试论电子装联禁(限)用工艺的应用

试论电子装联禁（限）用工艺的应用摘要：本文对在航天电子产品的电子装配焊接中，所使用的一些工艺方法要求，禁止或限制应用情况，结合现状操作进行了客观的剖析。同时结合现代电子材料的应用和发展，装联技术现状与某些标准执行时所发生的冲突提出了看法。 在电子装联界，众所周知，禁（限）用工艺的提法，主要是指从事航天电子产品的装配焊接时的一种特别强调的工艺要求，不能把所有其它标准中（如GJB-国军标、SJ-电子工业行业军标、HB-等）但凡涉及到“不”、“不能”、“不应”、“不允许”、“要求”、“应按”等字眼的这些常规工艺要求及规定，提炼出来通通称之为禁（限）用工艺，这是不妥当的，禁（限）用工艺就是航天产品的专用名词，为的是突显航天产品的重要性、不可维修性。 航天产品的生产，不仅在电子装联中有禁（限）用工艺的说法，在航天产品的整个加工过程中都有禁（限）用工艺的要求。例如：在冷加工的切削工艺中：对精密零件精加工后有瓷质阳极化工序时，精加工不可采用乳化液冷却；气体轴承组件的精密密封面不得采用湿式研磨。在焊接及特种加工工艺中：对铝及铝合金的熔焊要求，严禁采用突然拉高电弧而收弧的方法焊接铝及其合金；钛及钛合金焊接有密封承力及耐蚀要求的钛合金构件的焊接，对正反面不能保护或保护效果不好的情况下不允许焊接。在表面工程中：镀覆工艺要求，对于各种焊接部件，如果有缝隙或气孔，不允许镀覆；下列情况不宜采用镀锌（限用）：以硝酸为基的氧化剂及其蒸气中工作的零件；在工作中受摩擦的零件；厚度小于0.5 mm的薄片零件；具有渗碳表面的零件。在热加工中：热处理工艺及锻造加工工艺要求，禁止燃烧炉的火焰直接接触工件；高温合金热处理禁止使用还原气氛；Cr13型不锈钢在回火腐蚀区回火的零件禁止用酸洗。在复合材料构件加工中：对O型橡胶密封圈工艺要求，O型圈在制造、使用过程中严禁与油类，酸，碱有机溶剂等影响橡胶性能的物质接触；对航天用胶料混炼，转运的要求是，航天用胶料混炼禁止有胶疙瘩及大于0.15 mm的外来杂质；胶料的搬运严禁与油类、润滑脂、酸碱及其它化学药品等有害于混炼质量的物质接触。等等还有很多这样的禁（限）用要求条项，这里不能一一列举出来了。为什么在航天电子设备领域里对产品的制造有这些较为详细的、严格的、明确的要求呢？这正是航天产品每一个制造者都知道的：稳妥可靠，万无一失， 这些禁（限）用工艺要求的出处，大多都是在产品的某一个制造环节中、甚至在发射过程中，曾经出过质量故障而引发的。 1 问题的提出 笔者原是中国电子科技集团公司第29研究所的一名连续从事电装工艺近三十年的高级工程师，曾制定过两项电装的SJ行业军标，目前正担任两项电装的GJB国军标的制定（电装工艺上GJB目前是属空白，近期已通过总装预审）。29所自八十年代以来的第一个航天产品开始，到本人退休（2007年）的二十多年中，一直独立承担着航天产品的电子装联整机工艺工作（PCB、高低频电缆、整机/模块分机等）。通过这几十年来对电子装联技术及对航天产品装焊工作经验的积累，对禁（限）用工艺的应用提出以下看法。1.1基础固化技术的应用 在电子装联技术中，有很多加工方法和操作都是一种较为固定的加工模式，或较为固化的工艺要求，这些能够固化的工艺方法或要求，应该属于装联技术中的基础技术。例如：对元器件在PCB上的安装和成型，航天禁用工艺是：不论导线还是元器件引线，插入任何一个印制板安装孔不应超过一根（QJ3012-98航天电子电气产品元器件通孔安装技术要求标准）；扁平封装集成电路的引线不允许用刮刀清除氧化物，只能用绘图橡皮轻擦（QJ/Z147-85电子元器件搪锡工艺细则）；限用工艺是：轴向引线元器件的安装不能非水平安装；非轴向引线元器件进行侧装或倒装时，元器件本体应粘固或用某种方法固定在印制电路板上，防止冲击和振动时产生位移（QJ3012-98标准）。在焊接工艺的要求上，航天禁用工艺是：手工焊接时，严禁用嘴吹或用其它强制冷却方法，焊点应在室温下自然冷却；限用工艺是：对有缺陷的焊点允许返工，每个焊点的返工次数不得超过三次；与接线端子连接部位的导线截面积一般不应超过接线端子接线孔的截面积。每个接线端子上一般不应超过三根导线（QJ3117-99航天电子电气产品手工焊接工艺技术要求）；采用焊剂芯焊料或液态焊剂时，不能采用不符合GB9491的R型或RMA型焊剂。导线、电缆的焊接不应使用RA型焊剂，其它场合使用RA型焊剂应得到有关部门的批准（QJ165A-95航天电子电气产品安装通用技术要求）。在清洗工艺上，航天禁用工艺是：气相清洗禁止采用氟里昂（F113）为清洗剂；限用工艺是：超声波清洗不应用于清洗电气或电子部件、元器件或装有电子元器件的部件，清洗时应采取保护措施，以防元器件受损（美军标DOD-STD-2000-4A电气和电子设备通用焊接技术要求）。在防静电工艺上，航天产品有一条禁用工艺，要求是：电装中禁止不戴防静电手环等工具接触、焊接CMOS等易受静电损伤的元器件；拿取静电敏感元器件时，裸手不可与敏感元器件外引线相接触（QJ3012-98航天电子电气产品元器件通孔安装技术要求）。在修复和改装方面，航天产品只提出了限用工艺，它们是：对任何一块印制电路板组装件，修复的总数不得超过六处；任何一块印制电路板上任意25cm2面积内，改装总数应不超过二处；清除焊点的焊料避免用电烙铁直接拆除元器件，应使用带真空泵的连续吸焊装置；每个印制电路的焊盘不允许解焊两次，即只允许更换一次元器件（QJ2940A-2001航天用印制电路板组装件修复和改装技术要求）。以上这些禁（限）用工艺，都是来自航天产品的装配要求，其实这些工艺要求也同样在军品的其它电子设备装配焊接工艺中进行着实施。因为，笔者认为这些当属电装工艺中的基础固化工艺要求，航天把它们特别提出来了，目的就是希望在产品的加工中给予强调、固化，作为禁止或限用操作应该是非常合理和正确的，也是在今后的电装操作上必须要求做到的。1.2某些禁（限）用工艺要求与实际操作的差异在禁（限）用工艺标准中，有些规定与提法与现行实际操作存在一些差异，下面列举一些例子对这个问题进行说明。(1) QJ2465中规定：存取片式元器件应采用真空吸笔或镊子，禁止裸手触摸。这条规定在实际操作中是不能严格做到的：首先片式元器件的外形大小有很大差异的，对大一些的片式元件，手工装焊时，裸手触摸是无法避免的，往往还是直接拿取（无源器件，可以用手拿取），特别是在这些器件的准备阶段（库房领取、周转过程、分发操作等）更是难以做到。“触摸”比拿取更为严格，拿取都难以做到，何况是要求“触摸”！所以，此条首先应界定片式元件的大小，根据大小制定要求（针对手工能操作的，太小只能上贴片机）；其次，此条只应作为限制要求，而不应作为禁止要求。(2) QJ3012和QJ3117中规定：印制电路板金属化孔焊接应采用单面焊，焊料从印制板的一侧连续流到另一侧，禁止双面焊。这个规定是对的，但在实际操作中这个“禁止”条项是永远完全做不到的！除非在装焊前严格筛选PCB上每一个与之相配的元器件引线（孔径应比元器件引线直径大0.2 mm0.4 mm），而实际中每一块PCB上元器件的引脚都不是一样粗细的（厂家不同，型号一样的器件引线粗细也有差异）。这给设计者们提出了很高的要求，但是年轻的设计师们总也避免不了会交工程设计学费的！再有，还必须严格控制元器件引线和PCB焊盘的可焊性、金属化孔的镀覆质量。只有这样才能有望印制电路板金属化孔的焊接可以连续从焊接面流向安装面。就是在航天产品的焊接操作中，往往不得已还是要对不到75%的（甚至还低）透锡率焊接孔进行补焊或另一面焊接（特别是PCB上的连接器插座）。目前这种操作已不是经常性的了，但在实际操作中它是普遍存在的：难道就因几个孔不达透锡率要求而报废？！或重做PCB或废弃元器件？！处于“消防队员”角色的工艺，一般来讲只能采取“不得已”的做法。同样这个问题，在QJ3011-98中却是限用要求：“对有引线或导线插入的金属化孔，通孔应充填焊料，焊料应从印制电路板一侧连续流到另一侧元器件面，并覆盖焊盘面积的90%以上，焊料允许凹进孔内，焊料下凹最大为25%板厚”。没有强调不允许在另一面焊接。所以，这个条项应该定为限用工艺。(3) QJ3012中规定：元器件引线大于1.3 mm时，一般不可弯曲成型，以免损伤元器件密封剂引线与内部的连接。实际上，在元器件的整形操作中只要对元器件引出线的根部提出保护要求就行了，我们很多研究所和企业的“工艺细则”都是这样要求的。引线大于1.3 mm的元器件在PCB的装焊中，特别是电源板上是比比皆是，难道不能弯曲成型吗？否则是无法安装焊接的。(4) QJ3171中规定：多引线的元器件如扁平封装器件，引线的成型应使用专用工具，禁止手工成型或剪切引线。多引线的元器件在装联中是很多的，只要引出线大于三根的元器件都应是多引线的，比如8bj1系列器件（1012根引线），这种器件的安装情况大多是“翻焊”，即图1所示的装法。像这种类型的器件，在手工操作中，大多是手工成型的：用平口钳或尖嘴钳（应用胶布将内齿缠绕以免夹伤引线，平口钳不用这样）夹住引线根部，再按要求尺寸用手直接往外翻就行了。因此，这一条应该只是针对扁平封装器件而言。(5) QJ3012-98中说：一般情况下，不允许在金镀层上直接进行焊接，引线表面金镀层大于2.5m需经过两次搪锡处理，小于2.5 m应进行一次搪锡处理。QJ3011-98 中说“对镀金的元器件应经搪锡处理（高频器件、微波器件除外）”QJ3117-99中说“镀金的导线芯线、元器件引线和各种接线端子的焊接部位，需经搪洗锡处理后才能进行焊接。”从QJ3011来看，为什么高频器件、微波器件的镀金引线要除外呢？难道“去金”要求与焊点频率有关？关于航天产品的焊接中要求镀金引线去金问题，在业界一直是个非常有争议的问题，特别是它的可操作性问题（电连接器的接触偶、高频电缆的内导体）、利弊问题等（论文后序有议）。在其它非航天的军事产品中，几十年来并没有这么做。笔者主管本单位航天产品软钎焊接的工艺，也从未在工艺卡中要求过所谓的“去金”。手工焊接质量的好坏和关键，个人认为对有镀金引线的器件来讲，并不在“去金”与否！IPC-001D电气电子组件的焊接要求3.9.3中对镀金器件的搪锡要求时提到：如果在审核时有证据证明金没有导致与焊接加工有关的焊料变脆问题的存在，那么这些要求可以免除。为什么IPC这个标准在谈及对镀金引线的搪锡要求时又专门补充上文内容呢？1.3 企业标准与行业标准的冲突问题企业自己制定的标准一般是参照、依据国家各种标准，再根据企业自身产品特点与客户要求而进行定论的。这些企业标准不是上靠“官方”标准，就是向下“降级”，但是，总的说来应该是不产生冲突的。笔者这里所说的冲突是指：标准所要求做到的，在实际操作上是无法实现的，或不计成本和极低效益才能获取的。这就是说，标准的可操作性问题，可指导性问题，特别是工艺标准，它不比其它体现理论要求的标准。工艺标准必须讲究可操作性、可指导性，否则只能是纸上谈兵，无人信服。这种产生冲突的例子是很多的，这里不一一列举。2 电子装联禁（限）工艺现状随着我国航天技术这几年来的飞速发展，载人飞船、仓外活动的实现、成功频繁的卫星发射，都标志着航天事业的突飞猛进。这表明了我国航天技术的理论掌握，也证明了制造工艺的保驾护航作用，这中间不凡禁（限）用工艺的成功应用。航天的禁（限）用工艺其实在电子装联中的体现条项并不是很多的（比较其它加工专业），很多禁（限）用条项，当属于基础固化技术，如笔者前面所述。这些禁（限）用工艺在航天产品的装联中都应用得很好，执行得不错。这和老一辈从事航天产品的认真负责，兢兢业业分不开的。禁（限）用工艺应用不到位或应用“打折扣”的现状情况在本文“问题的提出”（2）中已列举出来，应用得最不好的要算镀金引线搪锡后再焊接的要求。下面就这个问题谈谈现状。在实际应用中，关于镀金引线的“去金”要求，笔者近两年来专门对这个问题，私下问了许多业界的同行，他（她）们在实际的操作中，几乎都没有要求操作者对镀金引线（脚）进行专门的搪锡后再焊接，就连要求别人“去金”的授课者，其实也从未编制过要求“去金”的工艺卡片！航天部门的工艺总师也说过：搪锡去金工艺对于插装元器件、导线和各种接线端子容易实现，但对于表面贴装元器件（如SOIC、SOP、QFP等），由于其引线间距窄而薄，容易变形，搪锡去金处理十分困难。特别是PCB上使用的电连接器，它们的接触偶大多是镀金的，在要求去金时，必须考虑它们的绝缘材料耐温问题；焊剂、焊料在焊接时产生的芯吸现象，极易渗入引脚内部的问题；另外接触偶密度也越来越高，不仅是操作困难的问题，而是几乎无法“去金”。据笔者所知，有个别研究所为了“去金”（还要二次去），将一批连接器的接触偶几乎全部报废！难怪专门从事航天微小电连接器焊接的工艺说：从不要求去金，我们的产品也从来没有出过因不去金而产生焊点故障的问题，“去金”要求在我们这儿是无法操作的。金具有极好的抗腐蚀性和抗化学性。电子元器件引脚镀金是电装中常遇到的，是否一遇到镀金的引脚就要按照标准要求去金后再焊接？如何去法？怎样操作？对这些问题作为一个成熟的工艺人员应结合现状，进行认真考虑！为什么标准要求去金，也是有因的。因为，当金镀层低于1.3 m以下，在实施焊接时合金层就容易呈现多孔状，也即针状，这种针状会降低金的防护价值。如果焊接时间过长，温度过高，金就会熔出来与其它合金元素（Sn、Pb）共沉积使镀层硬度增加，降低了可焊性，容易引起焊点产生金脆。特别是采用波峰焊接时，当钎料中被熔解的金含量超过3%时，形成的金-锡金属间化合物将招致焊点焊接强度完全丧失（一个焊点中金含量同样如此）。其实，一个焊点中的金-锡金属间化合物是有限度的（如果想要一个焊点中金含量超过3%，是相当不容易的），当镀金层厚度与镀层之比小于2%时，镀金引脚对焊接反而有利了，焊接的合金层不再出现多孔状，而呈弥散分布了（这是笔者请教高校软钎焊专家获得知的）。如果元器件是这样比例的镀金引线，我们为什么还要花各种代价、冒着存在虚焊、器件受一次次热冲击危险而带来的各种潜在焊接质量问题而非要“去金”呢？很多事实也说明了，在“去金”操作中得步尚失的利弊。有人说：工艺上如何应对高密度电连接器镀金引线的搪锡处理，需要进一步研究、探讨，还说因工艺落后，影响了“去金”）。电子装联工作中，整机/模块、PCB上的电连接器是很多的，可以说每天每时都在焊接着这些镀金接触偶，难道要等待研究、探讨好了再进行工作吗？！谁在研究、探讨，还是立项研究呢？“去金”与否是和工艺落后相关联吗？那么是否应当发明一个“去金再流焊”设备？！一个真正懂工艺、负责的工艺，是不会脱离现实情况而胡说的。笔者认为，实践才是检验真理的标准（业内很多军工单位的手工焊接，实际上是没有“去金”的）!3 标准与技术内涵的关系标准是产品质量的判据，是我们从事电路设计、工艺设计、产品组装和检验的依据和带强制性的技术法规。设计人员、工艺人员对禁用工艺必须避免（设计应当了解工艺标准），对限用工艺要采取明确措施。3.1标准的使用工艺代表着一个国家的制造业水平，而标准又是具指导工艺的作用的，一流的国家制定标准，二流的国家使用标准。显然标准的制定在一个国家、一个研究所、一个企业表示着什么？在一个行业，标准的制定是由你的企业制定的，这就意味着企业具有领头军的作用（“游戏规则”由你而定嘛）。因此，一个企业的第一把手及主管领导应当具有这样的眼光，这也是对社会的一种奉献。电装主要标准有：GB-国标、GJB-国军标、SJ或SJ/T-部标、QJ-航天部标准、HB-航空部标准、各企业标准。纵观这些标准，有心人不难发现，其中有很多是八十年代、九十年代的标准，特别是GB、GJB、SJ标准，QJ的虽然2000年以后也有不少（相对国内其它标准而言），但总起来说，与实际操作上可以借鉴使用的还是太少。如果好用、可用，我们大量的民用电子产品完全可以借鉴、降档使用这些标准、军用标准。可是，就目前应用情况来看，绝大多数民用电子公司或厂家在依据、使用国际上的IPC标准（美国电子电路与电子互连行业协会）、IEC标准（国际电工委员会），以对产品的性能进行定位、接单、销售。为什么在今天我国的制造业已经走向了世界，而指导制造业的标准却跟不上制造的发展，很多标准都是十年以前或更长时间的还在引用。许多新技术、新材料的应用没有标准来加以明确，标准的制定和当今工艺人员的断层一样，正处于一个“青黄不接”的时代。当然标准中涉及到那些基础性的固化技术是不会因时间的长短而废弃，但是，作为一个标准的应用不管是否有基础固化的成分，应当每镉多少年有个再确认的标志（或说明），而不是不管科技和材料怎么发展，标准仍然在继续沿用。特别是当一个产品，或加工过程需要依据和质量仲裁时，这些已经久远年代的“说法”，被用以作为“令箭”，有时真叫人“欲哭无泪”（特别是面对新技术、新材料的使用时）。国外的标准就有这样的标志，例如：NASA-美国国家航空航天局（美国宇航局）标准，某个电装的标准上有：重新生效日期：2008-06-06截止有效日期：2013-06-06。这就是标准应该不断地清理和再确认，否则容易被一些技术上的“半罐水”们，断章取义，“鸡毛当令箭”地使用。3.2电子装联技术的内涵对于这个问题，没有哪本工艺资料能说清楚它是什么，我个人认为，电子装联技术的内涵主要应体现在：能够看清并判断看得见的质量问题和看不见的质量问题。电子装联技术不比机械加工，机械加工最终能够判定它所加工的零部件是正公差还是负公差。而电子装联技术却有着许多隐含的质量因素，这些因素会随着时间的推移、物理、化学的外界变化可能引发质量故障、也可能不引发质量故障（无论产品做多少、多高级别的列试）。那么，如何才能把这个有着如此多的变量因素技术把握得游刃有余呢？这就是最终掌握了装联技术