電子製造工廠如何產出一片電路板(PCBA)

電子製造工廠如何產出一片電路板(PCBA)

工作熊原本以為大部份會來格子的朋友應該都已經很清楚電路板(PCBA)是如何被組裝出來的了,後來有網友問了一些關於SMT的問題,剛好也有新進同事不瞭解何謂SMT,所以就趁此機會班門弄斧一下,已經是行家的朋友捧個人場,如有不足或錯誤的地方,還請指教,對SMT還一知半解的朋友就姑且看看,看能不能長點見識。

現今電路板的組裝,基本上都是透過所謂的【錫膏(solder paste)】將電子零件黏貼焊接於印刷電路板之上,這個焊接的過程可以使用表面貼焊(SMT,Surface Mount Technology)波峰焊(Wave soldering)的焊接技術來達成,當然你也可以全部用手焊,但那不在本文討論的範圍,而且手焊的品質風險很大,也無法大量生產。







因為波峰焊幾乎已經很少有產品在使用了,所以本篇僅介紹以表面貼焊(SMT)做電路板組裝的焊接相關作業。

基本上現在的SMT製程都是一條龍的作業,也就是把空板放到SMT產線開始,到最後板子流出組裝完成,都是在同一條產線搞定。

底下的製程簡單介紹從空板(bare PCB)載入到板子組裝完成,還有品質保證的後製程:

空板載入(Bare Board Loading)

電路板的組裝第一步就是把空板子 (bare board)排列整齊,然後放到料架(magazine)上面,機器就會自動的一片一片的把板子送進SMT的流水生產線。
SMT_PCB_magazine01

印刷錫膏(Solder paste printing)

印刷電路板(Printed Circuit Board)進入SMT產線的第一步要先印刷錫膏(solder paste),說真的這有點像女生在臉上塗抹面膜,這裡會把錫膏印刷在PCB需要焊接零件的焊墊上面,這些錫膏在後面經過高溫的迴焊爐的時候會融化並與把電子零件焊接在電路板上面。

延伸閱讀:如何將錫膏印刷於電路板(solder paste printing)

另外,新產品試機的時候有些人會使用膠膜板/膠紙板來代替錫膏,可以增加SMT調機的效率與浪費。

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?

錫膏檢查機(solder paste inspector) (option)

由於錫膏印刷好壞關係到後面零件焊接的好壞,所以有些SMT工廠為求品質穩定,會先在錫膏印刷之後就用光學儀器檢查錫膏印刷的好壞,如果有印刷不良的板子就打掉,洗掉上面的錫膏在重新印刷,或是採用修理的方式移除多餘的錫膏。

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

快速打件機 (Pick and Place speed machine)

這裡會先把一些體積較小的電子零件(如小電阻、電容、電感)打在電路板上,這些零件會稍微被剛剛印刷於電路板上的錫膏黏住,所以既使打件的速度非常很快,快到幾乎像是打機關槍一樣,板子上面的零件也還不至於會飛散,但大型零件就不適宜用在快速機裡面了,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原來的位置。

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

泛用型打件機 (Pick and Place general machine)

又稱為「慢速機」,這裡會是打一些體積比較大顆的電子零件,如 BGA IC、聯接器(connector)…等,這些零件需要比較準確的位置,所以對位非常重要,打件以前會先用照相機照一下確認零件的位置,所以速度上來說就相形慢了許多。這裡的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,必須要額外配置一台機器。

一般傳統的打件/貼件機(pick and place machine)都是使用吸力的原理來搬移電子零件,所以這些電子零件的最上面一定都要留有一個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

手擺零件或目視檢查 (hand place component or visual inspection)

當所有的零件都打上電路板要過高溫回焊爐(reflow)以前,通常會設置一個檢查點,用來挑出打件偏移或掉件…等等的缺點,因為過了高溫爐後如果還發現有問題就必須要動到烙鐵(iron),這會影響的產品的品質,也會有額外的花費;另外一些較大的電子零件或是DIP的傳統零件或是某些特殊原因,無法經由打件/貼件機來操作的零件,也會在這裡用人工的方式手擺零件。

另外,有些手機板的SMT會在回焊爐前也設計一道AOI,用來確認回焊前的品質,有些時候是因為零件的上面會打上屏蔽框,會造成回焊爐後無法使用AOI來檢查焊錫性。

回焊爐 (Reflow)

回焊爐(reflow)的目的是熔融錫膏並形成非金屬共化物(IMC)於零件腳與電路板,也就是焊接電子零件於電路板之上,其溫度的上升與下降的曲線(temperature profile)往往影響到整個電路板焊接的品質,根據焊錫的特性,一般的迴焊爐會設定預熱區、浸潤區、迴焊區、冷卻區來達到最佳的焊錫效果。

以目前無鉛製程的SAC305錫膏,其融點大約為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。

基本上電路板經過迴焊爐以後,整個電路板的組裝就算完成了,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:迴流焊的溫度曲線 Reflow Profile

光學檢查銲錫性 (AOI, Auto Optical Inspection) Option

並不一定每條SMT的產線都有光學檢查機(AOI),設置AOI的目的是因為有些密度太高的電路板無法進行後續的開短路電子測試(ICT),所以用AOI來取代,但由於AOI為光學判讀有其盲點,比如說零件底下的焊錫就無法判斷,目前僅能檢查零件有否墓碑(tombstone)或側立、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,所以到目前為止還沒辦法完全取代ICT。

所以如果僅使用AOI來取代ICT,在品質上仍有部份風險,但ICT也不是百分之百,只能說互相彌補測試涵蓋率,希望作到100%,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?

收板 (unloading)

板子組裝完成後會在收回到料架(magazine)上,這些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。

成品目檢 (Visual Inspection)

不論有沒有設立AOI站別,一般的SMT線都還是會設立電路板目視檢查區,目的在檢查電路板組裝完成後有否任何的不良,如果有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,或檢查AOI打下來的不良。

很多的工廠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與零件極性。

零件後復 (Touch up)

如果有些零件沒有辦法用SMT來打件,就需要後復(touch-up)手焊零件,這通常會放在成品檢查之後,以區別缺點是來自SMT還是其後段製程。

後復零件時要使用烙鐵(iron)及錫絲(solder wire),焊接時將維持於一定高溫的烙鐵接觸到欲焊錫的零件腳,直至溫度升高到足以融化錫絲的溫度,然後加入錫絲融化,待錫絲冷卻後就會把零件焊接在電路板上。

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,有些零件後復會因製程的需求而安排在更後段的製程。

電路板開路/短路測試 (ICT, In-Circuit Test)

電路板開路/短路測試 (ICT, In-Circuit Test)ICT設置的目的最主要在測試電路板上零件及電路有否開路及短路,它另外也可以量測大部分零件的基本特性,,如電阻、電容、電感值,以判斷這些零件經過高溫迴焊爐之後功能有否損壞、錯件、缺件…等。

電路測試機台又分為高級及初階機台,初階的測試機台我們一般稱之為MDA(Manufacturing Defect Analyzer),其功能就是上面講的電子零件的基本特性量測及開短路判斷。

高階的測試機台除了包含初階機種的所有功能之外,還可以送電到待測板,並啟動待測板並執行測試程式,好處是可以模擬電路板在實際開機情況下的功能測試,可以一部分取代後面的功能測試機台(Function Test)。但一台這種高階測試機台的測試治具大概可以買一部私家轎車,比起一台初階的測試治具要高上15~25倍,所以一般運用在大量產的產品上面比較適合。

延伸閱讀:什麼是ICT(In-Circuit-Test)?有何優缺點?

電路板功能測試 (Function test)

功能測試是為了彌補 ICT 的不足,因為 ICT 僅測試電路板上面的開短路,其他如 BGA及產品的功能並沒有被測試到,所以需要使用功能測試機台來測試電路板上的所有功能。

延伸閱讀:
簡介電路板組裝後的功能測試(FVT/FCT)
電子產品測試的目的所為何在?買保險也!

裁板 (assembly board de-panel)

PCB_router_machine

一般的電路板都會進行拼板(Panelization),以增加SMT生產的效率,通常會有所謂「幾合一」的板子,比如說二合一(2 in 1)、四合一(4 in 1)…等。等到所有的組裝作業都完成以後,還要再把它裁切(de-panel)成單板,有些只有單板的電路板也需要裁去一些多餘的板邊(break-away)。

裁切電路板的方法有幾種,可以設計V型槽(V-cut)使用刀片裁板機(Scoring)或直接手動折板(不建議),比較精密的電路板會使用路徑分板切割機(Router),比較不會傷害到電子零件與電路板,但費用及工時比較長。

相關閱讀:
電路板去板邊─郵票孔設計
電路板去板邊—V-Cut 分板機
電路板去板邊—Router 切割機
PCB採用「陰陽板」拼板的好處
電路板去板邊—手動去板邊注意事項
名詞解釋:PCB生產為什麼要做拼板(panelization)及板邊


延伸閱讀:
工廠轉廠技術移轉清單
組裝工廠設置IQC的目的
如何評鑑一家SMT代工廠

訪客留言內容(Comments)

您好!!
對於您的文章對於初學者的我有很大的幫助,最近被iso人員問”機台吸取率
標準為何 “,令我不解?
網路很少有這種解答,請問前輩是否可提供一些資訊…謝謝!!

KOYUHO;
就我的瞭解,SMT一般都叫「掉件率」或「吐料率」,如果我的猜測沒有錯的話,「吸取率」應該是指吸取100顆零件,有多少顆零件被成功吸取。

您好,長期閱讀您的網站非常受用。
請問是否有打算撰寫PCBA可靠度測試項目與標準的相關文章?
或是哪些地方有參考資料呢?
謝謝您!

Steve;
不知您所謂的PCBA可靠度測試是哪一些?一般整機我們就是作ESD、EMI、環境溫度循環…

hi 您的文章 真的很棒
也很感謝您無私的分享 謝謝

請問: 在SMT 製程的RESISTER & CAP 如並排時,
相互間距應為多少才合理?才算標準?
非常感謝
Ivy white

ivywhite;
我們目前是放0.2mm距離從pad到pad的間隙。這個基本上還有討論空間,建議你與你們的SMT工程師討論一下會比較好,間隙越大出錯的機會就越小,以後重工的能力就越好。另外,還得考慮吸嘴的大小不可以碰到旁邊的零件。

請教您泛用型打件機在放IC於錫膏上時是在上方破真空讓IC掉落or 吸嘴將IC押入錫膏?錫膏厚度相對於Ball Diameter是否有相關規格?會不會因為Pick & Place的問題造成上板子的Ball or Molding Damage?

BR
Tim

Tim;
正常的情況下SMT工程師都會將零件下降到板子的上緣一點點的位置,然後放下零件,原則上這樣子就不會傷害的零件,但某些情況下工程師會調整讓吸嘴下降到稍微壓到板子來確保吃錫的狀況,也就是說吸嘴放開零件的高度是可以調整的,如果吸嘴的高度沒有調整了,或是PCB嚴重變形時,壓傷或壓壞零件是有可能的,只是這種機會通常會隨著零件的厚度越薄而變嚴重。一般的IC零件應該不至於有這樣的問題。其次還要看看吸嘴取料時的吸嘴高度。

您好,隨便剛好逛到這,您寫的文章讓我對電路板的生產過程有更清楚的認識,非常感謝您的分享,希望您繼續加油

Matt;
我也希望可以加油!

本身是個菜鳥RD , 在設計的同時,其實一直很納悶的是我的東西是怎麼被制做出來,又在製作上面需要注意哪些東西才能讓我的設計符合好生產,現在遇到的生技人員常常都只會照公司rule卡關,但問為何這樣卡關,常常都不知所以然,要從她們身上學到這些,真的還不如問加工廠的作業員,真的是很高興可以逛到有這樣的網站,受教了

有空歡迎常來逛逛。

看了多篇您的文章,感覺受用無窮^^
本身是從事PCB製造業~您對電子方面的認知真的很專業^^
如果有缺板廠的話@”@我可以毛遂自薦嗎><Y
感謝大大的文章分享~

鐘小白;
所以以後有PCB的問題都可以向你請教囉!

工作熊你好,想請教,有塊monitor的單面板電源板,一面是各種插件,一面則有smd,smd利用印刷紅膠黏合,想請問只有印刷紅膠的smd也要經過reflow,之後再經過波峰焊把插件焊接起來嗎?這個reflow目的為何?是要把紅膠徹底固化,讓零件牢牢黏在板子上嗎?而波峰焊則是把插件焊接起來?
再請教,是否是只要有插件,插件另一面就要經過波峰焊,而要經過波峰焊那面如果有smd,就要用紅膠來黏合?
抱歉,不是很懂錫膏與紅膠的用法特色與差別之處

小門外漢;
建議可以先參考依下這篇文章 SMD零件可以走波峰焊接製程?
首先要瞭解零件如何焊接到PCB?自動生產線,印刷錫膏是一個方法,使用波鋒焊是另一種方法,所以一定要有錫,才能焊接。
再來瞭解為何SMD零件要點紅膠?其目的是為了要固定SMD零件,不讓零件掉落於波鋒焊錫爐中。你可能會問,如果零件已經印刷了錫膏是不是就可以固定零件了?這個答對了一半,如果僅使用錫膏來固定SMD零件,然後再將零件泡到整鍋的錫爐,會發生什麼事?是的,原來的焊錫會融化,然後零件就會掉到錫爐中。那為何不先印錫膏在點錫膏就好了?這是因為電路板上面有插件,插件的焊腳會穿過PCB來到PCB的下方,需要使用波鋒焊的錫爐將插件的焊腳焊接於PCB,既然板子都要經過波鋒焊了,那為何還要多印一道錫膏來浪費製程及錫膏呢?

工作熊您好:
请教您一个问题,我们的power板回流焊工艺上,机器在打红胶时,红胶会剩余较多,机器识别不了,导致浪费增加;请教您有没有好的方法;谢谢.

虚心的初学者,
紅膠的膠量不是可以靠點膠機控制嗎?為什麼要用機器識別呢?
或許我誤會你的意思了。

dear工作熊:
谢谢,可能我没有说清楚,就是机器控制的胶量剩余较多,每管都有1/3左右剩余;采用离心机来重新灌装剩余的1/3胶量,但是空气密封控制不好,造成漏点胶缺件;不知业界有么有好的方式. 谢谢

虚心的初学者;
這個我就比較沒有經驗了,建議你詢問紅椒的供應商有沒有比較好的方法?
只是還有1/3的膠量,你的機器就不能點膠了嗎?這樣機器的能力也未免太差了點。

dear 熊大:
請教您一個問題,我司有一批pcb已過期快2年了,但上頭執意要繼續使用,迴焊後出現滿多pad拒焊(pcb上線前有經過120度2小時烘烤過),經反應給板廠後,板廠有提3個方案1.重噴錫 2.剝錫上松香(應該就是所謂OSP板)3.使用硫脲處理,想請教熊大的是第3項”硫脲”會不會對P板造成傷害或其他異常?

土拉庫;
過期兩年的板子最大問題是氧化與吸潮,這個板廠應該都可以提供服務,只是會有一定的不良率。
對於你所提及的【硫脲處理】沒有研究,所以也很難給你建議,
建議你請板廠把這三種的優缺點提供給你,比較好做判斷的參考。

您的文章好像被大陸人抄襲了。請看下列聯結網址。

http://www.researchmfg.com/2010/12/how-smt-assemble-pcb/

Dag;
連結是原始的網址。
目前對大陸的抄襲只能無奈!

hi 工作熊:
請教一下有沒有相關,SMT UV爐的量測,目前我使用的是UV Power Puck II四通道UV測量計的資訊,客戶定光強250、能量4500,但一直無法達標。

鄭旺財;
Sorry沒有UV這方面的資訊,建議到FB社群問一下。

公司最近要將不上件PAD不上錫,
由於板材為OSP,
由不上錫容易氧化PAD,
但不知道若不重工上件的話,
對於產品的功能性是否有所影響,
其原因為何以及有無相關的文獻或試驗資料?

PY;
基本上不會有功能性上影響,但是最好可以知會客戶或是RD這項決定,以避免日後的不必要麻煩。

不必要的麻煩,是指氧化造成的銅鏽離子而影響嗎?

PY;
基本上你不是設計者(如果是的話當然例外),所以你可能無法知道板子上的所有焊墊的目的何在?有時候焊墊不僅僅只是為了焊接,可能會起其他的用途,比如說與彈簧接觸或其他作用,既然你不知道其作用,你怎麼決定能不能不要加錫呢?雖然機會很小,但萬一有那麼一個萬一,誰負責呢?

所以若是有作用的焊點就不建議不上錫嗎?(如顆粒PAD-因產品容量有單面或雙面上件的需求)

PY;
你可能沒有的了解前面的解釋。
1. 如果貴公司不想在OSP上錫,建議與客戶或設計者溝通你們的訴求以避免任何的可能問題發生。如果本身可以決定產品的使用需求,就自己決定。
2. 如果OSP上錫會有何問題發生?因為一般都會上錫以避免日後繼續氧化的問題,但既使銅墊氧化,原則上都不會造成太大的品質問題,軍工及特殊需求產品例外,因為使用於高溫高濕條件下會有加速氧化腐蝕的風險,這就是為什麼我一再強調與你的客戶及設計者溝通的原因。
3. 如果貴公司自己願意承當風險,就自己決定吧!

非常感謝~

你好~我想請問印刷電路板代工廠大約的日或月產量大約能夠產出多少片?
因為報告的需要瞭解產量訂單的問題,想可以大略瞭解中型規模的電路板代工廠一天或一月大約是能產出多少片的電路板,大約的數字,
附註:工廠的規模假設有4條SMT線

leo,
無法回答您的問題。SMT產量跟每片電路板子上的零件數、種類與單面或雙面板有關,而且也跟SMT產線機器多寡的配置相關。
具體的要自己去衡量 Cycle time。

非常感謝你~~~~,不過因為我們真的對於這個產業的細節不太瞭解,但又因為報告在跑軟體規劃時又需要產量的數據,雖然我們也知道每張單子的產品都是不同的,複雜度作業時間會不一樣,但我們對於這種代工印刷廠一天能產多少片實在不太瞭解,假使我們想假設一個數字也不曉得這個數字的值範圍應該是落在多少之間@@

你好~
最近很長查閱你的網站,受益良多,近來依據關鍵字尋找其他資訊時,發現似乎有侵權的網頁:
http://www.anda-dg.com/news/lunwen/dianjiaoji/2107.html

您好,十分感谢您的资料,就是有关于PCB制造的过程还不是很懂,您能出个类似这样的帖子分享一下吗,谢谢

工作熊您好 ! 最近發現到您的網頁,覺得您本人的專業度真令人匪夷所思,在此,小弟有個問題請教,小弟是迴焊爐與印刷機的代理商新人,希望在短時間能夠學會基本的專業知識,我想以您的專業,您一定可以提供我一些學習上的方法與套路,還望不另賜教! 謝謝

賜教熊,
所有的資料都已經在網路上了,怎麼學習就得靠你自己。

請教! BTU PY98N迴焊爐,都有通電後測試功能正常的情況下,有進行移機作業(一個房間移到另一個房間),突然通電後就開不起了(照正常來說通電後,電路板中間那一大顆正方形像CPU的Intellimax要有數字在閃,但移機完卻沒閃了),來源端的電皆正常進來,沒有零組件脫落,請問這是甚麼樣的原因可能呢


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