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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)內的實際環境溫度。

其實我們真正該重視的是板子上的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是來自回焊爐內的環境溫度加熱，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的環境溫度。

板子的溫度因為是從低溫開始逐漸加熱的，所以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。

（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！）

那量測回焊爐內的環境溫度及設置「空氣線」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，最終要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。

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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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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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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簡介什麼是「田口方法(Taguchi Methods)」實驗計畫工作熊不敢說自己很懂「實驗設計(DOE, Design of Experiment)」，但發現有許多人一聽說要做「實驗設計」就裹足不前，因為光想到如何排「實驗設計」或計算其實驗結果的「變異數分析(ANOVA)」就頭很大，還得做一大堆有的沒有的實驗，對如何判斷實驗結果是否顯著更是傷腦筋。另外有些人則是對「實驗設計」懵懵懂懂，以為只要有做設計變更或製程變更就一定得做「實驗設計」？

其實「實驗設計」並沒有大家想像中的那麼困難與難懂、也沒有那麼複雜，特別是「田口方法(Taguchi Methods)」利用「直交表(OA, Orthogonal Array)」及統計方法減少了傳統「實驗設計」的實驗次數，並改善實了驗數據分析的方法，就算你不懂得什麼是ANOVA，只要照著步驟來，用直覺就可以完成一個實驗計畫。所以本文的介紹也以「田口實驗法(Taguchi Methods)」為主。

「田口方法」雖然相對傳統實驗設計來的簡單許多，但工作熊還是建議大家有空要回去詳細了解一下實驗設計的內容，畢竟田口方法的肇基還是來自傳統實驗設計。

另外，不論是「田口方法」還是「實驗設計」，在執行之前還是有一些前提要先具備的：

品質特性(Quality Characteristics)必須要可以量化。
這其實是所有統計製程管制(SPC)的普遍要求，可以量化的品質特性才能做計算。而所謂的品質特性則是我們用來衡量一個系統的品質目標，也就是要符合品質特性要求的才是合格品，比如說電鍍製程中的電鍍厚度、蒸鍍製程的膜厚、或是某塑膠製品的長度，或是測試項目的良率或不良率。
實驗的因子(factors)與水準(levels)必須由有經驗的工程師或人員提供並決定。
這是因為實驗設計的主要目的是要從已知可能影響品質特性的因子中尋找出一個最佳的參數組合，所以需要有經驗的人員來提供實驗的相關資訊，並運用魚骨圖（特性要因分析圖，Cause & Effect Analysis）來圈選出重要的因子，以降低瞎子摸象反覆實驗的浪費。
實驗制定與執行者最好要具備基本的統計製程管控概念。
比如了解何謂常態分佈、Cpk（精準度）、Cp（精度）、Ck（準度）等。
因為實驗次數減少，每次的實驗操作與資料收集時都需特別留意數據的準確性、重複性與再現性。也就是說要盡量降低可能影響實驗準確性的外在因素，比如人員及設備最好維持不變，量測的方法及量具也都需要固定下來。
建議參考文章：介紹【Gage R&R】的重複性(Repeatability)與再現性(Reproducibility)

田口方法的實施步驟可分為下列幾項：

步驟1. 了解問題、現況掌握

步驟2. 選定品質特性及定義量測方法

步驟3. 選定影響品質特性的關鍵因子(factor)及水準(level)

步驟4. 選擇適用之直交表及配置

步驟5. 依照實驗規劃與直交表配置執行實驗並收集數據

步驟6. 計算直交表中的y(品質特性)及SN(信號/雜訊)比

步驟7. 完成並解釋各因子對於y與SN比的效果圖，執行二階段最佳化程序。

步驟8. 決定控制因子的最適水準參數組合，並推估其最適y及SN比。

步驟9. 檢定執行確認最適條件實驗

步驟10. 結論與建議：當確認實驗成功，將控制因子的最適水準組合納入系統SOP中執行。

延伸閱讀：
六個標準差的實例探討(six sigma)
QC story品質改善歷程(故事)方法解說
 運用實驗設計法最佳化SMT錫膏印刷厚度的參數與管控條件

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田口方法實驗設計:實例探討(1)-磁磚工廠的經驗

前一篇文章，我們大致探討過什麼是「田口方法(Taguchi Methods)實驗計畫」，這次我們先以一個較簡單的例子來說明田口方法實驗設計，算是給大家一個甜頭，讓大家了解田口方法實驗設計其實並沒有那麼複雜。

（請注意：這是一個經過簡化的實驗設計版本，要先強調的是，這個實驗缺少了幾個田口方法的要素，比如交互作用的確認，也沒有考慮雜訊(noise)，當然就沒法計算SN比，沒有推估最適條件的效果，所以也就沒有檢定最適條件是否恰當。但它仍然可以算是一次田口方法實驗設計。當然實際的實驗設計可能沒有這麼簡單。）

還記得田口方法實驗設計的第一個步驟是什麼嗎？現況掌握並目標設定，說得更明顯易懂的就是要「說故事」，說一個讓人可以聽懂的故事，所以，可能能需要考慮聽故事的對象是誰？來決定故事詳細與否。

說故事時間：一家瓷磚工廠的經驗

1953年日本一間瓷磚工廠(Inax，伊奈)，花了200萬引進德國一座新式隧道窯，窯長80公尺，窯內有一部搬運平台車，車上會堆疊有好幾層瓷磚，台車沿著軌道緩慢向前移動，讓瓷磚漸漸升溫承受燒烤，就類似SMT過回焊爐受熱的樣子。

問題發生了，這些瓷磚燒製出來會有不同尺寸大小的差異(變異)，他們發現在外層的瓷磚，會有將近40%超出規格上限，而內層的瓷磚則剛好符合規格的情形。

老師傅們知道，引起這些尺寸變異的原因是磁磚受熱不均、窯爐溫度變異所造成。很顯然，台車上瓷磚所承受的溫度是一個雜訊(Noise)因子。

為了解決這個問題，最簡單的方法就是讓窯內的溫度分布得更均勻就可以了，其實就是改善加熱系統的效率，但是修改隧道窯的溫度系統卻需要再額外花費50萬。沒有那麼多錢，該怎麼辦？

這時候統計製程(SPC)及實驗計畫(DOE)就可以派上用場了~

首先，第一步就是要收集數據並了解現況…

1.先看看是否可以在目前的設備及窯溫下移動磁磚尺寸分佈的平均值，使其平均值接近規格中心來降低不良率。
→改善準度（Ck或Ca）。

2.如果磁磚的尺寸分佈太過分散，則需要同時改善精度(Cp)來縮小磁磚尺寸的分佈寬度。
→改善精度通常也意味著需要更精密的設備。

實驗設計

這間瓷磚工廠決定先做一些實驗，來了解瓷磚製造的過程中，會有哪些真的影響到瓷磚尺寸的因子。

於是，工程師們先依據經驗，歸結出了一些可能因子，並打算做一些實驗來確認那些因子是否可以有效改善製程。

我們之前說過在決定因子及水準時需要由有經驗的工程師或人員來提供並決定，而因子的選擇，如果擔心太主觀，則可以利用腦力激盪法來畫出魚骨圖（特性要因圖，Cause & Effect Analysis）並共同圈選出重要(key)的實驗因子與水準。

請注意：因子及水準越多則實驗次數就會越多，如果已經知道該因子的影響為線性則可以選用2水準，否則建議選用3水準。為了方便說明與了解，本例子的所有因子全部選用2水準。

為了方便說明，

因子(factor)分別被標明為A、B 、C 、D …等。

而因子的水準(level)，則標示為

A1:代表A的第一水準；

A2:代表A的第二水準；

B1:代表B的第一水準…

其餘的依此類推。

決定可控因子(factors) 與水準(levels)：

經過討論後下面表格列出磁磚實驗的控制因子以及水準，為了方便說明，這裡將所有的水準都設定為2水準。

請注意：實驗的目的並不是為了要消除變異的原因，而是要降低磚窯的尺寸變異，找出一個最適控制參數的組合

田口實驗方法：直交表 (Orthogonal Array )

田口方法是一種部分實驗。它只需要使用較少的實驗次數，卻可以獲得與全因子實驗同樣的有效情報。

以前面磁磚的例子，選用L₈(2⁷)直交表，表示有7個各2水準的因子，田口方法只要做8次實驗就可以了。

該如何選用直交表？自由度

直交表的選取可以透過計算其因子的總自由度(d.f.，degree of freedom)之後來選擇。

比如說7個各2水準的因子，其各因子的自由度為其水準數減一，所以，其自由度為：(2-1)x7=7(d.f.)，因為直交表的自由度為實驗執行次數減一，所以可以選擇L_8(=7+1)以上的直交表來使用。

如果是3水準的因子，則自由度為：3-1=2(d.f.)

如果有交互作用，則每一個交互作用都視同為一個因子。而交互作用的自由度則為兩個或多個因子的水準數減一的乘積。比如有1個3水準及一個2水準的因子交互作用，則自由度為(3-1)x(2-1)=2(d.f.)。

實驗規劃與數據收集

依照事前的實驗規劃與直交表配置來執行實驗並收集數據。這一個步驟其實非常重要，實驗規劃者最好親力親為，很多工程師喜歡假手他人做實驗，然後坐享其成，但這樣往往容易造成實驗結果的偏差，既然田口方法的實驗次數已經降至最低，而且實驗的配置也只有自己最清楚，任何實驗都可能會出現一些意外狀況，唯有親自掌控並紀錄才能得到最正確的實驗資訊。

所以，經由以上的認知，我們知道瓷磚工廠的田口實驗設計總共有7個各2水準的因子，可以選用L₈直交表(2⁷)，總共會有8次實驗。為了簡化計算，這裡我們每次實驗在台車上擺放100塊磁磚，燒製完成後計算磁磚尺寸的不良數及不良率來當作品質特性 (y)。

完成並解釋各因子對於y與SN比的效果圖

（為了方便說明，本例簡化了許多計算，沒有將雜訊(noise)列入考慮，也就沒有SN比的計算）

1. 計算每一因子水準的總不良磁磚數

A₁：16+17+12+6 = 51
A₂：6+68+42+26 = 142
B₁：16+17+6+68 = 107
其餘依此類推~

2. 計算每一因子水準的不良百分比

A₁：51/400 = 12.75%
A₂：142/400 = 35.50%
B₁：107/400 = 26.75%
其餘依此類推~

3. 比較每一因子的不同水準

倆倆水準比較，比較A₁及A₂：51對142 或 12.75%對35.50%，所以得出A₁水準比A₂水準佳。其餘依此類推～

（不良數或不良率越低越佳）

4. 找出水準間的差距做成「因子效果表」

A的主效果：A₁-A₂ = 51-142 = –91；-91/400= –22.75%

B的主效果：B₁-B₂ = 107-86 = 21；21/400= 5.25%

其餘依此類推～

（因子效果表的確認無關正負，差距越大則表示效果越明顯）

所以，A因子對磁磚尺寸影響的效果最強，其次是F因子，再來是G因子。

5. 選出最適(佳)條件參數組合

從上面的回應表及因子效果表，我們可以得出這次磁磚尺寸實驗的最適(佳)條件參數為A₁、B₂、C₂、D₁、E₂、F₁、G₂，但是瓷磚公司最終工程師選定的條件卻是A₁、B₂、C₁、D₁、E₂、F₁、G₂。

為什麼最終選定的參數組合結果與實驗的最佳條件不一樣呢？

這是因為「蠟石」的費用昂貴，而且蠟石的用量(C因子)在實驗中的效果並不是很明顯。也就是說不論選擇的是蠟石的用量(C因子)的那個水準，都不會對品質特性(磁磚尺寸)造成太大的影響。

所以，田口方法的運用除了可以提供給我們一個最佳條件的因子參數組合以達成提高品質的目標外，我們還可以透過實驗因子效果的明顯與否，對效果不明顯的因子選用較便宜的水準來降低生產成本。

（再說明一次注意事項：本文內容是一個經過簡化的田口方法實驗設計版本，這個實驗缺少了幾個田口方法的要素，比如交互作用的確認，也沒有考慮雜訊(noise)，當然也沒有計算SN比，沒有推估最適條件的效果，所以也沒有檢定最適條件是否恰當。但它仍然可以算是一次田口方法實驗設計。當然實際的實驗設計可能沒有這麼簡單。）

文章內容參考了：

【田口式品質工程導論-中華民國品質學會發行】一書
【田口品質工程技術理論與實務-中華民國品質學會發行】一書
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延伸閱讀：
六個標準差的實例探討(six sigma)
QC story品質改善歷程(故事)方法解說
 運用實驗設計法最佳化SMT錫膏印刷厚度的參數與管控條件

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田口方法實驗設計:實例探討(2)-交互作用、真空閥推動力

我們前面已經簡單介紹過「田口方法(Taguchi Methods)實驗計畫」，也舉了一個《磁磚工廠經驗》的簡單例子來實際操作「田口方法」給大家參考，這次我們要再舉另外一個例子以更進一步的說明田口方法的【交互作用】。

大家應該還記得田口方法實驗設計的第一個步驟是什麼吧！沒關係再複習一下，就是「現況掌握及目標設定」，簡而言之就是要會「說故事」，說一個讓別人可以聽懂的故事，所以，會需要考慮聽故事的對象是誰？來決定故事的詳細與否。

說故事時間：遊艇工廠的真空閥裝配作業

在遊艇的真空控制閥裝配作業中，由於柱塞必須壓縮彈簧後才能裝入閥門本體做超音波焊接，但只要作業員稍有施力不當，彈簧就會斷離本體並噴飛柱塞，造成裝配作業失敗，此現象被歸咎於設計不良導致。

為了解決此一裝配問題，工程師考慮選取下列兩種品質代用特性來進行研究：

(請注意：柱塞斷離閥門本體是一種現象，就像餐廳如何讓客戶覺得其服務好壞都是一個籠統的感覺，所以，我們必須尋找一個可以被量化的品質特性來代替這個籠統的感覺，將品質特性量化後才能使用實驗設計)

1.引起柱塞突然斷離本體的推動力大小。

2.柱塞的移動距離。

依據工程師的知識與技術觀點判斷「推動力的大小」是最為重要的特性。於是計劃設計一項實驗，期能獲得「最大推動力」且其「變異最小」之最適製程條件。（←目標）

選定控制因子及水準

此真空閥最大推動力實驗經由工程師討論後選定了5個2水準的因子及2個已知的交互作用，因子與水準及已知交互作用詳列如下表。

選定直交表

5個2水準的因子自由度為5x(2-1)，2個已知交互作用自由度為2x(2-1)。

所以，總自由度=5x(2-1)+2(2-1)=7個(d.f.)

因此可以配置L₈表。依照直交表實驗的配置將實驗結果依序填入表格中，每個實驗組合決定各作2次實驗，所以總共會有16個數據，並小計其推動力總和如下表。

補充說明：

經由自由度的計算，總自由度為7，所以我們知道這個實驗設計可以選取L₈表，因為L₈直交表包含至少有兩個交互作用行可以使用，工作熊這裡有特別在上表的最後一列標示出其交互作用的成份，該列表示第1行為a因子，第2行為b因子，第3行則為ab兩因子的交互作用行，第4行是c因子，第5行則是ac兩因子的交互作用行，第6行是bc兩因子交互作用行，第7行是abc三因子交互作用行，所有的交互作用行如果沒有或不知道有交互作用時，都可以先配置給其他獨立因子來使用。

回到「真空閥推動力」的例子，我們已經知道「因子B與C之間以及C與D之間有交互作用」，所以我們就可以將有重複交互作用的C因子放到第1行，而將B因子放到第2行，這樣第3行就會是CxB的交互作用行，接著將D因子放入第4行，那第5行則為CxD的交互作用行，後面的A及E因子因為沒有交互作用關係，就順序放入第6及7行就好了。

計算回應表及因子效果表

計算並填入回應表格中各因子水準的推動力以及計算後的平均值，包含交互作用因子。

推估計算每個因子及交互作用的主效果

接著推估每個因子及交互作用的效果，就是要計算兩水準間的差異。而效果好壞的評斷標準則沒有正負之分，只要兩水準間的差異大就是效果顯著。

最後，我們從因子效果表及交互作用因子效果表中圈選出前幾個兩水準間差異較大的因子來做效果推估計算，並選擇數字較大的因子水準條件來做為最適(佳)條件的參數組合。

請注意：田口方法中建議只選取一半左右的顯著因子來推估並計算其最適參數組合效果就好，但不是絕對，也沒有說就一定得選一半，有時候會多選或少選，因為精準實驗的結果通常會高估品質特性，而且實際在量產時還會參雜進許多的雜訊，比如不同批號材料間的變異、不同操作員間的差異、不同機台或時間的差異…等。

繪製效果回應圖：

根據上面的回應表內容我們可以繪製出下圖的效果回應圖。

雖然前面的效果表已經可以告訴我們有哪幾個因子的效果比較強，也能告訴我們該選擇哪幾個水準來組合最適參數，但繪製效果回應圖則可以讓我們更直觀的了解每個因子的效果強度以及可能的潛在效果。

實驗結果討論、選出最適因子水準組合：

從這個因子效果圖中我們可以得出幾個結論：

當因子效果圖的斜率越大時，就表示其效果越顯著，比如因子C、E。而斜率越小的因子則表示效果越弱，對品質特性的影響也就越微小，比如因子D及E。
我們一般只會選出效果最明顯的前幾個因子來推估最適組合效果，而不是全選。
所以，這裡我們只選擇了效果最強因子E的E2以及效果次強因子A的A1強效果，其實最陡的斜率應該是因子C，但因子C與因子B及D都有交互作用的關係，所以必須要在額外看因子CxB的交互作用效果圖與CxD的交互作用效果圖，而從這兩個交互作用效果圖中我們又可以看出CxB的交互作用效果比CxD的交互作用來得強，且效果介於因子E及A之間。
從CxB交互作用效果圖中，我們知道C1B2的效果最強。所以最終我們只選擇E2A1C1B2等強效果來推估計算其最適參數組合的效果。
最適組合條件必須選擇所有的因子，所以，我們選定的最適條件為C1 B2 D1 A1 E2。
提醒一下，如果有效果較弱且材料或製程費用較便宜的因子，則可以考慮選用較便宜的水準來降低生產成本。因為就算選用比較差的水準，對品質特性的影響也不大。就類似前一個磁磚尺寸例子中的蠟石。
另外，還可以將這些效果較弱的因子拿來當成調整品質特性之用，也就是犧牲這些因子對品質特性分佈的貢獻，來讓品質特性的平均值移動以對準規格中心，也就是犧牲弱效果因子的準度(Cp)來加強精度(Ck)（對SN影響輕微者，可以適當犧牲來移動平均中心值以趨近規格中心）

推估最適水準之效果：

為了確認選定最適組合的結果具有「再現性」，我們必須計算出最適條件的推估值，並以最適條件再做一次實驗，將結果與推估值做驗證，看看是否具有再現性。請注意：重做實驗時必須同時執行最適條件與原條件，原條件的效果必須符合原來的品質特性，這是為了確認實驗時沒有偏差。

僅計算效果較強因子及交互作用之推估值，避免高估：

	: 在最適條件下，製程平均之推定值。此例僅選定因子C1,E2及交互作用C1B2來計算其推估值
	: 數據的總平均值 = (46+33.5+37.5+42+40.25+39.25+42.25+37.25+34.5+45+35.75+43.75+38.75+40.75)/14 =39.75

確認檢定實驗結果：

當實驗結果出來後，將之與最適條件的結果作比較，下面是假設結果及建議處置：

當結果為

65.00時，結果比期望值(55.25)好很多，可能存在某種交互作用還未被確認，使得效果出奇的好，後續生產時須留意效果是否可以持續或變差。
58.00時，表示有非常好的再現性。
54.00時，雖然沒有上一個來得好，但也非常接近推估值，表示有很好的再現性。
42.00時，再現性較差，此值已經比未改善前稍好，可以先執行此一最適條件，但應該考慮再作進一步的改善。
30.00時，再現性極差，此實驗結果不可接受，必須重新考慮。可能所選取因子中有存在極強烈的交互作用影響結果變差，或是試驗中遺漏掉了某些顯著因子還未被控制。

文章內容參考了：

【田口式品質工程導論-中華民國品質學會發行】一書
【田口品質工程技術理論與實務-中華民國品質學會發行】一書
成功大學開放式教育平台

延伸閱讀：
六個標準差的實例探討(six sigma)
QC story品質改善歷程(故事)方法解說
 運用實驗設計法最佳化SMT錫膏印刷厚度的參數與管控條件

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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。

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空洞通常會呈現出非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
 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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波峰焊接錫珠不良原因問題整理與解決對策(wave soldering beads)

在電路板組裝(PCB Assembly)的波峰焊接(wave soldering)製程中，錫珠(solder beads)殘留於電路板上雖然不是最嚴重的缺點，卻是一顆品質最不穩定的不定時炸彈。錫珠的產生應該是在電路板(Printed Ciccuit Board)離開液態焊錫面的時候產生的，雖然形成錫珠的原因很多，不過最主要原因有二：

當PCB與錫波分離時，在PCB上的零件引脚及焊墊/焊盤處與錫池液面間會拉出一條連接的錫絲，就像是起士拉絲一般，當錫絲繼續拉長最終斷裂回彈引腳或焊墊端時就容易出現相鄰焊點短路問題，而回落錫池的焊錫則會濺起錫液並噴濺在PCB板上形成錫珠。其次是有些錫液會從引腳直接滴落錫池產生噴濺。如果錫珠與PCB表面的黏著力小於錫珠本身的重力，那麼錫珠就會從PCB上彈開而回落錫池中，反之錫珠就會殘留在PCB上。
當PCB從液態錫離開的瞬間，一些原本被大面積液態錫包圍、限制而無法逃逸的氣體(來自環境空氣、助焊劑揮發物、高熱後產生的水氣、焊錫本身產生的氣體)會在焊錫固化嘗試著前從包圍最薄弱的位置逃逸噴濺而出並帶出殘錫。錫珠的重力如果小於其對PCB的附著力就會留存在PCB表面。

以上原因只要使用表面較為光滑的防焊綠漆(solder mask, solder resist)大多能獲得有效的解決或改善。

其次，在電路板與錫波接觸的焊錫面不建議使用NSMD(非防焊限定)焊墊設計，因為沒有防焊綠漆覆蓋的地方會變得較為粗糙，更容易讓錫珠附著於PCB表面。

其三，適當變更波焊時的脫錫角度(平面波與軌道的角度)也可以改善拉絲反彈的情形，理論上降低脫錫角度，可以降低從引腳滴落錫液的距離，降低噴濺的力度，但角度如果太小，則又不利被包風的氣體排出，所以，只能透過實驗計畫以取得一個最佳品質平衡的角度。

錫珠的形成當然還有其他因素，比如說PCB吸濕受潮、助焊劑噴塗不完全、預熱不足等都有可能造成錫珠問題。另外，波焊載具設計不當，造成遮罩開口邊緣滲錫也是可能原因。

下面整理列出波焊錫珠發生的原因與可能解決對策

波峰焊接錫珠不良原因問題整理與解決對策(wave soldering beads)

延伸閱讀：
什麼情況下PCB可以不用載具(carrier)過波焊
 SMT與Wave soldering焊錫的中文翻譯與觀念澄清
 使用【偷錫焊墊(拖錫焊盤)】來解決波焊時排腳零件的短路問題
 選擇性波焊錫爐(Selective Wave Soldering Machine)】的優缺點

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波焊製程發生吹氣泡及針孔炸錫透錫不良的原因與解決方法(1)：波焊工藝的影響

傳統插件(THD，Through Hole Devices)在過【波焊(wave soldering)】時經常會在電路板的焊點處發生針孔(pin holes)、吹孔或氣孔(blow holes)、透錫不良等吃錫不飽滿的焊接缺陷。

究其原因，大抵可以分成工藝缺失、板材潮濕、電路板通孔鍍銅厚度不足或氧化等三大問題點，外加電路板佈線設計問題與OSP表面處理問題。

本文因為篇幅較多，所以拆分成三篇文章發表。

下面工作熊歸納一些波焊針孔、吹氣孔、炸錫的原因與解決方法給大家參考，工作熊不敢說自己是專家，所以如有不同意見，歡迎留言討論：

波焊工藝：未開啟擾流波

工作熊發現很多電子組裝廠的波焊產線都不太喜歡開「擾流波(chip wave)」又稱為第一波(first wave)，而只開一道「平流波」，原因可能是開了擾流波後較容易出現短路問題，尤其是長腳作業的板子可能更嚴重，因為助焊劑在經過擾流波後基本上就已經失效，到了平流波時少了助焊劑的潤濕幫助，於是產生短路。

但是，擾流波的主要目的就是為了解決這類通孔透錫不滿、針孔以及陰影效應的，在魚與熊掌不可皆得的請況下，最好的辦法是在兩者間取得一個最佳的折衷製程參數方案，而比較建議的方案是透過實驗設計來選定最佳製程條件。

波焊工藝：預熱溫度不足

其次，波焊的預熱溫度如果不足，過波焊時零件面的溫度就會偏低，甚至低於融錫溫度，當錫液透過通孔來到零件面後溫度會急速冷卻低於熔點，於焉先行固化，在上面有固態錫封頂，下面被大量液態錫包圍(trapped)的情況下，使得讓通孔(PTH)內留存或正在產生的大量空氣或濕氣等氣體（空氣是無法被完全消失的、助焊劑本身也會產生氣體）無法逃逸，當焊點通過錫波後，下面大量錫液消失，下方的封鎖力驟減，這些被封存的氣體就會嘗試從最薄弱（還未完全固化）的位置突圍，如果封存氣體的壓力較小或位置較接近通孔焊錫的表面，就可能形成吹氣孔、針孔，如果封存氣體的壓力較大則容易發生炸錫，如果氣體無法順利逃逸時就會在通孔焊點中形成空洞(voids)。

解決方法建議波焊製程一樣要使用測溫板(profile board)實際量測預熱到波焊時零件面及波焊面的溫度。波焊預熱溫度建議在120~160°C之間（實際預熱溫度設定建議參考助焊劑廠商的datasheet）

波焊工藝：助焊劑未噴塗通孔內壁或含水氣

助焊劑就是幫助焊接潤濕用的，所以有無助焊劑噴塗到的焊點會有很明顯的焊接品質差異。請確實檢查助焊劑噴嘴是否阻塞。其次，鏈條的移動速度如果太快，也有可能造成助焊劑來不及完全塗佈而造成漏噴的現象，可以使用傳真紙黏貼於電路板上過助焊劑噴塗來檢查助焊劑的噴塗是否完全。

還有，助焊劑噴塗時還要確認是否呈微黏稠狀，助焊劑如果過期或品質不佳有沉澱現象時，建議要更換助焊劑。

波焊的助焊劑(flux)是透過壓縮空氣來的噴塗到PCB的焊接面的，如果壓縮空氣的管線出口處沒有安裝濾水濾油的設備，就有可能在長管線的輸送過程因冷熱交替而凝結出水份，而將油水隨著噴塗沾汙到PCB。

延伸閱讀：
波焊(Wave soldering)時零件擺放的設計規範
 使用【偷錫焊墊(拖錫焊盤)】來解決波焊時排腳零件的短路問題
 波峰焊接錫珠不良原因問題整理與解決對策(wave soldering beads)

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延續前一篇文章，除了波焊工藝不良外，其他如PCB板材潮濕、插件引腳或PCB孔壁氧化或有異物沾汙、PCB通孔鑽孔工藝不良造成毛邊、孔洞、縫隙，或是PCB佈線設計問題時未考慮插件引腳與通孔內壁的適當間隙等問題也都有機會在過【波焊(wave soldering)】時在電路板的焊點處發生針孔(pin holes)、吹孔或氣孔(blow holes)、透錫不良等吃錫不飽滿的焊接缺陷。

板材潮濕

水氣是電路板組裝高溫焊接中造成不良的隱形殺手，因為一旦環境溫度上升超過100˚C後，水(H2O)的相態就會立刻從液態轉變為氣態，體積也隨之成等級倍數增長，板材如果吸濕在通孔元件波焊的高溫焊接過程中就有機會化作水氣並且吹爆焊錫形成吹氣孔、針孔或炸錫。

板材潮濕的原因大部分來自保存環境與產線車間(shop floor)環境，少部分可能來自板材本身（有興趣的朋友可以參考【PCB爆板的真因剖析與防止對策】一文），所以要確實檢查PCB的存放環境以及作業環境是否有濕度管控，無濕度管控的SMT車間之生產品質就如同看天吃飯的行業。而一般SMT產線的濕度建議在35~65%RH，而IPC-J-STD-020文件定義的暴露車間濕度為60％RH。

解決方法:

解決板材潮濕問題除了嚴格管控環境溫溼度外，對於存放時間超過一定期限的PCB建議爐前烘烤。

建議參考文章：PCB如何烘烤？烘烤條件與方法，為什麼過期的PCB要先烘烤才能打SMT或過回焊爐？

零件引腳或PCB孔壁氧化或有異物沾汙

當插件(THD)引腳或PCB的通孔(PTH)孔壁有氧化或異物沾汙時將會使得通孔焊接不完全，造成局部拒焊問題。如果有拒焊情形發生建議要使用可以調整傾斜角的X-Ray或人工調整傾斜角來觀察拒焊是發生在插件引腳或PCB孔壁處，並且層別不良是否集中在某一批次(lot)的插件或PCB。建議還要在放大鏡或顯微鏡底下檢查空板(光板)看孔內壁鍍層有無被破壞或分佈不均的情形。

另外，如果是緊配合(pressed fit)或干涉配合(interference fit)等需使用治具或作業員需要用力才能將插件置入PCB的作業，插件時零件引腳有機會摩擦破壞PCB通孔內壁鍍銅並造成缺焊後果，建議要切片檢查孔壁鍍銅厚度是否均勻且符合規定。

PCB鑽孔工藝不良造成毛邊、縫隙

PCB的通孔製作通常使用機械鑽孔工藝，而其鑽頭在使用一段時間後就會因為磨耗、折損而需要更換，為一消耗品，有些板廠為了節省生產成本會故意延長鑽頭的使用壽命，使用已經鈍化的鑽頭所鑽出來的孔壁表面會比較粗糙，甚至會有拉扯撕裂板材中玻纖(glass fiber)造成毛邊、孔洞以及縫隙等缺點，就算後續通孔完成電鍍銅工藝，這些由於玻纖被破壞後所形成的缺點也不容易消失，甚至會成為隱藏水氣的最佳處所，PCB過波焊時水氣就會因為高溫而轉變為水蒸氣並噴出形成類似火山口型的吹氣孔。

這些缺點雖然大多會被鍍銅所覆蓋，但缺點處的覆銅厚度通常會比較薄，如果整體鍍銅又偷斤減兩，那些潛藏在鍍銅背後的水氣就會伺機從這些鍍銅較薄的位置逃逸而出造成氣孔。

電鍍通孔(Plating Through Hole)的孔銅的厚度一般要求至少要滿足0.8mil(20um)的要求(IPC)。

檢查孔銅厚度時通常需要截面積切片然後逐層分析檢查。

設計問題：插件引腳與通孔內壁間隙

為了方便插件(insertion parts)可以順利插入PCB的通孔，所以一般都會在插件引腳(焊腳)與電鍍通孔間保留一定的間隙，這個間隙當然是越大就越容易讓引腳插入，尤其是針對多腳或是軟腳等不易對準通孔的零件，較大的間隙也可以降低插件作業的工時，順暢流水線；但這個間隙如果太大了，則容易在波焊時造成通孔填錫不飽滿、氣孔或架橋短路(兩孔環間隙縮小)等不良現象。

電路板組裝(PCBA)業界普遍要求手插作業時，插件引腳外徑與電鍍通孔(PTH)內徑孔壁間的距離不可以超過0.4mm。不過這個間隙應該要隨著插件引腳直徑大小而適當調整其大小。

以下數字只是建議值，還是要依照實際情況適當調整。

針對人工插件：

D≤1.0mm, R=D+0.30mm(12mil)
1.0mm<D≤2.0mm, R=D+0.40mm(16mil)
D>2.0mm, R=D+0.50mm(20mil)

如果是方形引腳，建議以最小間隙為基礎，並酌減直徑。

如果是長條扁平型引腳，建議PTH為符合引腳形狀的槽型(slot)開孔。

如果為非電鍍通孔(NPTH)一般建議間隙在0.15+/-0.1mm。

如果是自動插件(AI)作業，可以在不影響焊錫品質的情況下比照手插件尺寸並適當擴大其間隙。

設計問題：插件(HTD)未設計架高排氣機構

市面上有許多的插件(Through Hole Device)在其底部並未設計或留有墊高/架高(standoff)機構以利排氣及爬錫，波焊時這些插件的底部會完全覆蓋住通孔，一方面將使得錫液無法順利爬升到零件面形成弧形外觀加強焊接強度，而且還可能在零件底部與PCB表面間的縫隙中形成錫珠造成不確定的品質風險，另一方面則會阻擋助焊劑在波焊中的形成的氣體及殘留的空氣無法從零件面順利排出形成空洞。

系列文章：

波焊製程發生吹氣泡及針孔炸錫透錫不良的原因與解決方法(1)：波焊工藝的影響
波焊製程發生吹氣泡及針孔炸錫透錫不良的原因與解決方法(3)：OSP板透錫不良

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延續前面兩篇關於【波焊(wave soldering)】製程容易在電路板的焊點處發生針孔(pin holes)、吹孔或氣孔(blow holes)、透錫不良等吃錫不飽滿的焊接缺陷。本文針對OSP膜PCB問題造成透錫不良加以探討。

OSP板透錫不良

透錫不良經常發生在OSP表面處理的電路板，究其原因絕大部分來自零件面的OSP膜未被有效分解導致部分焊接受阻，這是因為OSP本身為一層有機的護銅薄膜，它無法像金屬可以被焊錫潤濕，一旦在焊接的過程中無法完全分解掉OSP膜，最終就會阻礙焊接的進行。而OSP膜的分解完全與否又與其本身的薄膜厚度以及承受了多少熱量(時間與溫度)有絕對的關係。

所以，想要解決這類透錫不良問題，可以朝下列幾個方向著手：

1.要求板廠嚴控OSP薄膜厚度於標準內並控管其品質

波焊製程中PCB與錫池中錫液接觸的時間大概只有2~3秒(單波)，如果OSP膜太厚，錫池中的錫液可能就無法完全分解掉OSP膜，造成OSP膜殘留並阻礙通孔的焊接完成。而OSP膜如果太薄了，則容易在波焊的預熱階段就被提前過分裂解失去保護銅面的作用，或縮短了存放的保存期限。一般建議OSP薄膜厚度在0.2~0.5um之間，隨著科技的進步，對OSP膜也出現了一些改善，建議最好詢問PCB板廠相關的OSP訊息。

2.適當的增加OSP膜在波焊爐中所接受到的熱量

熱量與溫度及時間成正比，也就是要適當的升高預熱溫度或錫池溫度或降低鏈條速度(增加PCB與錫波的接觸時間)來增加OSP接收的熱量。請注意：改變這些參數可能會引發其他的品質不良。

3.建議加開波焊爐的第一波擾流波

綜合第1及2點，加開擾流波(chip wave)相對的就可以延長OSP膜與錫液接觸的時間，也可以讓錫液更充分的與OSP膜接觸（錫液與OSP膜直接接觸比藉由空氣傳遞的熱讓來得快），讓OSP膜接受更多的熱量有助其分解。

4.確保足夠的助焊劑噴塗到通孔內璧。

可以參考[OSP板透錫不良]的說明。

（助焊劑就是幫助焊接潤濕(wetting)用的，所以有無助焊劑噴塗到的焊點會有很明顯的焊接品質差異。請確實檢查助焊劑噴嘴是否阻塞。其次，鏈條的移動速度如果太快，也有可能造成助焊劑來不及完全塗佈而造成漏噴的現象，可以使用雙面膠黏貼傳真紙或不易吸濕的白紙於電路板上過助焊劑噴塗來檢查助焊劑的噴塗是否完全。

還有，助焊劑噴塗時還要確認是否呈微黏稠狀，助焊劑如果過期或品質不佳有沉澱現象時，建議要更換助焊劑。）

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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。

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如何挑選一支適合自己公司產品的錫膏 (Solder paste selection)
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不知道大家有沒有注意到一個現象，就是波峰焊接(wave soldering)時傳送電路板的鏈條都會傾斜一個角度，將電路板從低處緩緩往上送，而這個傾斜角一般就叫做「脫錫角度(conveyor angle)」。沒錯，波焊鏈條稍微傾斜一個角度就是為了方便焊點脫錫用的。

其實我們可以把融熔的錫池想像成一盆水，想像你拿著一片木板下面沾水，然後水平拿起，大概率會發現水滴幾乎都集中在板子的中間滴落，而且這樣的水滴滴落速度也會比較緩慢，板子在錫池中的行為也是類似，這樣就容易在板子的中間位置造成大量連錫及短路的現象，尤其是排插零件。所以，我們需要將板子與錫池的平面稍微傾斜一個角度，然後借重力讓錫液順著板子的傾斜角滴落流入到波峰焊錫池中，來達到控制焊點錫量的目的。

一般來說這個「傾斜角度」大概會被設定在3~7°左右。

脫錫角越小，焊點越飽滿，可能架橋短路

這個脫錫角如果越小的話，焊點將會越大且越飽滿，如果是多引腳零件，引腳方向與波焊平行時﹐其最後一個焊點的錫拉出之後斷掉反彈的力道就會越強，也就越容易與相鄰前引腳形成短路，而引腳方向與波焊垂直時，則容易出現架橋短路現象。

脫錫角越大，焊點變小

反之，脫錫角如果越大，則焊點會越小，有時甚至會出現少錫，或惡化陰影效應造成空焊問題。

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使用【偷錫焊墊(拖錫焊盤)】來解決波焊時排腳零件的短路問題
 波峰焊接錫珠不良原因問題整理與解決對策(wave soldering beads)
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過去為了因應歐盟的「有害物質限用指令（Restriction of Hazardous Substances Directive 2002/95/EC, RoHS）要求，PCBA(電路板組裝)製程的焊錫從錫鉛(SnPb)轉變為錫銀銅(SAC)合金，卻相對的提高了焊錫的溫度。為了因應節能減碳，現在似乎有越來越多企業正在嘗試將SAC高溫製程往低溫製程(Low Temperature Soldering, LTS)方向發展的趨勢。

其實當初焊錫製程轉入SAC合金後，SMT生產線的回焊峰值溫度(peak temperature)也從原本的220˚C上升到了250˚C左右，而焊錫溫度的升高也意味著零件材料及生產成本的提高，比如說需要使用到更耐高溫的材料，最大的改變是工程塑膠材料變更，另外，高溫也惡化了生產的品質，比如說材料在高溫下更容易變形造成焊接不良。

而目前最為大家所熟知的低溫焊錫則是以錫(Sn)為基礎添加鉍(Bi)的錫鉍(SnBi)與錫鉍銀(SnBiAg)合金。所以，今天我們就來大致探討一下LTS的優缺點’、可行性與未來可能趨勢。

LTS製程的優點：

節能減碳、降低能耗。因為採用較低熔點的焊錫合金，形成焊接所需要的溫度及時間就會跟著降低與減少，能耗相對地也就降低，達到節能減碳的目的。
降低高溫材料需求、降低材料成本。在室溫以上使用耐溫較低的材料，通常意味著較低的材料成本，至少材料的加工成本就比較低。
降低製程門檻、提高生產良率。將焊錫合金從SAC改為SnBi，其回焊爐內的最高溫會從250˚C降低到185˚C左右，相對地電路板在高溫下的變形率也會跟著降低約50%。板子變形與翹區是BGA及LGA等大顆無引腳零件形成HIP/HoP虛焊的一大主因，也是造成MLCC破裂的重要兇手之一。

LTS製程的缺點：

焊點的長期信賴性不佳。

低溫焊錫的最大缺點就是其焊點的機械強度不佳，也就是說焊點比較脆且容易因應力而產生錫裂現象。與SnPb及SAC合金焊錫比較起來，SnBi合金的焊錫強度就顯得非常不耐冷熱衝擊(thermal shock)與摔落撞擊(impact drop)。

回焊製程中容易產生Hot-tearing(熱裂縫、熱撕裂)缺點。

Hot-tearing容易出現在SAC錫球與SnBi錫膏的混合焊接製程的PCB焊墊表面，其實是容易出現在無鉛與錫鉛的混合(hybrid)製程中，尤其好發在BGA這類已經有預焊錫的零件焊點，這是因為在焊接的過程中，SAC錫球的熔點較高，不易熔化，就算熔化後也會較早固化，而SnBi錫膏則一定會在回焊的過程中熔化，冷卻時也會比SAC更慢固化。想像一下在回焊爐的冷卻過程中，BGA錫球已經固化或根本就未熔化，只剩下一小部分呈現漿態的SnBi焊錫，這時PCB及BGA載板也從高溫的變形中漸漸回復，一旦高溫時BGA載板與PCB的間隙較小而回溫後間隙變大，就會拉扯那些還未來得及完全固化的漿態SnBi焊錫，於是形成像是撕扯過的Hot-tearing裂縫。

SAC合金的BGA錫球與低溫錫膏(LTS)混用時該使用何種溫度曲線(temperature profile)？

其實低溫錫膏(LTS)最好配合同時使用低溫錫球及低溫profile，這樣才能取得低溫錫膏的所有好處與最佳的焊接效果與品質。不過迫於現實的無奈，目前市面上幾乎拿不到低溫錫球的BGA，所以只好退而求其次，混用低溫錫膏(LTS)與SAC合金的BGA錫球。

如果想要取得SAC與低溫錫膏混用的最佳品質效果，就得想辦法降低Hot-tearing所造成的影響，而其最好的溫度profile則為沿用SAC的溫度profile，因為高溫profile可以同時熔化SAC與SnBi合金，讓SAC有機會擴散至SnBi合金區域，進而改變SnBi配方的合金比率，這樣就有機會可以稍稍拉升SnBi區域的固化溫度，另外建議要加速峰值溫度後的冷卻速率，尤其是加速217˚C(SAC305)到138°C(Sn42Bi58)之間的降溫速率，目的是在SAC焊錫區域固化後，讓SnBi焊錫區域可以在最短時間內也跟著馬上固化。不過這麼一來就失去了使用LTS的所有優點，而且焊錫強度還沒有SAC合金來得好，還不如直接使用SAC錫膏。所以，以上所言的根本就是一堆廢話嘛！

相信大部分會選用低溫錫膏的情況，都是因為零件無法承受SAC的高溫profile。在這種情況下只能選用低溫錫膏的低溫profile，個人建議在不影響焊接品質的情況下盡量降低回焊的峰值溫度，其目的是為了降低PCB及BGA載板在回焊時的變形量，而同時還要加速回焊峰值溫度後的冷卻速率，目的當然也是為了在板子變形回復前就搶先固化低溫焊錫，不過如果過度加速冷卻速率可能有惡化BGA焊錫破裂的風險，建議藥確實評估，做過信賴性測試比較後選出一個較佳的溫度冷卻速率才執行，至於如果評估LTS的焊錫性，台灣有幾家實驗室都有類似的服務，可以先諮詢這些實驗室。不建議調升回焊峰值溫度，因為溫度越高，PCB及BGA載板的變形量就會越大。

如何加強LTS的機械強度？加強焊錫強度？

目前比較可行的LTS焊點補強方案為使用底部填充膠(underfill)，這方案其實在CSP(Chip Scale Package)及flip-chip一開始出現的時候就有了，後來也應用到BGA上面，一般會使用環氧樹脂(epoxy)材質的膠水點在BGA或相似零件的邊緣，藉由毛細作用的原理讓膠水滲透並充滿零件的底部，然後加熱固化，達到填充縫隙、強化焊點的目的，後來也有人採用黏稠度比較高的膠水選擇性點在BGA的四個角落來強化固定。

後來也有所謂的underfilm(底部填充片)出現，在板子印刷錫膏後透過SMT貼片機來將其擺放在PCB的BGA位置(避開焊點)，然後上面才放置BGA，最後與BGA一起通過回焊爐高溫來融化膠片填充空隙，冷卻後凝固。不過要注意的是，underfill通常是在板子組裝完成且功能測試後才會作業，而underfilm則是在SMT製程中就添加，產品的良率如果不高的話，重工將會非常麻煩。

不過，就工作熊自身的應用經驗，underfill確實有加強BGA抗應力的能力，但只能延緩焊錫因為應力作用所噵致破裂的問題，而無法完全根治，也就是說使用一段時間後，該出問題的焊點還是會出問題。所以，解鈴還須繫鈴人，要想辦法盡量降低影響焊點的應力來源。

那些產品有機會可以採用LTS製程？

既然我們已經了解到LTS製程產品的焊點比較脆、不耐應力，所以只要電子產品的使用環境不是處在劇烈的熱應力(高低溫循環)變化或機械應力(摔落撞擊)作用，以及產品無長期壽命設計保證需求下，應該都可以考慮導入LTS(低溫錫膏)製程，畢竟LTS既可以節能又可以省成本。以下是一些業界引用LTS的準則參考：

產品安裝後固定不動者。不建議手持裝置使用。手持裝置容易因為隨身攜帶操作而掉落造成機械衝擊應力。
產品設計使用壽命最好在5年以內或更短。建議要執行MTBF(Mean Time Between Failures)評估。
主要零件如果有額外應用焊點補強保護機制為佳，如點膠或塡膠。
IO零件如果有額外防插拔應力作用的機構設計為佳，如防過插、防搖晃等機構設計。
產品使用環境最好低於40˚C，最大運作溫度盡量不超過85˚C。
在一般的室內(indoor)環境中使用，無劇烈高低溫波動。不建議車用或戶外(outdoor)環境中使用。

目前看到LTS比較多運用在LED燈上面，mini-LED也有少部分採用，部分PC的產業也在評估中。

低溫製程的未來發展趨勢？

以節能減碳的角度來看LTS錫膏製程確實比較節省能源，也能降低零件對高溫塑膠材料的要求省成本，但目前的LTS錫膏有個致命的缺點，就是普遍的信賴性不佳，焊點比較脆，或許對一些細小零件不會造成太大影響，但對一些有應力承受需求的零件，比如I/O零件，或是產品受外力作用後可能彎曲電路板的產品，或是經常處於震動或是熱應力下下的產品，就不太適合LTS製程，只能說LTS錫膏雖然符合節能減碳訴求，但依然還有很長的路要走，也或許LTS最終無法完全取代SAC，比較可能是LTS與SAC並行。

延伸閱讀：
如何挑選錫膏 (Solder paste selection)
低溫錫膏製作HotBar焊接的可行性評估
 介紹認識【錫膏(solder paste)】的基本知識
 焊接採用無鉛低溫錫膏SnBi, SnBiAg的目的？

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過去為了因應歐盟的「有害物質限用指令（Restriction of Hazardous Substances Directive 2002/95/EC, RoHS）要求，PCBA(電路板組裝)製程的焊錫從錫鉛(SnPb)轉變為錫銀銅(SAC)合金，卻相對的提高了焊錫的熔接溫度。為了因應節能減碳大趨勢，現在似乎有越來越多企業正在嘗試將SAC高溫製程往低溫製程(Low Temperature Soldering, LTS)方向發展的趨勢。

而目前最為大家所熟知的低溫焊錫則是以錫(Sn)為基礎添加鉍(Bi)的錫鉍(SnBi)與錫鉍銀(SnBiAg)合金。所以，今天我們就來大致探討一下LTS的優缺點、可行性與未來可能趨勢。

LTS製程的優點：

節能減碳、降低能耗。因為採用較低熔點的焊錫合金，形成焊接所需要的溫度及時間就會跟著降低與減少，能耗相對地也就降低，達到節能減碳的目的。
降低高溫材料需求、降低材料成本。在室溫以上使用耐溫較低的材料，通常意味著較低的材料成本，至少材料的加工成本就比較低。
降低製程門檻、提高生產良率。將焊錫合金從SAC改為SnBi，其回焊爐內的最高溫會從250˚C降低到175˚C左右，相對地電路板在高溫下的變形率也會跟著降低約50%。板子變形與翹曲是BGA及LGA等大顆無引腳零件形成HIP/HoP虛焊的一大主因，也是造成MLCC破裂的重要兇手之一。

LTS製程的缺點：

焊點的長期信賴性不佳。

低溫焊錫的最大缺點就是其焊點的機械強度不佳，也就是說焊點比較脆且容易因應力作用而產生錫裂現象。與SnPb及SAC合金焊錫比較起來，SnBi合金的焊錫強度就顯得非常不耐冷熱衝擊(thermal shock)與摔落撞擊(impact drop)。

回焊製程中容易產生Hot-tearing(熱裂縫、熱撕裂)缺點。

Hot-tearing缺點容易出現在SAC錫球與SnBi錫膏的混合焊接製程的PCB焊墊表面，其實Hot-tearing也容易出現在無鉛與錫鉛的混合(hybrid)製程中，尤其好發在BGA這類已經有預焊錫的零件焊點。這是因為在焊接的過程中，SAC錫球的熔點較高，不易熔化，就算熔化後在冷卻的過程中也會較早固化，而SnBi錫膏則一定會在回焊的過程中熔化，冷卻時也會比SAC更慢固化。想像一下在回焊爐的冷卻過程中，BGA錫球已經固化或根本就未熔化，只剩下一小部分呈現漿態的SnBi焊錫，這時PCB及BGA載板也從高溫的變形中漸漸回復，一旦高溫時BGA載板與PCB的間隙較小(變形)而回溫後間隙變大(變形回復)，就會拉扯那些還未來得及完全固化的漿態SnBi焊錫，於是形成像是撕扯過的Hot-tearing裂縫。

SAC合金的BGA錫球與低溫錫膏(LTS)混用時該使用何種溫度曲線(temperature profile)？

其實使用低溫錫膏(LTS)時最好配合同時使用低溫錫球及低溫profile，這樣才能取得低溫錫膏的所有好處與最佳的焊接效果與品質。不過迫於現實的無奈，目前市面上幾乎拿不到低溫錫球的BGA，所以只好退而求其次，混用低溫錫膏(LTS)與SAC合金的BGA錫球。

相信大部分會選用低溫錫膏的情況，都是因為零件無法承受SAC的高溫profile。在這種情況下只能選用低溫錫膏的低溫profile，個人建議在不影響焊接品質的情況下要盡量降低回焊的峰值溫度，其目的是為了降低PCB及BGA載板在回焊時的熱變形量，而同時還要加速回焊峰值溫度後的冷卻速率，目的當然也是為了在板子變形回復前就搶先固化低溫焊錫，不過如果過度加速冷卻速率可能有惡化BGA焊錫破裂的風險，建議應確實評估，做過信賴性測試比較後選出一個較佳的溫度冷卻速率才執行，至於如何評估LTS的焊錫性，台灣有幾家實驗室都有類似的服務，可以先諮詢這些實驗室。不建議調升回焊峰值溫度，因為溫度越高，PCB及BGA載板的變形量就會越大。

如何加強LTS的機械強度？加強焊錫強度？

後來也有所謂的underfilm(底部填充片)出現，在板子印刷錫膏後透過SMT貼片機來將其擺放在PCB的BGA位置(避開焊點)，然後上面才放置BGA，最後與BGA一起通過回焊爐高溫來融化膠片填充空隙，冷卻後凝固。不過要注意的是，underfill都是在板子組裝完成且功能測試無誤後才會作業，而underfilm則是在SMT製程中就添加，產品的良率如果不高的話，重工將會非常麻煩。

另外，隨著LTS應用的增加，現在也有所謂的【Epoxy paste】及【Epoxy flux】製成應運而生。【Epoxy paste】是在錫膏中添加epoxy，直接印刷錫膏過回焊加熱就可以了，但既然是添加在錫膏中，其用量就不可能多，對BGA零件的焊錫強度加強可能有限，但如果僅針對片式零件(chip component)或是LED燈板來說應該還是會有些效果的。【Epoxy flux】則採用錫膏印刷後點膠作業再貼片，有點類似underfilm。以上兩種添加Epoxy的製程效果其實都有待進一進驗證，而且都是在測試前就已完成作業，對良率不高的產品使用前建議斟酌使用。

就工作熊自身的應用經驗，添加underfill確實可以起到加強BGA抗應力的能力，但只能延緩焊錫因為應力作用所噵致破裂的問題，而無法完全根治，也就是說使用一段時間後，該出問題的焊點還是會出問題。所以，解鈴還須繫鈴人，要想辦法盡量降低影響焊點的應力來源。

那些產品有機會可以採用LTS製程？

產品安裝後固定不動者。不建議手持裝置使用。手持裝置容易因為隨身攜帶操作而掉落造成機械衝擊應力。
產品設計使用壽命最好在5年以內或更短。建議要執行MTBF(Mean Time Between Failures)評估。
主要零件如果有額外應用焊點補強保護機制為佳，如點膠或塡膠。
IO零件如果有額外防插拔應力作用的機構設計為佳，如防過插、防搖晃等機構設計。
產品使用環境最好低於40˚C，最大運作溫度盡量不超過85˚C。
在一般的室內(indoor)環境中使用，無劇烈高低溫波動。不建議車用或戶外(outdoor)環境中使用。

目前看到LTS比較多運用在LED燈上面，mini-LED也有少部分採用，部分PC的產業也在評估中。

低溫製程的未來發展趨勢？

以節能減碳的角度來看LTS錫膏製程確實比較節省能源，也能降低零件對高溫塑膠材料的要求省成本，但目前的LTS錫膏有個致命的缺點，就是普遍的信賴性不佳，焊點比較脆，或許對一些細小零件不會造成太大影響，但對一些有應力承受需求的零件，比如I/O零件，或是產品受外力作用後可能彎曲電路板的產品，或是經常處於震動或是熱應力作用下的產品，就不太適合LTS製程，只能說LTS錫膏雖然能符合節能減碳訴求，但依然還有很長的路要走，也或許LTS最終無法完全取代SAC，比較可能是LTS與SAC並行。

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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，而且扮演一個非常重要的角色，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

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，膏狀分離變成水狀或硬塊，這樣的錫膏當然就失去了其原本各司其職的功用。

而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，一般人工攪拌的方法為同一方向攪拌20~30圈大概1分種即可，過多的攪拌次數其實反而會破壞錫膏中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(因為橢圓形錫粉會影響排列的數量)，而且人工攪拌時間過久或次數過多也容易讓錫膏與空氣接觸，加速錫粉氧化的程度，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，而且因為高速離心旋轉會使得錫膏內不同物質間流動產生的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、吸收水氣的機率並縮短了退冰的時間。

錫膏開封後為何要控制其暴露於產線的時間

一般要求錫膏回溫2H，超過8H不得回收，超過12H或24H報廢。

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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

The post SMT產線為何要分長線及短線？如何提升SMT產線效率？ first appeared on 電子製造，工作狂人(ResearchMFG).

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。

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拯救波焊拉錫尖(solder projections)：不良原因整理與對策分析

波焊拉尖(solder projections)一般容易出現在長腳或粗腳的通孔零件焊腳上，其他較容易散熱的零件（如散熱片或接地片引腳）也可能發生。這是因為零件與波焊錫液接觸時間太短，溫度供給不足，造成零件焊腳在離開錫池時錫液在還沒掉落錫池或回彈焊點前就降溫固化所致。

如果是長腳造成的溫度散失，則建議改為短腳作業，但需留意如果是在廠內波焊前剪成短腳，須留意切斷面氧化問題。如果是因為零件焊腳連接到了大面積金屬片造成的溫度散失，則建議升高預熱溫度或調慢鏈速，讓零件的大面積金屬片可以提高溫度，但是要考慮其他波焊零件的耐熱問題。

其實，波焊製程會發生焊腳拉尖(solder projections)的主要原因就是焊腳的溫度太低，換個角度思考就是融熔的錫液溫度太低，造成錫液過於黏稠所致，想像一下起士拉絲的情形，當溫度升高時，起士拉絲的情形則會獲得改善。

錫池含銅量超過標準，造成錫池的熔點上升，錫液的流動變得黏稠

所以，除了零件焊腳容易散熱，造成錫液溫度下降的原因為，錫池中的成分也是一個重點，當錫池中的含銅量越多，錫池的熔點就會越高，如果沒有增加錫池的溫度，則錫液的流動就會變得黏稠。不幸的，不論是PCB或是零件引腳大多含有銅金屬，而無鉛焊錫使用SAC(錫銀銅)成分的錫棒則更容易將銅金屬溶解入錫池中，嚴重者更可能造成咬銅/銅熔解(copper dissolution)。建議要定期檢測錫池成分、適時添加新錫棒以淡化銅含量、勤撈錫渣。

助焊劑噴塗不良或焊腳氧化也容易造成拉錫尖

當零件的焊腳或是末端切斷面有氧化或助焊劑噴塗不到位時，也可能導致拉錫尖的發生。這是因為引腳尖端的潤濕性受到影響，在引腳脫離錫池的瞬間，錫液回彈引腳尖端時無法完全吸收回彈的錫液，造成焊錫甩出的拉尖。如果是廠內剪腳作業時，須留意剪腳後存放時間不可過久，否則引腳切斷面氧化後反而會引發拉尖問題，檢查廠商來料，確認剪腳後有再做一次金屬表面處理。

而來自助焊劑的問題，除了噴塗不到位之外，其他如助焊劑過期、太稀、變質等都會影響助焊劑的效果。當然，預熱如果太過頭，造成助焊劑提前揮發也會造成助焊效果不佳造成拉錫尖，但這些通常都會伴隨焊錫空焊、針孔等其他波焊問題出現。

PCB也有濕敏等級嗎？

至於PCB是否有濕敏等級(Moisture Sensitive Level)？文件中並未明確說明，文件中僅指出PCB的濕敏等級需以PCB的樹脂(resin)材料來判定，而建議的判斷標準則為PCB的含水量，如果焊錫的最高溫度可能高達260℃時，建議含水量(MAMC, Maximum Acceptable Moisture Content)為重量比的0.1%(以下無鉛製程)，如果焊錫最高溫度只有230℃時，建議含水量(MAMC)為重量比的0.5%以下(含鉛)。而含水量的量測方法則規定在IPC-TM-650文件中。

所以，如果你還想問PCB的濕敏等級為何？最好的方法就是詢問你的PCB供應商，請供應商依據板材的樹脂測試含水量後，提供PCB可以暴露的產線車間(shop floor)環境溫溼度，以及暴露於車間多久後需要重新烘烤。

IPC-J-STD-020 JOINT IPC/JEDEC Standard Moisture/Reflow Sensitivity Classification for Non-hermetic Surface Mount Devices (SMDs)
IPC-J-STD-033 JOINT IPC/JEDEC Standard for Handling, Packing, Shipping, and Use of Moisture/Reflow Sensitive Surface-Mount Devices
IPC-1601 Printed Board Handling and Storage Guidelines
IPC-1602 Printed Board Handling and Storage Guidelines (取代IPC-1601A以後的版本)

另外，不論是「田口方法」還是「實驗設計」，在執行之前還是有一些前提要先具備的：

田口方法的實施步驟可分為下列幾項：

說故事時間：一家瓷磚工廠的經驗

這時候統計製程(SPC)及實驗計畫(DOE)就可以派上用場了~

實驗設計

決定可控因子(factors) 與水準(levels)：

田口實驗方法：直交表 (Orthogonal Array )

該如何選用直交表？自由度

實驗規劃與數據收集

完成並解釋各因子對於y與SN比的效果圖

說故事時間：遊艇工廠的真空閥裝配作業

選定控制因子及水準

選定直交表

計算回應表及因子效果表

推估計算每個因子及交互作用的主效果

繪製效果回應圖：

推估最適水準之效果：

確認檢定實驗結果：

QFN及BTC散熱墊焊接空洞氣泡形成的可能原因

1. 錫膏量不足

2.包風排氣不順

3. EPad焊盤存在通孔

QFN及BTC散熱墊焊接空洞的解決方案

錫膏量不足的解決方法

排氣不順包風問題的解決方法

1. 能不能利用vias來當成逃氣孔？

2. 提高reflow峰值溫度及TAL時間

3. 使用預成型錫片(solder preform)

4. 使用真空回焊爐(Vaccum reflow oven)

5. 擴孔增加QFN的I/O焊墊錫量

波焊工藝：未開啟擾流波

波焊工藝：預熱溫度不足

波焊工藝：助焊劑未噴塗通孔內壁或含水氣

板材潮濕

零件引腳或PCB孔壁氧化或有異物沾汙

PCB鑽孔工藝不良造成毛邊、縫隙

設計問題：插件引腳與通孔內壁間隙

設計問題：插件(HTD)未設計架高排氣機構

OSP板透錫不良

錫膏使用前為何要退冰回溫？

為何SMT的錫膏在使用前要先攪拌？

錫膏開封後為何要控制其暴露於產線的時間

LTS製程的優點：

LTS製程的缺點：

焊點的長期信賴性不佳。

回焊製程中容易產生Hot-tearing(熱裂縫、熱撕裂)缺點。

SAC合金的BGA錫球與低溫錫膏(LTS)混用時該使用何種溫度曲線(temperature profile)？

如何加強LTS的機械強度？加強焊錫強度？

那些產品有機會可以採用LTS製程？

低溫製程的未來發展趨勢？

LTS製程的優點：

LTS製程的缺點：

焊點的長期信賴性不佳。

回焊製程中容易產生Hot-tearing(熱裂縫、熱撕裂)缺點。

SAC合金的BGA錫球與低溫錫膏(LTS)混用時該使用何種溫度曲線(temperature profile)？

如何加強LTS的機械強度？加強焊錫強度？

那些產品有機會可以採用LTS製程？

低溫製程的未來發展趨勢？

錫膏使用前為何要退冰回溫？

為何SMT的錫膏在使用前要先攪拌？

錫膏開封後為何要控制其暴露於產線的時間

那SMT產線要如何提升效率？

SMT產線的瓶頸通常會出現在那一站？

錫池含銅量超過標準，造成錫池的熔點上升，錫液的流動變得黏稠

助焊劑噴塗不良或焊腳氧化也容易造成拉錫尖

PCB也有濕敏等級嗎？