Стандарт IPC 7711/21 — восстановление, модификация и ремонт электронных сборок

Юрий Ковалевский, генеральный директор Центра технологической информации для производителей электроники, представитель IPC, ykovalevsky@elinform.ru




Недавно вышло новое издание стандарта IPC 7711/21 — восстановление, модификация и ремонт электронных сборок. Этот документ, содержащий в общей сложности 360 страниц, определяет требования к выполнению ремонтно-восстановительных операций, применяемым инструментам и материалам и предоставляет пользователю широкий набор типовых процедур для устранения дефектов и модификации электронных сборок. В статье приводится общая информация о содержании стандарта и примеры процедур.

Назначение стандарта

Стандарт IPC-7711/21 представляет собой набор процедур, рекомендуемых для проведения восстановления, ремонта и модификации печатных плат и электронных сборок. Эти процедуры заключают в себе накопленный промышленностью опыт и способствуют лучшему взаимопониманию между потребителем и поставщиком для обеспечения управления качеством изделий.

Ремонтные операции трудно формализовать и тем более сформулировать однозначные требования к их выполнению. Стандарт содержит следующее положение: «Данный документ предназначен для использования в качестве руководства и не устанавливает конкретных требований и критериев, если на них нет отдельных и явных ссылок в контрактной или иной документации потребителя». Однако существует ряд общих рекомендаций, которые позволяют избежать распространенных ошибок, приводящих к негативному влиянию на изделие самой операции ремонта или восстановления. 
Применение стандарта может быть полезным как для оптимального выполнения самих операций, так и для определения необходимых материалов и инструментов, квалификации исполнителя, требуемых проверок, а также прогнозируемого соответствия характеристик отремонтированного изделия исходному. Для этих целей в стандарте приводится соответствующая информация по каждой процедуре.

Восстановление, ремонт и модификация

Прежде чем перейти к описанию структуры стандарта, необходимо определиться с тремя ключевыми понятиями: восстановление, ремонт и модификация.
Хотя значение первых двух из них кажется одинаковым, в терминах IPC между ними существует большая разница. В соответствии с определениями стандарта IPC-T-50 отличие заключается в том, что восстановление выполняется по оригинальным или эквивалентным процессам, а его результат полностью соответствует чертежам и техническим требованиям (то есть конструкторской документации), что для ремонта не выполняется.
Иными словами, при восстановлении мы получаем изделие, которое не отличается от оригинального с точки зрения конструкции. Типичным примером восстановления может служить замена вышедшего из строя компонента. Однако следует помнить, что характеристики восстановленного изделия могут быть ухудшены по сравнению с оригинальным. Например, если происходит демонтаж неисправного и монтаж нового компонента методом пайки, печатная плата подвергается дополнительному термическому воздействию. При замене шариковых выводов компонента BGA воздействию подвергается сам компонент, а для него может быть ограничено число циклов нагрева. К восстановлению относится также удаление перемычек между выводами, а в этом случае нагрев воздействует и на компонент, и на плату. Поэтому при выполнении операций восстановления должно быть уделено внимание минимизации негативного воздействия.

Также источником негативного влияния может быть плохая подготовка к основным шагам операции. Так, демонтажу компонента может мешать конформное покрытие, при неправильном удалении которого возможно загрязнение паяного соединения или необеспечение требований к форме галтели.

При недостаточном внимании к выполнению операций, например, правильному лужению площадок перед установкой нового компонента, надежность изделия в дальнейшем ставится под сомнение. Но даже если несоответствия обнаружены до того, как изделие покинуло производство, для их устранения потребуется дополнительная операция восстановления, вновь оказывающая негативное воздействие на плату и компоненты.

Обычно при восстановлении и ремонте речь идет о единичных случаях, то есть фактически у исполнителя есть единственный шанс устранить несоответствия с минимальным влиянием на изделие. Поэтому очень важно представлять операцию в целом и быть к ней готовым до начала ее выполнения.

При ремонте изделие может отличаться по своей конструкции от оригинального. Типичный пример — замена дефектных печатных проводников перемычками из проводов. Влияние ремонта на характеристики изделия, как правило, существенно сильнее, чем при восстановлении, и при выборе метода ремонта необходимо учитывать множество факторов. Так, например, замена печатного проводника перемычкой может быть совершенно неприемлема для плат с контролируемым импедансом. Стандарт предлагает различные методы на выбор, которые позволяют решить поставленную задачу во многих, но, конечно, не во всех мыслимых случаях. Процедуры стандарта могут модифицироваться пользователем для выполнения конкретных требований.

Поскольку сама печатная плата представляет собой целостное изделие, любое вмешательство в ее конструкцию приводит к несоответствию конструкторской документации. Поэтому все операции, связанные с устранением несоответствий самой платы, относятся к ремонту. Некоторые операции могут требовать очень высокого уровня мастерства исполнителя, но при должной подготовке и при наличии необходимого инструмента могут решаться даже такие непростые задачи, как ремонт внутренних проводников и металлизированных отверстий многослойных плат, устранение вздутий и расслоений и проч.
Наконец, термин «модификация». Он означает «пересмотр функциональных возможностей изделия в целях соответствия новым критериям приемки». Модификация по своей природе предполагает несоответствие исходной конструкции изделия и в большинстве случаев выполняется с помощью тех же процедур, что и ремонт.

Примером процедуры, выполняемой только с целью модификации, может служить добавление нового компонента. Стандарт содержит ряд рекомендаций по различным способам модификации с указанием предпочтительных вариантов.

Структура информации в стандарте IPC-7711/21

Стандарт IPC-7711/21 состоит из двух объединенных между собой документов: IPC-7711 и IPC-7721, каждый из которых, в свою очередь, содержит набор процедур по восстановлению и по ремонту и модификации соответственно. Два документа объединены общей частью, включающей раздел 1 (он определяет цели и область применения стандарта и содержит общие требования к обучению и квалификации персонала, организации рабочих мест, инструментам, технологическим материалам, процессам и проч.) и раздел 2, состоящий из общих процедур, выполняемых и при восстановлении, и при ремонте и модификации. Эти два раздела имеют обозначение IPC-7711/7721, а документы IPC-7711 и IPC-7721 начинаются с третьего раздела.

Процедуры в стандарте имеют одинаковую структуру. В начале процедуры приводится таблица с ее обозначением, наименованием, обозначением и редакцией стандарта, а также с данными по уровню соответствия, требованиям к квалификации исполнителя и типам плат, к которым эта процедура применима.

Уровень соответствия определяет, насколько результат выполнения данной процедуры соответствует характеристикам изделия, которое не подвергалось ремонту или восстановлению. Стандартом определяется три уровня соответствия: низкий, средний и высокий. Соблюдение каких именно характеристик оказывается под вопросом для данного уровня соответствия, описывается в разделе 1.

Исполнитель может иметь один их трех уровней квалификации: средний, повышенный и эксперт. В зависимости от того, насколько обширным опытом обладает исполнитель, ему может быть доверена процедура той или иной сложности.

После таблицы в процедуре приводятся общие требования, ее краткое описание (назначение), ссылки на другие процедуры и разделы стандарта, список требуемых инструментов и материалов, собственно процедура, то есть последовательность выполняемых действий, список визуального осмотра и пустое место для заметок. Те действия, которые требуют визуального пояснения, сопровождаются схемами или полноцветными иллюстрациями.

Общие процедуры

К общим процедурам отнесены те действия, которые могут выполняться в качестве подготовительных, вспомогательных операций или как составляющие операций ремонта и восстановления. Это манипулирование электронными сборками, отмывка, определение типа и удаление конформного покрытия, нанесение нового покрытия, сушка, предварительный нагрев, приготовление эпоксидного состава, нанесение надписей, а также уход за наконечниками инструментов.

Правила манипулирования электронными сборками важны с той точки зрения, что в процессе ремонта и восстановления изделие не должно получить дополнительных повреждений, например из-за электростатического разряда или контакта с загрязняющими веществами.

Часто при демонтаже компонентов и ремонте печатной платы необходимо удалить конформное покрытие. Хорошо, когда речь идет об изделии, сделанном по известной документации, однако стандарт распространяется и на ремонтные центры, и на ремонт на месте эксплуатации, и на другие случаи, когда производственная документация может оказаться недоступной. В этом случае необходимо определить тип покрытия, поскольку от этого зависит метод его удаления. В стандарте приводится алгоритм определения типа путем небольших воздействий на покрытие и оценки его реакции. По определенному типу с помощью данного документа можно выбрать наилучший способ удаления и воспользоваться соответствующей процедурой.

Эпоксидный состав играет очень важную роль при ремонте как проводников и элементов печатного рисунка платы, так и повреждений базового материала. Поэтому его приготовлению и обращению с ним также посвящена отдельная процедура.

Восстановление

В приложении к электронным сборкам восстановление в большинстве случаев означает замену компонента. Вопросам восстановления или, в данном контексте, исправлению паяных соединений и замене компонентов посвящен документ IPC-7711.

Замена компонентов в общем случае состоит из трех основных этапов: демонтажа, подготовки контактных площадок и монтажа. Этим трем этапам соответствуют разделы 3, 4 и 5. В разделах 3 и 5 процедуры объединены в подразделы в соответствии с типами компонентов (выводов). Так, например, подраздел 3.1 содержит процедуры демонтажа компонентов, монтируемых в отверстия, 3.2 — компонентов PGA, 3.3 — чип-компонентов и т. п. Раздел 5 (монтаж) содержит подразделы: в частности, подраздел 5.2 посвящен корпусам PGA, подраздел 5.3 — чип-компонентам. Подраздел 5.1 отсутствует, поскольку требования к монтажу в отверстия приводятся в стандарте IPC-J-STD-001.

Заметим, что в подразделе 5.7, посвященном монтажу BGA-компонентов, имеется три процедуры, представляющие собой дополнительный, четвертый этап процесса замены, характерный для этого типа корпусов, — реболлинг.

Раздел 6 стандарта IPC-7711 полностью посвящен удалению перемычек между выводами поверхностно монтируемых компонентов.

Пример процедуры

В качестве примера приведем процедуру 6.1.4.1 «Устранение перемычек между выводами типа «крыло чайки». Метод с применением плетенки».
Процедура требует среднего уровня квалификации и обеспечивает высокий уровень соответствия. 
Порядок выполнения процедуры следующий:

1. Вставить в ручной паяльник соответствующий наконечник.
2. Задать температуру наконечника 315 °С, изменить ее при необходимости.
3. Нанести небольшое количество флюса на перемычку или замыкание.
4. Наложить конец плетенки поверх удаляемой перемычки.
5. Очистить наконечник (процедура 2.8).
6. Разместить наконечник паяльника на плетенке над перемычкой.
7. Когда впитывание припоя вследствие капиллярного эффекта прекратится, одновременно убрать наконечник и плетенку (рис. 1).
8. Очистить при необходимости и осмотреть на соответствие критериям качества.

Обратите внимание, что в процедуре имеются указания на нанесение флюса, очистку наконечника, очистку и контроль изделия. Это еще раз напоминает исполнителю о тех действиях, которые необходимы для обеспечения качества.



Рис. 1. Удаление перемычек с помощью плетенки

Ремонт и модификация

Ремонту посвящен документ IPC-7721, содержащий шесть разделов.
Раздел 3 посвящен ремонту самой платы: устранению вздутий, расслоений, деформаций, отверстий в плате (крепежных, технологических, конструкционных), пазов, вырезов и базового материала.

Раздел 4 содержит процедуры устранения дефектов элементов печатного рисунка: отслоений, обрывов проводников, дефектов контактных площадок, краевых разъемов и проч.
Раздел 5 посвящен металлизированным отверстиям. Эти процедуры — одни из самых сложных. Они позволяют устранять отказы, связанные с металлизацией отверстий, в том числе при наличии соединений с внутренними слоями. Чем «глубже» соединения слоев с металлизацией отверстия, тем сложнее процедура. Поэтому следует внимательно изучить конструкцию платы, прежде чем применять ту или иную процедуру, чтобы не создать себе дополнительных сложностей, а плате не нанести неоправданного ущерба.

Раздел 6 — набор процедур для добавления перемычек и компонентов. Процедуры раздела 7 позволяют восстанавливать проводники на гибких платах. И наконец, раздел 8 посвящен сочленению проводов.

Примеры процедур

На рис. 2 приведена первая страница процедуры 4.2.1 «Ремонт печатного проводника. Метод с использованием перемычки из фольги и эпоксидного состава».

Рис. 2. Первая страница процедуры 4.2.1

Данная процедура позволяет выполнить ремонт печатного проводника одним из способов. При этом перемычка изготавливается из фольги и приклеивается на эпоксидный состав с использованием полиимидной ленты. В процедуре уделяется внимание формовке перемычки и величине перекрытия оставшихся проводников. Как видно на рисунке, процедура требует повышенного уровня квалификации и обеспечивает средний уровень соответствия.

На рис. 3 приведены примеры модификации путем добавления компонента.


Рис. 3. Примеры добавления компонента

Заключение

Стандарт IPC-7711/21 содержит наиболее типовые процедуры восстановления, ремонта и модификации электронных сборок, основанные на опыте промышленных предприятий. Он может служить в качестве инструмента для выбора способа исправления дефектов, при выполнении ремонтных операций, а также для лучшего взаимопонимания между производителем и потребителем при формировании решений по неисправным изделиям и требований к устранению несоответствий.