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如何用回流焊炉对高密度贴片电路板进行元器件更换

最近在忙的一个DIY电路板项目要用到三片PICOR系列PI3301降压变换器(buck converter)电源模块。不幸的是这款芯片是123脚的高密度LGA封装。更要命的是这个项目需要三片该芯片并行同步工作从而获得大电流输出。也就是说,如果任何一片芯片没有焊接好,那整个DC/DC降压电源模块就无法按要求高效工作。我怎么样才能使用回流焊炉(reflow oven)来完成这个工序呢?

123脚的LGA封装,PI3301我自制的电路板回流焊炉成为工作台上不可或缺一员已经超过了一年。我使用它完成了许多表面封装芯片的回流焊接工作,最小的是只有2毫米宽的Philips Rebel Z LED。但是我还没有尝试过类似LGA或者BGA的高密度贴片芯片。所以,我从制作网板开始、认真抹上锡膏、放置元器件、直到最后烘烤!很快,我就拿到了焊好的板子了:

三片并行同步的PIC3301降压芯片。

三片并行同步的PIC3301降压芯片。

从外表上看各个元器件都完好的焊接好了。但是没有X光检查设备,我没有办法知道这三块芯片各123个管脚是否确实焊接到位了。我能做的就是给整个电源模块加载了一些发热电阻进行负荷测试。差不多5分钟以后,我得到这个结果:

最右边的芯片不工作

最右边的芯片不工作

左边两组开始发热;最右边的却没有变化。那很明显没有变化的这个不在工作,一般就是不良焊接所致了。那么我怎么才能在不影响左边两组芯片的情况下修好右边的这片呢?换句话说,有没有可能只对右边的进行加热修复呢?我有了下面的主意:

只将需要加热的部分伸入烤箱

只将需要加热的部分伸入烤箱

锡膏加热到熔化的时候甩一下电路板

锡膏加热到熔化的时候甩一下电路板

虽然这样子使用回流焊炉貌似“有伤大雅”,但效果却很好!只有右边伸入烤箱内部的电路板被加热。我使用了一些零碎的电板板和金属板将烤箱开口遮挡住,没想到隔热效果很不错,烤箱内部仍然可以加热到高温。

我所需要做的就是耐心等待,直到我的PID温度控制器将温度加热到了摄氏230度左右。接着就是甩一下电路板,由于230可以将焊锡熔化,上面的元器件很容易就被甩落。

Components_Removed

 

用吸锡编带清理一下焊盘,我就可以开始准备再次回流焊接了!

Apply_Paste_W_Stencil

 

Put_On_New_Components

元器件放置完毕,可以烘烤了!同样的,我只将右边一侧伸入烤箱内部。4分钟的功夫就“烤”好了:

Reflow_Rework_Done经过测试,三片降压变换电源芯片挂上大负荷以后同时发热。这样我就成功地通过部分加热的方式用回流焊更换了高密度封装芯片(拔片以及重焊)。

 

DIY将家用小烤箱改装成电路板回流焊接炉(reflow oven)含视频

先来一段回流焊接炉最终成品工作时的视频(链接):

尽管我可以很熟练地手工焊接小到只有0.5毫米间距的QFN封装芯片(看我的文章视频), 但是越来越多出现在市场上的新产品芯片已经变得实在无法手焊了。手上的各个项目已经发展到了不得不要丢我的电烙铁的阶段。看来到是时候给我的工作台添加一 台电路板回流焊炉了(reflow oven)。市场上已经有不少产品可供选择,从专业级别到面向业余爱好者的都有。但是我还是决定要自己动手改装一台,肯定很有趣味,更不说还能省下不少银 子。

打造一台电路板回流焊炉,你需要四种主要零件:1)加热设备;2)温度传感器;3)控制器;以及4)继电器。不过这些东西对于电子工程师来说应该不是什么大问题。

4_Elements

下面是针对上面零件所作的选择:

  1. 可放下12英寸皮萨饼的热风电烤箱。选购家用烤箱首要注意的地方是功率。必须要能够在短时间内升温至最高260摄氏度。通常功率1千瓦的电烤箱可 以做到这点。接下来,带热风功能必须的,因为烤箱自带的风扇可以将烤箱各个角落的温度通过空气循环来均衡升温。加热棒应该是两条位于烤箱顶部,两条位于底 部。试验结果告诉我烤箱容量可以不用这么大(如果你需要焊接大面积电路板那另当别论),因为过大的烤箱空间导致加热缓慢,这在后面我会提到。比如我购买的 这个烤箱无法做到在90秒内升温至150摄氏度。如果有机会我会选购一个小点的,不过总体来说工作情况令人满意。最后,我强烈建议选择手动控制的电烤箱。 那些看似十分高级的数码控制款,不仅价格上比较贵,而且对后面的改装会提出不少难度。
  2. K型热电偶式(Thermocouple)温度传感器,我选用的是TPI的GK11M,以及热电偶调节器模数转换芯片MAX6675。 需要确认所选购的热电偶可以工作在至少260摄氏度的温度下。GK11M这款K型热电偶的工作范围是-40~950°F (-40~510°C),足够了。MAX6675带有SPI结构,可以很方便的和单片机等相互通信。这款芯片有些小贵,因为它连数模转换都集成了,如果不 嫌麻烦愿意自己在单片机上实现数模转换(ADC),则可以选购模拟输出的芯片,相对会便宜些。
  3. 控制器方面,我使用我自己开发的RTM平台,主芯片是一块Microchip PIC32MX795F512L的32位单片机,系统时钟可以跑到80MHz,带有一个USB2.0口,这样可以和PC很好的结合起来,所需要的编程量也很低。
  4. 继电器我选用Crydom的PF240D25固态继电器。由于我需要开关交流电,所以至少可以负载1000瓦的大功率继电器是必须的。考虑到我准备使用脉冲宽度调制(PWM)的方式来控制烤箱,所以推荐使用固态而不是传统的电磁式。这款继电器还可以直接使用单片机的控制信号,十分方便。

好了,所有零部件到位,是时候动手将电烤箱改装成回流焊接炉了!

Toaster_Oven

上图1绿色圆圈所示,这台烤箱带有三个控制旋钮,分别是温度控制、功能选择和定时。我需要拆掉最上方的温度控制器(实际上是一个利用两种不同热膨胀 系数的双金属条,bimetallic strip),转而用我自己的单片机电路来控制温度。“功能选择”也不需要,但放着也不碍事,如果有低温项目需要,还可以切换到只有两条加热棒工作的模 式。“定时器”也不需要,因为我的电路板会控制时间,不过考虑到安全因素,还是建议留着,至少万一忘记切断电源的情况下,定时器最终可以帮我关掉烤箱。

Toaster_Oven_Rewiring

图2. 这是烤箱控制面板内测的布局。注意图中中间上方有一个白色胶布包裹的装置是热风风扇的变压器线圈。这是整个回流焊接炉的核心器件之一,保证电路板各处均匀 加热。你可以看到,我已经将最上面的温度控制器断开。另外一个小改动是将热风风扇跳过功能按钮,这样只要该烤箱上电,风扇就一直工作。

Toaster_Oven_Rewiring_2

这张图3展示了一个已经完成重新布线的半成品焊接炉。只要图中蓝色的插头连接,烤箱就开始加热。有烤箱内部没有其他任何的电源相关部件,所以这根电 线里跑的就是交流电,操作的时候需要注意安全!接下来就很容易了,把这两个插头连到继电器上,然后用软件来控制这个继电器的闭合/断开。

Solid_Sate_Relay

图4. 参照这个继电器背部的说明,4个管脚的连接十分明了。1/2管脚连到上图的蓝色插头,无需考虑极性的正反。3/4管脚连到单片机的输出端,管脚3也不需要串联限流电阻,4是接地。需要注意的是,该固态继电器在使用是会产生大量的热,需要降温设备。

Everything_Connected

图5. 所有连线完毕。我的电路板回流焊接炉准备就绪了!等等……我还需要一个降温风扇!

SSR_W_Fan

图6. 降温风扇也准备好了。我在单片机里实现了一套PID控制程序来实现所要求的温度走势。网上到处都可以找到各种不同的温度要求,通常一个加热焊接过程被分成 三个步骤:1)预加热阶段(Pre-heat zone);2)均热处理阶段(Soaking zone);以及3)回流加热阶段。

  1. 预加热要求在不超过2分钟的时间内把温度从室温提升到150摄氏度。150摄氏度低于锡膏的熔点,只是确保电路板各处温度升带这一数值。
  2. 均热处理要求在接下来的2分钟内温度升到183摄氏度并保持在这一温度上。在这阶段内,锡膏里的助焊剂被激活,确保各种辅助液体被挥发掉。183度任然略低锡膏的熔点,但已十分接近,我以后的文章会提高,这是的锡膏已经开始液化。
  3. 最终,回流处理阶段阶段要求温度以最快速度上升到250摄氏度,高于锡膏的熔点,锡膏充分附着于焊盘和元器件管脚上完成焊接。

在不断的尝试以后,我最终将PID各参数调整到最佳值使其能实现上面的三阶段要求。由于我的RTM单片机系统可以方便的实现USB通信,我在PC上简单地将下面的参数输入系统:

秒   摄氏度
120, 150
240, 183
300, 250

第一列数据是以秒为单位的时间值,第二列是在该时间内要达到的摄氏度温度值。下面是我通过单片机系统反馈得到的实时温度走势图。

Temperature_Profile

你可以看到,就如我之前所提到的,由于我的烤箱过大,导致箱内升温缓慢,所以未能在规定时间内达到要求温度。而且回流温度也低于250摄氏度。不过 令人惊喜的是,尽管有这些问题,但是自动焊接结果十分完美。下面是一些使用该回流焊接炉的视频和图片。随着更多的电路板被我烘焙,我会贴出更多的结果。

回流焊接好的电路板:

PCB_Reflow_Rebel_Z

1.7mm x 1.3mm大小的飞利浦Rebel Z系列彩色大功率LED。
PCB_Reflow_Rebel_Z_ES_effect

Rebel Z系列彩色LED以及3mm x 4mm Rebel系列白色LED。Rebel Z系列彩色LED提供8种不同的颜色,分别是:绿、蓝、红、桔红、深蓝、琥珀黄、品蓝以及青。

以下文字添加于2014年6月21日:

距改装这个小烤箱已经有一年多的时间了。这个自制的电路板回流焊接路已经成为我工作台上不可或缺的一个设备了。有了它以后,我在设计电路板的时候越来越大胆,选择元器件越来越小,完全不用担心做测试板的时候会不会遇到焊接难题了。

下面就是一组最近一批“烤”出来的电路样板:

在激光切割的网板上敷焊膏

在激光切割的网板上敷焊膏

移除网板,焊膏很漂亮地归整在焊盘上

移除网板,焊膏很漂亮地归整在焊盘上

放置各种元器件

放置各种元器件

准备开“烤”

准备开“烤”

烤好以后的成品!

烤好以后的成品!