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善用測溫點管控LTD解決BGA的HIP/HoP雙球枕頭效應及NOW虛焊

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善用測溫點解決BGA的HIP/HoP雙球枕頭效應

因為現在很多BGA封裝都是PBGA (Plastic Ball Grid Array) ,它們使用環氧樹脂材料來封裝其外型,而載板則使用BT樹脂或ABF (Ajinomoto Build-up Film) 當基材,這些基材的Tg值都不會超過200°C,而現在無鉛的回焊區溫度一般都在220°C以上,也就是說回焊時PBGA可能出現軟化,如果再加上本體溫度分佈不均勻就非常容易發生變形翹曲,最終造成HoP/HIP焊錫不良。

為了避免發生HoP/HIP的焊錫問題,IPC-7530建議要在同一顆有疑慮BGA的不同位置放置測溫點,分別為:

  • 本體上方正面(live-bug orientation)正中間表面附近放置一個測溫點。
  • 本體下方背面(dead-bug orientation)正中間(inner ball)及最外圍(outer ball)附近的錫球處各放置一個測溫點。BGA下方的測溫點必須從PCB背面鑽孔埋線至想要量測的錫球焊點處。

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IPC-7530更建議要進一步管控整個BGA底下所有錫球的融錫時間前後差距不可超過2秒鐘,也就是所謂的【LTD (Liquidus Time Delay) < 2sec】。一般來說越靠近零件中心的錫球(inner ball)因為受本體阻擋熱源,吸熱升溫的速度也就越慢,而越外圍的錫球(outer ball)可以直接吸收到回焊爐熱風源,所以升溫的速度則會比較快。當BGA的錫球分佈出現融錫太大時間不一致時,本體就容易往已經先融錫的一端傾斜,這與電阻電容立碑原因一端拉力過大類似,最終會造成枕頭效應(HoP/HIP)。

不過工作熊個人建議,不只要管控錫球的「融錫時間差(LTD)」,更要順便管控其「固化時間差(STD, Solidus Time Delay)」,其實只要稍加注意調整回焊爐溫度的設定條件兩者就可以同時得到改善,何樂不為。

這是工作熊個人的經驗,就BGA的焊錫來說STD有時候比LTD對Hop/HIP及NWO的影響更甚,LTD太長雖然會讓BGA本體傾斜,但只要「真正融錫時間(True TAL)」夠長,傾斜是有機會可以得到平衡回復的,但如果STD時間太長,BGA本體就可能再次傾斜,而後續已經沒有高溫區可以再訂正這種傾斜了。

建議延伸閱讀:
BGA枕頭效應(head-in-pillow,HIP)發生的可能原因與機理
BGA虛焊NWO(Non-Wet-Open)形成的原因及可能解決方法

NWO(Non-Wet-Open)與HIP(Head-In-Pillow)或HoP(Head-of-Pillow)在SMT的Reflow溫度曲線下形成的原因稍微做了解釋,基本上兩者都是因為板材變形所致,只是HIP的錫膏會保留在電路板的焊墊上,但NWO則完全轉移到了錫球。

下一篇文章將會探討《如何在SMT測溫板上正確埋設BGA錫球的測溫線?》議題。


延伸閱讀:
可以用空板來製作回焊測溫板(profile board)嗎?
瞭解熱電偶(thermocouple)、測溫線、感溫線的基本原理與選擇注意事項
如何SMT測溫板的熱電偶選擇?不同電熱偶(thermocouple, TC)線之間的差異

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如何在SMT測溫板上正確埋設BGA錫球的測溫線(TC)?

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如何在SMT測溫板上正確埋設BGA錫球的測溫線?

前面曾有篇幅說明BGA封裝零件的吃錫效果對溫度非常敏感,基本上要求同一顆BGA的所有錫球必須要同時融化及固化才能有完好的吃錫,因為只要不同的錫球間溫度分佈上稍有不均勻,就可能引起翹區導致HoP/HIPNWO吃錫不良發生,所以如何在測溫板上面正確埋設BGA的測溫線就變得非常重要。

想要在BGA錫球處正確的埋設測溫線,絕對不要抱有任何僥倖的心理,因為你必須先拆掉原來的BGA封裝,在需要埋設測溫點的PCB焊墊上鑽孔,然後將測溫線從PCB背面穿過鑽好的孔洞,點膠固定測溫線,然後再按照正常程序將BGA封裝植球後再焊回原來的位置。這期間還要保證測溫線無斷裂、運作正常。

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PCBA測溫板埋設BGA錫球測溫線的步驟:

步驟1、拆除BGA。建議使用BGA重工機台,這樣可以避免傷害PCB及BGA本體。

步驟2、PCB焊墊除錫並確認焊墊無脫落異常。

步驟3、在PCB選定的BGA焊墊上鑽孔。建議選用比焊墊還要小的鑽頭直徑,但是要比測溫頭大,因為鑽出來的孔不可以超出焊墊邊緣,還要可以塞得進測溫頭的頭端焊點。

步驟4、將測溫線從PCB的背面插入已經鑽好的小孔到只露出PCB正表面約0.1mm的高度(參考文章最前面的圖片說明),高度必須超出PCB表面,但不可以超出BGA錫球融化後的高度,也就是說之後的測溫頭要被埋在錫球之中。建議要先檢查測溫線是否運作正常後才作業。

步驟5、使用紅膠或耐高溫膠帶先固定測溫線於PCB。點膠位置距離鑽出來的孔洞約5~10mm。再檢查並確認測溫頭是否落在PCB焊墊的中間且稍微突出PCB表面。

步驟6、BGA重新植球。可以使用原來的BGA,也可以拿一顆新的BGA封裝,就不用植球了。

步驟7、將BGA重新焊接於PCB上。建議使用BGA重工機台,可以有效避免傷害PCB及BGA。

步驟8、用放大鏡檢視BGA焊接後不可有偏移或高翹等不良現象,並用X-Ray檢視測溫頭與錫球是否焊接良好,X-Ray建議要傾斜一個角度來檢查測溫頭與錫球焊接不可有分離現象。如果有不良發生則需重做。

步驟9、使用紅膠固定測溫線。用紅膠從PCB背面將測溫鑽孔填滿,建議將紅膠點在孔洞的一側讓紅膠慢慢流進去或使用針頭注入孔洞中以避免形成氣泡。

步驟10、使用紅膠固定BGA。使用紅膠將BGA的四個角落邊緣各以L型固定於PCB,這樣可以延長測溫板的使用壽命。不建議將BGA四周全部用紅膠整個封死,因為我們必須模擬實際情況,紅膠點太多會影響到BGA底下的熱交換效率,影響測溫的準確性。


延伸閱讀:
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如何選擇決定SMT回焊測溫板上的測溫點?最高溫、最低溫點

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原則上在決定與選擇SMT回焊測溫板上的測溫點時至少要選擇在PCBA的最熱點與最低溫點各放置一個以上的測溫點,這樣才可以在PCBA板流經回焊爐時用這兩點來確認所有元器零件的溫度是否都落在要求的工藝窗口範圍內。

但是要如何確認哪個點是溫度的最熱點與最低溫點呢?

一般來說,選擇那些本體導熱率較差(本體通常以大面積塑膠為材質)或是零件焊腳/引腳被本體覆蓋的接地腳通常就是這片板子上溫度的最低點,所以像LGA(藍芽、歪壞模組)、BGA、Flip Chip這類零件就是首選。

如果有好幾顆BGA元件,則只要選擇其中最具代表性的一顆BGA來當作測溫點就可以,一般來說尺寸面積最大的那顆BGA就是標的,比如說一片板子上的CPU、DDR SDRAM、Flash memory全都是BGA元件,那麼一般會取CPU的BGA當作測溫點。

如果板子上同時有LGA、BGA、Flip-Chip這些元件,建議要選擇一顆LGA以及一顆最具代表性的BGA做測溫點,因為LGA的受熱特性與BGA不太一樣,至於Flip-Chip則因為其面積通常比較小且薄,而且有些還是金屬本體,導熱也比較好,所以可以把其順位往後挪。

那如果板子上都沒有LGA、BGA與Flip-Chip這類零件,那就選擇一顆最大的IC來作測溫點。

如果連IC零件也都沒有,那你認為你這片PCBA還需要做測溫板嗎?

在BGA的焊點埋設測溫點其實已經是SMT作業的一個共識了,而且IPC也有所建議,特別是針對那些焊點比較多且容易出現HoP/HIP的CPU封裝,更建議要同時量測其內排(inner ball)及外排(outer ball)錫球的溫度曲線,並控制其融錫時間差(LTD)不可超過2秒鐘。

相關延伸閱讀:善用測溫點管控LTD解決BGA的HIP/HoP雙球枕頭效應及NOW虛焊

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再來找看看有無使用大面積塑膠當本體的元件或大體型連接器等,這些元件本體大部分由塑膠或樹脂構成,其導熱率通常比較差,本體又容易阻擋熱風流通,也就比較容易形成低溫區域,如果還有多餘的熱電偶,建議也要在這些零件中選一個來做測溫點。

而板子上溫度的最高點,通常為「非接地」且無綠漆覆蓋並擁有獨立銅箔的焊墊/焊盤,一般會選取電阻或電容這類小chip的非接地腳當作測溫點。

其他測溫點的選擇

再來,要選擇受到熱衝擊後易損傷、或是有需要特別關注的敏感元件等來作為測溫點,比如說某些電解電容,或是規格上要求有較低溫度上限的元件。

這些元件除了要留意其最高溫外,還要留意其升溫斜率不可過大。

另外,有些多腳位的長條型FPC連接器,通常是40pin以上,因為其本體較細長且扁平,回焊升溫斜率如果太大則容易讓塑膠本體發生翹曲,以致造成空焊,或是在回焊完成後FPC裝入後接觸不良等問題。

測溫點選擇重點整理:

  • LGA底部接地焊點 x1
  • 最大顆BGA的底部 x1(有時候會要求正面x1+底部x2)
  • 最大顆IC的接地焊點 x1
  • 導熱率差的大型連接器接地焊點 x1
  • 40pin以上長條形軟板連接器本體 x1
  • 最小顆chip非接地焊點 x1

設置測溫點的分佈建議

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為了增加生產效率,一般SMT製程都是採用拼板(panelization)過爐,所以過爐時PCB板子的尺寸相對就會比較大,而回焊爐則是一區一區加熱升溫的,也就是說板子在回焊爐中前進時有可能前端已經進入了較高溫區,但是後端還停留在較低溫區,這樣就會造成溫差,溫差如果過大就容易形成熱膨脹差異的溫差應力進而造成板子變形。

除了溫區的溫度差之外,PCB本身銅箔的分佈狀況也會影響到板子本身不同位置升溫的差異,所以太快的回焊爐升溫斜率會加劇同一片板子溫度的差異。

所以,想要製作出一片合格的測溫板,除了要依照前述建議找出板子的最高溫與最低溫點外,在測溫點的分佈選取上建議要依照「交叉對角差異原則」來盡可能涵蓋測溫板的所有區域。也就是要盡量在拼板的四個角落與正中央處附近各選取一個測溫點。

因為測溫儀的接口有限制測溫線的數量,一般不需要選取拼板中每片單板來做測溫,而只需要依照測溫點的分佈原則選取某單板上的溫度最高點與不同單板的最低溫點來當做測溫點即可。


延伸閱讀:
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如何選用正確黏貼材質來固定測溫頭於SMT回焊測溫板

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SMT回焊測溫線頭必須選用適合的黏貼材料來牢固於測溫點上,不可因為傳送、振動或高低溫變化而發生鬆動,否則量測出來的溫度就會發生失真或漂移現象。

兩個錯誤的測溫線埋設方法

我們在前面的文章中也提醒過,電熱偶(TC)的線頭必須要有完好的焊點,且兩條裸線更不可以互相絞纏在一起,否則有可能會在溫度量測過程中因為震動而發生鬆動或高低溫應力造成脫落形成接觸不良,導致溫度量測失準、漂移等問題。

另外,還有一種常見測溫線埋設的錯誤作法,就是將測溫頭端點位置使用導熱性不佳的材質來黏貼或覆蓋其上做固定,這樣將會造成實時量測值延遲於實際溫度的情形。

原則上,在固定測溫端頭的時候,最好就是模擬實際沒有這些測溫線與固定材的狀態,也就是沒有覆蓋物阻止熱風吹拂在焊點的狀況。因為任何的物品覆蓋於測溫點都會阻礙到熱的傳遞,尤其現在回焊爐的主流為「熱風對流式回焊(Convection Reflow)」,所以測溫點覆蓋物的導熱率必須要越高越好,最好是熱風一吹到覆蓋物,馬上就將熱傳導至被覆蓋住的測溫點,降低熱傳導的延遲。而導熱率差的覆蓋物則會延緩測溫點的升溫速度,這樣就會影響到溫度的實際讀值。

理論上覆蓋於測溫點上材值的導熱率只要高到某一程度,就可以忽略測溫點升溫的延遲,比如說升溫延遲如果只有0.1秒,基本上應該就不影響到我們對溫度的判斷,可惜工作熊沒有這方面的數據資料。

目前市面上固定測溫頭有以下幾種材料,分述之:

壹、使用「高溫焊錫絲」將測溫線焊接於測溫處

如果不介意使用含鉛錫絲,則可以考慮使用主成份為鉛(Pb)的Sn10Pb90錫絲來固定測溫頭,其熔點約在300°C左右,屬於高溫錫絲。


如果一定得要使用無鉛錫絲,則可以考慮錫銻(SnSb)合金的Sn95Sb5,其熔點約在240°C,或是Sn90Sb10熔點約在250°C。但是SnSb合金的熔點其實與現在無鉛製程的回焊最高溫(peak temperature)差不多,回焊過程中會有融錫的風險,所以最好在測溫點的邊緣輔以「高溫紅膠」來固定熱電偶線。

如果是多腳位的零件(如QFP)在使用高溫錫絲來焊接固定時,建議不可將焊點焊得太大,否則一旦焊點橫跨多根引腳時,將造成溫度量測上的偏差,還記得我們前面說過測溫點要放在板子的最熱點與最低溫點嗎?假設我們要量測的為最高溫點,通常為非接地且無綠漆(soldermask)覆蓋並擁有獨立銅箔的焊墊/焊盤,但是埋設的測溫頭由於焊點過大卻與旁邊的接地腳焊接在了一起,這樣就會造成測溫點的溫度下降,因為焊錫的導熱率良好,量出來的溫度會變成所有焊錫覆蓋焊腳的平均值;相反的,最低溫點如果焊上了一大坨焊錫,由於焊錫的熱傳導優於一般的接地焊墊盤/焊盤,就會拉昇測溫點的溫度,這樣量測出來的溫度就不見得是我們期望的那個最高溫了?

貳、使用「耐高溫鋁箔貼紙(aluminum tape)」黏貼於測溫處

KIC建議使用「耐高溫鋁箔貼紙」來黏貼於測溫點以固定測溫線。

一般鋁箔的導熱率(thermal conductivity)高達237W/mK,但是依據KIC的資料顯示「鋁箔貼紙」的導熱率(thermal conductivity)卻只有大約0.5W/mK左右,這應該是因為它多了一層背膠以致造成導熱率大幅下降,所以在選用「鋁箔貼紙」時還是得留意背膠的導熱率不可太低。

https://kicthermal.com/wp-content/uploads/2015/12/KIC-Aluminum-Tape-en-R1603A.pdf

依據KIC的建議,可以將「鋁箔貼紙」直接黏貼覆蓋於測溫點而不用擔心會影響到測溫點的實際溫度讀值。這點建議與KIC做進一步的討論,看看有無實驗數據證明「鋁箔貼紙」真的不會影響的測溫值。

注意:使用貼紙類來固定測溫點時要特別留意是否有貼緊,黏貼時必須確實將TC的測溫頭完全接觸到測溫點上,不可以有浮空或鬆脫的情形。另外,每次測溫前建議檢查貼紙是否有因為高低溫循環或碰撞而脫落的情形,有的話就要更換。

參、高溫紅膠

一般來說紅膠的導熱率不佳,所以有人不建議使用紅膠來直接覆蓋於測溫點上做固定,否則會影響到測溫點的實際溫度讀值。但是紅膠卻是目前最便宜也是最佳固定熱電偶線的方案,所以除了不宜將使用導熱率不佳的紅膠直接覆蓋於測溫點處外,其餘需要固定熱電偶線的地方都建議可以使用紅膠來固定。

如果可以找到導熱率優秀的紅膠或其他膠,且符合高溫不鬆脫,工作熊還是覺得紅膠還是有機會的。

  • 【Loctite 3609】紅膠的導熱率為 0.4 W/mK。(依據廠商於網路上提供的資料)

肆、Kapton高溫膠帶

目前市面上有多款不同品牌的高溫膠帶及Kapton膠帶,一般也不建議使用高溫膠帶或Kapton膠帶直接黏貼覆蓋於測溫點上,因為一般Kapton高溫絕緣膠帶的導熱係數大約只在0.16W/mK左右,基本上跟不上回焊環境中升溫的速率,所以可能會影響到測溫讀值的準確性,而且背膠在多次返復高溫中還容易鬆脫。

杜邦有出一款【Kapton® MT+ polyimide film】聲稱其導熱率可以達到0.8W/mK,比KIC的鋁箔貼紙還要好,不過工作熊沒有用過,不知道其實際性能與價格如何。要是有朋友試過,可以分享一下經驗。

伍、使用「銀膠」固定於測溫線端點

有網友提出,現在有些公司會採用「銀膠」來固定TC的測溫端點。

使用銀膠來固定TC的測溫端點或許是個不錯的主意,因為銀膠比目前很多人使用的紅膠及高溫膠帶的導熱率都要高出很多,甚至比鋁箔貼都還要高,銀膠的導熱係數從2~30W/mK都有,但前提是銀膠必須可以固定得住測溫頭不鬆脫,且可以耐多次回焊爐反覆高溫。

下面收集幾種材質的導熱係數當參考:

  • 空氣的導熱係數(0°C時0.024W/mK,100°C時0.031W/mK)
  • ABS塑膠的導熱係數:0.25W/mK
  • 鋁的導熱係數:300°C時230W/mK
  • 鉛的導熱係數:100°C時33W/mK
  • 銅的導熱係數:100°C時377W/mK
  • 鎳的導熱係數:100°C時57W/mK

參考文件:


延伸閱讀:
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製作回焊爐測溫板時需要保留一對TC空氣線嗎?

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製作回焊爐測溫板時需要保留一對TC空氣線嗎?

工作熊以前一直聽前輩說《在製作回焊爐測溫板(profile board)時最好保留一對「熱電偶(TC)」作為空氣線之用》。所謂的「空氣線」顧名思義就是量測空氣溫度用的,它其實要量測的是回焊爐(reflow oven)內實際環境的溫度。

其實我們真正該重視的是板子上的實際溫度是否符合錫膏以及零件的規格要求,但是板子上的溫度則來自回焊爐內的環境溫度加熱而得,而爐內的溫度則來自回焊爐的溫度設定,理論上爐內的環境溫度應該與回焊爐的溫度設定一致。所以,測溫板上設置空氣線就相當是在量測回焊爐內的環境溫度







板子的溫度因為是從低溫開始逐漸加熱的,依據經驗,板子與爐內溫度大約會有10~30°C的落差,這也是為何我們需要製作測溫板來實際量測板子溫度的原因。

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那量測回焊爐內的環境溫度及設置「空氣線」又有何用處?

既然「空氣線」可以大致上代表回焊爐內的環境溫度,而爐內溫度與板子實際溫度又大約會有10~30°C的落差,因為板子是從低溫進入回焊爐後開始逐漸加熱的,這也是為何我們需要製作測溫板來實際量測板子溫度的原因。

所以,我們就可以利用這條空氣線的溫度來對比板子上零件腳的實際溫度差異,最終藉由空氣線的數據來微調板子在回焊爐內的速度與溫度設定以達到優化回焊溫度曲線的目的。這是因為到目前為止,回焊爐還無法即時同步反饋板子在爐內的實際溫度,只能退而求其次用獨立的測溫儀來量測爐內環境溫度與板子實際溫度的關係。

有些回流焊測溫儀在量測焊接零件腳的溫度外,還會多要求留一條「空氣線」。這條空氣線不需要固定在任何零件上,而是要將之懸空於板子的前緣,KIC的測溫儀則特別要求要將空氣線固定於測溫板行進的前端中間超出板邊約2.5cm的位置。

這條空氣線除了可以用來量測回焊爐內環境空氣的溫度作為之後回焊爐溫度微調的參考外(KIC有專用程式可以提供回焊爐溫度設定建議,也可以提供PWI(Process Window Index)參數修正的建議),它也會藉由此空氣線來判斷板子是否已進入回焊爐的加熱區並自動開啟溫度紀錄,同樣的,它也可以自動判斷目前到達回焊爐中的那一區,是否已經出了回焊爐而自動停止溫度紀錄,以節省記憶體的空間。


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PCB電路拼板排版板材利用率Excel計算小工具

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這支【PCB電路拼板排版板材利用率Excel計算小工具】是由網友[Banny Lin]製作並同意免費提供給有需要朋友下載使用。感謝[Banny Lin]的無私。







使用此Excel小工具時的注意事項:

  • 配合圖示說明,需自行填入PCB單板的X及Y方向尺寸、X及Y板邊尺寸、X及Y方向連板間距、X及Y排版間距於D4、E4及F3、G3、I3及I4、M3及M4儲存格。請注意X及Y方向的尺寸不要填錯位置。

  • 目前拼板/連板只列出1×1~3×4矩陣,如需要更多拼/連板數量需自行增加欄位或變更矩陣數字。

  • 此小工具只能計算方形或是模擬方形外關板材使用率。無法計算畸形板拼板或交錯拼板的最佳板材使用率。比如兩片L型板互扣的板材利用率。

  • 此小工具會自動計算拼板於工作板中應擺放成X或Y方向才可得到最佳利用率。

  • 計算結果建議選擇工作板最大產出數。因為利用率的計算包含板邊,所以可能會出現利用率(utililization)高但是工作板產出數少的情形出現。工作熊個人建議在計算利用率時可以考慮只用產出的單板面積計算來而不列入板邊,這樣似乎比較符合實際需要,這是這麼一來利用率就會變得非常低,自行考慮囉!目前提供的Excel利用率計算式還是有包含板邊的。

需要詢問PCB板廠的資訊:

  • 工作板材大小。如果PCB板廠有多個工作板材尺寸,則必須每個工作板材尺寸都需要填一份Excel表格於J3~K4儲存格中。請注意:這裡的板材尺寸預設為英吋。

  • 賊區。這邊的賊區指的是板廠需要在工作板材上預留的板邊,因為板廠也需要在工作板材上留出一些空間來做定位點及定位孔。當然不同板廠也會在賊區做一些銅箔的設計來平衡板子應力的影響。

下載

PCB電路拼板排版板材利用率Excel計算小工具 (18.2kb)

小工具或許還有不足之處,使用時如發現任何問題歡迎留言討論~


延伸閱讀:
不要被錯誤的電路板拼板利用率計算唬弄了
決定PCB的連板拼板數量時應該考慮的幾個因素
SMT採用「陰陽拼板」或「鴛鴦拼板」使用上的限制
名詞解釋:PCB生產為什麼要做拼板(panelization)及板邊?然後再分板(de-panel)呢?

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如何評估SMT二次回焊時第一面零件不掉件風險與機率

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電路板組裝(PCBA)走SMT雙面回流焊已經是現代電子製造的主流,不過偶爾還是有許多朋友會詢問工作熊:「是否有方法可以提前知道、或有什麼計算公式可以預測哪些在第一面的電子零件過二次回焊時可能有掉件的風險或掉件率?」

工作熊之前在部落格中其實就已經有寫過幾篇關於SMT雙面回流焊設計及製程上的注意事項,對這個議題有興趣的朋友建議可以先看一下:

電路板組裝全雙面回流焊接的工藝與製程基本如下:

製程:第一面印錫膏打SMD零件 》第一次回焊爐(1st reflow) 》翻面 》第二面印錫膏打SMD零件 》第二次回焊爐(2nd reflow)

所以,在進行第二面貼片回焊時,已經貼焊在板子第一面的零件將會背面進回焊爐,當板子來到回焊區時高溫將會重新熔融原第一面已經固化的焊錫,這時再加上電子零件本身的重量,就很有可能讓比較重的零件發生掉落問題。

那麼有哪些因素可能影響到二次回焊時第一面貼片零件掉落呢?

如果你有仔細觀察過那些在回焊爐中容易掉落的零件,你會發現它們有些共同的特徵,比如說焊點比較少、零件本身較重或較高,例如SMD型號的網路變壓器(lan transformer)、線圈變壓器(coil transformer)、線圈濾波器(coil filter)、比較大顆的電解電容器(Electrolytic capacitor)、同軸連接器(coaxial connector)、LGA、MCM…等。

  • 貼片零件的質量
    由於地球本身重力的關係,質量越大的零件受到來自地球的引力就越大,也就越容易從電路板上吊落。

  • 錫膏的合金成份
    目前業界使用錫膏的最大宗分別為無鉛(lead-free)及含鉛/有鉛(Tin-lead)兩種。而無鉛錫膏的成份又以SAC305最多人使用,SAC305的主要成份為錫(Sn)佔了96.5%、銀(Ag)佔了3%、銅(Cu)佔了0.5%比率的錫膏,而其熔點約為217°C。含鉛錫膏最主要為Sn61.9%/Pb38.1%,其熔點只有183°C。所以無鉛及有鉛錫膏的熔點差了大約34°C。
    另外,液態熔融焊錫的黏度應該也會影響到掉件與否的程度,可惜工作熊查到的似乎都是錫膏的黏度,而不是液態焊錫的黏度。

  • 回焊爐溫度
    其實應該是電路板的實際溫度,尤其是電路板底面的溫度,因為溫度會影響焊錫的液化的程度,溫度越高則液態焊錫的潤濕性將會越好,也就是說焊錫會更均勻的往電路板的焊墊末端移動,還會往零件引腳的上端流動(零件在底面、重力往下),使得留存在電路板與零件引腳間的焊錫變少。
    有些人會將回焊爐的下爐溫調得比上爐溫低約5~10°C來克服那些要掉不掉的零件。

  • PCB的表面處理
    不同的銅基地(OSP、HASL、ImSn)與鎳基地(ENIG)表面處理的板子基本上會形成不同的IMC,而且其潤濕程度也會不一樣,但工作熊認為這個對二次回焊掉件的影響應該不大。

  • 電子零件引腳的吃錫面積
    除了零件的質量外,引腳的吃錫面積多寡應該是影響液態熔融焊錫對零件抓著力使其不掉件的最大因素。基本上有著同樣質量的零件,引腳的吃錫面積越大應該就越能保持底面零件不掉落。

  • 錫膏印刷量
    這點其實要配合零件引腳面積,並不是錫膏印刷量越多就一定越好,錫膏量只要可以讓零件引腳底部與側面吃錫飽滿就可以達到其最大功效了,過多的錫量有時候反而適得其反。

綜上所述,我們大概可以挑出「零件質量」、「零件引腳的吃錫面積」兩個影響二次回焊掉件與否的主要因素,然後用「錫膏成份」來做區隔。於是就有人概略的用這三個因素做出了一個簡單的公式,用以計算及評估二次回焊時第一面是否掉件參考。

不要問工作熊這個公式是如何計算出來的,因為工作熊也不知道,這似乎是從中國大陸那邊流出來的…就參考參考吧!

SMT過第二次回焊時第一面不掉件計算公式(僅供參考)

雙面回流焊板子設計佈局(layout)在第一面吃錫的元器件需滿足以下質量與焊墊面積要求基本上就可以不用擔心掉件風險。

下面公式中,Cg代表元器件質量,Pa則是總焊墊面積(工作熊個人覺得應該用元器件引腳面積才比較恰當):

(1)有(含)鉛製程工藝,不掉件的標準:Cg/Pa ≤ 0.048g/mm2

(2)無鉛製程工藝,不掉件的標準:Cg/Pa ≤ 0.038g/mm2

所以,正常情況下,所有的small-chip小電阻電容電感、薄型軟板連接器、薄型的BGA、QFP、QFN類零件基本上放置在電路板的第一面當底面過二次回焊時都不應該發生掉件情形。只是BGA必須額外考慮二次回焊是否會有焊錫回流問題。

如果最後Layout工程師沒法將那些在二次回焊底面可能會掉落的零件擺放在第二面過爐,製程上雖然比較麻煩避免,需要多花些工時與費用還是可以克服掉件問題的:

方法一、在零件的底下或是旁邊點紅膠

方法二、使用過爐載具/托盤(carrier)

方法三、調整回焊爐的上、下爐溫差

方法四、採用高、低錫膏混搭的方式

方法五、回去用後復焊接吧(機器焊接、人工焊接)

建議延伸閱讀:二次回焊時如何避免第一面較重零件掉落的解決方法


延伸閱讀:
電子零件焊接強度的觀念澄清
電子製造工廠如何產出一片電路板
增加錫膏量可以改善BGA焊接不良?
什麼情況下PCB可以不用載具(carrier)過波焊
BGA枕頭效應(head-in-pillow)發生的可能原因

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整理SMT回焊爐添加氮氣(N2)對各種焊接不良的影響與效果

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整理SMT回焊爐添加氮氣(N2)對各種焊接不良的影響與效果

「氧化」是焊錫品質的一大殺手,但是氧化又是這個世界上所有元素趨吉避凶(趨向穩定狀態)的一種自然法則,無法避免,而「使用氮氣(N2)隔絕氧氣(O2)接觸」則是目前少數可以有效降低電子零件在高溫焊接時氧化的有效方法。

「氮氣(Nitrogen)」雖然不在8A鈍性氣體元素那一列中,不過在現代化學中,氮氣卻被歸類為「惰性氣體(inert gas)」的一種,它在自然界中非常不活潑,具有不易與金屬產生化合物的特性,而且在大氣中還有78%的佔比,取得的費用相對便宜,所以經常被用來充填在SMT焊接的回焊爐中置換氧氣(oxygen)的含量,少數波焊爐也會用氮氣填充,以減少焊錫或PCB焊墊於高溫時與空氣中的氧氣接觸而產生氧化反應。

將氮氣運用在回焊爐及波焊爐焊接雖然對焊接品質會有所提昇,好處也不少,但添加氮氣卻也不是百分百都是正向沒有缺點的。

下面工作熊收集整理氮氣對各種SMT焊接不良的影響與效果:

錫珠現象(Solder beads)

錫珠現象(Solder beads)「錫珠」也稱「焊珠」是相當常見的焊錫缺陷之一,它經常出現在零件本體的下方,尤其是在小電阻、小電容等small-chip本體下兩個端點的中間側面。

這是因為高溫時錫膏內含的助焊劑會迅速轉變成氣體揮發並帶著部份的錫膏往外側移動(想像氣炸的情形),於是在零件本體與PCB間的小縫隙下就會形成分離的錫膏區塊,回焊時零件下方因為沒有焊墊可以吸引熔融的錫膏,再加上零件本體的重量擠壓,於是分離的熔融錫膏就從零件的本體下方冒出並在其邊緣上形成小錫珠。

(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!)

錫珠形成的另外一個主因則是【錫膏氧化】,由於現在電子零件大小差異巨大,在開鋼板的工藝中為了配合小零件採用較薄的鋼板,而針對大零件焊腳則採用外擴在增加錫膏量,一旦錫膏開封過久或是暴露於空氣中過久,就容易造成錫膏氧化及助焊劑部份揮發,當錫膏熔融時表面形成了較厚的氧化層,進而降低了錫膏的活性,使得熔融錫膏無法藉由內聚力將外擴的焊錫完全牽引回到本體,這些留存在焊墊外的焊錫就會形成獨立的錫珠。

在回焊爐中填充氮氣,無論是那一種錫膏,其錫珠出現的數量都會有所減少。這應該是因為低氧環境下有效降低了錫粉顆粒表面氧化膜的形成,讓錫粉間可以更好更快的融合在一起,降低了助焊劑噴濺時帶出的錫量。

另外,氮氣也可以有效的抑制PCB焊墊/焊盤在回焊高溫時氧化的程度,尤其針對第二面回流焊品質的提昇更佳,因為只要焊墊容易吃錫,就可以有效回收外擴的焊錫。

空洞/氣泡現象(Bubbles/Voids)

BGA空洞/氣泡現象(Bubbles/Voids)

同「錫珠」類似的道理,在QFN中央位置的接地焊點容易出現空洞/氣泡現象,除了一些設計上留存導通孔(vias)造成氣泡或吃錫不足者,由於焊墊/焊盤表面在氮氣條件下可以有更好的潤濕,所以空洞率自然就減少。其次,氮氣讓錫粉間彼此可以更快速的潤濕也可以更有效地排出在回流焊熔融狀態下氣體無法逸出的問題。

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回焊爐中填充氮氣對於降低BGA錫球的氣泡也有同樣的效果。

但是,上述的結果並不一定完全適用於所有的焊點。曾經看過添加氮氣後反而增加BGA氣泡空洞率的例子。也許是我們對於BGA錫球氣泡形成的原因還不夠透徹吧!

葡萄球現象(Graping)

葡萄球現象(Graping)

葡萄球或葡萄珠現象(Graping)一般是指在回焊中錫膏沒有完全互相融合焊接在一起,反而聚集變成一粒粒各自獨立的錫珠並堆疊在一起,形成類似葡萄球串的現象。

葡萄球現象的形成通常來自錫膏本身氧化或是錫膏中助焊劑提前揮發以致錫粉表面的氧化膜太厚而無法被突破或完全清除以達成互相熔融的事實。隨著電子零件越做越小,錫膏的印刷量也跟著越來越少,相對地錫膏中錫粉直接暴露在空氣中的表面積比率也就明顯增加,如果使用更小的錫粉直徑(更大的號數),錫粉表面積氧化比率也會更高。

想像10顆與100顆玻璃珠分別用膠水堆在一起成為方塊的樣子,100顆一堆的玻璃珠中被包覆在內層的比率是否比10顆玻璃珠來得多,而錫膏中的錫粉就像玻璃珠一樣,膠水則是助焊劑。堆疊的錫膏處於越最外層的錫粉則容易與空氣接觸而發生氧化,內層的錫粉則可以互相融合。這也是為何有些焊錫看起來有葡萄球現象卻未影響產品的功能。

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在回焊爐中添加氮氣可以降低錫粉在回焊爐中氧化的風險,但如果錫膏已經提前氧化、或是其助焊劑無法發揮保護錫粉清除氧化的作用,那麼添加氮氣對葡萄球現象是沒有幫助的。

相關延伸閱讀:什麼是SMT葡萄球珠現象(Graping)?該如何解決?

枕頭效應(Head-in-Pillow, Head-on-Pillow)

枕頭效應(Head-in-Pillow, Head-on-Pillow)

「枕頭效應(HIP/HoP)」的形成原因最主要是BGA零件在回焊(Reflow)的高溫過程中,BGA載板或是電路板因無法任受高溫而發生板彎、板翹(warpage)或是其他原因變形,使得BGA的錫球(ball)與印刷在電路板上的錫膏分離,當電路板經過高溫「回焊區(reflow zone)」後冷卻,BGA載板與電路板的變形也慢慢回復到之前的狀況,但這時的溫度早已低於熔錫溫度,於是便形成類似一顆頭靠在枕頭上的虛焊或假焊的焊接形狀。

另一種可能原因是BGA錫球已經發生些微的氧化,當錫膏的助焊劑活性不足以清除BGA錫球上的氧化層,就會阻擋錫膏與BGA錫球融合,最終造成兩個球靠在一起的現象。

在回焊爐添加氮氣則可以部份解決因為助焊劑活性不足問題,但對於因為電路板或BGA載板變形而造成的HoP/HIP則無濟於事。

相關延伸閱讀:BGA枕頭效應(head-in-pillow,HIP)發生的可能原因與機理

潤濕不良(Non-wetting)

潤濕不良(Non-wetting)

回焊爐中添加氮氣,基本上一定有助焊接潤濕的提昇。氮氣對潤濕的基本作用有二:

  • 可以提昇錫膏中助焊劑保護錫粉的作用及清除氧化的效果。當錫膏的活性得到保障,潤濕自然好。
  • 可以降低電路板焊墊在高溫環境下氧化的程度、提高焊墊的潤濕度。氮氣尤其對OSP表面處理板子在第二面過爐的效果最好,但是對保護ENIG焊墊氧化的幫助則不大。

但如果錫膏及電路板的焊墊在進入回焊爐前就已經變質或氧化,就算氮氣再厲害,應該還是無法做到起死回生地步的。

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另外,這裡有個可能讓你感到困擾或有興趣的現象:在添加氮氣的環境下零件引腳的爬錫高度將會低於空氣環境(未開氮氣)。怎麼會這樣?這是因為氮氣雖然有效地潤濕了電路板的焊墊,但可能也因為氮氣下焊錫在焊墊上的擴散效果太好,反而影響到零件引腳的爬錫高度。就類似「水往下流」的趨勢一樣,焊錫會越加地往容易吃錫的地方移動,既然焊墊變得容易潤濕吃錫了,何必再克服重力往引腳上面爬呢。

相關延伸閱讀:PCB及電子零件焊錫吃得好不好(潤濕、不潤濕、縮錫、退潤濕)的原理是什麼?

立碑現象/墓碑效應(Tombstone)

立碑現象/墓碑效應(Tombstone)墓碑效應(Tombstone)是因為同一個零件兩端融錫時間不一致,最終造成兩端受力不均,以致一端受力較大為支點舉起零件另一端懸空而成。

基於以上論點,墓碑效應通常會落在那些一端有著大面積佈銅,另一端只有小銅箔的零件上,因為佈銅面積大小不同直接影響了焊墊的受熱程度,讓融錫出現時間差,一旦先融錫端的力距超過了零件重心重量,立碑現象於焉而生。

另外,錫膏量印刷於兩端不一致、或是印刷偏移、或是置件偏移都可能造成墓碑效應。

在回焊爐中添加氮氣通常會使得焊墊的潤濕變快變好,但也可能加大融錫的時間差,使得立碑的零件變多且變得嚴重。可以嘗試關閉氮氣看看是立碑情形是否有改善。

相關延伸閱讀:電阻電容小零件發生空焊及立碑(墓碑效應)的原因


延伸閱讀:
SMT回焊爐加氮氣(N2)的優缺點探討
整理幾種常見PCB表面處理的優缺點
無鉛噴錫板(HASL)上錫不良原因(資料收集)
ENIG表面處理是什麼電路板?有何優缺點?
回焊後焊點處出現波紋狀的皺褶或龜裂現象是怎麼造成的?
ENIG表面處理PCB焊墊的兩大潛在問題(黑鎳與富磷層)及預防措施

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BTC及QFN封裝中譯名稱及EPad氣泡空洞率允收標準

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閒聊!工作熊最近在查一些關於SMT的資料時,發現大陸居然將QFN焊接散熱墊的PCB焊墊稱為「熱沈焊盤」,而將QFN這類有ePad的零件稱為「熱沉零件」。「熱沉」其實是直譯英文【Heat Sink】來的,台灣稱之為「散熱片」,大概是取其當高熱量從設備或零件傳遞到Heatsink後,熱量即從設備或零件中消散之意,表示設備或零件安裝了Heatsink之後,熱量將會下沉。

不過工作熊發現,英文一般會以EPad來稱呼這種QFN零件上的散熱焊墊,而EPad則是【Exposed Pad】或【Exposed central Pad】的簡稱,我們一般稱之為「外露墊」或「外露焊墊」;而EPad焊接於PCB相對應位置的焊墊大多為接地,英文一般稱之為【thermal pad】,台灣稱之為「散熱墊」,請注意:少數零件可能會有訊號從EPad傳遞,所以接的不一定都是地(ground)。

沒有說對岸這樣詞翻譯得不好,而是一時看到這個「熱沉零件」無法意會是什麼零件,而且對岸似乎也不太習慣把名詞做中英對照。

零件設計裸露焊墊(EPad)的目的通常是用來增加封裝的功耗(power dissipation),除非有特殊的需求且與電路設計工程師溝通過,否則這種EPad都必須焊接於PCB的對應散熱墊位置,以達到散熱之目的。因此EPad焊接於PCB的空洞率就變得非常的重要。

QFN及BTC的EPad焊接氣泡空洞率(void ratio)

一般建議QFN(Quad Flat No Lead)及BTC(Bottom Termination Components)底面EPad焊接的總氣泡面積(void ratio)最好可以控制在EPad面積的50%以內。

在IPC-7093規範中有一個實驗研究結論,說明只要EPad散熱焊墊的氣泡中空面積不超過50%,就幾乎不會對散熱與電路產生負面影響。當然,這個實驗只是針對少數產品的熱阻(thermal resistance)所作的實驗,各家產品對熱阻及熱導率(Thermal conductivity)的需求可能不同,建議要與產品設計者溝通後確定。

此EPad焊接空洞率(solder void ratio %)的實驗使用的BTC為48腳數且長寬為 7mm x 7mm大小的封裝,在PCB散熱墊設計有4×4個1.0mm間距(pitch)的0.3mm導通孔(via)。圖片的縱座標為熱阻θJA(thermal resistance),橫坐標為空洞率(Solder void %)。

最後,提醒電路及電路板設計者們一件事,SMT工廠為了避免錫膏在大焊墊的融錫過程中因內聚力而群聚至某一區域而導致零件頂高,造成零件傾斜,最後形成單側吃錫不良之現象,會在開EPad鋼板時做井字形、田字行、米字形或條紋形狀的開孔,其錫膏覆蓋率大概只會有EPad面積的50~60%,如果PCB的散熱墊(thermal pad)上又有過多未塞孔電鍍的導通孔(vias),為了避免錫膏流入到這些vias造成錫量不足以及溢流對板子另一面造成錫珠或短路等問題,在錫膏印刷時都會特意避開這些vias,這可能使得EPad焊接的氣泡空洞率增加大於50%,甚至來到70%的空洞率,那就可能使得熱阻增加、熱導率降低並影響到散熱的效果。


延伸閱讀:
QFN封裝在SMT組裝的焊接品質
BGA、QFN導通孔在墊(Vias-in-pad)的缺點及處理原則
[案例]新產品不良分析研發怎麼可以打迷糊仗?產品印字不良分析

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QFN及BTC散熱墊焊接空洞的3個形成原因及5個可能解決方案

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QFN(Quad Flat No-Lead Package,四方形扁平無引腳封裝)零件屬於BTC(Bottom Terminational Components,底部端子元件)的一種,應該是目前業界運用最廣的底部端子。

QFN封裝零件有一個共同的特點,為了增加功耗(power dissipation)及散熱效率,都會在其本體的底部設計有一個比周邊訊號I/O端點大上好幾倍的外露焊墊(Exposed Pad,以下簡稱EPad),而且還會要求這個EPad必須被焊接於對應PCB的散熱墊(thermal pad)上,如此才能確保散熱效果。

有SMT製程經驗的人都知道,QFN這類零件本體底部大面積的焊墊是很難做到百分百覆錫焊接、沒有任何空洞氣泡的,只是散熱效果的好壞又取決於EPad上有多少面積被焊接於散熱墊上,那究竟多少百分比的空洞率(void ratio)是可以被接受的呢?如果你在沒有充分準備的情況下就傻傻地跑去問RD,所得到的答案大概會是百分百吧!因為大部分的RD也沒有概念。

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還好工業標準IPC-7093規範中有提到:『EPad散熱焊墊的氣泡中空面積不超過50%,就幾乎不會對散熱與電路產生負面影響』。只是有些RD為了保險,可能會要求更少的空洞率,或是目前製程的空洞率就已經大於50%需要改善,那有沒有什麼方法是可以降低EPad的焊接空洞率的呢?

想要降低EPad的焊接空洞率之前,首先我們得先要了解這些空洞氣泡是如何產生的,然後才能對症下藥。

QFN及BTC散熱墊焊接空洞氣泡形成的可能原因

QFN及BTC散熱墊焊(thermal pad)接空洞氣泡形成的主要可能原因大致有三:

1. 錫膏量不足

有些SMT工廠可能會刻意地減少印刷在散熱墊上的錫膏量,以避免過多錫膏溢錫(overflow)造成散熱墊(接地)與訊號端子間的短路。可是一旦錫膏量印刷不足,將會使得EPad焊接於散熱墊的空洞率增加。

這種因為錫膏量印刷不足而造成的EPad空洞通常會呈現出圓滑形狀或是形成範圍較大的空洞。

2.包風排氣不順

依據經驗顯示,在EPad上焊接空洞形成的絕大部分原因都來自排氣不順的包風所造成。由於錫膏在升溫融錫的過程中,助焊劑會因為高溫而不斷地氣化,再加上錫膏融熔成液態後會因內聚力而連結在一起並困住(entrap)一些無法逃逸的氣體,於是形成包風中空。

這種因為包風而造成的空洞通常會呈現出圓弧形狀,而且面積越大的EPad,其空洞就會越大。

另外,在足量錫膏的情況下,EPad下空洞的形成會隨著錫膏的加熱液化後先出現密密麻麻較小的空洞,隨著加熱時間的拉長與熱量累積,細小的空洞會漸漸融合在一起形成較大的空洞,有些比較靠近EPad邊緣的空洞則有機會可以突破液態焊錫的封鎖逃逸出來。

有興趣的朋友可以仔細看看這支某錫膏廠商做的影片,觀察EPad下的氣泡是如何產生與融合的。

3. EPad焊盤存在通孔

QFN本身有非常大的散熱需求,所以IC業者都會要求PCB設計者必須在其對應的散熱墊(thermal pad) 上做導通孔(vias)連接至板子最外兩層及各層的大面銅箔以加強散熱效果。

有些設計了導通孔後壓根就不會想要再將這些導通孔給填起來,一則因為填孔要多一道工序,需額外花錢,二則又怕使用樹脂(resin)填孔會影響散熱,如果做電鍍填孔費用又太高。

可能很多的設計工程師不知道,把導通孔直接放在焊墊上不填孔會對SMT製程產生多大的影響?有興趣的朋友可以參考工作熊之前寫過的【BGA、QFN導通孔在墊(Vias-in-pad)的缺點及處理原則】這篇文章。

本文只強調當焊墊上設計有未填通孔或盲孔時,錫膏融熔後將會流入這些孔中,焊接在EPad上的錫膏量將會減少,空洞也會隨之增加,而且工廠更無法管控每次生產時會有多少錫膏流失,這樣散熱品質將無法保證。

QFN及BTC散熱墊焊接空洞的解決方案

了解過QFN散熱墊焊接空洞形成的可能原因後,我們就可以來對症下藥了。

錫膏量不足的解決方法

對於錫膏印刷量不足的解決方法,主要就是想辦法增加錫膏就可以解決了,不過還有一個前提是散熱墊上面不可以有密度過高的未填孔之導通孔,否則錫膏印得再多也沒用。

排氣不順包風問題的解決方法

至於排氣不順包風的解決方法,就是要設計【排氣通道(vent channel)】讓空氣可以順利逃逸出去,最普遍的做法是把錫膏印刷成田字形或井字形、米字形、斜條紋,只是不管錫膏印成什麼形狀,依然無法克服錫膏融熔後困住部分空氣的問題,而且錫膏本身的助焊劑也會產生氣體,依據經驗,經由錫膏印刷圖案來留出排氣通道最多只能將空洞率控制在30%~40%左右。

所謂山不轉路轉,我們可以試著換個思路來看是否可以降低空洞率,以下提出5個可能解決方案。

1. 能不能利用vias來當成逃氣孔?

既然空洞是由於包風排氣不順所造成,那能否利用vias來當成排氣孔(vent)?前面我們說過散熱墊上如果有未填孔的vias,錫膏會有流入孔中造成少錫的風險,所以我們要做的

首先就是讓錫膏印刷時避讓這些vias,建議印刷時距離via多少mm以降低錫膏流入。

其次,未填孔的vias不可太過密集,孔間距最好在1.5~2.0mm左右,其餘的vias則必須填孔。

其三,未填孔via的直徑建議要在0.25mm以下,最好是微導通孔(micro-vias),還要確認導通孔對面沒有被綠漆覆蓋阻塞。

其四,可以考慮在未填孔via周圍印上一圈白漆,可以有效防止錫膏流入,理論上白漆印刷後會有高低差,如果還是擔心整圈的白漆會阻礙排氣,則可以留四個缺口。

以上,只是工作熊個人的想法與建議,還沒有真正做過實驗,有興趣的朋友可以自己做個實驗看看結果。

2. 提高reflow峰值溫度及TAL時間

前面我們說過隨著EPad下錫膏溫度的升高會先出現細密小的氣泡,接著小氣泡會漸漸融合成為大氣泡,靠近EPad邊緣的氣泡有機會可以突破液態焊錫的封鎖逃逸升天。

所以,我們可以嘗試調整回焊的高溫與時間,來看看是否可以逼出EPad邊緣的氣泡。有興趣的朋友可以參考這篇網路上的文章《Minimizing QFN voiding during SMT assembly》,文章中比較兩組溫度曲線,其峰溫及TAL(Time Above Liquidus)分別為

Profile #1:240°C±4°C / TAL of 70s

Profile #2:254°C± 4°C / TAL of 77s

實驗結果是有較高溫峰及較長TAL的第二組溫度曲線之空洞率比第一組減少了約10%。

但也可能適得其反,因為較高的溫峰及較長的TAL意謂著會把原本的細密小氣泡融合成大氣泡,一般我們不太會去計較這些微小的氣泡,計算空洞率的時候也可能直接忽略,可一旦變成了大氣泡,就會被計算進去囉!

另外,可能需要確認一下自己使用的錫膏配方是否適用於較高的溫峰及較長的TAL。

3. 使用預成型錫片(solder preform)

這是錫膏廠商強推的方案,效果也的確不錯,就是費用有點高。對QFN空洞率有嚴格要求者可以考慮,建議要挑有含有助焊劑的預成型錫片才可以獲得比較好的焊錫性。

使用預成型錫片(preform)時,QFN的散熱墊仍然需要印刷錫膏,而且還要用置件貼片機的吸嘴把預成型錫片擠壓沉入錫膏中,務必讓錫膏高於錫片,這樣才能確保QFN可以被錫膏黏在PCB上,不會因為震動而移位。

4. 使用真空回焊爐(Vaccum reflow oven)

這得有設備配合,效果似乎也不錯。

5. 擴孔增加QFN的I/O焊墊錫量

依據熱傳導理論,在回焊爐中QFN四周的I/O腳焊墊會比零件下方的散熱墊(thermal pad)升溫速度還要來得快一些,也就是說I/O腳焊墊上的錫膏會先融錫,所以我們可以適當的增加I/O焊墊上的錫膏量,讓I/O焊墊上較先融熔的錫膏於散熱墊錫膏還未液化前抬起QFN本體,這樣就可以在QFN本體及散熱墊錫膏間形成一個有效的逃氣通道,等到液體焊錫開始凝固時,I/O焊墊上的多餘焊錫會往I/O側邊端點爬或是堆積在I/O焊墊上,所以I/O焊墊上的錫膏也不能增加過多。

對這個議題有興趣的朋友可以參考這篇文章《Aperture Design to Minimize QFN Voiding | AIM Solder》的論述及實驗。

至於I/O焊墊上的錫膏量應該增加多少?如何增加?文章中建議往焊墊的長條方向外擴20mil(0.5mm)~30mil(0.76mm),而不要其他I/O腳焊墊的方向擴,以避免短路發生。

關鍵字:QFN, EPad, 中空, 空洞, 氣泡, 包風


延伸閱讀:
QFN封裝在SMT組裝的焊接品質
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鋼板零件使用厚度及開孔方式(開法/形狀…等)之工藝

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鋼板零件使用厚度及開孔方式(開法/形狀...等)之工藝

有網友提問:『鋼板/鋼網(stencil)厚度是如何決定的?開孔(aperture)方式(開法/形狀…等)工藝有何講究?』

鋼板的厚度基本上取決於需要的錫膏量,鋼板越薄,通常也意味著需要的錫膏量越少。而需要多少錫膏量則要看電路板上的零件而定,通常就是看板子上那些對焊錫量比較敏感的電子零件,比如錫球間距最小的BGA以及細間距零件。再來就是焊點越小的零件,其對於錫膏量精準度的要求也就越高。當然,最終還得取決於焊接後的品質狀況。

決定鋼板厚度的因素

決定鋼板的厚度時要優先考慮上述那些細小間距零件的用錫量,以0402零件來說一般會使用0.12mm的鋼板厚度,而0201零件則大多會選用0.10mm厚度的鋼板,隨著零件越來越小且同一板子上細小零件數量增加,有人開始使用0.08mm厚度的鋼板,然後再針對那些需要較多錫膏量的零件去做局部加厚處理的階梯鋼板(step-down stencil),只是局部加厚鋼板是有其厚度侷限的,一般來說可以往上加個0.01~0.08mm,而且還得看局部加厚區域的附近有無細小零件,因為刮刀在刮過局部加厚的區域時,會被突然頂高造成局部變形,如果在局部加厚區域的邊緣如果有開孔,就會造成錫膏量印刷不均或錫膏量過多的現象出現。

另外,厚度越薄的鋼板,錫膏落錫量的控制就越不穩定,也就是說印刷在電路板的錫膏量之精準度會變差,這是因為鋼板開孔的垂直面並不如想像中的光滑,依照不同的鋼板製作的工藝(Etching, Laser, Coating, Electroform),會有不同的表面粗糙度,而表面越粗糙的開孔,謮越容易發生錫膏殘留在垂直面的問題,一旦發生就會造成後續印刷的錫膏量短缺,其他如刮刀壓力、速度、角度及錫膏號數(錫粉顆粒大小)等都會影響到錫膏的印刷品質。

鋼板開孔的大小及形狀

至於,鋼板開孔的大小及形狀,原則上是依照電路板上焊墊1:1的大小及形狀來開的,然後再針對一些比較特殊的零件來做開孔的外擴、縮減或是修改形狀以符合該零件的需要,有些零件可能需要使用到階梯鋼板來局部增加或減少錫膏量。

建議大家可以先參閱IPC-7525 Stencil-Design-Guidelines(鋼板設計指南)文件,這份文件中提到:

1. 為了確保錫膏可以經由鋼板開孔被完美的轉印到電路板上,該文件要求鋼板的開孔及厚度上必須要有一定的比率,以避免錫膏因為表面張力而無法完全落錫。

    • Aspect Ratio (寬厚比、縱橫比) = Width of Aperture / Thickness of Stencil Foil = W/T > 1.5
      pitch (mm) 1.27 0.80 0.55 0.40
      pad width (mm) 0.635 0.40 0.275

      0.20

      stencil thickness (mm) >
      (W/T >1.5)

      0.42

      0.27

      0.18

      0.13

    • Area Ratio (面積比) = Area of Aperture Opening / Area of Aperture Walls = (LxW) / [2x(L+W)xT] > 0.66

2. 針對PBGA封裝零件:建議縮減直徑0.05mm以避免短路。

3. 針對CBGA封裝零件:建議外擴0.05~0.08mm以避免空焊。陶瓷與FR4的CTE差異較大,熱變形量也會有較大差異。

4. 針對 fine-pitch BGA 或 CSP 封裝零件:如開口為正方形則建議邊長必須比焊墊縮小0.025mm且四個直角導圓角,當邊長為0.25mm時導R角0.06mm,當邊長為0.35mm時導R角0.09mm以避免短路。

5. 針對電阻電容電感這類【片式零件(chip components)】:

一般來說,片式零件在吃錫上較容易發生錫珠問題,而錫珠的發生,除了錫膏氧化之外,其最大原因就是錫膏內含的助焊劑在高溫會下迅速揮發轉變成氣體並帶著部份的錫膏往外側移動(想像氣炸的情形),於是就會在零件本體下方與PCB之間的小縫隙形成分離的錫膏區塊,回焊時零件下方因為沒有焊墊可以吸引熔融的錫膏,再加上零件本體的重量擠壓,於是分離的熔融錫膏就從零件的本體下方冒出來並在其邊緣上形成小錫珠。
SMT錫珠形成

所以,片式零件通常會採用小精靈型或是本壘板型兩種開孔形狀來減少錫膏量量,讓助焊劑可以順利揮發,以避免錫珠產生及短路發生。至於大小則通常採用焊墊的1/3寬(W)或1/3長(L),而對於0402或0201以下的片式零件則可以考慮採取半圓點型或是圓形錫膏印刷開孔來減少錫膏量。

針對有立碑缺點的零件則可以考慮採用本壘板型然後往本壘尖端外擴一點點,或是將錫膏開孔整個往本壘尖端方向稍微偏移一點點來解決。但這只是治標不治本,立碑問題最好還是透過電路板設計增加【熱阻 (thermal relief)】並縮小焊墊內距尺寸來解決才能一勞永逸。

6.針對MELF這類圓柱體零件:建議採用C字形開孔以避免零件滾動偏移。


延伸閱讀:
什麼是SMT葡萄球珠現象(Graping)?該如何解決?
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?
如何挑選一支適合自己公司產品的錫膏 (Solder paste selection)
如何將錫膏印刷於電路板(solder paste printing)與影響錫膏印刷品質的因素

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為何SMT的錫膏在使用前要先攪拌退冰?還要管控開封後的使用期限?

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為何SMT的錫膏在使用前要先攪拌及退冰?還要管控開封後的使用期限?

錫膏是現代電子組裝製造中不可或缺的焊接材料,而且扮演一個很重要的角色,它主要被應用於SMT(Surface Mount Technology,表面貼焊技術)中用來將電子零件焊接於PCB,讓不同電子零件的訊號可以連接在一起形成一個有效的迴路。哪你知道不論是早期的含鉛錫膏或是現在流行的無鉛錫膏及無鹵錫膏為何在使用之前都必須要先經過攪拌?退冰回溫?而開封後的錫膏也必須管控其使用期限?

錫膏使用前為何要退冰回溫?

錫膏管控03錫膏管控02

這是因為錫膏存放時需要低溫5~10°C冷藏,剛從冰箱中取出的錫膏,其溫度一般會較車間溫度來得低,如果未經回溫就開啟瓶蓋,就容易吸收到空氣中的水氣並凝結沾附在錫膏中,沾有水氣的錫膏在回焊(reflow)的過程中會因為受熱超過100°C而快速氣化變成水蒸氣並膨脹體積,造成爆錫現象,產生錫珠。

錫膏回溫一般要求從冰箱取出後不開蓋放置於室溫2-4小時使其溫度與室溫一致。

為何SMT的錫膏在使用前要先攪拌?

錫膏(solder paste)為錫粉合金(alloy powerder solder)以及助焊劑(flux)所組合而成的膏狀物,膏狀的錫膏易於透過鋼板(stencil)塗抹於PCB的焊墊,而且還可以在回焊(reflow)前起到黏住電子零件使其不因震動而偏移掉落,而助焊劑中又包含有多種的不同的液體成份,如松香、活性劑、溶劑、增稠劑等,這種混合物在靜置一段時間後比重較高者會因為重力的關係而開始下沉出現沉積(deposition)分層的現象,使用前如果不將這些物質重新充分混合,一旦打開錫膏罐後就會明顯發現有一層溶劑漂浮在最上方,而較重的金屬錫粉則全部集中在了底層,膏狀變成水狀或硬塊,這樣的錫膏當然就失去了其原本各司其職的功用。

攪拌錫膏的目的就是為了將錫膏中原本的成分重新充分混合,一般人工攪拌為同一方向大約20~30圈大概1分種即可,過多的攪拌其實會破壞原本圓形的錫球形狀而變成橢圓形,這樣反而不利後續的錫膏印刷,而且過攪拌時間過久或次數過多也容易讓錫膏的氧化加劇,不利後續的焊接作業。

現在則有新式的全自動錫膏攪拌機採用仿行星繞行恆星運轉原理(參考文章最上方圖說),將錫膏罐放置水平45°傾斜角,然後通過罐體同時自轉及公轉的離心力來進行攪拌,錫膏罐內的錫膏就會依據慣性以螺旋路徑來進行混合,這樣的攪拌方式經過驗證後已確認不需要事先將錫膏退冰及開瓶的情況下就可以進行攪拌,因為高速離心旋轉會使得錫膏內不同物質間流動產生摩擦也會順帶使得錫膏溫度上升,大大的降低錫膏提前接觸空氣氧化、吸收水氣的機率以及減少退冰的時間。

錫膏開封後為何要控制其暴露於產線的時間

這是因為錫膏中含有助焊劑,而助焊劑中又含有乙醇類等易揮發的溶劑,也就是說錫膏一旦開封後溶劑就會開始揮發(其實不開蓋密封的情況下也會揮發,只是速度很慢,就類似汽水裝在寶特瓶中一段時間後也會沒氣是一樣的道理),尤其是那些已經塗抹在鋼板或是已印刷在PCB上的錫膏,其溶劑揮發的速度會更快,所以,一般有紀律的SMT廠都會嚴格管控錫膏的使用標準及壽命。

一般要求錫膏回溫2H,超過8H不得回收,超過12H或24H報廢。


延伸閱讀:
讓通孔元件/傳統插件也走迴焊爐製程(paste-in-hole)
如何挑選一支適合自己公司產品的錫膏 (Solder paste selection)
客戶評核SMT製程時最重要的程序及環節是什麼?錫膏管控注意事項
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

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SMT回焊溫度曲線中回焊區前後熔點附近溫度會有短暫停頓平移或抬升是什麼原因?

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我們在製作SMT的回焊溫度時間曲線(reflow profile)時,經常會在溫度曲線的回焊區前後,而且幾乎都是在錫膏熔點附近,發現有溫度平移甚至短暫抬升的現象,這是測溫板製作有問題?還是什麼原因造成這種現象的呢?

(請注意:以下觀點沒有經過驗證,所以只是個人觀點,不一定正確)

這種在回焊區前後發生溫度平移、飄移或短暫抬升的現象其實可以分成兩部分來解釋。

一、熱力學的熔化熱

我們在國中或高中時應該都有讀過理化,談過融化的現象,我們以最常接觸也容易理解的「冰」與「水」來做說明好了,「冰」為固體,而「水」則為液體,當我們對著「冰」持續加熱,冰的溫度就會隨著時間而直線上升,當溫度到達冰的熔點時,冰(固態)則會開始融化為水(液態),這段時間會呈現出冰與水同時存在的融熔狀態,金屬的話就會是漿態(pasty),雖然持續加熱,但是溫度則會維持在0°C不變,而這段時間所吸收到的熱量則是被用來使水分子間的距離變遠,等到所有的冰都變成了水之後,溫度才會繼續升高。錫膏的熔點也是類似的道理,當溫度上升到熔點時,需要吸收一定的熱量從固態轉變為液態,等到所有的錫膏全部溶化為液態後,溫度才會繼續上升,所以會出現一段溫度不變的時間,反之從液態轉變為固態則會釋放熱量,一樣會一段溫度不變的時間。

(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!)

而單位質量物質由固態轉化為液態時,物體需要吸收的熱量就被稱之為「熔化熱(Enthalpy of fusion)」。熔化熱是一種潛熱(Latent heat)。同一種物質中,液態比固態擁有更高的內能,因此,在熔化的過程中,固態物質需要吸收熱量來轉變為液態。同樣的,物質由液態轉變為固態時,則要釋放相同的能量。液體中的物質微粒與固體中的相比,受到更小的分子間作用力,因此擁有更高的內能。

二、測溫線鬆脫

如果在溫度曲線中發現溫度有上下抖動或短暫往上抬升的情形,絕大部份原因都是熱電偶(thermalcouple)測溫線鬆動所致。究其原因,現在大多數測溫板的製作都會使用SAC305合金焊錫來將測溫線焊接於測溫板上,因為現今SAC305無鉛焊錫的用量最大也最容易取得。

只是,這麼一來就會發生一個大家都看到但不一定注意到的問題,就是量測同樣使用SAC305錫膏製程的溫度曲線時,那些焊接在測溫點的焊錫會在進入回焊爐中測溫時重新融化,因為SAC305製程的回焊最高溫(250°C)會超出SAC305的熔點(217°C),這時候如果沒有使用其他材料來固定測溫線的焊點,測溫線就會發生鬆脫及掉落的現象。

而我們一般都會使用紅膠來覆蓋在測溫點上做固定。不過,一般紅膠的導熱率不佳,工作熊個人不建議使用紅膠來直接覆蓋於測溫點上做固定,否則會影響到測溫點的實際溫度讀值,也就是說測溫時紅膠會阻礙回焊爐中溫度傳遞到測溫點的效率,造成測溫延遲的問題。而使用紅膠覆蓋測溫點還會產生另一個問題,如果紅膠未完全填充測溫線焊接在測溫點上的所有縫隙,那麼在測溫板進入回焊區溫度超過SAC305熔點時就會發生焊點鬆脫現象,視縫隙及焊點大小影響鬆脫的嚴重性,當測溫線鬆脫焊點到一定程度時就會發生測溫飄移的情形,因為會同時量測到焊點與紅膠包覆空氣的溫度,理論上焊錫從液態轉變為固態時會散發熱量直到完全固化,就會造成被紅膠所包覆區域空氣的溫度上升,於是出現溫度短暫抬升的現象。

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建議大家可以閱讀一下【如何選用正確黏貼材質來固定測溫頭於SMT回焊測溫板】這篇文章,了解更多關於測溫線埋設的注意事項。

小結

所以,我們可以來做個小結:

  • 當我們選用高溫焊錫(焊接測溫線的焊錫熔點高出生產的回焊最高溫)來製作測溫板,理論上就不會出現溫度平移及短暫抬升的現象。因為焊錫不會被熔化,如果出現了,就一定是哪裡出了問題。
  • 如果無法選用高溫焊錫來焊接測溫線時,測溫曲線上出現溫度平移責是無法避免的正常現象。因為焊錫一定會熔化,就會有熔化熱的現象。
  • 如果溫度曲線中發生有溫度抬升的問題時,表示測溫線在測溫過程中發生鬆脫,可能無法準確測得實際溫度,需要改進。

延伸閱讀:
如何選擇決定SMT回焊測溫板上的測溫點?
可以用空板來製作回焊測溫板(profile board)嗎?
瞭解熱電偶(thermocouple)、測溫線、感溫線的基本原理與選擇注意事項
如何SMT測溫板的熱電偶選擇?不同電熱偶(thermocouple, TC)線之間的差異

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SMT產線為何要分長線及短線?如何提升SMT產線效率?

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SMT產線為何要分長線及短線?如何提升SMT產線效率?

SMT產線為何要分長短線?其主要目的當然是為了要提高效率,這裡的長短線指的是SMT腺體的長度,也就是機台的數量,大家應該都有看過零件不到10顆零件的板子吧!像這種板子就可以使用短線SMT來作業,只要一台錫膏印刷機+一台貼片機+回焊爐就可以了。甚至連SPI及AOI都不一定需要。而長線SMT通常會放置比較多台的置件/貼片機(pick and placement machine),適合單面零件數比較多的板子。

那SMT產線要如何提升效率?

工作熊這裡提供兩個思考的方向給大家參考

一、line balance(生產線平衡)

就是要盡量保持讓每一台SMT設備都處在運轉中沒有待機。

我們以有一條有3個作業員的包裝流水線來說明好了,假設原先作業的製程安排,

第一個作業員的作業時間為30秒,

第二個作業員的作業時間為20秒,

第三個作業員的作業時間為10秒,

不考慮其他因素造成的工時損失,那麼產出基本為每30秒可以完成一個包裝,大家覺得這樣的安排有沒有什麼不合理的地方?就是第3個作業員大部分時間都在等待沒事幹,而第1個作業員卻得一直做沒得休息。如果我們可以把第1個作業員的工作分一點給第3個作業員,讓兩個作業員的時間平均都變成20s,理論上三個作業員的時間就會通通是30s,而產出的時間也可以從30s降為20s,也就不會出現有作業員忙得命,而有些作業員則很輕鬆的現象。

line balance(生產線平衡)

而SMT產線的配置也是一樣的道理,因為SMT線是由好幾台不同設備所組成的產線,我們只要合理的分配每個設備的生產時間,也就是將零件合理的分配到不同的貼片機,讓每台設備的生產時間都非常接近,基本上就可以達到最佳的生產效率,否則一台那麼貴的SMT設備卻經常處於待機狀態,就是在燒錢。

二、使用「拼板(panelization)」

拼板就是將許多的單板拼湊在一起成為一片比較大的板子,比如說我們常常會說2合1(2in1)或3合1(3in1)甚至更多合1的板子就是拼板。使用拼板最直接的優點就是可以減少取放的時間,因為一次就可以同時拿取多片板子,而拼板最大得優點則是可以提升SMT的生產效率,這個我們文章後面會再說明。

但是有優點就會有缺點,在我們要將PCBA組裝進去成品的機殼以前必須要再額外做裁板(de-panel)的動作,將拼板變回成一片片單獨的板子,所以有人會質疑為何要先拼板後裁板,這是因為拼板的好處比遠比額外裁板作業的利益還要多出很多,所以現行作業裡幾乎所有的板子都會做拼板。這就有點像明明每天都要把衣服脫掉,為什麼每天都還要穿衣服。

SMT產線的瓶頸通常會出現在那一站?

可能很多人不曉得,SMT產線的瓶頸一般最常出現在「錫膏印刷作業」,這是因為其他各站的作業時間長短幾乎都是依照零件數量的決定的,但是錫膏印刷的時間則是依照板子大小來決定,使用鋼板印刷一次錫膏的時間大約需要20~30秒,而且時間幾乎是固定的,很難再縮減,但是其他各站的時間我們只要把需要貼片的零件數量增加上來,大多能超過20秒以上,所以才會說SMT的瓶頸通常出現在錫膏印刷。

那要如何增加零件的數量呢?這時候拼板的優點就顯現出來了,假設單一片板子上的零件數量有100顆好了,把它做成4in1的板子是不是就變成了400顆。零件數增加了,每台SMT設備貼片的時間自然也就跟著增加了。如果單一面板子上的零件數或樣式不夠多,在情況允許的情況下也可以考慮正反面顛倒的陰陽拼板(mirror board)。

延伸閱讀:
PCB採用「陰陽板」拼板的好處
決定PCB的連板拼板數量時應該考慮的幾個因素
SMT採用「陰陽拼板」或「鴛鴦拼板」使用上的限制

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SMT試產一片雙面板NPI的FAI需要多久時間?如何縮短試產的時間?

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SMT試產一片雙面板NPI的FAI需要多久時間?

這只是工作熊個人的經驗,一般我們在做試產(trial run)時都會先做全板的 FAI (First Article Inspection),數量通常是1~2拼板,因為是第一次生產,試產FAI的目的在驗證PCBA的設計有無問題,包含PCB的佈線、電路設計、BOM、製程生產及SMT貼片貼片打件是否正確。

所以做FAI時板子雙面的所有零件都必須上,如果有傳統的插件也必須上,也就是要將PCBA完成,我們一般會準備1~2套mockup的機構件做全機組裝,然後通電測試所有功能。

視PCBA的複雜程度,從上線校正程式到雙面板的SMT完成大概需要花4~12小時,如果再加上整機的功能測試抓蟲,總共大概要花12~20小時才能完成試產的FAI,這其實還蠻花時間與體力的。

我們通成都會等到FAI完成後,才會讓SMT產線完全啟動,如果沒有完成FAI就啟動產線,視bug有多嚴重?工作熊碰過最嚴重的情況是所有打到板子上的零件全部都得報廢,這些零件可能都是限量的樣品,少一顆就會少一台產出,所以建議一定要確實完成FAI之後才啟動SMT產線。

延伸閱讀:SMT打件置件前製作業的膠膜板膠紙板(sticking board)是做什麼用的?

如何加速並縮短試產的時間?

那有機會可以加速或縮短試產的時間嗎?相信這是很多研發工程師們心中的疑問。這當然有機會,只要提前準備、事先做好規劃就有機會縮短試產的時程,就怕你事前得工作做得不足。

一、研發及供應鏈(supplier chain)的準備工作

  1. 所有的【料件都要齊全】,還要有完備的BOM表,試產前三天不要再有 EC(Engineering Change) 零件變更要求。
  2. 要提供新零件的3D檔或零件的機構尺寸資訊以利SMT建立新零件的貼片資料。
  3. 要提供足額的捲帶料(tape-on-reel),要盡量減少散裝料(bulk parts)及管狀包裝料(tube packing parts)。因為SMT是全自動產線,設備吃的是整捲的捲帶料,如果只是剪下來的一小段捲帶料,產線就必須從廢料中找出相似的捲盤,然後人工拼接起來使用,另外,並不是所有的SMT設備都能吃管狀料,如果一定得管狀料,建議事先與SMT廠確認。散料就更慘了,可能必須人工擺件,如此一來,失誤在所難免。
  4. 試產零件的數量方面,因為要考慮調機、可能拼接、拋料等原因損失,如果只提供剛剛好的零件數量,最後通常都會造成缺料。
  5. 要事先提供以零件中心為基準的X-Y座標檔,方便SMT寫程式。工作熊發現很多CAD的layout工程師都會將零件的座標設定在pin1做輸出,但SMT設備其實都是以零件中心為座標中心的,想要讓SMT設備使用這樣的座標檔,還必須一顆一顆零件重新offset調整為座標零件中心,反而造成麻煩。
  6. 要事先提供Gerber檔以及拼板的資訊。Gerber檔及拼板資訊可以拿來製作鋼板的開孔位置,有些軟體也可以用Gerber檔轉出零件的座標檔,但這不是SMT工廠必備的軟體。

二、SMT產線的準備工作

  1. 要事先建立新零件的part-data。所以,必須事先拿到新零件的3D檔或機構尺寸資訊。
  2. 要提前將SMT置件貼片機的程式寫好。所以,必須先拿到Gerber檔及拼板尺寸資訊。
  3. 要提前將材料備好上料車。所以,材料必須齊全,最好要提前到料。

SMT試產時可以使用散裝料嗎?

前面已經說過了,SMT生產時要盡量提供足額的捲帶料(tape-on-reel),而減少散裝料及管狀包裝料。因為SMT幾乎都是全自動的設備產線,設備吃的是整捲的捲帶料,如果只是剪下來的一小段捲帶料,產線就必須從廢料中找出相似的捲盤,然後人工拼接起來使用,如果找不到合用的捲盤,可能就得人工擺件,失誤在所難免。

另外,並不是所有的SMT設備都能吃管狀料的,如果一定得管狀料,建議事先與SMT廠確認能不能吃。


延伸閱讀:
電子製造工廠如何產出一片組裝電路板(PCBA)
開發新產品有三個驗證階段(EVT/DVT/PVT)解說
為什麼新產品需要試產?可以從試產得到什麼?
新產品開發階段,什麼是POC?與EVT/DVT/PVT有何關係?

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Why BGA soldering ball always crack(5)? Increase the contact area of solder to increase its strength

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In the previous article, we talked about "How to Increase the bonding force for PCBA by using "Copper" base as the PCB surface finish“. Today, we will discuss further how the SMD (Solder Mask Defined) and NSMD (Non-Solder Mask Defined) pad designs of the BGA package affect the solderability and how these two types of pads affect the bonding force of PCA.

Increasing the solder contact area of a component terminal or leads will generally improve the solderability of the component, as it provides more surface area for the solder to wet and bond to the terminal. This can result in a stronger and more reliable solder joint.

However, it’s important to note that there are other factors that can also affect solderability, such as the type of surface finish on the component terminal and the solderability of the solder itself. So while increasing the solder contact area can be beneficial, it may not be the only factor to consider when trying to improve the solderability of a component.

II. Increasing the solder contact area of the component’s terminals or leads

Please note: what I mentioned here is to increase the contact area of the component’s solder terminals or leads, not to increase the amount volume of solder.

Before reading this article, it is recommended that you refer to the article of "Concept Clarification of Electronic Component Soldering Strength" by workingbear first.

Workingbear must emphasize again: "The soldering strength is basically proportional to the soldering contact area". Without considering the replacement of the solder paste formula and the surface finishes of the PCB (Printed Circuit Board), there are two key points to enhance the soldering strength of the component:

    1. Increasing the solder contact area of the component’s terminals or leads. It’s not the amount volume!

    If only more solder is added to the solder balls of the BGA, its solder strength will not increase basically, because its solder pad contact area remains the same. For SMD components with leads (such as QFP) or side solder terminals (such as the capacitor), increasing the amount volume of solder may increase its solder strength, because the leads of these SMD components have side terminals that may have solder climb up to higher position and increase the solder contact area.

    If the solder amount can be increased to allow the solder to form a complete curve on the side of the solder foot, the solder strength can be effectively increased. Just like adding a support on the side of a tree or a utility pole to prevent it from falling down in the event of a typhoon, adding an R angle at the corner of a mechanism design is also the same principle, and the arc-shaped solder can effectively disperse stress.

    Therefore, if increasing the amount of solder can allow the solder to climb up the sides of the solder terminals or leads, and even make the side solder climb higher to completely cover the solder leads, then its strength will increase significantly. This is much better than just welding at the bottom of the solder leads because you have increased the soldering area and its soldering structure has been strengthened.

    Unfortunately, the side walls of most SMD component leads are not electroplated directly on bare copper due to cost considerations, which causes them to easily oxidize and cannot be soldered. Otherwise, they are electroplated, but the pitch between the lead is too small, causing the design of the PCB solder pad to be afraid of short-circuits and unable to extend so that the solder cannot completely climb up its side to form a perfect arc.

    Since climbing solder on the side walls of the solder lead can increase the solder contact area and strength, many people focus on the grounding foot (GND), such as increasing the circular or semi-circular holes on the ground pin of the B2B connector at both ends or designing it into a "U" shape, which all have the opportunity to increase its solder strength.

    Since we’re talking about how increasing the soldering contact area can help to enhance the strength of the solder, we have to briefly mention the pros and cons of SMD and NSMD pad designs for BGA packaging on the PCB side.

    Please note that we should not confuse the "SMD (Solder Mask Defined) pad" with the "SMD (Surface Mount Device) component" here.

    Assuming that the exposed area of SMD and NSMD pad designs is the same, the solderability of NSMD pads should be better than that of SMD pads. As mentioned earlier, this is because NSMD pads will wet the side walls of the pads during soldering, while SMD pads do not have side walls due to being covered by the solder mask. (NSMD is also called "Copper Defined pad.")

    But don’t rush to change all BGA pads to NSMD designs immediately because there is no perfect solution if BGA cracking! In this fair world, even if the exposed pad surface of SMD and NSMD seems to have the same size, the actual size of the SMD pad is much larger than that of NSMD (depending on the layout design). This is because a large part of the SMD pad is covered by the green solder mask actually, and it is easy to be deceived if you don’t look carefully. Because the size of NSMD pads is relatively small, almost only slightly larger than the solder balls of BGA, the ability of SMD pads to withstand pulling force will be relatively poor. Once the BGA solder ball breaks, it is often seen that the NSMD pads are pulled up together with the solder balls.

    As mentioned by the workingbear before, stress will find the weakest point to release. When the pad changes from NSMD to SMD and the soldering strength increases, the ability of the solder IMC layer to resist stress becomes greater than the bonding force of the PCB copper foil attached to the substrate (because the size of the SMD pad becomes smaller), and the breaking point shifts to between the pad and the FR4 substrate. Therefore, the workingbear still believes that if you want to completely solve the problem of BGA cracking, you should try to reduce stress, which is the only way to achieve the best improvement.

    Therefore, the conclusion is that NSMD pads have better solderability than SMD pads, while the bonding strength of SMD pads is better than that of NSMD pads.

    2.Using Through-Hole component to Replace Surface Mount device

    In fact, no matter how much the solder strength of electronic components using surface mount technology (SMT) is improved, its ability to resist stress is limited. To further increase the strength of the solder, the stress needs to be transmitted to other structures through mechanism design. The most effective way to achieve this is to design the pins as upright plated through-holes (PTHs), so that the stress on the pins can be transferred to the hole walls of the printed circuit board (PCB) for support, which in turn can increase the strength of the solder. The common practice is to change some of the surface-mount soldering of the component pins to through-hole soldering, such as the iron frame soldering pins of Micro-USB connectors. They still go through the SMT process, but some of the pins are produced using the paste-in-hole (PIH) process. The latest Type-C connectors also have parts with a mix of through-hole and surface-mount soldering.

    In addition, for ball grid array (BGA) packaged components, we can consider to layout vias on the pads, just like a rivet to fix the pad on the FR4 material. This is similar to the idea of anchoring a house with ground screws to prevent seismic damage. However, the vias on the solder pads must be electroplated and filled, otherwise, the BGA’s solder balls may form voids or bubbles, which can lead to severe defects, such as the head-in-pillow effect.

    Recommended reading: Principles of via-in-pad handling.


    Article series :

    Related article:
    Increase solder paste volume will improve the MLCC capacitor broken?

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    SMT回焊溫度曲線中回焊區前後熔點附近溫度會有短暫停頓平移或抬升是什麼原因?

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    我們在製作SMT的回焊溫度時間曲線(reflow profile)時,經常會在溫度曲線的回焊區前後,而且幾乎都是在錫膏熔點附近,發現有溫度平移甚至短暫抬升的現象,這是測溫板製作有問題?還是什麼原因造成這種現象的呢?

    (請注意:以下觀點沒有經過驗證,所以只是個人觀點,不一定正確)

    這種在回焊區前後發生溫度平移、飄移或短暫抬升的現象其實可以分成兩部分來解釋。

    一、熱力學的熔化熱

    我們在國中或高中時應該都有讀過理化,談過融化的現象,我們以最常接觸也容易理解的「冰」與「水」來做說明好了,「冰」為固體,而「水」則為液體,當我們對著「冰」持續加熱,冰的溫度就會隨著時間而直線上升,當溫度到達冰的熔點時,冰(固態)則會開始融化為水(液態),這段時間會呈現出冰與水同時存在的融熔狀態,金屬的話就會是漿態(pasty),雖然持續加熱,但是溫度則會維持在0°C不變,而這段時間所吸收到的熱量則是被用來使水分子間的距離變遠,等到所有的冰都變成了水之後,溫度才會繼續升高。錫膏的熔點也是類似的道理,當溫度上升到熔點時,需要吸收一定的熱量從固態轉變為液態,等到所有的錫膏全部溶化為液態後,溫度才會繼續上升,所以會出現一段溫度不變的時間,反之從液態轉變為固態則會釋放熱量,一樣會一段溫度不變的時間。

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    而單位質量物質由固態轉化為液態時,物體需要吸收的熱量就被稱之為「熔化熱(Enthalpy of fusion)」。熔化熱是一種潛熱(Latent heat)。同一種物質中,液態比固態擁有更高的內能,因此,在熔化的過程中,固態物質需要吸收熱量來轉變為液態。同樣的,物質由液態轉變為固態時,則要釋放相同的能量。液體中的物質微粒與固體中的相比,受到更小的分子間作用力,因此擁有更高的內能。

    二、測溫線鬆脫

    如果在溫度曲線中發現溫度有上下抖動或短暫往上抬升的情形,絕大部份原因都是熱電偶(thermalcouple)測溫線鬆動所致。究其原因,現在大多數測溫板的製作都會使用SAC305合金焊錫來將測溫線焊接於測溫板上,因為現今SAC305無鉛焊錫的用量最大也最容易取得。

    只是,這麼一來就會發生一個大家都看到但不一定注意到的問題,就是量測同樣使用SAC305錫膏製程的溫度曲線時,那些焊接在測溫點的焊錫會在進入回焊爐中測溫時重新融化,因為SAC305製程的回焊最高溫(250°C)會超出SAC305的熔點(217°C),這時候如果沒有使用其他材料來固定測溫線的焊點,測溫線就會發生鬆脫及掉落的現象。

    而我們一般都會使用紅膠來覆蓋在測溫點上做固定。不過,一般紅膠的導熱率不佳,工作熊個人不建議使用紅膠來直接覆蓋於測溫點上做固定,否則會影響到測溫點的實際溫度讀值,也就是說測溫時紅膠會阻礙回焊爐中溫度傳遞到測溫點的效率,造成測溫延遲的問題。而使用紅膠覆蓋測溫點還會產生另一個問題,如果紅膠未完全填充測溫線焊接在測溫點上的所有縫隙,那麼在測溫板進入回焊區溫度超過SAC305熔點時就會發生焊點鬆脫現象,視縫隙及焊點大小影響鬆脫的嚴重性,當測溫線鬆脫焊點到一定程度時就會發生測溫飄移的情形,因為會同時量測到焊點與紅膠包覆空氣的溫度,理論上焊錫從液態轉變為固態時會散發熱量直到完全固化,就會造成被紅膠所包覆區域空氣的溫度上升,於是出現溫度短暫抬升的現象。

    其實個人也不排除另一個溫度冷卻時量測溫度抬升的可能性,焊錫固化時釋放的熱量直接加熱在覆蓋於測溫頭的紅膠上,造成紅膠溫度升高,我們說過紅膠的導熱率普遍不佳,如果紅膠量又點得太多,散熱就更不易,於是測溫頭就會反映出溫度短暫抬升的現象。

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    建議大家可以閱讀一下【如何選用正確黏貼材質來固定測溫頭於SMT回焊測溫板】這篇文章,了解更多關於測溫線埋設的注意事項。

    小結

    所以,我們可以來做個小結:

    • 當我們選用高溫焊錫(焊接測溫線的焊錫熔點高出生產的回焊最高溫)來製作測溫板,理論上就不會出現溫度平移及短暫抬升的現象。因為焊錫不會被熔化,如果出現了,就一定是哪裡出了問題。
    • 如果無法選用高溫焊錫來焊接測溫線時,測溫曲線上出現溫度平移責是無法避免的正常現象。因為焊錫一定會熔化,就會有熔化熱的現象。
    • 如果溫度曲線中發生有溫度抬升的問題時,表示測溫線在測溫過程中發生鬆脫,可能無法準確測得實際溫度,需要改進。

    延伸閱讀:
    如何選擇決定SMT回焊測溫板上的測溫點?
    可以用空板來製作回焊測溫板(profile board)嗎?
    瞭解熱電偶(thermocouple)、測溫線、感溫線的基本原理與選擇注意事項
    如何SMT測溫板的熱電偶選擇?不同電熱偶(thermocouple, TC)線之間的差異

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    到底是濕度還是溫度對SMT生產品質影響比較大?生產車間環境濕度及溫度對SMT品質是否有影響?

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    有網友提問關於車間環境濕度對SMT品質是否會有影響?原因是「SMT生產線把錫膏印刷不下錫的問題,歸咎為是天氣乾燥的原因」。 這位網友認為「濕度的管控更多的原因是為了減少對濕敏零件(Moisture Sensitive Devices)和靜電(ESD)影響,對於錫膏印刷機不下錫,跟濕度影響應該不大,倒是溫度對錫膏印刷的品質影響比較大」。真的是這樣嗎?

    這個問題其實牽涉到幾個面向。

    首先,我們得先了解錫膏的是由助焊劑(flux)與錫粉(solder powders)各占一半的體積比所組成的混合物,而助焊劑中又包含有松香、活性劑、增稠劑與溶劑,其中的溶劑為乙醇類揮發性液體,其起到融合錫膏中各成分的作用。一旦,錫膏開罐後,其內部的乙醇類溶劑就會開始揮發(其實不開蓋密封的情況下也會揮發,只是速度很慢,就類似汽水裝在寶特瓶中一段時間後也會沒氣是一樣的道理),在乾燥及高溫的環境下更會加速乙醇類溶劑的揮發,造成錫膏乾涸。

    我們可以把錫膏想像成黏土,黏土則是一種富含水分的泥土,當黏土乾燥後就會變硬、不具可塑性,而錫膏也是依樣,當其中的溶劑開始揮發,錫膏的黏度就會增加且變黏稠,會使得錫膏難以順利地印刷在電路板子上,也會因為黏在鋼板開孔的垂直面上而影響落錫量,甚至堵塞造成漏印,已經印刷在電路板上的錫膏則可能發生坍塌(因為溶劑揮發後部分體積縮小無法支撐原來的形狀),造成短路或是錫珠,乾涸的錫膏表面也較難黏住零件,在電路板移動的過程中容易被甩飛移位。

    所以,基本上我們可以先歸結較乾燥的車間環境,較容易使得錫膏變乾而影響錫膏印刷的品質。

    其次,我們應該探討的是SMT的生產車間有無溫溼度管控?SMT生產絕不能靠天氣吃飯,就如同前面說過的天氣太乾燥會加速錫膏中溶劑的揮發,但是環境如果太潮濕,則容易讓水氣附著於錫膏上,沾有水氣的錫膏在回焊(reflow)的過程中會因為受熱超過100°C而快速氣化變成水蒸氣並膨脹體積,造成爆錫現象,產生錫珠。因次工作熊強烈建議,SMT產線一定要有濕度管控,而一般我們會要求管控SMT產線的濕度在35~65%RH之間,或40%~70%RH之間,沒有很一致的標準,而IPC-J-STD-020文件定義的暴露車間濕度為60%RH。

    個人建議濕度要穩定地維持在一定範圍內,這樣比較能維持生產品質的一致姓,濕度不只會影響錫膏的品質,當濕度越低時,也越容易引起靜電反應,擊穿電子零件或吸附零件,當濕度越高時,材料則越容易受潮或黏住零件,人體對過高及過低的濕度也會感覺不適。

    其三,錫膏開罐後暴露於生產車間的時間又是如何管控的?我們前面已經說過,錫膏開罐後,錫膏中的溶劑就會開始揮發,所以我們不只要管控錫膏直接暴露於大氣環境下的溼度,更要管控暴露的時間,因為暴露時間越長,溶劑的揮發就越多,出問題的機率也就越高。一般我們會要求錫膏開蓋超過8H不得回收,超過12H或24H報廢,不建議自己添加溶劑,因為你不知道溶劑揮發了多少,更不知道需要添加多少溶劑,添加了溶劑後還得重新充分攪拌均勻。而對於已經塗抹於鋼板上的錫膏,其溶劑揮發的速度會比在罐子裡的更快,一般建議要在3H內用完。

    至於車間溫度對SMT品質的影響,溫度越高,溶劑揮發會越快,但是一般我們不太可能讓車間溫度長期超過30°C以上?因為沒有多少人願意在高溫的環境下穿著工作服持續工作。所以,相對來說溫度對SMT的影響就沒有濕度來得大。


    延伸閱讀:
    讓通孔元件/傳統插件也走迴焊爐製程(paste-in-hole)
    如何挑選一支適合自己公司產品的錫膏 (Solder paste selection)
    客戶評核SMT製程時最重要的程序及環節是什麼?錫膏管控注意事項
    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

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    PCB設計塞孔不塞孔會有何影響?什麼是全塞孔與半塞孔?

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    台灣的研發工程師有個很大的優勢是懂得製造比大部分其他國家的工程師來得多,比較不會設計出無法生產的產品,因為他們可以就近觀察工廠的作業,了解工廠的需求,但自從製造業外移後,很多研發工程師似乎離工廠也越來越遠,尤其是負責PCB佈線layout的工程師,他(她)們幾乎很少有機會公費出差。

    這其中有一個很重要的議題是導通孔(vias)設計是否需要塞孔,為何工廠的製程工程師總來要求PCB要塞孔?到底全塞孔與半塞孔又各有什麼優缺點?對製程又有何影響?

    什麼是PCB導通孔(vias)?

    導通孔(via)是用來連接及導通印刷電路板(PCB)不同層之間的銅箔線路用的。因為PCB基本上就是由一層一層的銅箔層堆疊累積而成,而上下相鄰銅箔(copper)層之間則會再鋪上一層絕緣膠片層(PP),也就是說銅箔層彼此之間是不互通的,而不同銅箔層之間的訊號傳遞靠的就是vias。

    我們可以把不同的銅箔層想像成大型百貨公司的不同樓層,因為有隔間,所以就算同一樓層也不一定就相通,而導通孔就相當於樓梯通道,樓梯不只一處,所以PCB上會有很多的導通孔來連接不同的樓層。

    什麼是PCB塞孔?PCB不塞孔會有何影響?

    導通孔一般都是透光的,也就是當你把PCB拿起來對著燈光,可以看到一些有漏光的小孔大概就是了,而塞孔(plugging)就是要把這些導通孔(vias)給堵起來,讓它不再透光,塞孔最大目的是為了避免PCB在SMT及波焊製程時出現不必要的焊接品質問題。當然,PCB上除了導通孔外還有通孔(Through Hole)焊接用的電鍍通孔(PTH)與定位或固定鎖螺絲用的非電鍍通孔(NPTH)。

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    導通孔如果剛好坐落在需要印刷錫膏焊接的焊墊上,一般我們稱之為「通孔在墊(via-in-pad)」。在經過回焊高溫時,印刷在有導通孔焊墊上的錫膏就會開始融化,而融熔的錫液則會經由導通孔流到PCB的另一面,這將使得原本焊墊上的錫膏量減少,造成少錫(Solder insufficient)、空焊(solder skip)、不潤濕(non-wetting)等問題,而順流到PCB另一面的錫則可能會與其他零件短路而造成不可預期的問題,尤其是那些剛好位於零件底部的導通孔,由於零件本體與PCB之間的微小縫隙,錫液容易因毛細作用而沿著縫隙滲流到一些不可預期的地方造成品質問題。

    另外,如果PCB需要流經波焊(wave soldering)製程,特別是開啟擾流波(chip wave)時,翻滾的錫液可是非常輕易就可以透過那些未塞孔的導通孔而溢流到零件面,造成一些不可預期的短路問題。

    PCB是如何塞孔的?三種塞孔方法介紹

    塞孔就是使用物質將導通孔給填充堵死,就工作熊個人的了解目前有三種常用的塞孔方法,分別為:

    • 防焊塞孔(solder mask covered):
      使用防焊漆(solder mask)印刷在已經完成電鍍銅的導通孔上方,讓防焊漆自然流入導通孔中並將之阻塞。使用防焊漆塞孔的優點是便宜,缺點則是品質較不易控制且容易形成凹陷,當錫膏印刷不良PCB清洗不到位時錫珠容易陷入殘留於這些凹陷處,當然這些都有辦法可以解決,就是加製程與管控。另外有一個不算缺點但必須提醒的事項,防焊塞孔的導通孔表面覆蓋的是絕緣防焊漆,它無法吃錫也不能做為電性接觸之用。使用防焊塞孔時孔徑建議要在0.4mm (16mil)以下,否則防焊漆將無法完全覆蓋塞住導通孔。

    • 樹脂塞孔(resin plugging):
      使用樹脂將已經完成電鍍銅的導通孔填平,然後再於其上方鍍銅變成焊墊。說起來很簡單,但樹脂塞孔時由於無法確保每次塞孔的表面都能與焊墊齊平,所以必須額外將之磨平後再執行一次電鍍銅,當然也可以選擇表面不做電鍍銅,而直接以防焊漆覆蓋。樹脂塞孔優點是表面可以製作電鍍銅及其他的表面處理金屬,不會影響到焊錫量,另外就算通孔直徑超過0.4mm也可以塞孔;樹脂塞孔的缺點是樹脂可能不太密實會有縫隙,文獻及經驗顯示,這些縫隙中的空氣在回焊受熱過程中可能進入BGA的錫球內部造成中空弱化焊錫強度,並吹脹錫球外徑與相鄰錫球短路。

    • 電鍍銅塞孔(copper electroplating microvia filling):
      利用添加劑的特性,控制局部區域銅的生長速率,來進行填孔的目的,只是電鍍填孔的孔徑不可太大,一般只能在使用雷射鑽孔的微通孔(micro-via)中使用。電鍍塞孔有樹脂塞孔後電鍍的所有優點,但是不會有空氣藏在通孔中的問題,缺點是價格較貴,且填孔後容易出現表面凹陷的dimple,dimple如果太深。容易造成BGA空焊及孔洞問題,所以需要與PCB製造商訂定dimple深度的規格。

    要注意的是塞孔可不只以上三種方法。

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    何謂半塞孔與全塞孔?

    全塞孔就是將整個導通孔全部都給塞滿直到PCB兩面的表面,這也是我們一般對塞孔的印象。而半塞孔則只能用在防焊塞孔,一般是為了節省成本,因為PCB的價錢除了材料成本外,再來就是製程的多寡,製程越多當然就越貴。

    「樹脂全塞孔」的一般製程是使用絲印網版在需要塞孔的PCB一面先印上防焊漆,有些比較大的孔可能得在PCB的同一面印兩次以上,經過烘烤後,再於PCB的另一面需要塞孔的位置印上防焊漆,這樣才能讓防焊漆填滿整個導通孔的目的。

    而所謂的「半塞孔」,就是只在PCB一面需要塞孔的位置印刷防焊漆,而PCB另外一面對應的導通孔位置則不再印刷防焊漆,這樣就節省了PCB的部分製程,PCB的價錢自然就會降低。

    只是半塞孔的品質問題不少,除非是單面板組裝製程,否則不建議使用。半塞孔在PCB板廠的生產工藝上容易在孔壁的內部空間形成死角,殘留隱藏化學藥水,無法被清洗乾淨,這樣就容易在後續的SMT或波焊時造成可靠性問題,也容易進錫珠。

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    PCB的導通孔塞孔後會影響導熱或是高頻/高速的效果?

    這似乎是很多PCB的layout工程師都會有的疑問?工程師們總是擔心導通孔塞孔後是否會影響到導熱或是高頻的效果。

    其實,影響散熱導通孔(thermal vias)效率的最大因素是銅箔通道的大小,也就是說當熱源(通常是IC)經由越大的銅截面積連接到較低溫度(通常是接地)的散熱效果越好,如果導通孔使用電鍍銅塞孔反而可以增加散熱率,因為銅截面積增加了,而使用樹脂全塞孔表面做電鍍銅時散熱效果差異不大,使用防焊塞孔的話則會使得散熱效果變差,但也只是差一點點,不過這個可以藉由增加散熱導通孔的數量來弭補。

    至於塞孔會不會影響高頻的效率,就工作熊個人的了解,高頻訊號最好不要經由導通孔來傳遞訊號,但這幾乎不太可能,因為高頻訊號傳遞時不建議有激烈的轉折與高低起伏,而via-in-pad設計如果不塞孔的話,在SMT製程時就無法預估並保證每次流入導通孔的焊錫量都是固定的,也就是說傳遞訊號的導體面積無法固定,這樣就可能造成高頻的傳輸不穩;另外,訊號傳遞的導體突然從銅(箔)轉換為錫(流入通孔的焊錫),再轉回銅(箔)的過程中可能也會造成高頻訊號延遲不同步,所以高頻/高速板的via-in-pad最好可以塞孔,而且最好是電鍍銅塞孔,使用一致的導體,降低訊號傳遞的失誤。

    工作熊不是高頻/高速板的專家,如果有錯誤歡迎指正。

    PCB上那些位置的導通孔需要塞孔?

    如果可以的話建議PCB上的所有導通孔(vias)全部塞孔,只留EE或ME特別指定有特殊需求的孔不塞,比如說導通孔需要做為測試點,或是需要作為接觸用,需特別注意無塞孔的vias在焊接時是否會出現焊錫溢流過via到PCB另一面或via在焊墊上造成少錫等問題。

    PCB防焊塞孔和防焊開窗有什麼區別?

    防焊(solder mask)我們一般俗稱綠漆,這是因為一般我們看到的PCB都是綠色,而PCB上沒有印刷綠漆的地方就是防焊開窗的地方,因為防焊為絕緣漆,所以這些開窗的地方通常就是需要吃錫的焊墊,或是PCBA完成後還有需要做電性接觸的焊墊或測試點。

    如果是採用防焊塞孔時,在不需要塞孔的導通孔位置就需要做防焊開窗,否則PCB廠就會使用防焊覆蓋於沒有開窗的導通孔,當然在PCB製作的規格書注意事項中最好特別加註要採用何種塞孔製程,免得到時候PCB製作出來時與想像的不同。

    須留意的是,Gerber中定義PCB規格時,防焊層為負片,也就是黑影為開窗,不需要印刷防焊漆。

    IPC-4761中有定義各種不同的塞孔工藝,有興趣的朋友可以參考看看。


    延伸閱讀:
    PCB電路板為何要有測試點?

    電路板上為何要有孔洞?何謂PTH/NPTH/vias(導通孔)
    Solder Mask(S/M)是什麼?對PCB有什麼用處?只有綠色嗎?

    The post PCB設計塞孔不塞孔會有何影響?什麼是全塞孔與半塞孔? first appeared on 電子製造,工作狂人(ResearchMFG).

    IPC-4761印刷電路板導通孔結構保護設計指南與結構

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    這份IPC-4761印刷電路板導通孔結構建保護指引(Design Guide for Protection of Printed Board Via Structures)文件其實已經是2006年的老版本了,距今沒有更新。它定義了幾種導通孔保護(via protection)的方法,也定義了6種導通孔保護的型態(type),文件中花了很多篇幅來說明導通孔保護的諸多優點,以及導通孔保護施作時可能會遇到的一些問題。

    IPC-4761文件中提及的幾種導通孔保護方法

    請注意:以下的幾種導通孔保護方法的中文為工作熊自己的翻譯,目前看來並無統一的中文翻譯。

    • Tented via (封孔):封孔主要以乾膜(dry film mask)架橋覆蓋於導通孔的上方,導通孔內沒有填充其他材料。其主要目的在保護導通孔內壁的導通金屬以確保孔內的導通功能可以正常運作。封孔可以在PCB同一個導通孔的單面或雙面位置上執行。可以參考下面表格中Type I-a/b的圖示。

    • Covered via (覆孔):覆孔與封孔很相似,它是在導通孔被「Tented via (封孔)」或「Plugged via (塞孔)」之後再於其上面多覆蓋一層防焊或金屬材料。所以「Covered via (覆孔)」通常與「Tented via (封孔)」或「Plugged via (塞孔)」互相搭配。覆孔的目的也是在保護導通孔內的電鍍塗層,它同時也可以改善單獨使用「Tented via (封孔)」的強度。一般不建議在「Tented via (封孔)」的上方塗佈金屬焊墊,因為容易發生塌陷(dimple)甚至破裂造成焊錫不良或導通的長期信賴性問題。可以參考下面表格中Type II-a/b的圖示。

    • Plugged via (塞孔):塞孔作業通常使用「液態顯影(LPI, Liquid Photo Imageable)」材料或樹脂(resin)以絲網印刷或刮刀或加壓塗抹方式來進行導通孔的塞孔作業,填充物可以是導體或非導體。依照IPC-4761文件的說明,塞孔作業並沒有要求一定要將導通孔完全填滿,而只要求導通孔位於PCB表面的位置必須塞住。可以參考下面表格中Type III-a/b的圖示。

    • Filled via (填孔):填孔的作業方式與塞孔類似,但是要求導通孔內必須完全填滿。填孔作業一般使用LPI或樹脂來填孔,作業上可能會出現不完全填孔或voids的情形影響品質。可以參考下面表格中Type V的圖示。

    • Capped via (蓋孔):在IPC-4761文件中「Capped via」似乎需要配合「Filled via」一起作業,而「Capped via」則是在「Filled via」的上方覆蓋一層金屬鍍層以之與「Covered via」作區別。適合用在有高密度連接(HDI)需求的PCB,特別是Via-In-Pad或Ball-on-Via焊墊可以節省空間。當填孔作業發生瑕疵不完全填孔或voids時,可能會發生焊墊表面凹陷(dimple)造成焊錫不良,造成導通的長期信賴性問題。另外,經驗顯示當Ball-on-Via使用樹脂填孔容易發voids,一旦填孔上方的金屬焊墊又不厚時,就容易在回焊的過程中讓voids中的空氣進入到錫球中並吹脹球體與鄰近錫球短路。可以參考下面表格中Type VII的圖示。

    建議延伸閱讀:PCB設計塞孔不塞孔會有何影響?什麼是全塞孔與半塞孔?

    IPC-4761定義的幾種導通孔保護的型態(type)

    Via Protections Definitions Type 描述 Figure-IPC-4761 Material 注意事項
    Tented Via
    封閉導通孔
    Type I-a Tented – Single-Sided
    防焊單面覆蓋封閉導通孔
    使用乾膜單面懸空覆蓋於導通孔上方,不允許額外材料入孔。(不建議使用液態材料) (不建議使用)
    孔內容易有化學殘留。不建議使用於導通孔內裸銅的PCB。
    Tented Via
    封閉導通孔
    Type I-b Tented –Double-Sided

    防焊雙面覆蓋封閉導通孔

    使用乾膜雙面懸空覆蓋於導通孔上方,不允許額外材料入孔。(不建議使用液態材料) (不建議使用)
    孔內容易有化學殘留。導通孔內氣體在急速高溫中容易突破封孔,不建議使用於導通孔內裸銅的PCB。
    Tented And Covered Via
    封孔並覆蓋導通孔
    Type II-a Tented and Covered – Single Sided 在單面封孔的乾膜上方再覆蓋一層範圍更大的防焊或金屬焊墊。 (不建議在封孔上覆蓋金屬層,長期信賴性不佳)
    可強化封孔的強度。孔內容易有化學殘留,不建議使用於導通孔內裸銅的PCB。
    Tented And Covered Via
    封孔並覆蓋導通孔
    Type II-b Tented and Covered – Double-Sided 在雙面封孔的乾膜上方再覆蓋一層範圍更大的防焊或金屬焊墊。 (不建議在封孔上覆蓋金屬層,長期信賴性不佳)
    孔內容易有化學殘留,導通孔內氣體在急速高溫中容易突破封孔,不建議使用於導通孔內裸銅的PCB。
    Plugged Via
    塞孔
    Type III-a Plugged Via – Single Sided 一般使用LPI或樹脂來單面填充導通孔。也可使用導體材質填充。 (不建議使用)
    Plugged Via
    塞孔
    Type III-b Plugged Via – Double Sided 一般使用LPI或樹脂來雙面填充導通孔。也可使用導體材質填充。 一般只要塞孔就會額外再加一層防焊或金屬鍍層,沒見過有人單獨這樣使用的。
    Plugged and Covered Via
    塞孔並覆蓋導通孔
    Type IV-a Plugged and Covered Via – Single Sided 一般使用LPI或樹脂在單面塞孔的上方再覆蓋一層防焊。 (不建議使用)
    為塞孔的一面容易殘留化學藥劑,SMT錫膏印刷後也容易卡錫珠。
    Plugged and Covered Via
    塞孔並覆蓋導通孔
    Type IV-b Plugged and Covered Via – Double Sided 一般使用LPI或樹脂在雙面塞孔的上方再覆蓋一層防焊。 可以使用,但是要留意導通孔中尉填滿的位置是否在經過高溫時會有爆孔的機會。
    Filled Via
    填孔
    Type V Filled Via 一般使用LPI或樹脂將導通孔完全填滿。 一般只要填孔就會額外再加一層防焊或金屬鍍層,沒見過有人單獨這樣使用的。
    Filled and Covered Via Type VI-a Filled and Covered Via – Single Sided 一般使用LPI或樹脂填孔後在單面覆蓋一層防焊。 可強化Type V
    Filled and Covered Via Type VI-b Filled and Covered Via – Double Sided 一般使用LPI或樹脂填孔後在雙面各覆蓋一層防焊。 可強化Type V
    Filled and Capped Via Type VII Filled and Capped Via – Single Sided 一般使用LPI或樹脂填孔後在雙面各覆蓋一層金屬焊墊。 可以在高密度板使用,特別是Via-In-Pad或Ball-on-Via焊墊可以節省空間

    延伸閱讀:
    PCB電路板為何要有測試點?
    電路板上為何要有孔洞?何謂PTH/NPTH/vias(導通孔)
    Solder Mask(S/M)是什麼?對PCB有什麼用處?只有綠色嗎?

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