某型航發電調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）實業有限公司 空裝成都局某軍代室

0 引言

某型全權限數字式電子控制（FADEC）上使用電子調節器（以下簡稱電調）替代了機械液壓計算機構，簡化了發動機的機械液壓結構。電調中使用數字電路取代了模擬電路，減小了電調的體積，但增加了電調的維修難度。面對修理高度集成且無相關大修資料的難題，本文就使用返修工作站進行該型電調芯片級維修方法開展研究，以實現自主保障，提高產品維修質量，降低操作一致性差異對產品帶來的影響。

1 應用背景

1.1 需求分析

以往電調修理中，操作人員以手工維修方式進行芯片級維修工作。培養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，產品數量成倍增長，手工維修方式已經無法滿足修理產能需求。由于數字電路高集成度、高精度的發展趨勢，維修風險不斷加大，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 基板維修質量，因此手工維修難以持續滿足新型電調的修理可靠性需求。為應對這些問題，亟需進行新型電調芯片級維修方法的研究。

1.2 設備選擇

返修工作站可實現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型、紅外型、熱風紅外型，考慮到進口PCB 組件上都會使用涂覆層進行保護，且涂覆層會反射部分紅外線，故選取Summit 750i 熱風型返修工作站進行新型電調芯片級維修方法的研究。

1.3 工藝標準選擇

參考近年來國內外通用的電子行業技術標準，選取IPC 國際焊接標準，結合現有電子產品修理技術文件，作為研究過程中的產品質量控制、工藝要求的指導性文件。

2 方法研究

2.1 涂覆層施工

由于航空航天類電子產品對PCB組件的可靠性要求極高，且惡劣的使用環境會導致元器件引腳與PCB 板之間的金屬互化物結構趨向不穩定，進一步導致電子產品發生故障[1]，因此在PCB板表面覆蓋涂覆層，與大氣環境隔絕，可以有效降低電子產品的故障率，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，在維修完成后再進行修復。使用IPC7711/7721 維修指南中的敷形涂覆層鑒別方法（見圖1）對新型電調表面的涂覆層進行鑒定[2]。結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表面的涂覆層，具體方法如圖2所示。

圖1 涂覆層材質鑒別

圖2 剝離涂覆層方法

實際工作中，涂覆層剝離的范圍應適當大于待拆除元器件的尺寸，以防在后續翻修過程中熱風將元器件附近的涂覆層融化。剝離完成后，可在已剝離的區域進行維修工作，待元器件更換完成后再對剝離的涂覆層進行修復，如圖3 所示。

圖3 涂覆層修復方法

2.2 芯片拆除方法

2.2.1 預熱方法及溫度的選擇

新型電調采用的焊料均為Sn63Pb37有鉛焊料，熔點為183℃，因此芯片拆除過程中的加熱溫度應大于183℃。但新型電調采用的是多層PCB 板，當局部受熱與整板溫差過大時會出現PCB 板分層現象，且在加熱過程中板層之間的水分子受熱膨脹，導致PCB 板出現氣泡。為杜絕以上情況的發生，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行預熱。

如圖4 所示，三級加熱即是整板加熱（底部）、待修區域加熱（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，為降低熱風對其他元器件的影響，應在待拆除芯片周圍使用聚酰亞胺膠帶進行保護。

圖4 三級加熱示意圖

2.2.2 溫度曲線設定

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，固定時應防止夾具與元器件接觸造成機械損傷，或是在后續加溫過程中造成熱損傷。

溫度曲線坐標系內X軸為時間，Y軸為溫度，主要由預熱曲線、加溫曲線、冷卻曲線組成，坐標系內應至少包含整板溫度、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]。根據以上原則，結合IPC7711/7721 中的方法與實際試驗結果，新型電調芯片溫度曲線應滿足表1 的要求。

表1 三級加熱示意表

表1 中目標溫度是指熱源模塊溫度通過熱風傳遞到不同測溫點的實際溫度，加熱溫度是指熱源模塊發熱體的溫度。加熱溫度是由Summit 750i 熱風型返修工作站根據設置的目標溫度，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、焊接過程中助焊劑充分激活，應設置足夠的預熱時間，且為了保證整個拆除過程中PCB 板表面溫度差的穩定，需將預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 中的焊接方法進行手工焊接。

2.3.2 復雜芯片安裝

復雜芯片可使用拆除過程中的溫度曲線進行安裝，具體實施流程如圖5所示。

圖5 復雜芯片焊接流程

1）焊接前準備

焊接前準備包括焊盤引腳上錫和待焊板件的固定。上錫前，錫膏須進行回溫、充分攪拌處理。目前，該型電調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。不同元器件可根據焊接錫量要求和錫膏顆粒度等指標定制不同厚度的鋼網。基于此方法使用的焊料及元器件，鋼網厚度一般設定為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。針對該型電調修理中經常更換復雜芯片的情況，依據溫度設定原則，通過大量試驗分別設定焊接溫度曲線并固化在焊接程序中，焊接時根據待焊芯片選擇對應的焊接溫度程序。

3）元器件夾取和定位

設計專用工裝進行夾取前元器件的位置固定。依據元器件封裝形式及大小設計工裝，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。

定位系統由工作臺移動控件和棱鏡裝置控件組成，圖6 所示為進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節工作臺平面度；其次，通過移動控件粗調，將元器件大致移動至焊盤正上方；最后，經過細調調整定位。經過反復試驗驗證，對于SMT 封裝雙排鷗翼型芯片的定位操作，可預先使元器件引腳與對應焊盤表面垂直對齊，再通過水平調節，使元器件引腳移動至焊盤中間。整個調節過程中，通過棱鏡成像光學系統觀察定位情況。光學照明系統由元件照明系統和基板照明系統組成。利用照明控制盒對照明的相對強度進行控制，可通過暫時關閉任一組照明的方法實現最佳的觀察效果。

若出現元器件無法準確定位情況，則需移開元器件重新進行夾取，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，操作設備進行元器件放置，將元器件固定至待焊表面。放置后通過棱鏡成像系統再次觀察，若有元器件偏移等定位不準確現象則重新完成定位步驟。

5）元件安裝及安裝后質量檢查

啟動焊接程序，依據設計好的溫度曲線加熱焊接，通過鉑電阻進行溫度監控，焊接完成后按照IPC 標準進行焊接質量檢查。

3 應用效果

使用返修工作站完成修理工作后，進行了目視及X 射線檢查，產品焊接質量達到了IPC 檢查目標值，而且焊點一致性大幅度提高，驗證此方法可靠有效，可推廣至類似電調的修理中。

目前該方法已應用于新型電調修理并固化在修理工藝中，改進后的修理工藝解決了新型電調修理現場因部分復雜芯片無法手工維修造成的停修現象，提升了新型電調的國內自主保障維修能力。

4 結論

本文對于某型電調中常換復雜芯片夾取工裝設計、刷錫鋼網厚度、定位對齊順序、焊接溫度曲線以及檢查工藝標準的研究，已經在實際維修工作中經過多次試驗和改進，能夠有效提高修理工藝水平，提高修后產品的可靠性，在提高電調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。