規元件還是陣列封裝元件,返工的主要步驟(解焊、移去、場地清潔和重新貼裝)是一樣的。關于這些,有很多文獻作了介紹,從事返工的專業人員也都非常清楚,所以這篇文章的重點是加熱技術,這是在無鉛返工中令人最頭痛的問題,以及怎樣才能更好地在大型雙面PCB上通過再流焊焊接陣列封裝元件。
            SMT貼片加工含鉛焊料的熔點是183℃,再流焊的溫度是210-220℃;錫銀銅(SAC)無鉛焊料合金的熔點是217℃,再流焊溫度在235℃和250℃之間。這個溫度與元件的溫度上限非常接近,很容易損壞元件。例如,IPC規定的元件最高溫度是260℃,對一些元件制造商來說,這個溫度已經太高了。無鉛工藝的處理窗口比以前更窄,這一點無庸置疑。顯然,如果要想避免問題,就必需準確設定和控制各項溫度參數,例如,目標溫度、升溫速度、保溫時間、溫差和加熱器的尺寸及放置位置。無鉛工藝需要使用更高的溫度,要形成可靠的焊點,就必需把無鉛焊料加熱到至少230℃。根據iNEMI標準,因為工藝變化約在±5℃之間,所以,要想得到可靠的無鉛焊點,再流焊的最低溫度要在235o-245℃這個范圍。

            在這個溫度范圍下工作,最大的一個挑戰是在如何保證進行返工的SMT貼片加工BGA外殼始終保持在較低的溫度,BGA外殼一般是用對溫度敏感的塑料制成。對大型BGA來說,高溫會使外殼的四角向下彎曲,這很可能會造成短路,特別是對很難正確焊接的元件來說,更是如此。這可能是因為使用了的BGA基片材料很差。一些元件制造商沒有對他們原有的含鉛封裝針對無鉛溫度重新進行開發,而只是簡單地把含鉛焊料更換成無鉛焊料,或者,在轉向無鉛時,他們可能打算提供一種比較便宜的過渡性封裝。

            在返工時還要考慮的另一個因素是SMT貼片加工溫度的變化(ΔT),或在一個組裝內不同元件之間的溫差。一個良好的返修工藝,在對工藝進行嚴密控制的情況下,可以保證需要返工的焊球的溫差低于10oC、接近5oC。與此相似的是,為了避免電路板出現扭曲變形以及以后出現可靠性方面的問題,一些制造商規定在返工位置沿著PCB縱向的ΔT為7oC。

            時間就是金錢。生產效率量越高,收益就越高。和電子制造其他各個環節一樣,SMT貼片加工返工也是這樣。也就是說,再流焊的速度越快越好。因此,對于無鉛銲料,返工專業人員必需保證溫度迅速上升,這其中部分原因是因為無鉛焊接需要更高的溫度。下降速度也要更快,確保從熔化到最高溫度的時間應盡可能短。在這里,工藝控制是關鍵。

           在加熱陣列封裝元件時,在對流加熱中,熱空氣是從噴嘴流出,立即起加熱作用,但是可以使整個組裝和封裝的溫度緩緩上升,所以熱風加熱比傳導加熱更加實用。

           最重要因素是加熱器相對于PCB的尺寸和位置。如果熱量只是集中在返修區域上,基板的實際溫度將遠遠超出它所能承受的最高溫度,此時,PCB的其他部位仍保持低溫。這會造成PCB變形,對連接造成應力;局部高溫可能會使阻焊劑起泡。

           為了避免這些SMT貼片加工問題,加熱含鉛PCB的標準方法不只是對需要返修的BGA進行加熱,而是對整塊電路板加熱,把熱風溫度設到最高溫度——220℃,加熱,使它達到再流焊溫度。用這個辦法,元件的表面溫度會達到190℃-200℃,焊鍚溫度會達到220℃。

           可惜的是,出于某些原因,一些公司發現,更高的SMT貼片加工熱風溫度會給無鉛PCB帶來災難性的后果,所以,在無鉛PCB上不能使用同樣的方法,特別是電路板的反面。這是因為與PCB正面一樣,在反面也布滿了容易損壞的元件和連接器。這些元件和連接器的塑料部分可能會翹曲和變形,需要額外的返工處理,或者它們的引腳只能不完全再流焊。然而,元件和連接器可能會使焊點拉長、塌陷和變寬,或者會電路板反面上脫落。正是因為可能存在這些缺陷和損壞,所以這些元件,和電路板正面上的元件一樣,在返修后需要檢查,看毛是否有燒壞、掉色或扭曲。

          一些返工專業人士想在反面把無鉛電路板加熱到接近217℃的熔點溫度,然后再在正面直接把BGA加熱到再流焊溫度,來避免這些風險。雖然這比根本沒有預熱強很多,但是在再流焊接下面的焊球時,BGA的溫度會超出它的溫度上限──仍然有可能造成損壞。
           
            鑒于這些問題,在大型雙面SMT貼片加工上返工陣列封裝元件時,溫度曲線需要編程并且連續地進行控制。這就要求再流焊設備的體積很大,足以容納和支撐PCB,避免它出現扭曲;功率相當大,能夠迅速預熱整個電路板;準確度好,能夠在精確的時間與溫度范圍內,只對需要返工的元件進行再流焊。

            當然,對所有電路板來說,理想的溫度曲線還要由它的尺寸、質量、元件類型和元件密度來決定。舉個例子,對含有陣列封裝元件的大型雙面PCB來說,這包括一個預熱階段,它通過放在電路板下面的大型陣列加熱器來加熱整個電路板,達到低于焊料的熔點溫度的某個溫度,理想的溫度是190℃。這時,把下面大的加熱器關掉,改用上面和下面的加熱噴嘴,它們對準局部的BGA返工位置加熱,使它在很短的時間內達到再流焊溫度。因為預熱階段和局部加熱噴嘴是順序地進行的,所以噴嘴能夠使用溫度更低的氣流達到目標溫度。這降低了加熱造成BGA及其外殼損壞的風險,也不會危及周圍的標記。
            
            SMT貼片加工其他位置的溫度保持在190-200℃之間,這意味著返工位置的溫度能夠迅速下降到安全水平,避免電路板出現局部扭曲。因為電路板的其他部位始終低于熔點溫度,所以電路板下面的元件損壞的風險較小,而且只在必需的位置進行再流焊。整個電路板的溫差(ΔT)始終不超出允許范圍,這是能夠做到的。
           
           根據經驗、耐心和反復實驗研制出針對雙面電路板的返工加熱工藝,以此為基礎來開發用于具體產品的溫度曲線。精度和速度是返工成功的關鍵,只是簡單地提高現有的硬件的溫度是不夠的。重要的是,返工設備的功率要相當大,能夠在無鉛工藝所需要的更高溫度下精確地工作,而閉路反饋和專門的控制軟件將是實現陣列封裝元件高質量返工的關鍵
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