技术分享 | 工业4.0时代的智能返修

发布日期：2017-08-04 16:44:14 来源：江淮机电网编辑：whl

　　江淮机电网8月4日报道从工业1.0的蒸汽机时代，到工业2.0的电力驱动时代，再到工业3.0以PLC控制为代表的逻辑程序生产时代，直至今天我们正在追求的工业4.0物联网智能时代，人类从来没有停下不断追求生产力最大化的脚步。纵观当前行业对于4.0的讨论，主要都聚焦于智能产品和智能制造。但是我们不应该忘记返修工艺仍是智能工厂不可缺少的一部分。

　　有不少行业观察者试图从这几年焊台市场的逐步萎缩来预见返修工艺的没落，但笔者认为这样的趋势是由于以选择焊为代表的高品质通孔焊接智能设备的兴起和普及。除了一些完全杜绝返修的行业，虽然产品品质普遍不断提高，返修需求减少，但是返修市场出现的是结构性的调整，市场对高可靠性的智能返修设备的需求反而会出现增长，而在竞争中能够胜出的设备必定符合全自动智能返修的需求。

　　回顾以往的返修市场，最大的痛点在于对熟练工人的依赖，对设备品质的要求反而下降到次席。靠个人的能力来保证返修的成功率显然无法满足现代化生产的需求，对返修设备全自动化能力的追求代表了整个市场发展的方向。

　　当我们剖析整个返修的过程，应该分为器件的解焊，焊盘的清理，锡膏的印刷，新器件的贴放和新器件的焊接。以往熟练工人的价值也就是返修的难度主要体现在：

　　1 手动使用小钢网来进行单个器件焊盘的手动锡膏印刷和钢网剥离，成功率不高。

　　2 贴片时依靠人的肉眼对分光器产生的不同颜色是否重合进行判定，存在一定的个体差异。

　　3 如何保证焊接时焊接曲线的实时精准控制并对诸多外界因素产生的曲线漂移进行补偿和修正。

　　结合当前返修行业的最前沿技术，我们可以针对上述三点来进行智能返修方案的详细讨论，并从中寻求突破：

　　1 由于返修时PCB上的其他器件都存在，因此，用传统的小钢网进行锡膏印刷会遇到很多困难（附图1）：

　　a. 返修器件周围很难找到足够的空间用于钢网固定；

　　b. 锡膏的印刷质量往往取决于钢网的设计和操作者的熟练程度；

　　c. 完美无缺的脱模过程对于大多数操作者来说是很难完成的。

　　目前行业内已开始尝试免钢网印刷，即把锡膏印刷在器件上，而不是PCB上。让我们来看一下这一创新的锡膏涂敷理念是如何应用在BGA器件上。

　　步骤1：选取深度相当于BGA球径一半的浸敷治具，刮满锡膏（5号粉以上）。

　　优势1：无需固定治具，操作非常简便

　　步骤2：全自动的锡膏浸敷系统自动吸取器件，在治具中完成锡膏免钢网印刷。在此过程中，系统全自动控制浸敷深度和压力（附图2）。

　　优势2：整个过程完全由系统全自动控制完成，不会受到治具设计和操作者熟练程度的影响。因此，免钢网印刷的可靠性和一致性得以保证。

　　2 传统返修工艺的BGA对位采用的是肉眼判断的方式。即通过一个分光器将一束光分解为红光和绿光，红光投射在PCB的焊盘上，绿光投射在BGA的焊球上。在移动PCB的过程中通过操作者肉眼判定两束光是否产生完美重合来完成对位。

　　整个对位过程完全依赖人。如果有A,B两名操作者，A和B对光束是否重合的不同判定会对最终的对位结果产生一定的影响，这显然不符合智能返修的要求。

　　智能对位是未来返修对位工艺的发展趋势。全自动的返修对位系统应该具有顶部和底部的摄像系统，顶部摄像机拍摄PCB焊盘的影像，底部摄像机拍摄BGA焊球的影像。智能系统根据所拍摄的影像进行自动计算和自动对准，并自动引导贴片头完成X/Y/Z轴的移动和?角的旋转，将锡膏浸敷完成后的器件准确贴放到PCB的指定位置。

　　3      如同回流炉的焊接工艺一样，返修台焊接曲线的精准控制是整个焊接过程能否产生0.5-3.5微米金属间化合物从而杜绝虚焊的关键。事实上回流炉的焊接是在近似密闭的腔体中完成而返修台的焊接则是在几乎开放式的空间完成，因此会对返修工艺的温度控制提出更为苛刻的要求，这时我们就会自然引入闭环控制的概念。

　　如果说回流炉的焊接是对出风口的温度进行闭环控制，那么返修台的焊接最佳方案是对器件的焊接温度进行闭环控制。之前只有暗红外的返修方式能够轻松达成这一全自动的闭环控制模式（附图4）。

　　在实际应用过程中，曾经有人对暗红外的加热方式与回流炉的热风加热模式不同提出疑问。事实上回流炉的主流加热方式采取热风主要是考虑到红外加热存在阴影效应并且红外对不同颜色吸收反射率的不同容易产生温差。但是，由于返修时是对单个器件进行加热，阴影效应是不存在的。而且，由于2-8微米波长的暗红外对不同颜色的吸收反射率的差异小到可以忽略不计，因此也不用担心由此产生的温差会对焊接结果带来影响。

　　当然，最理想的加热方式从返修工艺的前瞻性考虑应该是混合动力加热。热风加热与红外加热两种方式并举并且两者的输出功率的比例可以根据不同PCB和器件进行调整，这样才能满足越来越复杂的各类PCB的返修需求。

　　通过上述的分析，我们发现了工业4.0时代的智能返修技术必须具备的三个重要因素：

　　1       免钢网的印刷技术

　　2       全自动的对位系统（完全摆脱对人的依赖）

　　3       实现温度曲线全闭环控制的混合动力加热系统

　　此外，通过条形码扫描系统或者RFID系统对PCB进行标记，智能返修设

　　备记录下每一块PCB返修时的所有工艺参数和工艺过程。这样，MES系统将保证未来可以对所有PCB的返修质量进行追溯，将返修纳入整个智能工厂的工艺规范，管理和监控。

　　智能工厂离不开智能返修，我们要及时关注返修工艺的发展方向，将其融

　　入工艺4.0的规划框架，不要让返修工艺成为智能制造的短板。

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