硬件開發(fā)
電路板改裝工藝分析
由于設(shè)計(jì)更改、制造等原因，在很多電子電氣產(chǎn)品研制單位，改裝工作幾乎不可避免。所謂改裝是指為滿足新的標(biāo)準(zhǔn)，對產(chǎn)品的功能所做的修改。如由于設(shè)計(jì)方案和技術(shù)狀態(tài)改變造成的電路連接或元器件變化，即導(dǎo)線的增減、元器件的增減或變更以及與之所帶來的相應(yīng)的結(jié)構(gòu)上的變化。
航天標(biāo)準(zhǔn)QJ2940A-2001中規(guī)定：“印制電路板組裝件的改裝是指連接特性的改變。這種特性的改變是通過切斷印制導(dǎo)線、增加元器件以及切斷和增加導(dǎo)線（引線）連接來實(shí)現(xiàn)的?！庇≈齐娐钒褰M裝件發(fā)生改裝的原因通常是設(shè)計(jì)更改以及可靠性、安全性的需求。對于部分產(chǎn)品而言，這種改裝是無奈的，很多時候也是不可避免的。例如當(dāng)某一印制電路板需要進(jìn)行設(shè)計(jì)更改時，通常的選擇有兩種：其一，是通過改裝的辦法實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)更改。此種辦法的優(yōu)點(diǎn)顯而易見：周期短、成本低、易實(shí)現(xiàn)。缺點(diǎn)是改裝及由改裝帶來的風(fēng)險要經(jīng)過充分論證，如改裝后元器件的固定方式、焊點(diǎn)質(zhì)量、安全間距等。改裝經(jīng)常會伴生出許多意想不到的情況，如對周邊器件的影響、改裝部分在各種環(huán)境實(shí)驗(yàn)中的性能等。其二，是重新制板，重新焊接。這種辦法的優(yōu)點(diǎn)在于風(fēng)險受控，可以徹底解決由改裝帶來的一系列問題；缺點(diǎn)則非常明顯：所有元器件都要有足夠的余量（對于很多價格昂貴的元器件這實(shí)際上很難做到）；已經(jīng)進(jìn)行完的環(huán)境試驗(yàn)都必須重新進(jìn)行，而這兩點(diǎn)及由這兩方面因素導(dǎo)致的拖期是很多研制單位所不能承受的。
一、印制電路板組裝件的改裝
印制電路板組裝件的改裝通常包括元器件的增添、元器件連接的改裝以及多層印制電路板內(nèi)層印制導(dǎo)線的切斷等。
1、電路板改裝的原則
一般而言，經(jīng)過改裝的產(chǎn)品質(zhì)量不會下降，不應(yīng)存在隱患，甚至產(chǎn)品質(zhì)量更加優(yōu)良。根據(jù)QJ2940A-2001中的相關(guān)規(guī)定，印制電路板改裝應(yīng)遵循如下原則：任何一塊印制電路板組裝件上任意25 cm2面積內(nèi)，改裝總數(shù)應(yīng)不超過2處；只有在不改變印制電路板結(jié)構(gòu)尺寸的情況下方可增添元器件；元器件導(dǎo)線應(yīng)套以相應(yīng)的絕緣材料；引線加長應(yīng)有限制，以防止隨后的振動問題；加長導(dǎo)線上的第一個粘接點(diǎn)，離元器件對導(dǎo)線的焊點(diǎn)的距離應(yīng)不大于15 mm。
2、常見的電路板改裝方法
（1）元器件的增添：傳統(tǒng)的元器件的增添方法通?？煞譃椋涸谟≈齐娐钒搴附用姘惭b增添元器件，在印制板元件面安裝增添元器件，在接線端子上安裝增添元器件，使用粘固膠安裝增添元器件，以及通過鄰近元器件的引線安裝增添元器件等幾種方法。上述方法需根據(jù)實(shí)際情況靈活選擇。
（2）元器件連接的改裝：元器件連接的改裝一般包括以下幾種方法：與加長的元器件引線纏繞相連后的焊接；元器件引線與安裝在現(xiàn)成孔中的直立引線相焊接；安裝雙列直插封裝元器件，在切頭引線上焊或不焊連線（只有當(dāng)需要切頭的引線不超過雙列直插封裝每一側(cè)引線數(shù)的三分之一時，本方法方可使用）；安裝在切頭引線上焊或不焊連線連接器；插有扁平截面引線的金屬化孔中增加一條連線；在扁平封裝器件的引線上增加一條連線；元器件引線的絕緣。
二、實(shí)際電路板改裝案例分析
1、電路板改裝需要考慮的問題
在實(shí)際工作中，需要在一塊焊裝好的印制電路板上加裝4個上拉電阻（該印制電路板已經(jīng)進(jìn)行過敷形涂覆及點(diǎn)膠加固處理）。在改裝前我們主要考慮了以下幾個方面因素。
（1）加裝電阻的封裝形式：可供選擇的電阻封裝形式有插裝和表貼兩種。其中插裝電阻直接引線方便，但體積相對較大、質(zhì)量相對較沉，加裝后需要重點(diǎn)考慮其力學(xué)加固的方式，如果力學(xué)加固不當(dāng)很容易在后續(xù)的力學(xué)振動試驗(yàn)中出現(xiàn)問題。表貼電阻引線相對不便，但其體積小、質(zhì)量輕，易于進(jìn)行力學(xué)加固，因此以何種方式焊接引出線是其需要著重考慮的問題。
（2）粘固膠的選擇：對于加裝元器件的力學(xué)加固是必須考慮的工藝環(huán)節(jié)。一般而言，可以考慮機(jī)械加固和粘固兩種方式。由于機(jī)械加固通常需要打孔破壞印制電路板，因此常選用粘固方式對加裝件進(jìn)行力學(xué)加固。常見的可供選擇的粘固膠主要有兩種—硅橡膠與環(huán)氧樹脂膠。其中，硅橡膠粘接強(qiáng)度不及環(huán)氧樹脂，但固化過程中釋放應(yīng)力較小，其自身彈性較大，具備一定的力學(xué)減震效果；環(huán)氧樹脂膠粘接強(qiáng)度大，但其固化過程中釋放應(yīng)力也較大，使用不當(dāng)容易拉斷金屬化孔及損傷粘固的元器件。兩者各有利弊，需要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行選擇。如當(dāng)元器件密集、金屬化孔較多時宜選用硅橡膠粘固；當(dāng)空間相對充裕、金屬化孔不多時，宜選用環(huán)氧樹脂膠粘固。
（3）粘固位置的選擇：粘固位置應(yīng)選擇在寬敞、金屬化孔較少、盡量遠(yuǎn)離邊框的位置；所粘固的位置不能與其他元器件、機(jī)械安裝框、散熱框架發(fā)生干涉。同時，所粘固的位置還要兼顧引出線與引出線目標(biāo)焊接點(diǎn)之間的距離，這個距離越近越好。
（4）走線路經(jīng)的選擇：從電阻引出線到目標(biāo)點(diǎn)之間的走線路徑也是一個必須考慮的問題。一般而言，引出線不應(yīng)跨越其他元器件本體、焊盤及焊點(diǎn)，如必需跨越則必須采取可靠的絕緣措施。同時，導(dǎo)線兩端焊點(diǎn)不應(yīng)受明顯的導(dǎo)線應(yīng)力作用，連接導(dǎo)線應(yīng)在導(dǎo)線路徑確定后進(jìn)行預(yù)成形處理，確保其自身應(yīng)力作用降低到最小。
2、電路板改裝方案的確定
改裝方案的確定應(yīng)從待改裝的印制電路板組裝件實(shí)際情況出發(fā)，全面、均衡地考慮各方面因素。這里，我們采用了“加裝小電阻板”的改裝方案—利用制作的小電阻板焊接貼片0805封裝電阻，電阻板示意圖如圖1所示。電阻板與被改裝板之間采用HY914雙組分環(huán)氧樹脂膠粘固，其示意圖如圖2所示。
采用“加裝電阻板”的方法，主要優(yōu)點(diǎn)如下：其一，加裝元器件焊點(diǎn)可靠。在電阻板上，加裝的電阻元件能夠正常焊接于焊盤上，引出線焊接在引出線焊盤上，這些焊點(diǎn)與正常焊接時形成的焊點(diǎn)無異，因此在電阻板焊接環(huán)節(jié)不會增加不可靠因素。其二，電阻板與改裝電路板之間的粘接。由于兩電路板均為FR4基材，因此在粘接完成后，材料間的熱膨脹系數(shù)的不匹配性大大降低。這在很大程度上降低了印制電路板基材、元器件、粘固膠之間熱膨脹系數(shù)不一致而導(dǎo)致元器件損壞風(fēng)險（傳統(tǒng)的改裝方法是將元器件直接粘貼于印制電路板表面）。
3、電路板改裝工藝流程
印制電路板改裝工藝流程分為裝前準(zhǔn)備、電阻板焊接、清洗等14個工序，如圖3所示。
（a）裝前準(zhǔn)備。裝前，應(yīng)將改裝所需的工具、材料備齊待用。
（b）電阻板焊接。電阻板焊接采用OK 037烙鐵頭，焊接時間2~3 s，焊接過程采用R型助焊劑。
（c）清洗。清洗采用無塵布蘸取酒精手工擦洗，擦洗后焊點(diǎn)應(yīng)外觀光亮、潤濕良好，印制電路板應(yīng)無松香、焊錫殘?jiān)葰埩簟?br/>（e）焊點(diǎn)檢驗(yàn)。
（e）粘接：印制電路板粘接首先采用HY914環(huán)氧樹脂膠，在粘接面雙側(cè)涂膠，涂膠應(yīng)均勻，膠量應(yīng)適當(dāng)，以粘接后無溢出為宜，而后固化4 h。待HY914完全固化后，采用GD414單組份室溫硫化硅橡膠均勻涂于電阻板四周，膠液應(yīng)覆蓋電阻板上邊緣，固化21 h。
（f）導(dǎo)線處理：導(dǎo)線采用瑞侃0.15 mm2鍍銀導(dǎo)線。量取從電阻板引出點(diǎn)至目標(biāo)點(diǎn)的合適線長，剝頭、搪錫備用。量取線長時應(yīng)充分考慮走線路徑，盡量避免將線纜置于元器件本體上方、焊點(diǎn)上方、元器件引線上方、金屬接地孔上方等位置。如確實(shí)無法避開上述位置，則必須采取必要的絕緣措施，禁止導(dǎo)線與上述位置直接接觸。
（g）去漆。原三防漆選用的是DBSF6101，該漆的稀釋劑為V（甲苯）∶V（正丁醇）∶V（醋酸丁酯）=2∶1∶1混合液。這里，選用其稀釋劑作為去漆劑。用無塵布蘸取少量去漆劑反復(fù)擦拭目標(biāo)焊點(diǎn)表面，以達(dá)到去漆效果。擦拭時間需控制在15 min以內(nèi)，長時間的浸泡會導(dǎo)致印制電路板焊盤松動，進(jìn)而影響電氣連接的可靠性。
（h）引出線安裝。將連接線一端焊接于電阻板引出線焊盤，一端焊接于目標(biāo)焊點(diǎn)。
（i）清洗。焊接完成后，將焊點(diǎn)及其周邊的助焊劑殘留物等擦拭干凈。
（j）焊點(diǎn)檢驗(yàn)。檢驗(yàn)焊點(diǎn)是否存在錯焊，在5倍放大鏡下，焊點(diǎn)是否光亮、潤濕良好。
（k）補(bǔ)漆。對電阻板、引線焊點(diǎn)等位置補(bǔ)涂三防漆，并自然晾干24 h。
（l）導(dǎo)線粘固。對引出線出線位置進(jìn)行點(diǎn)膠加固處理，另引出線每隔1 cm進(jìn)行粘固。
（m）檢驗(yàn)。檢驗(yàn)連接關(guān)系是否正確，粘接膠體是否完全固化，是否存在漏涂漆部位，是否存在焊錫殘?jiān)⒛z粒等多余物。
（n）拍照。應(yīng)拍攝改裝后印制電路板全景及局部多角度圖片，備查。
三、電路板試驗(yàn)驗(yàn)證
改裝完成后，需要進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證工作。該印制電路板進(jìn)行了板級溫度循環(huán)試驗(yàn)和隨機(jī)力學(xué)振動試驗(yàn)。這里，選擇板級試驗(yàn)條件、溫度循環(huán)試驗(yàn)條件為：溫度范圍-40~75℃；升溫速率10℃/min，降溫速率5℃/min；保持高溫時間2 h，低溫1.5 h；循環(huán)次數(shù)10次。力學(xué)試驗(yàn)條件為：20~80 Hz，+3 dB/oct；80~350 Hz，0.04g2/Hz（g為重力加速度）；350~2 000 Hz，-3 dB/oct；總均方根值6.06；加載方向，Z向；振動時間，溫度循環(huán)前5 min，溫度循環(huán)后進(jìn)行15 min。
經(jīng)過上述溫度及力學(xué)環(huán)境試驗(yàn)后，印制電路板，特別是印制電路板的改裝部分外觀檢測正常，通電測試正常，進(jìn)而證明了該改裝方法可靠、有效。
總結(jié)
印制電路板組裝件的改裝是一項(xiàng)不確定性強(qiáng)、狀態(tài)復(fù)雜多變、工藝實(shí)施路線多樣的工作。這就更需要工藝人員集思廣益，充分考慮各種利弊因素，優(yōu)中選優(yōu)，拿出最佳的工藝實(shí)施方案。此外，改裝實(shí)屬迫不得已之手段，在研制進(jìn)度、經(jīng)費(fèi)等條件允許的情況下，應(yīng)優(yōu)先考慮重新排布印制電路板以確保產(chǎn)品質(zhì)量。
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