如何局部增加SMT製程中的錫膏或焊錫量

今天的電子工業真的是越來越發達,隨著電子零件越作越小,產品也跟著越來越薄,就像一開始的黑金剛大手機,到如今可以放在手腕上的微型手機,這些都是拜SMD電子零件極小化之賜,什麼0402、0201、甚至01005的尺寸都已經有人在嘗試了,就連一般的IC(積體電路)零件腳距也都縮到了0.5mm (fine pitch,微腳距),甚至0.3mm都有人做出來,這對SMT製程來說著實是一大挑戰。但更大的挑戰是電路板上並非只有這些小零件及小焊點,在製程上比較容易出問題的反而是同一片板子上同時需要打上很大及很小的零件。

要如何讓這些細小的電子零件完好的焊接於電路板上,還不可以發生空焊及短路的缺點,已經就夠讓SMT工程師傷透腦筋了。更大的挑戰是電路板上並非只有這些小零件需要焊接,很不幸的由於技術或是成本上的限制及考慮,有些零件到現在還無法極小化(如大部分連結器、電池、線圈、大電容…等),於是就會出現大大小小電子零件同擠在一塊電路板上的問題。







因為大零件需要較多的焊錫印刷於焊腳上,這樣才能確保其焊錫的牢靠度;小零件則需要較精準且微小的錫膏量控制,否則容易造成焊錫短路或空焊的問題。而錫膏量(體積)的控制一般由鋼板(stencil)的厚度(thickness)及開口(aperture)來決定,可是同一片鋼板的厚度基本上是一致的,適合小零件的鋼板厚度就不適合大零件,剩下的只能控制鋼板的開口,只是開口也無法解決這樣的問題,這似乎是魚與熊掌的問題。

目前在電子工業界的普遍作法都是先讓鋼板屈就小零件的錫膏量要求,然後再使用不同的工法來局部增加錫膏量,因為比較起來小錫量比大錫量難控制多了。這裡工作熊整理了四種較常見的局部增加錫量的方法供大家參考,其實大部分這些工法在之前的文章中都已經有介紹過了,這裡只是稍加整理而已。

1. 人工手動點錫膏

手動點錫膏

使用半自動點膠機,在鋼板印刷錫膏後或進入回流焊前,將錫膏局部加在需要增加錫膏的地方。這個方法的好處是機動性高。

不過手動點錫膏的缺點就一大堆了:

  • 需要增加一個人力。
    如果這個人力可以共用其他人力就比較沒關係,比如說爐前的目檢,或是爐前的人工置件。基本上要計算人力的配置。
  • 品質較難控制。
    人工點錫膏的錫膏量及位置都無法精確控制,比較適合那些需要較大錫膏量的零件。
  • 容易作業失忽。
    人工加點錫膏有可能會因為勿動作而接觸到其他已經印刷好錫膏的地方,造成錫膏的形狀破壞,進而引起短路或空焊。也可能移動到其他已經置好的零件,造成零件偏移。

2. 導入自動點錫膏機

早期的SMT產線配置,都配有一台點自動點膠機的,這臺點膠機的目的是將紅膠點在SMD零件的下面,將零件黏在PCB上面,避免後面過波峰焊(Wave Soldering)時零件掉落於錫爐之中。這臺點膠機其實也可以用來點錫膏,只要將錫膏加到針筒中就可以將錫膏點在需要局部增加錫膏的地方來增加銲錫量。

自動錫膏機的缺點:
因為現在的製程已經很少使用波峰焊了,所以大部分的SMT產線都已經不再配備點膠機,所以這個方法有可能需要再新增加一台機器。

3. 使用階梯式鋼板(step-down stencil)

「階梯式鋼板」又分為【STEP-UP (局部增厚)】及【STEP-DOWN (局部打薄)】兩種,這種特殊鋼板藉由局部增加鋼板厚度(step-up)來增加錫膏印刷量,或是局部降低鋼板厚度(step-down)來減少錫膏量。這種STEP-UP鋼板也可以克服一些零件腳位不夠平整(COPOLANARITY)的問題,STEP-DOWN則可以有效控制 FINE PICTH 零件腳短路的問題。

「階梯式鋼板」又分為【STEP-UP (局部加厚)】及【STEP-DOWN (局部打薄)】,這種特殊鋼板藉由局部增加鋼板厚度(step-up)來增加錫膏印刷量,或是局部降低鋼板厚度(step-down)而減少錫膏量。這種 STEP-UP 鋼板也可以克服一些零件腳位不夠平整(COPOLANARITY)的問題,STEP-DOWN 則可以有效控制 FINE PICTH 零件腳短路的問題。Step_up_stencil

階梯式鋼板的缺點:

  • 鋼板的價錢比一般正常的鋼板可能貴上10%~20%左右。
    因為種特殊鋼板必須使用較厚的鋼板,然後利用雷射的方式去除掉需要變薄的部份,所以 STEP-DOWN 應該會比 STEP-UP 來得容易製作,但幾乎沒見過 STEP-DOWN 的板子。
  • 錫膏量增加有所限制。
    這種鋼板的厚度無法局部增加太厚,通常0.1mm的鋼板,最多只能增加到0.15mm,而且大部分都只能增加到0.12mm左右而已。這是因為鋼板厚度比較厚與正常厚度的地方一定會有個斜坡緩衝,如果局部增加厚度太厚,緩衝區必須加長,相對的就會對附近的小零件增加錫量。

詳細內容可以參考:
step-up & step-down stencil 階梯式鋼板局部加厚/打薄

4. 使用預成型錫塊(Pre-forms)

這種「預成型錫塊(solder preforms)」基本上就是把錫膏變成固體並壓製成小塊狀,它可以被設計成各種式樣形狀來符合實際的需求,也可以用來補足因鋼板印刷限制所造成的錫膏量不足,而且這種「預成型錫片」一般都會作成卷帶包裝(tape-and-reel),就跟電阻電容這種小零件一樣,可以利用SMT機器來貼件以節省人力,並避免人員操作的失誤。

這種「預成型錫塊(solder preforms)」基本上就是把錫膏變成固體並壓成小塊,它可以被作成各種式樣形狀來符合實際的需求,可以用來補足因鋼板印刷限制所造成的錫膏量不足,而且這「種預成型錫片」一般也都會作成卷帶包裝(tape and reel),就跟電阻電容這種小零件一樣,可以利用SMT機器來貼件以節省人力,並避免人員操作的失誤。這種「預成型錫塊(solder preforms)」基本上就是把錫膏變成固體並壓成小塊,它可以被作成各種式樣形狀來符合實際的需求,可以用來補足因鋼板印刷限制所造成的錫膏量不足,而且這「種預成型錫片」一般也都會作成卷帶包裝(tape and reel),就跟電阻電容這種小零件一樣,可以利用SMT機器來貼件以節省人力,並避免人員操作的失誤。

預成型錫塊(preforms)的缺點:

  • 這種「預成型錫塊(solder preforms)」一定要打在有錫膏印刷到的地方。
    這樣才能避免PCB振動時移動,並且在錫膏融化時與原來的焊錫融合在一起。
  • 增加成本。
    目前這種「預成型錫塊(solder preforms)」的價錢不便宜,可能比一般沒有阻值的小電阻還要還得貴上許多。以後隨著大量生產,價錢應該會越來越低才對。

詳細內容可以參考:
增加焊錫量的另一選擇 ─ Solder preforms (預成型錫片)


延伸閱讀:
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迴流焊的溫度曲線 Reflow Profile
屏蔽框(Shielding frame)設計與生產注意事項

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訪客留言內容(Comments)

工作熊大大感謝分享, 可是還有一種是SMT 工程師最喜歡用的方法, 就是鋼板貼, 在需要增加錫量的零件鋼板下方周圍貼上黏度超強的鋼板貼增加局部的鋼板厚度, 缺點是SMT 印刷機台的擦拭紙在進行鋼板清潔時也容易把鋼板貼撕起, 最好是搭配SPI 錫膏厚度檢查機, 若該零件錫厚低於或高於規格值, 迅速確認印刷機的鋼板是否異常?請參考

肥喵;
其實不論是貼鋼片或是貼膠帶都是暫時性的方法,所以這裡不提出來討論,個人建議最終的方法都還是需要修改鋼板來解決,否則就像你講的,容易掉出問題,無法持續性的管控錫膏量的印刷品質。

工作熊前輩您好:
先謝謝前輩此篇讓我受益良多,

但是有一點想不通,想請問一下,

上件電路板為了屈就大元件增加上錫量,

雖然大元件較為穩固,但導致SMD元件錫量過多而上浮,

爬了不少廠的規定,有點不懂為何SMD元件上浮某一程度會拒收,

我的認知是畢竟腳位還是有吃到錫。

我想了想是否因為上浮會造成元件不穩定容易掉件或是使用一陣子後,

焊點容易脫落造成通路問題嗎?

不好意思,有這種奇怪的問題。

chifu;
印象中沒有看過SMD浮件這樣的規定,倒是看過傳統插件腳要求浮件或傾斜不可以超出多高,擔心零件腳因為振動或落下時承受不了衝擊而斷裂。
一般SMD零件如果要規定浮件高度,通常是有高度限制,也就是浮件會有干涉的情形,否則很少看到有這樣的要求。


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