硬件開發(fā)
電路板改裝工藝分析
由于設(shè)計更改、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準，對產(chǎn)品的功能所做的修改。如由于設(shè)計方案和技術(shù)狀態(tài)改變造成的電路連接或元器件變化，即導線的增減、元器件的增減或變更以及與之所帶來的相應的結(jié)構(gòu)上的變化。
航天標準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線、增加元器件以及切斷和增加導線（引線）連接來實現(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。例如當某一印制電路板需要進行設(shè)計更改時，通常的選擇有兩種：其一，是通過改裝的辦法實現(xiàn)設(shè)計更改。此種辦法的優(yōu)點顯而易見：周期短、成本低、易實現(xiàn)。缺點是改裝及由改裝帶來的風險要經(jīng)過充分論證，如改裝后元器件的固定方式、焊點質(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)境實驗中的性能等。其二，是重新制板，重新焊接。這種辦法的優(yōu)點在于風險受控，可以徹底解決由改裝帶來的一系列問題；缺點則非常明顯：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際上很難做到）；已經(jīng)進行完的環(huán)境試驗都必須重新進行，而這兩點及由這兩方面因素導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；元器件導線應套以相應的絕緣材料；引線加長應有限制，以防止隨后的振動問題；加長導線上的第一個粘接點，離元器件對導線的焊點的距離應不大于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常可分為：在印制電路板焊接面安裝增添元器件，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)進行過敷形涂覆及點膠加固處理）。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，加裝后需要重點考慮其力學加固的方式，如果力學加固不當很容易在后續(xù)的力學振動試驗中出現(xiàn)問題。表貼電阻引線相對不便，但其體積小、質(zhì)量輕，易于進行力學加固，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加固是必須考慮的工藝環(huán)節(jié)。一般而言，可以考慮機械加固和粘固兩種方式。由于機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行力學加固。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，硅橡膠粘接強度不及環(huán)氧樹脂，但固化過程中釋放應力較小，其自身彈性較大，具備一定的力學減震效果；環(huán)氧樹脂膠粘接強度大，但其固化過程中釋放應力也較大，使用不當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)實際情況進行選擇。如當元器件密集、金屬化孔較多時宜選用硅橡膠粘固；當空間相對充裕、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：粘固位置應選擇在寬敞、金屬化孔較少、盡量遠離邊框的位置；所粘固的位置不能與其他元器件、機械安裝框、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焊接點之間的距離，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點之間的走線路徑也是一個必須考慮的問題。一般而言，引出線不應跨越其他元器件本體、焊盤及焊點，如必需跨越則必須采取可靠的絕緣措施。同時，導線兩端焊點不應受明顯的導線應力作用，連接導線應在導線路徑確定后進行預成形處理，確保其自身應力作用降低到最小。
2、電路板改裝方案的確定
改裝方案的確定應從待改裝的印制電路板組裝件實際情況出發(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)點如下：其一，加裝元器件焊點可靠。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，這些焊點與正常焊接時形成的焊點無異，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)不一致而導致元器件損壞風險（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備、電阻板焊接、清洗等14個工序，如圖3所示。
（a）裝前準備。裝前，應將改裝所需的工具、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，擦洗后焊點應外觀光亮、潤濕良好，印制電路板應無松香、焊錫殘渣等殘留。
（e）焊點檢驗。
（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，涂膠應均勻，膠量應適當，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，膠液應覆蓋電阻板上邊緣，固化21 h。
（f）導線處理：導線采用瑞侃0.15 mm2鍍銀導線。量取從電阻板引出點至目標點的合適線長，剝頭、搪錫備用。量取線長時應充分考慮走線路徑，盡量避免將線纜置于元器件本體上方、焊點上方、元器件引線上方、金屬接地孔上方等位置。如確實無法避開上述位置，則必須采取必要的絕緣措施，禁止導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擦拭目標焊點表面，以達到去漆效果。擦拭時間需控制在15 min以內(nèi)，長時間的浸泡會導致印制電路板焊盤松動，進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，一端焊接于目標焊點。
（i）清洗。焊接完成后，將焊點及其周邊的助焊劑殘留物等擦拭干凈。
（j）焊點檢驗。檢驗焊點是否存在錯焊，在5倍放大鏡下，焊點是否光亮、潤濕良好。
（k）補漆。對電阻板、引線焊點等位置補涂三防漆，并自然晾干24 h。
（l）導線粘固。對引出線出線位置進行點膠加固處理，另引出線每隔1 cm進行粘固。
（m）檢驗。檢驗連接關(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，是否存在焊錫殘渣、膠粒等多余物。
（n）拍照。應拍攝改裝后印制電路板全景及局部多角度圖片，備查。
三、電路板試驗驗證
改裝完成后，需要進行試驗驗證工作。該印制電路板進行了板級溫度循環(huán)試驗和隨機力學振動試驗。這里，選擇板級試驗條件、溫度循環(huán)試驗條件為：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。力學試驗條件為：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)后進行15 min。
經(jīng)過上述溫度及力學環(huán)境試驗后，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不確定性強、狀態(tài)復雜多變、工藝實施路線多樣的工作。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)，拿出最佳的工藝實施方案。此外，改裝實屬迫不得已之手段，在研制進度、經(jīng)費等條件允許的情況下，應優(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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