某型航發(fā)電調(diào)芯片級維修方法的研究

■ 李志鵬 周群 羅江雄 辛孝軍/ 成都航利（集團(tuán)）實業(yè)有限公司 空裝成都局某軍代室

0 引言

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（以下簡稱電調(diào)）替代了機(jī)械液壓計算機(jī)構(gòu)，簡化了發(fā)動機(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。面對修理高度集成且無相關(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)芯片級維修方法開展研究，以實現(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產(chǎn)品帶來的影響。

1 應(yīng)用背景

1.1 需求分析

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，手工維修方式已經(jīng)無法滿足修理產(chǎn)能需求。由于數(shù)字電路高集成度、高精度的發(fā)展趨勢，維修風(fēng)險不斷加大，對操作人員的技能水平要求逐漸提高，維修過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)對這些問題，亟需進(jìn)行新型電調(diào)芯片級維修方法的研究。

1.2 設(shè)備選擇

返修工作站可實現(xiàn)各類芯片的自動化貼裝與維修工作。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 組件上都會使用涂覆層進(jìn)行保護(hù)，且涂覆層會反射部分紅外線，故選取Summit 750i 熱風(fēng)型返修工作站進(jìn)行新型電調(diào)芯片級維修方法的研究。

1.3 工藝標(biāo)準(zhǔn)選擇

參考近年來國內(nèi)外通用的電子行業(yè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，選取IPC 國際焊接標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合現(xiàn)有電子產(chǎn)品修理技術(shù)文件，作為研究過程中的產(chǎn)品質(zhì)量控制、工藝要求的指導(dǎo)性文件。

2 方法研究

2.1 涂覆層施工

由于航空航天類電子產(chǎn)品對PCB組件的可靠性要求極高，且惡劣的使用環(huán)境會導(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程中，首先需要剝離涂覆層，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（見圖1）對新型電調(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 芯片拆除方法

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，熔點為183℃，因此芯片拆除過程中的加熱溫度應(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大時會出現(xiàn)PCB 板分層現(xiàn)象，且在加熱過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整板造成的熱損傷，決定采用三級加熱的方法對整板進(jìn)行預(yù)熱。

如圖4 所示，三級加熱即是整板加熱（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，為降低熱風(fēng)對其他元器件的影響，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面上，使用工作臺上的夾具將PCB板固定，固定時應(yīng)防止夾具與元器件接觸造成機(jī)械損傷，或是在后續(xù)加溫過程中造成熱損傷。

溫度曲線坐標(biāo)系內(nèi)X軸為時間，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 中的方法與實際試驗結(jié)果，新型電調(diào)芯片溫度曲線應(yīng)滿足表1 的要求。

表1 三級加熱示意表

表1 中目標(biāo)溫度是指熱源模塊溫度通過熱風(fēng)傳遞到不同測溫點的實際溫度，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，通過接觸需加熱表面熱電偶傳感器反饋的實際溫度不斷修正生成的[4]。

為保障PCB 板表面水分蒸發(fā)、焊接過程中助焊劑充分激活，應(yīng)設(shè)置足夠的預(yù)熱時間，且為了保證整個拆除過程中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流程。

2.3 芯片焊接方法

2.3.1 簡單芯片安裝

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程中的溫度曲線進(jìn)行安裝，具體實施流程如圖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)嚢杼幚怼Ｄ壳埃撔碗娬{(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，此方法操作簡單、方便靈活、成本較低、錫量容易控制，可以使元器件放置時具有良好的共面性。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)。基于此方法使用的焊料及元器件，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，通過大量試驗分別設(shè)定焊接溫度曲線并固化在焊接程序中，焊接時根據(jù)待焊芯片選擇對應(yīng)的焊接溫度程序。

3）元器件夾取和定位

設(shè)計專用工裝進(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)計工裝，通過前后定位孔將之固定在焊臺上，可保證夾取后元器件與已固定待焊板件對正。

定位系統(tǒng)由工作臺移動控件和棱鏡裝置控件組成，圖6 所示為進(jìn)行元器件定位時的具體操作流程。

圖6 元器件定位操作方法

首先，移動元器件至棱鏡成像裝置上方，通過觀察焊盤的成像以及參考待焊板件放置位置調(diào)節(jié)工作臺平面度；其次，通過移動控件粗調(diào)，將元器件大致移動至焊盤正上方；最后，經(jīng)過細(xì)調(diào)調(diào)整定位。經(jīng)過反復(fù)試驗驗證，對于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應(yīng)焊盤表面垂直對齊，再通過水平調(diào)節(jié)，使元器件引腳移動至焊盤中間。整個調(diào)節(jié)過程中，通過棱鏡成像光學(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。利用照明控制盒對照明的相對強(qiáng)度進(jìn)行控制，可通過暫時關(guān)閉任一組照明的方法實現(xiàn)最佳的觀察效果。

若出現(xiàn)元器件無法準(zhǔn)確定位情況，則需移開元器件重新進(jìn)行夾取，保證夾取時元器件相對待焊板件保持對正。

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

啟動焊接程序，依據(jù)設(shè)計好的溫度曲線加熱焊接，通過鉑電阻進(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。

3 應(yīng)用效果

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，而且焊點一致性大幅度提高，驗證此方法可靠有效，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)場因部分復(fù)雜芯片無法手工維修造成的停修現(xiàn)象，提升了新型電調(diào)的國內(nèi)自主保障維修能力。

4 結(jié)論

本文對于某型電調(diào)中常換復(fù)雜芯片夾取工裝設(shè)計、刷錫鋼網(wǎng)厚度、定位對齊順序、焊接溫度曲線以及檢查工藝標(biāo)準(zhǔn)的研究，已經(jīng)在實際維修工作中經(jīng)過多次試驗和改進(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，對于類似電子元件的修理有借鑒意義。