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為什麼過期的PCB要先烘烤才能打SMT或過爐?

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為什麼過期的PCB要先烘烤才能打SMT或過爐?對許多工程師來說,他們可能就是搞不懂「為什麼 PCB過期超過保存期限後一定要先烘烤才能打SMT過回焊爐呢?」,還是你覺得不管PCB有沒有過期總之先烤了再說?哪你知道PCB過期後為何需要烘烤?PCB烘烤又有那些限制?

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PCB烘烤的主要目的在去濕除潮,除去PCB內含或從外界吸收的水氣,因為有些PCB本身所使用的材質就容易形成水分子,另外,PCB生產出來擺放一段時間後也有機會吸收到環境中的水氣,而「水」則是造成PCB爆板(popcorn)或分層(delamination)的主要兇手之一。







因為當PCB放置於溫度超過100°C的環境下,比如回焊爐、波焊爐、熱風重工或手焊…等製程時,「水」就會變成水蒸氣,然後快速膨脹其體積,當加熱於PCB的速度越快,水蒸氣膨脹也會越快,當溫度越高,則水蒸氣的體積也就越大,當水蒸氣無法即時從PCB內逃逸出來,就很有機會撐脹PCB,尤其PCB的Z方向最為脆弱,有些時候可能會將PCB的層與層之間的導通孔(via)拉斷,有時則可能造成PCB的層間分離,更嚴重的連PCB外表都可以看得到起泡、膨龜、爆板等現象,有時候就算PCB外表看不到以上的現象,但其實已經內傷,隨著時間過去反而會造成電器產品的功能不穩定,或發生CAF等問題,終至造成產品失效。

建議延伸相關閱讀:PCB爆板的真因剖析與防止對策

PCB烘烤的程序其實還蠻麻煩的,烘烤時必須將原本的包裝拆除後才能放入烤箱中,然後要用超過100°C的溫度來烘烤,但是溫度又不能太高,免得烘烤期間水蒸氣過度膨脹反而把PCB給撐爆,一般業界對於PCB烘烤的溫度大多設定在120+/-5°C的條件,以確保水氣真的可以從PCB本體內消除後,才能上SMT線打板過回焊爐焊接,烘烤時間則隨著PCB的厚度與尺寸大小而有所不同,而且對於比較薄或是尺寸比較大的PCB還得在烘烤後用重物壓著板子,這是為了要降低或避免PCB在烘烤後冷卻期間因為應力釋放而導致PCB彎曲變形的慘劇發生,因為PCB一旦變形彎曲,在SMT印刷錫膏時就會出現偏移或是厚薄不均的問題,連帶的會造成後面回焊時大量的焊接短路或是空焊等不良發生。

PCB烘烤的條件設定

目前業界一般對於PCB烘烤的條件與時間設定如下:

1.PCB於製造日期2個月內且密封良好,拆封後放置於有溫度與濕度控制的環境(≦30°C/60%RH,依據IPC-1601)下超過5天者,上線前需以120+/-5°C烘烤1個小時。

2.PCB存放超過製造日期2~6個月,上線前需以120+/-5°C烘烤2個小時。

3.PCB存放超過製造日期6~12個月,上線前需以120+/-5°C烘烤4個小時。

4.PCB存放超過製造日期12個月以上,基本上不建議使用,因為多層板的膠合力可是會隨著時間而老化的,日後可能會發生產品功能不穩等品質問題,增加市場返修的機率,而且生產的過程還有爆板及吃錫不良等風險。如果不得不使用,建議要先以120+/-5°C烘烤6個小時,大量產前先試印錫膏投產幾片確定沒有焊錫性問題才繼續生產。另一個不建議使用存放過久的PCB是因為其表面處理也會隨著時間流逝而漸漸失效,以ENIG來說,業界的保存期限為12個月,過了這個時效,視其沉金層的厚度而定,厚度如果較薄者,其鎳層可能會因為擴散作用而出現在金層並形成氧化,影響信賴度,不可不慎。

5.所有烘烤完成的PCB必須在5天內使用完畢,未加工完畢的PCB上線前必須重新以120+/-5°C再烘烤1個小時。

PCB烘烤時的堆疊方式

1.大尺寸PCB烘烤時,採用平放堆疊式擺放,建議一疊最多數量建議不可超過30片,烘烤完成10鐘內需打開烤箱取出PCB並平放使其冷卻,烘烤後需壓防板彎治具 。大尺寸PCB不建議直立式烘烤,容易板彎。

2.中小型PCB烘烤時,可以採用平放堆疊式擺放,一疊最多數量建議不可超過40片,也可以採直立式,數量不限,烘烤完成10鐘內需打開烤箱取出PCB平放使其冷卻,烘烤後需壓防板彎治具。

PCB烘烤時的注意事項:

1.烘烤溫度不可以超過PCB的Tg點,一般要求不可以超過125°C。早期某些含鉛的PCB之Tg點比較低,現在無鉛PCB的Tg大多在150°C以上。

2.烘烤後的PCB要盡快使用完畢,如果未使用完畢應盡早重新真空包裝。如果暴露於車間時間過久,則必須重新烘烤。

3.烤箱記得要加裝抽風乾燥設備,否則烤出來的水蒸氣反而會留存在烤箱內增加其相對濕度,不利PCB除濕。

4.以品質觀點來看,使用越是新鮮的PCB焊錫過爐後的品質就越好,過期的PCB即使拿去烘烤後才使用還是會有一定的品質風險。

工作熊個人對PCB烘烤的建議:

1.工作熊個人建議只要使用105+/-5°C的溫度來烘烤PCB就好了,因為水的沸點是100°C,只要超過其沸點,水就會變成水蒸氣,因為PCB內含的水分子不會太多,所以並不需要太高的溫度來增加其氣化的速度,溫度太高或氣化速度太快反而容易使得水蒸氣快速膨脹,對品質其實不利,尤其對多層板及有埋孔的PCB,105°C剛剛好高於水的沸點,溫度又不會太高,可以除濕又可以降低氧化的風險。況且現在的烤箱溫度控制的能力已經比以前提升不少。

2.PCB是否需要烘烤,應該要看其包裝是否受潮,也就是要觀察其真空包裝內的 HIC (Humidity Indicator Card,濕度指示卡) 是否已經顯示受潮,如果包裝良好,HIC沒有指示受潮其實是可以直接上線不用烘烤的。

2.PCB烘烤時建議採用「直立式」且有間隔來烘烤,因為這樣才能起到熱空氣對流最大效果,而且水氣也比較容易從PCB內被烤出來。但是對於大尺寸的PCB可能得考慮直立式是否會造成板彎變形問題。

3.PCB烘烤後建議放置於乾燥處並使其快速冷卻,最好還要在板子的上頭壓上「防板彎治具」,因為一般物體從高熱狀態到冷卻的過程反而容易吸收水氣,但是快速冷卻又可能引起板彎,這要取得一個平衡。

PCB烘烤的缺點及需要考慮的事項:

1.烘烤會加速PCB表面鍍層的氧化,而且越高溫度烘烤越久越不利。
PCB烘烤的迷思:PCB上線前烘烤可以增加焊錫性嗎?

2.不建議對OSP表面處理的板子做高溫烘烤,因為OSP薄膜會因為高溫而降解或失效。如果不得不做烘烤,建議使用105+/-5°C的溫度烘烤,不得超過2個小時,烘烤後建議24小時內用完。

3.烘烤可能對IMC生成產生影響,尤其是對HASL(噴錫)、ImSn(化學錫、浸鍍錫)表面處理的板子,因為其IMC層(銅錫化合物)其實早在PCB階段就已經生成,也就是在PCB焊錫前已生成,烘烤反而會增加這層已生成IMC的厚度,造成信賴性問題。


延伸閱讀:
封裝濕敏零件烘烤常見問題整理
電路板PCB板材的結構與功用介紹
IPC-JEDEC-J-STD-033 濕敏零件的烘烤條件


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?

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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。







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,打了概300K多一點,「金屬簧片」的翅膀居然給它斷了,這下連錫都不用加了。

直接將「金屬簧片」焊接於電路板有何優點:

  • 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。
  • 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。

  • 「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。

  • 「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。

  • 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。

    延伸閱讀:橡膠按鍵的【力量-行程】曲線圖,按鍵設計重要參數

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?

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。


延伸閱讀:
向電腦鍵盤(keyboard)學習如何解省成本
橡膠按鍵使用金屬簧片(metal dome)的優缺點
使用金屬簧片當橡膠按鍵的注意事項與按鍵不靈敏問題探討

什麼時機該使用「爐前AOI」及「爐後AOI」?

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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

屏蔽罩直接焊接於電路板(directly mount shielding-can on PCB)

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。

相關閱讀:
手機屏蔽蓋假焊解決措施?
屏蔽框(Shielding frame)設計與生產注意事項
比較屏蔽罩(shielding-can)直接SMT打件與後置的優缺點

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」


延伸閱讀:
電子產品測試的目的所為何在?買保險也!
SPI(Solder Paste Inspection)錫膏檢查機可以做什麼?
電路板組裝後的幾種測試方法AOI/MDA/ICT/FVT/FCT/ATE探討

使用過保存期限的PCB會有何風險?烘烤就可以了嗎?

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所有的材料其實都有其保存期限(Shelf-life),只是有些保存期限較長,而有些保存期限較短而已。那使用過期材料會有什麼問題?想想你吃了過期食物會有何問題?那使用過期的PCB(Printed Circuit Board,電路板)會有何問題?

在回答「過期PCB使用」問題前首先要問問大家,PCB的作用是什麼?它在電子組裝廠需要進行什麼加工?

PCB的最大作用是作為電子零件的載體來傳遞電子訊號,所以如果有零件無法被焊接於PCB或是接觸點無法有效傳遞電子訊號,將會影響到電子產品的功能,或是造成間歇性的功能不良。

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那電子零件又是如何被焊接到PCB的呢?

現在的PCB焊接工藝幾乎都使用約240~250°C的高溫將焊料(錫膏或錫絲)融化後連接電子零件焊腳與PCB,所以問題就來了,過期PCB能否可以至少承受兩次250°C以上的高溫而不會出現問題,之所以說承受兩次高溫是因為現在一般的PCBA製程都是雙面焊接板。

基於以上理解,現在就可以來看看『使用過期PCB到底可能會發生什麼事了?』,以下問題不見得一定都會發生,但都有風險,所以如果你還想使用過期PCB,必須要澄清以下問題不會發生:

過期PCB可能造成PCB表面焊墊發生氧化

焊墊氧化後將造成焊錫不良,最終可能導致功能失效或掉件風險。電路板不同的表面處理對於抗氧化的效果會不一樣,原則上ENIG要求要在12個月內用完,而OSP則要求要在六個月內用完,建議依照PCB板廠的保存期限(shelf life)以確保品質。

OSP板一般可以送回板廠洗掉OSP薄膜再重新上一層新的OSP,但OSP酸洗去除時有機會損傷其銅箔線路,所以最好洽詢板廠確認是否可以重新處理OSP膜。

ENIG板則無法重新處理,一般建議進行「壓烤」,然後試焊性有無問題。

過期PCB可能會吸濕造成爆板

電路板吸濕後經過回焊時可能會引起爆米花(popcorn)效應、爆板或分層等問題。這個問題雖然可以經由烘烤來解決,但並不是每種板子都適合烘烤,而且烘烤有可能會引起其他的品質問題。

一般來說OSP板不建議烘烤,因為高溫烘烤後會損害OSP膜,但也看過有人將OSP拿去烘烤,但是烘烤時間要盡量縮短,溫度還不可以太高,烘烤後更必須要在最短時間內過完回焊爐,挑戰不少,否則的話焊墊會出現氧化,影響焊接。

相關延伸閱讀:

過期PCB的膠合能力可能會降解變質

電路板生產出來後其層與層(layer to layer)之間的膠合能力就會隨著時間而漸漸降解甚至變質,也就是說隨著時間增加,電路板的層與層之間的結合力會漸漸下降。

如此的電路板在經過回焊爐高溫時,因為不同材料組成的電路板會有不同的熱膨脹係數,在熱脹冷縮的作用下,有可能造成電路板分層(de-lamination)、表面氣泡產生,這將嚴重影響電路板的可靠性與長期信賴度,因為電路板分層可能會拉斷電路板層與層之間的導通孔(via),造成電氣特性不良,最麻煩的是可能發生間歇性不良問題,更有可能造成CAF(微短路)而不自知。


延伸閱讀:
電子製造工廠如何產出一片電路板(PCBA)
如何運用TQRDCE評鑑考核一家SMT代工廠
電路板內層微短路現象(CAF,Conductive Anodic Filament)
用影片介紹SMT(Surface Mount Technology)製程(含紅膠點膠機)

簡介SMT表面貼焊流程中包含哪些製程與注意事項

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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)

SMT_PCB_magazine01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。

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?

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。

延伸閱讀:SPI(Solder Paste Inspection)錫膏檢查機可以做什麼?

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。

延伸閱讀:用影片介紹SMT(Surface Mount Technology)製程(含紅膠點膠機)

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。

連接器上SMT專用帽蓋(Connector cap)造成接觸不良連接器上SMT專用帽蓋(Connector cap)造成接觸不良

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。

延伸閱讀:什麼時機該使用「爐前AOI」及「爐後AOI」?

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。

相關閱讀:
回流焊的溫度曲線 Reflow Profile
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。

所以到目前為止AOI絕對無法完全取代ICTFVT

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)。

相關閱讀:
AOI可以測哪些電路板組裝的缺點?
SMT的光學檢查是時候該全面進化為【3D AOI】以提高檢出率了

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。


延伸閱讀:
「陰陽板」使用上的限制
焊點微結構與強度關係試卷
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決定PCB的連板數量時該考慮的幾個因素
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碰到生產製造或是品質問題時該如何著手分析?內含「MLCC電容破裂原因特性要因分析圖」

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工作熊發現有許多新手工程師在碰到生產製造或是品質問題時,根本就不知道如何下手分析問題,這個好像學校還真的不會教學生如何解決問題、分析問題的,記得工作熊自己以前似乎也是這麼一路懵懵懂懂地摸索過來,那如果碰到問題時到底該如何著手分析呢?

其實業界的前輩們已經幫我們整理歸納了許多種解決問題(Problem Solving)的方法了,比如8D手法QC Story(品管歷程)、DMAIC等技巧,我們只要依照其方法與步驟,一步一步跟著做下來大概就可以分析出問題。

(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!)







而分析問題時最重要的一個步驟就是如何找出問題發生的真正原因,而這個也正是最困擾新手解決問題的步驟,工作熊會強烈建議大家要善加運用層別法特性要因分析圖(魚骨圖)柏拉圖原因樹等這類品管工具來幫助尋找出真因。

EMS生產時發生MLCC電容的品質分析手法

(請注意:文章中的圖片都只是示意圖,並非真正案例圖片)

(如果內容與貴公司的情況有點雷同,請勿對號入座,其實很多公司都有類似問題的。)

比如說EMS產線在整機組裝(Final Assembly)後發現有高比率的功能不良,經過初步分析後發現有一顆MLCC電容破裂,而且都出現在電路板的同一個位置上。

檢查MLCC破裂的方法一般肉眼很難看得出來,甚至有時用放大鏡或顯微鏡也不一定看得出來,這是因為其裂開處往往在電容的底部或是內側,而且裂紋一般非常細微且不易察覺,業界一般的作法都是拿烙鐵燙開解焊,如果有破裂問題通常解焊後就可以看到明顯的裂開或直接斷裂,也可以用X-Ray來觀察,但最好是2.5D以上的X-Ray,3D CT X-Ray會更好,不過X-Ray老實說也不容易檢查到細微的裂縫,另外還可以用超音波掃描,不過這項設備一般EMS廠沒有。

建議延伸閱讀:
MLCC多層陶瓷電容破裂的幾種可能原因

陶瓷電容(MLCC)落下後破裂並掉落分析(應力)
MLCC陶瓷電容焊接端點尺寸與電容破裂的影響性

好了,我們現在已經知道了電容破裂是造成這次功能測試不良的主因,那要如何更進一步分析電容破裂的原因(原因樹的精神就要追根究底)?只是分析問題通常很難能一步就到位找到真正的問題點,所以工作熊一般會建議採取下列步驟來分析問題:

步驟一、魚骨圖/特性要因分析圖

先用「魚骨圖/特性要因分析圖」來列出所有的可能原因,然後針對最有可能的要因一項一項來排查尋找真因。

MLCC電容破裂原因特性要因分析圖

步驟二、資料收集、層別問題

其次要試著透過資料收集來層別不良問題、收斂問題並找出發生問題的零件與製程處或地點。

  • 針對「材料」來排查:可以試著看看這顆MLCC在這片板子上總共有幾倍用量(BOM會告訴你用了多少顆相同的MLCC在同一板子)?這顆MLCC是否只有一家供應商或是多家供應商?破裂是否與板子上的特定位置有關聯?或是特定供應商有關聯?

》》結果:只有一家供應商,而且板子上總共有四顆相同的電容,但是只有一個地方會出現電容破裂問題。

  • 針對「製程」來排查:分析問題時要將問題收斂,這時候必須透過資料收集或是追蹤一批產品的方式來確認問題釋出現在哪個生產製程,電容會發生破裂,其實從SMT製程開始就有機會,而且每處會對板子施加應力造成板彎的製程都可能是兇手,比如說分板作業(De-panel)ICT的針床測試、FVT的針床測試、整機裝配時是否有干涉組裝、整機鎖螺絲時是否會引起翹板等。
    收集數據時記得要紀錄哪個作業員、哪個班別(白班或夜班)、哪條產線、哪台機器,因為這些都可能是原因。

》》結果:不良品只出現在整機組裝。

步驟三、收斂問題,利用「應變規」量測板子的應力及應變

接著就要再進一步分析為何整機組裝時會出現電容破裂問題。建議採用「應變規(strain-gage)」來量測整機組裝應力,量測時要從板子剛要組進機殼前就開始量測,直到整機螺絲鎖付完成,查看哪個環節的應變超標。

收斂問題,利用「應變規」量測板子的應力及應變

》》結果:發現在螺絲鎖付第二顆螺絲的時候有應變超標的問題。(鎖螺絲的順序其實是很重要的,建議要嘗試不同鎖螺絲的順序來取得最佳手順)

步驟四、追查最後真因

檢查為何在「鎖第二顆螺絲」的時候會有應變(應力)超標問題。檢查是否有任何設計變更?或是有更換過作業員?或是變換了不同的鎖螺絲順序?或材料變更?

》》結果:後來發現機殼曾經做過設計變更,多增加了一個電路板定位的機構,這個機構在螺絲鎖付時會造成額外的板彎應力。

步驟五、採取對策

行文至此,主因已經找出來了,接著就是如何訂正螺絲鎖付時造成的應力過大問題了。可以先改回原來的設計或是重工或是增加螺絲鎖付前的預壓治具以預先消除應力後再鎖螺絲。

後記:

雖然工作熊在這裡幫你列出了解決問題的方法與步驟,但是實際等你遇到問題時的狀況一定與工作熊說的又不一樣,你所要做的就是靜下心來,一步步按照邏輯來解開真相~記得!真相永遠只有一個喔!


延伸閱讀:
解決品質問題只靠品管工程手法就夠了嗎?
8D report寫不出來怎麼辦?8D報告為何這麼難寫?
《案例研究》客戶抱怨IO連接器上出現不明的白色粉沫

電子零件掉落、BGA焊錫破裂問題文章整理

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在工作熊的日常工作中,BGA焊錫破裂是最傷腦筋,也是最常被拿出來討論的一個工程問題,其實至今為止似乎仍然還沒有一個最佳的方案可以徹底解決BGA焊錫破裂、功能失效的問題。雖然不能有效解決BGA問題,但溫故總能知新,工作熊這裡把之前寫過的一些關於「電子零件掉落、BGA焊錫破裂」的文章加以整理給自己也給有需要的朋友參考。

期望大家也可以溫故而知新,鑑往而知來,啟發自己的靈感~

(閱讀全文…)

靜電電場和能量–更多的認識才能降低ESD控制成本

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一圖說明SMT通孔回流焊(PIH)製程的印刷焊錫量如何計算

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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?

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(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…

  • 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。

  • 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:

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。


延伸閱讀:
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?

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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?

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「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 0~1450 1600
S 90%鉑+10%銠 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。

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。


延伸閱讀:
可以用空板來製作回焊測溫板(profile board)嗎?
SMT回流焊的溫度曲線(Reflow Profile)解說與注意事項
回流焊的爐溫曲線應該使用RSS(馬鞍)型?還是RTS(斜昇)型?

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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。


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何謂「燈芯效應(wicking)」?燈芯現象在PCB會造成什麼品質問題?

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何謂「燈芯效應(wicking)」?燈芯現象在PCB會造成什麼品質問題?

「燈芯」是指蠟燭或古早油燈點燃時持續供油燃燒的蕊芯部分,它通常會以易吸油的細絲狀纖維或棉絲捻成束線來充當,因為不是融合,所以這時纖維與纖維間會存在極小的空隙,將芯線一端浸泡於燃油液體內,這時液體就會因為「毛細管作用(capillary action」而沿著纖維間的縫隙移動行進此作用稱之為「燈芯效應(wicking)」。

蠟燭火燈油燃燒的時候燒的大部分經由燈芯輸送上來的液態油,而不是燈芯,這也是燈芯可以持久的原因。

頂端圖片由Upali Senarath BandaraPixabay上發布

電路板上的「燈芯(wicking)」指的是什麼?燈芯現象又會造成什麼品質問題?

電子製造業中的「燈芯效應」一般指PCB基板在機械鑽孔製作PTHvia時,容易因為振動摩擦產生高熱融化樹脂與鑽頭高速旋轉的撕扯力道而造成玻璃纖維紗束中纖維與纖維間綻開,在後續的電鍍銅作業時,液態銅會沿著這些基板纖維間裂開的縫隙而發生浸透的現象,因為其滲銅現象就如同燈芯吸油的原理,故以此稱之,其實說穿了這就是一種「毛細現象」的體現。

 PCB制程中Wicking的管控

這裡要先說明一下,電路板的基材中除了有玻璃纖維紗束外,還會添加大量的混合樹脂(resin matrix)及填充料(fillers)來夯實填滿基板的結構與強度,在正常的情況下玻纖的周圍都會被這些樹脂及填充料佔滿,所以一般「燈芯(wicking)」的問題不會太嚴重,而且燈芯的深度也不會太長。

建議延伸閱讀:電路板PCB板材的結構與功用介紹

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但是「燈芯(wicking)」現象在組裝電路板(PCBA)上確實是個品質的不定時炸彈,因為在特定的條件下燈芯(滲銅)的長度可是會繼續生長,最後可能引起電性上的短路,造成電子產品功能不良,或是漏電流(leakage current)大增等問題。所以,業界其實在很早就已經在IPC-A-600中提出要管控「燈芯(wicking)」的允收標準。(個人認為IPC後續應該會繼續更新並加嚴這個標準,因為現在的標準有點太鬆且不符合科技的需求了。)

  • Class 1,滲銅不可超過125µm (4.291 mil)
  • Class 2,滲銅不可超過100µm (3.937 mil)
  • Class 3,滲銅不可超過80µm (3.15 mil)

電路基板上的「燈芯效應」一般指基板在機械鑽孔時容易因為振動而造成玻璃纖維與纖維綻開,當電鍍銅作業的時候,液態銅會沿著基板纖維間的縫隙而有浸透的問題,其現象如同燈芯的原理,故以此稱之。

而隨著手機的流行推升科技的進步,現在電路板的線路及via設計也是越來越密集,疊層則越來越多,所以「燈芯(wicking)」的問題也越來越受到重視,而且也有越來越多的「CAF (Conductive Anodic Filament),電路板內微短路現象」造成的不良案例被提出來討論且要求改善。

所謂的CAF是在同時具有水氣(溶劑)、偏壓(形成氧化還原)、通道(毛細作用)、露銅(可以形成離子的元素)的條件下結合燈芯現象所造成的一種「電子遷移(electromigration)」或稱之為「銅遷移」,它一開始會造成相鄰電路的間歇性微短路,讓產品功能間歇性的時好時壞,雖然最終可能導致持續性的短路,但在這之前產品大概就已經就被客訴或拋棄了。

建議延伸閱讀:CAF(電路板微短路)形成的可能原因與改善對策

吸錫帶(solder wick)也是一種燈芯效應或「毛細現象」的應用

吸錫帶(solder wick)當我們需要修補電路板時,常會以人工作業的方式來進行除錫,一般會選擇使用純銅細線捻成的寬扁帶狀編織繩(吸錫帶,Solder Wick)來接觸或是直接放置於需要除錫的焊墊上方,然後用烙鐵直接加熱於吸錫帶融化焊錫,讓吸錫帶上的溫度比較高,就可以輕鬆地將多餘的焊錫吸附在吸錫帶上,達到除錫整平的效果,而吸錫帶的應用也是利用「燈芯效應」或「毛細作用」原理來達到吸錫的典型做法。

「燈芯效應」可以解釋人體自燃的神秘事件?

題外話,但卻是蠻讓人好奇的人體自燃事件原因~

初聞「人體自燃」事件時,著實讓人有點神秘學的感覺與匪夷所思,覺得怎麼可能發生,可新聞及文羨上確實有些人體自燃的案例,但是隨著調查,漸漸地有人提出這些人體自燃的屍體幾乎都有太靠近火源且無法做出反應即時撲滅火苗的行為,比如喝醉酒、昏迷或是吃了安眠藥的人,他們身上的衣物或先被外界的火焰點燃,燃燒的衣物接觸皮膚,因而跟著燃燒起來,接著,皮下脂肪由於燃燒的高溫而融化並從傷口流出,然後開始浸潤衣服,衣服被液化脂肪浸濕後就成了蠟燭的燈芯,而體內的脂肪就像是蠟燭的本體臘,脂肪融化後源源不絕地提供燃燒的油料,於是人體就像蠟燭一樣慢慢地燃燒殆盡,直到所有可以燃燒的身體組織都被燒完為止。

人類的骨髓和脂肪一樣,都是可以燃燒的材質,但是連骨頭都可以燒成灰燼的溫度卻需要高達870℃以上,似乎又不合理了?後來又有人提出自燃者似乎都患有骨質疏鬆症,研究顯示骨質疏鬆者的人骨在火葬時也容易被燒盡,於是「燈芯效應」就成了目前最可以解釋人體自燃的成因。

只是,人體自燃似乎得有很多因素同時發生,要有外界的火源、可以當成燈芯的足夠衣物、著火者無法自行撲滅火源+骨質疏鬆症~老實說個人對這個解釋還是抱存懷疑的態度,除非那是個精心佈置的實驗,否則要依照這樣的燈芯效應完成人體自燃,有點玄啊!


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