電路板焊接後為何要水洗?水洗製程、免洗製程有何差異?助焊劑的種類
為了對抗錫球裂開,BGA焊墊應該設計成SMD或NSMD?SMD與NSMD的優缺點
實驗比較SMD與NSMD焊墊設計推球及拉力測試對BGA錫裂的影響
錫膏中添加其他微量金屬的目的為何?
按鍵金屬簧片(metal-dome)可以直接焊接於電路板上嗎?優缺點又有哪些?
現今的智慧型手機雖然已經甚少使用到實體的數字按鍵盤按鍵了,但還是有部份的產品與少數的實體按鍵仍然存在,我們公司的產品就還在使用實體按鍵,而到目前為止在按鍵上觸感最好與壽命最長的當推「金屬簧片(metal dome)」了,只是實體按鍵卻有個非常大的缺點,就是太佔用電路板的空間了,於是我們家的RD就開始天馬行空突發奇想,把「金屬簧片(metal dome)」直接吃錫焊接於電路板上當作按鍵來使用,而且還付諸了行動,這麼一來雖然增加了電子零件的利用空間,但悲劇也就接著發生了。
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一般來說,在按鍵(keypad)底下的電路板空間都不太有機會可以拿來放置電子零件,而目前市面上絕大部分的「金屬簧片」應該都是用一整片的背膠將其黏貼於實體按鍵或是電路板上以節省工時,並確保「金屬簧片」的位置準確性與固定之用,工作熊相信應該有不少積極進取的機構研發工程師都曾經想過如果可以將「金屬簧片」直接焊接於電路板上可以增加許多可利用空間,只是一般稍有經驗的機構RD想想後都不太敢在按鍵附近偷空間,更別說將其焊接於PCB上,也就我們家美國的RD敢這麼做,還勇於嘗試。
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因為市場上找不到可以直接焊接於電路板的現成「金屬簧片」,於是我們家的RD就決定自己設計了一個「金屬簧片」並在其左右對稱的地方長了一對可以平貼在電路板表面的翅膀,然後當然是用錫膏將這對翅膀焊接在電路板上囉!等到成品做出來送去做按鍵的壽命測試(Life test),結果大概只打了100K次多一點就開始出現按鍵沒有反應的不良現象,拆開檢查後發現「金屬簧片」翅膀的焊錫處居然發生的錫裂,使得「金屬簧片」離開了本來該在電路板上的位置。
一開始RD照例的又跑來找工作熊,有錫裂發生,工廠是否可以加強焊錫?於是我們就人工增加了焊錫量,把整個翅膀全部用錫包覆起來,這樣當然沒法量產,因為是手焊,還好後來送去做壽命試驗,大概打到了300K多一點,「金屬簧片」的翅膀居然給它斷了,這下應該連「錫」都不用加了。
直接將「金屬簧片」焊接於電路板有何優點:
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可以節省電路板上的空間,在金屬簧片的周圍附近都可以配置零件。
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節省成本?因為電路板的空間節省了,相對的PCB的成本也就可以降低。
直接將 「金屬簧片」焊接於電路板有何缺點:
這缺點可說有一籮筐,除了前面提到的「金屬簧片」翅膀斷裂的問題之外,其他還有許許多多的工程與品質問題等待解決。
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「金屬簧片」浮高
因為使用錫膏印刷焊接,所以金屬簧片的底下會有錫膏,視錫膏的印刷量會有不等的簧片舉高離開電路板表面的問題。簧片浮高會有什麼問題?會影響到簧片的按壓行程,浮得較高的簧片需要按比較用力或比較久的時間才可以觸發按鍵功能,不一致的浮高將導致每顆簧片,也就是按鍵的按壓觸感不一致。
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「金屬簧片」傾斜
就因為簧片浮高,相對的就會讓簧片發生傾斜單邊翹起於電路板表面,縫隙越大,按壓時吸入灰塵或是異物的風險就越高,有異物就會影響到按鍵的觸發機制,造成按鍵壓下去電子訊號沒有反應。
輕微的異物污染問題可以採用有凸點(dimple)設計的「金屬簧片」來解決,嚴重的就不行了。
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焊錫可能爬錫至「金屬簧片」內壁
這個是最麻煩的事了,最好可以透過設計來解決,錫膏融化時焊錫會沿著可以吃錫的方向(表面能較小的方向)流動沾錫,而「金屬簧片」在回焊中會直接受熱,所以焊錫很有機會沿著簧片的內璧爬錫。內璧爬錫會影響到按壓的觸感,當焊錫爬過了簧片的web區,就會讓按鍵難以下壓,Peak-Force(F1)將變大,嚴重影響到按鍵的按壓力比(click ratio),也就是按壓的觸感將變差,不同的內壁爬錫高度與厚度都會影響到這個力量,會造成案件按壓觸感不一致。
後記:
為何將有翅膀的 「金屬簧片」焊接於電路板會發生翅膀斷裂的問題?大家有何看法呢?
遭遇了挫折就放棄當然不是我們家RD的信念,所以故事繼續中,而且似乎還出現了轉機,果然失敗為成功之母呢!要有勇氣去衝破枷鎖,只是不知道有花多少代價?
延伸閱讀:要想超越自己,就要有質疑「常識」的膽識
如果真的想要增加電路板在按鍵底下的利用率,工作熊見過有人將按鍵用機構件架高,然後用軟板來取代原本的電路板接觸點,這樣原本按鍵下方位置的電路板就可以被利用了。
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什麼時機該使用「爐前AOI」及「爐後AOI」?
早期AOI的應用大多使用在電路板過完回焊爐(reflow oven)焊錫後的品質與外觀檢查以取代原本的人工目檢(Visual Inspection)或補足人工可能的疲勞漏看,稱之為「爐後AOI」。隨著電子產品的快速發展與EMI/EMC的要求提高,RF產品大量使用屏蔽罩,再加上預防勝於治療觀念興起,所以也就有了「爐前AOI」的出現。
「爐後AOI」檢測的目的是為了能即時將不良現象反應給SMT製程,提高產品良率,另一個目的則是為了確保PCBA(組裝電路板)在後續的製程中沒有品質問題,否則一旦電路板被組裝成整機後才發現問題,就必須要拆機拿出PCBA才能修復,浪費時間,還可以造成報廢。所以,「爐後AOI」檢測通常是SMT電路板組裝的最後一個步驟,用以確保品質。有些PCBA後續還會有ICT、FVT等測試製程,以期提高PCBA的測試涵蓋率達到100%。
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AOI檢測的側重在外觀,藉由光學影像比對原理,基本上可以檢測出電路板上是否有缺件、零件偏斜、墓碑等問題,還可以有條件的檢測出是否有錯件、極性反、零件腳翹、腳變形、錫橋(無法檢測錫絲)、少錫、冷焊、空焊(無法檢測假焊)等問題。關於AOI的詳細內容可以參考「什麼是AOI?AOI可以測哪些電路板組裝的缺點?」一文。
就因為「爐後AOI」是在爐後焊錫完成的最終檢查,當它檢查到有不良的時候就已經是既成的事實,這時候就必須要動刀動槍(動烙鐵)才能加以修復或報廢,如果可以在回焊前就把可能的不良抓出來並加以改正,這樣就可以在電路板焊錫前就把後續可能的焊錫缺點或零件問題解決,也可以大大降低爐後在修復的比率。
所以,「爐前AOI」的興起其實有兩大重點:
一、在零件焊錫前抓出貼片的品質問題
「爐前AOI」可以在回焊爐前預先檢查出貼片是否有缺件、偏移、極性反、錯件等問題,並且在不需要動到烙鐵的情況下就加以改正。
「爐前AOI」可以讓SMT生產用最少的花費事先矯正可能發生的不良。因為貼片機在快速機上貼片時會高速移動電路板,這時候如果錫膏無法將零件黏貼牢固在電路板上就可能會被甩走,後續過回焊爐時將會造成焊接不良,還有一種可能就是貼片機在抓取零件後拋料造成零件沒有被貼到正確位置上的缺件。
這時候「爐前AOI」就可以發揮其功用,檢查出這類有問題的板子,並提醒作業員矯正問題。當然如果板子上面沒有太多的被動元件,或是貼片的速度不快,上述的問題就會比較少,也不一定需要用到「爐前AOI」。
二、檢查屏蔽罩或大零件下的零件品質
因為各國對電子產品的EMI都有要求,在加上RF產品大行其道,所以有大量電子產品開始使用屏蔽罩(shielding-can)之類的設計以隔絕電子干擾,有些電子產品甚至會要求在SMT製程直接焊接屏蔽罩於電路板上,或是有些設計會在大顆零件下面擺放零件以爭取電路板的利用率,這類設計都讓「爐後AOI」無法檢查到屏蔽罩或大顆零件下的零件焊接品質。
「爐前AOI」的另一大目的就是為了解決這類無法使用「爐後AOI」檢查到的零件,所以「爐前AOI」最好擺放在放置屏蔽罩這類會遮住零件的前面,一般會是一台慢速機或是異型機。
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可能有人會問,既然已經有「爐前AOI」用來預先檢查零件擺放的問題,那是否可以取消「爐後AOI」,因為一台AOI老實說也不便宜?
工作熊個人基本上不建議移除「爐後AOI」,因為還是有許多的焊錫問題是在過回焊爐的時候才發生的,如果移除了「爐後AOI」,將無法攔截到這類在回焊爐中發生的不良。當然,如果經過資料收集,可以證明「爐後AOI」攔截到的不良率非常低,還是可以考慮移除「爐後AOI」只保留「爐前AOI」
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SMD和NSMD焊墊設計的區別、優缺點與使用時機建議
你知道什麼是SMD(Solder Mask Defined)與NSMD(Non-Solder Mask Defined)?SMD與NSMD有何區別呢?SMD與NSMD又有何優缺點?它們的使用時機又在那裡?
可能很多人會說自己在電子業,有聽說過SMD(Surface Mount Device)電子零件,但不知道什麼是NSMD。其實這裡所說的SMD與NSMD指的是在電路板上面看到的銅箔焊墊或焊盤的裸露方式(pad layout design),這個在以前根本就不會有人在意的PCB焊盤設計上的小細節,在電子零件越做越小且焊點也越來小的趨勢下反而顯得越來越重要。
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那到底什麼是SMD(Solder Mask Defined)與NSMD(Non-Solder Mask Defined)焊墊設計?
現今的PCB焊墊/焊盤(pad)與線路(trace)基本上都是使用銅箔來製作的,但我們在設計PCB時並不會將所有的銅箔都給裸露出來,而只會露出需要接觸或是焊接的焊墊,以避免日後使用上可能的潮濕短路或其他問題,這個時候我們一般會使用所謂的「防焊綠油(Solder-Mask)」來覆蓋住不需要裸露出來的銅箔,所以防焊油印刷的位置精度與能力相對於小焊墊就變得相當重要。
什麼是SMD (Solder Mask Defined),防焊限定焊墊
SMD(Solder-Mask Defined Pad Design,防焊限定焊墊設計)就是使用solder-mask(綠漆/綠油)覆蓋於較大面積的銅箔上,然後在綠漆的開口處(綠漆沒有覆蓋)的地方裸露出銅箔來形成焊墊(pad)的稱謂。因為這種焊墊的尺寸會取決於綠油開孔的大小,所以才會說是防焊限定焊墊。
什麼是 NSMD (Non-Solder Mask Defined),非防焊限定焊墊,銅箔獨立焊墊
而NSMD(Non-Solder Mask Defined Pad Design,非防焊限定焊墊設計)又稱為 Copper Defined Pad Design(銅箔獨立焊墊設計)則是把銅箔設計得比防焊綠油的開孔還要小,有點類似湖中島,這樣設計的焊墊大小基本上取決於銅箔的尺寸,因此稱之為獨立銅箔焊墊,也稱非防焊限定焊墊。
那SMD(Solder Mask Defined)與NSMD(Non-Solder Mask Defined)焊墊設計有何優缺點?有沒有說那一種焊墊設計比較好?比較可能解決BGA錫球破裂的問題?
嗯!會這樣問或是有這樣疑問的朋友應該都是公司內有人要求或是遇到了零件焊錫破裂或掉件問題,特別是BGA的錫球破裂問題。
工作熊可以很明確的告訴大家,沒有那一種焊墊設計是可以100%徹底解決BGA錫球破裂問題的,如果想徹底解決BGA錫球破裂問題得從機構設計下手,工作熊知道很多RD都只想靠焊墊設計或是加強焊錫強度來解決BGA錫裂,工作熊的公司也確實試過了很多種,但效果都很有限,最後幾乎都還是靠著機構改善應力影響而得到改善。
SMD與NSMD這兩種焊墊設計其實各有其優缺點,對於焊錫強度、焊墊與PCB的結合力也更有勝場,所以真的不能說那一種焊墊設計比較好。在做比較前,我們先假設SMD與NSMD焊墊設計的面積是一樣大的,這樣比較才有意義。
SMD的優點:
SMD焊墊的實際銅箔尺寸相對NSMD要來得大,而且焊墊的周圍也會使用防焊油覆蓋壓住,所以焊墊與FR4的結合強度相對來說就比較好,在維修或是重工的時候,焊盤也比較不易因為反覆的加熱而脫落。
SMD的缺點:
SMD焊墊的焊錫強度會相對比較差。這是因為其相對吃錫面積變小了,而且SMD焊墊的周圍壓著防焊油,這些防焊油在流經回焊高溫時發生熱脹冷縮,也會影響到焊錫與綠漆交界處的吃錫效果。
受到應力影響時容易從焊墊的表面破裂。
PCB Layout時走線會較困難,因為焊墊之間的間距變小了。
NSMD的優點:
因為NSMD的焊墊為獨立銅箔,在焊錫時除了銅箔的正面會吃錫外,連銅箔周圍的垂直側面都可以吃到錫,相對來說NSMD的吃錫面積就比較大,所以焊錫強度也就相對的比較好。
NSMD的銅箔實際面積相對來說比較小,layout工程師在走線(trace)也比較容易佈線,因為焊墊尺寸相對比較小,trace可以輕易的通過BGA的焊墊與焊墊之間。
NSMD的缺點:
焊墊與FR4的結合力較差,因為其實際銅箔的面積較小,維修、重工時焊盤比較容易因為反覆加熱而脫落。
受到應力影響時,容易從將整個焊墊拉起。
助焊劑、錫珠較容易殘留於未被綠漆覆蓋住的區域。
SMD(Solder Mask Defined)與NSMD(Non-Solder Mask Defined)焊墊設計的使用時機為何?
SMD設計的焊墊形狀一般會比較完整,因為它較不受線路(trace)走線的影響,建議small chip小零件與細間腳的焊墊要採用SMD設計上,如0402以下的電阻(resister)、電容(capacitor)、電感(inductor)、二極體(TVS diode)等零件,強烈建議0201及01005必須採用SMD焊墊設計。
工作熊之所以說這類細小零件較不建議採用NSMD,是因為大部分的焊墊都會設計走線來將焊墊與其他的線路連接在一起,這就類似之前舉例的湖中島需要有橋樑連接,這樣才能有電子訊號連通,想像一下一座橋的寬度如果佔據了湖中島1/4~1/5的圓周面積時,這些橋樑可以視為走線的銅箔,這樣子湖中島(焊墊)的形狀是不是就變形了,而且大部分的焊墊的走線都是一進一出,最多可能還有一個焊墊連接3~4走線的,這樣的焊墊幾乎就變成SMD,設計時PCB的佈線工程師可不會想那麼多,防焊的開口一樣會開的比較大,這樣就會造成同一顆零件兩端焊點上的焊墊尺寸變得不一大,chip兩端焊墊不一樣大會怎樣?焊錫的量會不一樣,容易發生墓碑現象(Tombstone)。
其他0603以上尺寸的chip採用SMD或NSMD對焊錫造成的影響其實關係就不是那麼大了,不過如果可以盡量考慮讓同一顆零件上的所有焊墊大小一致,還是會有助焊接品質提升的。
至於BGA應該使用該採用SMD或NSMD焊墊設計,工作熊會建議你先看過這13篇關於【電子零件掉落或BGA錫裂一定是SMT製程問題迷思(1)?錫裂只是應力大於結合力之必然結果】的文章後再來討論。
在你看過工作熊對於BGA錫球破裂的論述之後,你會發現工作熊個人強烈建議BGA的焊墊設計應該採用NSMD+via,而且焊墊上的導通孔(via)必須鍍銅填孔,最好還要盡量加大焊墊的尺寸,如果無法讓BGA所有焊墊都這樣執行,至少要讓BGA最外一排的焊墊這樣設計。
延伸閱讀:
實驗比較SMD與NSMD焊墊設計推球及拉力測試對BGA錫裂的影響
為了對抗錫球裂開,BGA焊墊應該設計成SMD或NSMD?SMD與NSMD的優缺點
如何設計加強產品的BGA焊墊強度以防止BGA開裂(SMD與NSMD焊墊設計的差異與優缺點)
為什麼有翅膀的 「金屬簧片」直接焊接於電路板會發生錫裂或翅膀斷裂問題呢?
為什麼有翅膀的 「金屬簧片」直接焊接於電路板會發生錫裂或翅膀斷裂問題呢?
要回答這個問題要先回到金屬簧片的作動原理,當金屬簧片被往下按壓時,為了釋放壓力,簧片其實會向四周往外延展並變大,也就是簧片原本的外型直徑是會變大的,這個我們可以找個時間用2D投影儀或2.5D的光學量測儀器就可以量得出來。
建議延伸閱讀:按鍵金屬簧片(metal-dome)可以直接焊接於電路板上嗎?優缺點又有哪些?
如果硬把簧片固定焊接於電路板上,讓簧片沒有了向外延展釋放應力的能力,那我們就必須使用更大的力氣才能將簧片按壓使其變形向下,而固定焊點的位置則必須承受原本簧片向外伸展的力道,並轉為力距來抵擋簧片的邊緣翹起,如此往復運動,一段時間後焊錫就會開始出現斷裂的現象,又或者簧片會出現疲勞斷裂的現象。
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所以,常見「金屬簧片」使用背膠黏貼於電路板或按鍵,但不會限制簧片的周圍活動空間。另外一種作法是採用帶長腳的簧片,在金屬簧片的左右兩側各自向下長出一支PIN腳,PIN長必須大於板厚,將簧片的PIN腳穿過電路板的通孔,然後將超出電路板背面的PIN腳反折或對扣將簧片固定於電路板上,請注意只是將PIN折彎讓簧片不至於掉落,而不使用焊錫。
那到底有沒有可能讓「金屬簧片」可以用SMT自動貼片焊錫而不會發生錫裂或翅膀斷裂的可能性呢?
嗯!這個答案要從兩個方向著手。
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降低簧片上下活動時的應力。在金屬簧片的翅膀與簧片本體處要設計一個可以容許簧片外擴與內縮的機構,這個機構可以起到減緩並吸收簧片上下活動時所產生的應力,可以考慮打一個【v】或【w】字型的kink。
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2.加強焊錫強度。或許可以考慮將SMD的翅膀改成長腳簧片,通孔零件的焊錫強度一定比SMD來得強,而且有更大的空間可以在PIN腳的地方做緩衝的設計。
如果不考慮維修的問題,其實可以在長腳的金屬簧片上薄錫就可以了,就是要它錫裂,錫裂了就不會折斷翅膀或PIN腳了,用長腳的目的是只是希望在整機組裝時金屬簧片還固定在電路板上不至於掉落就可以了。
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簡介SMT表面貼焊流程中包含哪些製程與致意事項
之前工作熊有撰文介紹過「何謂SMT(Surface Mount Technology)表面貼焊(裝)技術?」,不過似乎並未詳細說明整個SMT的流程,今天就來介紹一下SMT的流程中有哪些製程與注意事項。
不得不說,SMT應該是現代電子組裝工業中自動化程度最高的一環,一整條產線大概只需要5~7個作業員就可以維持一條生產線的運作,而且大約每30~60秒就可以產出一片組裝板。
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請參考最上面的【SMT產線設備配製流程圖】
00. 印刷生產序號(Shop Floor tracking number)
SMT產線的前置作業必須要在裸版(bare PCB)上先印上生產序號,這組序號最主要在追蹤中其生產履歷,如果紀錄運用得當,它可以追蹤板子上面打了哪些Date-code的電子料與來自哪個MPN,它也可以讓我們追蹤整個生產過程中有沒有什麼異常狀況或是不良修理。當然這些都是有前提的,想要有什麼收穫就必須有付出。
電路板的生產序號印刷目前大約有4種方案,可以參考【介紹並比較四種PCBA追蹤條碼印刷方案的優缺點(標籤、油墨、鐳雕)】一文。目前走在比較前面的公司會建議採用「鐳雕」技術,副作用比較少,而且美觀。
另外,有些跟不上腳步的公司不一定會在空版的階段就印刷序號,而是等到分板完成後才會製作序號,序號導入在製程越前端,可以追蹤到的生產履歷就越完整。
01.空板載入(Bare Board Loading)
電路板組裝的第一步當然是要將空板(bare board)載入到SMT的流水線上。目前最常見的技術是將空板整齊重疊排列後,放置於料架上,然後類似印表機的紙張運送一樣由機構裝置從最上面的板子一片片送入SMT生產線的輸送帶中,不過這種運作在推送的過程中有時候會對某些板子造成表面刮傷的問題,所以有時候也會將空版放置於分料架(magazine)中,這樣在機器堆送時就不會有刮傷的問題,只是多了一個放進分料架的動作。
這些過程都會有感應器(Sensor)作為眼睛傳送到電腦中,然後判斷何時該推送板子,並下指令何時停止板子前進。
02.印刷錫膏(Solder paste printing)
印刷電路板(Printed Circuit Board,PCB)」進入SMT流水產線的第一個作業為「印刷錫膏(solder paste)」,說真的這有點類似女生在臉上塗抹面膜。
這個步驟會把錫膏透過鋼板(stencil)印刷在PCB需要焊接零件的焊墊/焊盤(pad)上面,錫膏的位置與體積會影響到後續的焊接品質,這些錫膏會在後續SMT製程流經「回焊爐(Reflow Oven)」高溫區時融化並在重新凝固的過程中將電子零件焊接在電路板上面。
之所以要使用「錫膏」來作為電子零件與PCB結合的最主要目的有二:
1)焊錫完成前將電子零件黏貼固定在電路板,使其不至於因為PCB的移動或振動而偏移。這就是為何要為膏狀。
2)經過回焊高溫後將電子零件焊接固定於PCB上,使其在終端用戶使用的過程中不至於掉落,並達到電子訊號傳遞的目的。
延伸閱讀:如何將錫膏印刷於電路板(solder paste printing)
另外,在新產品試機時有些人會使用膠膜板/膠紙板來代替錫膏,可以增加SMT調機的效率並減少浪費。
03.錫膏檢查機(solder paste inspector, SPI)
錫膏印刷的優劣會直接影響到後續零件焊接的良莠好壞,所以現在大部份較領先的EMS工廠為求品質穩定,都會先在錫膏印刷之後額外多設置一台光學儀器,用來檢查錫膏印刷的品質,這台儀器就被稱之為「錫膏檢查機(Solder Paste Inspector, SPI)」,其原理與AOI(Auto Optical Inspection)類似,檢查後如果發現有錫膏印刷不良的板子就可以先挑出來,洗掉上面的錫膏在重新印刷錫膏就可以了,或是採用修理的方式移除多餘的錫膏。
這個SPI之所以重要是因為錫膏如果經過回焊後就固化了,錫膏固化後才發現零件有焊接問題就必須動用烙鐵重工,或是報廢,如果可以在早期固化前就發現錫膏印刷問題並加以改善或解決,就可以大幅降低生產不良率並降低修理的成本。
04.快速打件機 (Chip Placement, Pick and Place speed machine)
電路板上的電子零件一般分為主動元件(IC類零件)與被動元件(Inductors, Capacitors, Resistors等零件),而這類SMD被動元件(如小電阻、電容、電感)又稱「Small Chip」的體積通常比較小,而且一般只有兩個端點需要被焊接,所以在將這類小零件擺放在電路板上時相對的位置精度要求也比較低,所以就設計出了快速/高速打件貼片機(Chip Placement machine),這種置件機一般會有好幾個吸嘴頭,而且速度非常地快,快得像轉輪機關槍一樣,一秒鐘可以打好幾顆零件。
這個時候錫膏的膏狀優點就顯現出來了,因為打件的時候通常吸嘴頭只會上下動作動,而零件的對位就得靠板子的精準移動了,這些已經被打在電路板上的電子零件則會被剛剛印刷於電路板上的錫膏黏住(這也是為何錫膏要做成膏狀的原因之一),所以既使打件的速度非常的快(板子移動的速度方常快),板子上面的零件也還不至於被甩開飛散,但大型零件或是有一定重量的零件就不適宜用快速打件機來處理,一來會拖累原本打得飛快的小零件速度,二來怕零件會因為板子快速移動而偏移了原來的位置。
視電路板上的小零件數量多寡,一條SMT產線一般會有1~4台快速打件置件機。
05.泛用型打件機 (Pick and Place general machine)
這種泛用型打件貼片機一般又稱為「慢速機」。它幾乎可以適用於所有SMD零件的貼片打件需求,但因為其訴求的不是速度,而是打件的精準度,所以慢速機一般拿來打一些體積比較大或是比較重或是多腳位的電子零件,如BGA積體電路、連接器(connector)、讀卡機、屏蔽框/罩…等,因為這些零件需要比較準確的位置,所以其對位及角度調整的能力就變得非常重要,取件(pick)後會先用照相機照一下零件的外觀,然後調整零件的位置與角度後才會置件(placement),所以整體速度上來說就相對的慢了許多。
這裡的電子零件因為尺寸的關係,不一定都會有捲帶包裝(tape-on-reel),有的可能會是托盤(Tray)或是管狀(tube)包裝。但如果要讓SMT機器可以吃托盤或是管狀的包裝料,通常需要額外配置一台機器。
一般傳統的打件貼件機(pick and place machine)都是使用吸力的原理來取放電子零件,所以這些電子零件的最上面一定都要保留一塊乾淨的平面給打件機的吸嘴來吸取零件之用,可是有些電子零件就是無法有平面留給這些機器,這時候就需要訂製特殊吸嘴給這些異形零件,或是在零件上加貼一層平面的膠帶,或是戴上有平面的帽蓋。
06.手擺零件或目視檢查 (hand place component or visual inspection)或爐前AOI
當所有的零件都打上電路板在要進入高溫回焊爐(reflow)前,通常還會設置一個檢查點,用來挑出打件偏移或掉件…等的缺點,因為過了高溫爐後如果再發現有焊接問題就必須要動烙鐵(iron),這會影響到產品的品質,也會有額外的花費;另外一些無法經由打件/貼件機來操作的零件,比如較大的電子零件或是DIP/THT傳統零件或是某些特殊原因,也會在這裡用人工的方式手擺零件。
另外,有些手機板的SMT會在回焊爐前多設置一道「爐前AOI」,用來確認回焊前的打件貼片品質。還有一個情況是某些板子會在SMT階段就直接將「屏蔽罩(Shielding-can)」焊接於電路板上,一旦屏蔽罩放上電路板就無法在經由AOI或是目檢方法檢查其貼片與焊錫品質了,建議有這種情況一定要擴多設置一道「爐前AOI」,放置在「屏蔽罩」貼片之前。
07.回焊 (Reflow)
回焊(reflow)的目的是將錫膏熔融並形成非金屬共化物(IMC)於零件腳與電路板之間,也就是將電子零件焊接於電路板之上,其溫度的上升與下降的曲線(temperature profile)往往影響到整個電路板的焊接品質,根據焊錫的特性,一般的回焊爐會設定預熱區(pre-heat)、浸潤區(soak)、回焊區(reflow)、冷卻區(cool)來達到最佳的焊錫效果。
以目前無鉛製程的SAC305錫膏,其融點大約落在217℃左右,也就是說回焊爐的溫度至少要高於這個溫度才能重新熔融錫膏,另外回焊爐中的最高溫度最好不要超過250℃,否則會有很多零件因為沒有辦法承受那麼高的溫度而變形或融化。
基本上電路板經過回焊爐後,整個電路板的組裝就算完成,如果還有手焊零件例外,剩下的就是檢查及測試電路板有沒有缺損或功能不良的問題而已。
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回流焊的爐溫曲線應該使用RSS(馬鞍)型?還是RTS(斜昇)型?
08.光學檢查銲錫性 (AOI, Auto Optical Inspection) Option
雖然「爐後AOI」幾乎已經成現今SMT的標準配置,但並不一定每條SMT的產線都會配置有「光學檢查機(AOI)」,設置「爐後AOI」的目的之一是因為有些密度太高的電路板無法有效的進行後續的開短路電路測試(ICT),所以用AOI來取代,但由於AOI為光學判讀,有其先天上的盲點,比如說零件底下的焊錫無法被檢查,鄰近高零件的位置會有陰影效應無法有效檢查,而且目前AOI僅能針對看得到的零件檢查有否墓碑(tombstone)、側立、缺件、位移、極性方向、錫橋、空焊等,但無法判斷假焊、BGA焊性、電阻值、電容值、電感值等零件品質,有些AOI連QFN或城堡形端子(Castellated terminations)的側邊焊錫都無法檢查。
所以如果僅使用AOI想取代ICT,在品質上仍然會有很大的風險,但ICT也不是百分之百就是了,只能說互相彌補測試涵蓋率,希望做到100%測試涵蓋率,所以自己要做個取捨(trade-off)。
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09.收板 (unloading)
當板子組裝完成後會在收回到分料架(magazine)內,這些分料架已經被設計成可以讓SMT機台自動取放板子而不會影響到其品質,但操作時還是得注意不同板子的上下間距以避免電子零件撞件問題。
10.成品目檢 (Visual Inspection)
不論有沒有設立AOI站別,一般的SMT線都還是會設立一個電路組裝板的目視檢查區,信心度還是不足啊!目的在檢查電路板組裝完成後有無任何的不良,如果是設置有AOI站別者則可以減少目檢人員的數量,因為還是要檢查一些AOI無法判讀到的地方,或複檢AOI判退打下來的不良。目前的技術,AOI還是有一定的誤判率的。
很多的工廠都會在這一站提供目視重點檢查模板(inspection template),方便目檢人員檢驗一些重點零件的焊性與零件極性。
11.零件後復 (Touch up)或波焊零件
如果有些零件沒有辦法用SMT來貼片打件,就需要後復(touch-up)的手焊零件或利用「波焊(wave soldering)」或「選焊」來焊接傳統通孔零件,這個步驟通常會放在SMT的成品檢查之後,目的是用以區別缺點是來自SMT還是SMT後的製程。
「後復」電子零件時要使用烙鐵(iron)及錫絲(solder wire),焊接時將維持於一定高溫的烙鐵頭接觸到欲焊錫的零件腳與焊墊,直至溫度升高到足以融化錫絲的溫度,然後加入錫絲融化,迅速移除烙鐵頭以降低焊錫溫度,待錫絲冷卻固化後就會把零件焊接於電路板之上。
手焊零件時會有一些煙霧產生,這些煙霧會包含許多重金屬,所以操作區域一定要設立煙霧排出設備,盡量不要讓操作員吸入這些有害煙霧。
需要提醒的,有些零件的後復會因製程的需求而安排在更後段的製程。
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期望大家也可以溫故而知新,鑑往而知來,啟發自己的靈感~
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直立式Micro-USB連接器總是發生引腳短路與空焊雙重問題
當初在新產品開發時,因為市面上找不到這種垂直立式的micro-USB連接器,所以我們家的機構研發工程師就直接找了連接器廠商共同開發設計了一款新的micro-USB連接器,而這也是製程上惡夢的開始。
工作熊的印象中只要是我們自己找供應商配合我們的產品自行開發的連接器,最後都會出問題,之前的10P8C短路問題就是個慘痛的例子,而這款micro-USB連接器則是出現了引腳短路及空焊雙重問題。
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工作熊認為沒有經過市場的大量驗證過的零件,尤其是連接器都很容易出問題,因為會做系統的研發不一定懂得零件製造及生產上的一些小細節,他們通常只重視系統功能,而忽略零件設計上的一些小細節,而小細節上的瑕疵最終可能會演變成大問題。
當初我們家研發在開發款連接器時引腳的部分採用了排針端子(terminal)結構,因為這類排針端子都是排針狀的銅製品,好彎折易成型,可以依照需求將其彎折成各種需要的形狀,而且還可以做成L型的鷗翼引腳,方便SMT貼片吃錫。
(對於大陸那些盜文網站,複製貼上本站文章後,居然還改成自己公司的名字,感到無恥!文章內容部份防止複製編排可能造成您閱讀的不便,請見諒!)
但也因為排針端子容易彎折的特性,反而容易造成引腳變形、共平面(coplanarity)不佳等問題,最終發生焊接引腳不易平貼於電路板,以致產生空假焊,或於運送過程中碰歪而造成焊錫短路等問題。
為了解決這個問題,我們其實做過了很多的努力,比如說局部增加引腳位置的焊錫量期望降低假焊空焊的比率、加點紅膠並增加定位柱希望降低引腳偏移短路的比率,不過效果都不彰,因為源頭(連接器出廠)品質不佳,後續再如何努力,效果都只能事倍功半。
因為代工廠一再反饋這顆連接器的品質問題,而且還有代工廠直接對連接器廠商提出了損失求償的要求,所以最終連接器廠商提出一個頗具建設性的改善方案。有壓力才有進步啊~
將端子由「排針」變更為「板金沖壓件」,
方法其實也很間單,就是將端子透過板金沖壓(stamping)製程一次直接成型連接器引腳的形狀,這麼一來就不需要再透過多道的彎折程序來將排針成型為端子與引腳,不僅降低了多道彎折製程間尺寸不易控管的風險,也大大的降低了端子成型後因為彎曲應力再變形的風險,而且一體成形的板金結構也比經過多次彎折的排針結構來得強壯很多,其實這種沖壓端子設計也經常出現在高密度的軟排線連接器中,應用上也已經相當成熟,只是製造成本比較貴,需要全新的板金模具。
下面就是改善前後的結構圖。
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板對板連接器SMT後浮高空焊居然是因為這個?
可以用空板來製作回焊測溫板(profile board)嗎?
在回答「能不能用空板(光板)來製作測溫板?」這個問題前,我們應該要先來探討一下到底「製作回焊測溫板的目的是什麼?」
首先,當然是為了獲得真正的爐溫曲線囉!應該說是要獲得PCB板在回焊爐內的實際溫度曲線,因為回焊爐的溫度設定與板子上實際的溫度可是有著一大段的差距(約有10~30°C的差異),就類似用瓦斯爐烹煮食物,爐火的溫度與食材真正的溫度是不一樣的。而藉由量測PCB板的實際溫度則可以回饋、優化並校正爐子的溫度設定以達到符合要求的溫度曲線之目的。
其次,目前PCB與大部分電子零件所使用的材料幾乎都無法承受過高的溫度而不變形或發生劣化,尤其是在進入無鉛製程後,融錫的溫度又更高了,有些敏感的電子零件更是要求其最高可承受溫度不得高於250°C或更低,或是無法長期處於某高溫環境下超過幾秒,所以必須嚴格控制PCB板上零件的實際溫度與超過某溫度的時間。
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第三,某些電子零件因為本體使用導熱係數較低的塑膠導致吸熱較慢,例如晶片讀卡連接器(Smart Card connector)有著較大的塑膠本體,這些零件的焊腳可能會因為回焊爐設定的升溫斜率太大而造成其本體的升溫速度跟不上大環境而造成不潤濕。
第四,某些零件的焊腳(引腳)設計在本體下方,如LGA、BGA,這類零件的焊腳因為被本體阻擋而較不易受熱,而且其重工及維修也都相對困難,所以需要特別留意其焊腳的溫度曲線是否符合焊錫要求。其實,這類零件還有一個致命的問題,就是它們的Tg值一般都在200°C以下,而現在的無鉛回焊溫度則介於217~250°C之間,也就是溫度一旦超過Tg值就有機會變軟,而且因為PCB還內含不均勻分佈的銅箔,只要升溫曲線稍有差池就有很大機會因膨脹係數(CTE)的差異而發生PCB彎曲,有些BGA零件本體內結構的CTE更是嚴重,翹曲問題所在都有,於是造成HIP/HoP或NWO等嚴重的焊錫接觸不良問題。
另外,工作熊也看過某些特殊設計,直接將屏蔽罩打在板子上與其他零件一起過爐焊接的,或是故意將零件直接打在較高零件底部,而現在主流的回焊爐為「熱風式(Convection Reflow)」,「陰影效應」可能讓熱風無法順利快速的加熱到這些被覆蓋於屏蔽蓋或是高零件下方的零件,於是造成升溫延遲,輕者可能引起「墓碑(tombstone)效應」,重者可能造成不潤濕。
基於以上幾點說明,你還覺得還可以用空板來做測溫板?
當然,如果你的PCBA板子上的零件很簡單,沒什麼太複雜的零件,也沒有什麼大顆的BGA、LGA,或其他容易吸熱的元器件,其實你也不一定需要使用測溫板就是了。
如果你很重視你生產的PCBA焊接品質,那建議你一定要模擬實際板子過爐測溫,也就是你的測溫板應該要與實際過爐的板子一模一樣,該是拼板就要用拼板做測溫板,第一面過爐時,板子的第一面會打上什麼零件,測溫板就應該有什麼零件,第二面過爐的測溫板應該要包含第一面及第二面的零件,這樣才能模擬實際板子過爐時的溫度。
次差的情況是要求板廠把生產的不良板寄過來當測溫板,然後用那些從壞板上拆下來的零件拼湊出一片有重點零件的測溫板,可能不需要所有零件都上,但SMT貼片時該有的大顆IC及連接器都要上,就是那些比較會吸熱的零件都要上。
有網友提到試產時物料吃緊,庫房備料也都是備剛好數量的PCB與電子料,這樣有該如何預先製作一片測溫板呢?
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關於這個問題,建議你要事先與客戶或是研發溝通,要求試產時要必須多提供一套測溫板的材料數量需求,並向對方說明使用測溫板的優點,庫房備料時就要把測溫板需求的材料備好。
其實在「試產階段」更應該要採用測溫板才能保證回焊品質,因為試產的數量少,容錯率低,時間又趕,如果因為沒有把回焊的profile溫度調好而發生焊接的品質問題,研發單位還得多花時間來除蟲(debug)並確認問題是來自焊接製程或是設計本身,反而得不償失,先充分溝通測溫板的重要性,相信客戶或研發單位在衡量得失後,大多不會想冒因為沒有測溫板而發生焊錫問題的風險。
一般來說,一套測溫板可以從第一次試產用到量產,除非板子的設計變動非常大(板材大小變更過大、大顆或吸熱零件數量差異太多),否則同機種的測溫板都是可以繼續沿用的,也就是說,試產階段基本上只須提供第一次試產的一套測溫板即可。
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SMT回流焊的溫度曲線(Reflow Profile)解說與注意事項
瞭解熱電偶(thermalcouple)、測溫線、感溫線的基本原理與選擇注意事項
SMT生產線需要管控環境落塵量嗎?落塵對品質會有何影響?
(以下言論純粹是個人觀點,目前似乎也還沒有任何工業標準來規範SMT產線是否需要管控環境的落塵量要求。)
那為何還有很多的大公司或客戶要求要管控SMT產線的落塵量呢?
究竟是人傻錢多?還是真有其需要?還是人云亦云?還是說你只是看到別人公司有管控,所以你也想要求自己的產線或代工廠要管控?
相信大多數人對於SMT產線為何要管控環境落塵量應該都沒有深思過,工作熊自己其實也見過許多在SMT工廠做了幾十年卻從來沒有管控過環境落塵量的,據他們說印象中也沒有出現過什麼焊錫品質問題是因為灰塵造成。
既然環境落塵量可能不會影響到焊錫品質,那為何還是有很多公司想管控環境落塵量?
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工作熊個人認為,其實SMT產線對於環境落塵最該管控的應該是棉絮、纖維、紙屑、頭髮、頭皮屑等污染,而不是大家認為的那些小到0.3μm或0.5μm的微小顆粒,上述的幾樣污染也確實都會造成錫膏印刷與焊錫的品質問題。
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當污染物落在鋼板(stencil)上,就會堵塞錫膏的印刷造成缺錫。
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當污染物落在PCB表面,就可能會墊高鋼板,造成印刷錫量增加,或是在回焊時燒焦變成黑點,造成焊錫孔洞或是焊錫不良,甚至影響產品的信賴性。
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如果有PCB的玻璃纖維落在不同焊墊之間,可能會造成焊錫短路,或是在日後形成電子遷移(electromigration)的通道。
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當污染出現在電阻、電容、電感等小chip一端的焊點時,就可能出現墓碑效應,因為它會惡化融錫的拉應力。
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當污染物掉落在零件本體上方時,則可能影響到貼片機吸嘴的密封性造成拋料,影響貼片機的「稼動率(activation)」。其實精密儀器上如果附著太多的灰塵是可能會影響到機器的精準度與壽命的,因為這些設備都是透過軸承螺桿來傳動的,不過設備商似乎都會作到基本的防塵。
以上那些污染物在零件焊點還很大的時候可能不會造成什麼問題,但是在細間距(fine-pitch)零件或BGA焊接則可能會出問題,而且還會是顆不定時炸彈。
另外,以上那些污染物的尺寸其實都不大,如果不仔細看,一般不易用肉眼檢查出來,既使導入SPI (Solder Paste Inspection)也不見得就可以檢查得出來。
所以,
SMT產線至少要作到下列紀律以管控上述的污染源:
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要嚴禁在SMT產線或附近開拆紙箱包裝。因為紙箱的落塵其實是目前統計中為最嚴重的來源。這一點是工作熊認為很多小公司應做而未做到,卻也是最容易達成的。最好的方法是將SMT產線與紙箱拆包裝各自隔開。
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還有在產線活動的作業員及工程師們穿的衣服或是布料可能掉落的棉絮或纖維,這也是為何SMT產線要穿防靜電服及無塵帽的原因之一。
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再來就是電路板上可能掉落的玻璃纖維(glass fiber)。玻璃纖維是組成PCB的重要元素之一,所以在對PCBA裁板時也要盡量遠離SMT產線,因為PCBA裁板時會造成PCB內含的玻璃纖維及填充物粉塵掉落。
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要盡量減少降低從外界環境帶進來的灰塵與污染物。所以建議要有「粘塵墊」及「門口吹風除塵」裝置。
以上要求其實只要平常有在做5S與產線紀律管理,以及少許費用的投資,基本上就可以達成。既然SMT需要管控環境的乾淨度,那我們就必須要給予一定的標準來衡量成效,而管控落塵量則是目前一個可以量化且通用的工業標準。
不過,大多數的SMT產線要求管控環境的落塵量並不需要達到什麼無塵室的等級,而是只要達到類似「潔淨室」的環境就可以,比如說可以先從等級(Class)100K或10K且管控10μm尺寸以上的落塵顆粒開始,然後依據需求及能力逐漸加嚴規格。(註:頭髮的直徑約30~50μm)
最後,隨著零件的趨小化,如果你的SMT產線有計畫或已經在生產0201,甚至更小的01005或覆晶(flip-chip)元件,建議你一定要把落塵的等級往上提,甚至微塵顆粒管控的大小也要進一步縮小。
想聽聽你的意見~
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SPI管控的參數是怎麼訂出來的呢?錫膏厚度上下限如何定義?
(本文先不探討SPI設備本身量測的精準度問題,純粹只是就品質觀點來討論SPI的管控參數,這個議題沒有標準答案,歡迎留言討論提出你的看法)
工作熊發現有很多SMT工程師都不太清楚SPI的管控參數是如何定義出來的,尤其是針對錫膏厚度的中心值與上、下界限的公差是如何決定的更是莫栽央。
而大部分SMT工程師則會直接採用SPI廠商給的建議,有些比較有良心的廠商可能會建議以鋼板的厚度為中心值,然後下界限抓80%、上界限抓160%,有的甚至會直接建議【60%~200%】的公差值,這麼一來你可能會驚訝的發現怎麼SPI幾乎都不會報警且流程變得順暢無比,在這種條件下SPI大概只會抓出那些有嚴重堵塞或是拉尖特別嚴重的錫膏印刷缺失,這真的是你要的嗎?
你有想過設置SPI的真正目的是什麼?SPI可是我們花了大錢買來的,SPI真的就只能用來抓出這些重大缺失而已嗎?對於那些比較細小的零件(如0201以下零件)或是對錫膏量比較敏感的零件(如BGA)如果遵循同樣的公差標準真的不會出現焊錫問題嗎?
應該要以回焊後的焊錫品質來判斷錫膏量印刷是否恰當
想要釐清這個問題前,我們要來先來做幾個問答:
Q1:設置SPI的真正目的是什麼?
A1:應該是為了要提前檢查篩選出有否錫膏印刷不良的缺失。
Q2:那什麼叫做錫膏印刷不良?
A2:就是錫膏量印刷太多或太少。
Q3:那錫膏量印刷太多或太少會造成什麼問題?
A3:錫膏印多了會造成焊錫短路,錫膏印少了則會造成空焊。
所以最終我們應該要以回焊後的焊錫品質有否造成短路及空焊來評估該錫膏量是否恰當。
不同焊點對錫膏量精準度要求不一樣
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這麼一來又會牽扯到另一個問題:「不同焊墊大小對錫膏量精準度的要求應該不一樣?」,比如說印刷在0201的錫膏量精準度要求應該會比0805的精準度來得高吧!也就是說越細小零件焊點的錫膏量公差應該要越小,這麼一來同一片板子上的不同焊點不就會有不同的公差需求?確實也是如此,真是傷腦筋。
不過,如果你想使用一個公差來管控同一片板子上的所有焊點也不是不可以,你只要選擇板子上對錫膏印刷量公差要求最嚴格的焊點來當成整片板子的公差來管控就可以了,而實際的作法應該也是如此,只要在碰到某個焊點一直報警時再檢查一下是否為比較大的焊點,是否可以放寬個別焊點公差來做調整就可以了,這樣也可以解決誤報率或漏放印刷不良的問題。
利用SPC與印刷機的製程能力來定義錫膏厚度的上、下界限
除了上述的試誤法之外,工作熊這裡會建議你採用SPC統計手法並依據錫膏印刷機的製程能力來定義錫膏厚度管控的上、下界限標準。
我們可以選定1~5個可以代表該片板子的焊點並透過SPC的手法來收集計算錫膏平均厚度的標準差(σ,sigma),這些焊點最好要包含板子上對錫膏量精準度要求較嚴格的FBGA (Fine-Pitch BGA)或是有細間距焊腳的零件,以及對錫膏量精準度要求比較鬆的大焊點。
規格中心值:
建議一樣取鋼板厚度來當做錫膏印刷的中心值。鋼板厚度是我們可以自己定義且管控的材料參數,而鋼板厚度其實也是我們在做錫膏印刷厚度所追求的目標值。
規格上、下界限:
一般應該要用+/-3σ來作為規格的上、下界限,然後逐步排除製程中的變異因素,但實際操作下來,會發現實際印刷出來的錫膏一般都會比鋼板的厚度要來得厚,原因是PCB上面會印有綠漆(solder mask)與白漆(silkscreen)墊高了鋼板,另外刮刀的壓力、速度與角度也會影響的錫膏量。所以…
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如果實際錫膏厚度平均中心往上偏移約1.0σ時,建議上下界限可以取+/-4σ。這樣初始Cpk算出來會在1.0左右。
Cp=8σ/6σ, Ck=1σ/4σ, Cpk=(1-Ck)xCp=(1-1/4)x4/3=1.0 -
如果實際錫膏厚度中心往上偏移約1.5σ時,建議上下界限可以取+/-4.5σ。這樣初始Cpk算出來會在1.0左右。
Cp=9σ/6σ, Ck=1.5σ/4.5σ, Cpk=(1-Ck)xCp=(1-1/3)x3/2=1.0 -
不建議採用中心值偏移超過1.5σ以上的數據,而應該要先檢討為何錫膏印刷厚度會偏移中心值如此大,惕除不合理的數據之後再來使用SPC。
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不建議移動規格中心值,因為我們的目標依然還是鋼板厚度,移動規格中心會讓我們的目標失準。
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當我們使用標準差(σ)定義出了錫膏厚度的規格上、下界限後,要再回去做確認與比對,當錫膏厚度剛好落在規格的上界限與下界限時,回焊後的焊錫品質必須仍然符合品質要求,然後要試著運用PDCA循環來提高Cpk。
下列有幾個方法提供給想改善錫膏印刷Cpk的朋友參考:
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排除生產中所可能產生的「機遇變異」與「非機遇變異」。
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調整錫膏印刷機中刮刀的設定參數(壓力、速度、角度)。
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提昇鋼板品質。比如改用鐳射、奈米塗層、電鑄鋼板來穩定落錫量。
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採用高號數的錫膏來增加落錫量。錫膏編號數越高,則錫粉的顆粒就越小,越容易下錫。
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要想辦法讓錫膏厚度的中心值趨近鋼板厚度。當Cpk大於1.5後,建議要重新計算標準差(σ)縮小原來規格的上、下限,如此循環持續品質改善。
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簡介SMT表面貼焊流程中包含哪些製程與注意事項
SPI(Solder Paste Inspection)錫膏檢查機可以做什麼?
何謂SMT「紅膠」製程?什麼時候該用紅膠呢?有何限制呢?
如何選擇SMT測溫板的熱電偶?不同電熱偶(thermocouple, TC)線之間有何差異?
「熱電偶(thermocouple, TC)線」是目前業界用來量測環境溫度的最佳工具之一,因為它具有便宜、準確性高、測溫範圍大、反應時間靈敏等優點。
不過目前市面上及業界有多種不同型號的熱電偶線可以選擇,種類(Type)可分為 B、E、J、K、N、R、S、T …等多種,依據熱電偶所使用的金屬線材質不同,其每攝氏度變化所產生的微伏電壓差(µV/°C)也會有所差異,所以必須搭配「測溫儀」選用正確的TC型號,否則可能會造成溫度讀值錯誤的情況發生。
SMT熱電偶測溫線種類的選擇
熱電偶線中以K-type為目前業界最常使用之類型,而現今使用於回焊爐(Reflow ovene)中做為溫度量測之用的也幾乎都是K-Type。
相關延伸閱讀:瞭解熱電偶(thermocouple)、測溫線、感溫線的基本原理與選擇注意事項
各種類型熱電偶的特性比較表及說明:
熱電偶種類 (Type) |
材質 | 適用溫度 範圍 (°C) |
常用溫度 (°C) |
熱電壓 (µV/°C) |
|
(+) | (-) | ||||
K | 鎳鉻合金 | 鋁鉻合金 | -200~1250 | 700 | 41 |
N | 鎳+14.2%鉻 +1.4%矽 |
鎳+4.4%矽 +0.1%鎂 |
-270~1300 | 1000 | 39 |
J | 高純度鐵 | 銅鎳合金 | 0~750 | 500 | 52 |
E | 鎳鉻合金 | 銅鎳合金 | -200~900 | 550 | 68 |
T | 高純度銅 | 銅鎳合金 | -200~350 | 200 | 43 |
B | 70%鉑+30%銠 | 94%鉑+6%銠 | 0~1700 | 1600 | |
R | 87%鉑+13%銠 | 鉑 | 0~1450 | 1600 | |
S | 90%鉑+10%銠 | 鉑 | 0~1450 | 1300 | 9 |
要注意的是,依據包覆熱電偶線的外皮種類與材質,其適用溫度也會有所限制與不同,選購使用時須留意,一般建議使用於Reflow的熱電偶線至少要選用耐溫在300°C以上者為佳,如果考慮到手焊烙鐵頭的溫度也可能需要量測的話,則建議耐溫要在400°C以上為佳。
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另外,如果使用環境是在較高溫區(700°C~1260°C)且氧氣濃度較低的環境下就不建議選用K-type,因為其鎳鉻合金線會在高溫低氧環境下發生「Green Rot(綠腐蝕)」現象而產生劣化,造成熱電動勢值顯著降低之情形而造成量測誤差過大。
SMT測溫板上使用的熱電偶線徑大小建議
熱電偶的線徑一般都會使用「美國線規 (AWG,American Wire Gauge)」標準來做為規範。
TC的線徑大小其實與溫度量測精準度沒有任何關聯,也就是線徑大小不會影響到測溫結果,但是線徑大小則會直接影響到TC在測溫板上的彎折能力與佈線難易度。
測溫線的線徑越大基本上線材就越強壯,也就較不易被折斷;但是相對的缺點也就越不易被彎折來佈線,測溫點的尺寸相對的也會比較大,不利細腳零件的焊點對位測溫。
相反的,測溫線的線徑越小佈線就越容易,有些佈線可能需要穿孔作業量測零件本體下方的焊點(比如BGA錫球測溫),就需要使用直徑較小的線材;缺點是線徑越小就越容易被折斷,也就越容易耗損,測溫點作業期間及後都需要特別留意用電表量測是否有疏失斷裂問題。
而一般常規的SMT測溫板會建議採用AWG30線徑((0.01"/0.254mm)的TC測溫線;如果是有穿孔作業需求或是需使用在細間腳零件的時候則建議使用AWG36線徑(0.005"/0.127mm)的TC測溫線。
使用熱電偶的注意事項:
因為熱電偶的正負極所使用的金屬材質不同(K-Type正極:鎳鉻合金;K-Type負極:鎳鋁合金),所以其插頭的正負極不可以接反,而插頭一般為黃色,上面會印有一個「K」字母標示。參考文章最上面的圖示,電熱偶的線頭必須要有完好的焊點,兩條裸線區域也不可以互相絞纏在一起,否則可能會在溫度量測過程中因為振動而鬆動或高溫應力形成接觸不良,造成溫度量測失準、漂移等問題。
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