二次回焊時避免第一面零件掉落的解決方法

PIH_Components

隨著手機技術的快速發展,大陸地區EMS(電子組裝廠)不時傳出嚴重的缺工問題,其次是工業4.0讓EMS廠追求自動化的需求日益高漲,所以現在很多原本還不一定可以過SMT製程的零件也都被要求零件要符合走PIH(Paste-In-Hole)的製程,比如說 Type A 的USB連接器、網線(Ethernet)的連接器、電源插座、變壓器…等比較笨重的零件,以前這種零件大多是SMT製程後才後復(touch-up)手焊上去的。

因為人工的短缺,也為了節省後續的製程費用,另一方面是品質上的考量,現在很多系統廠及EMS商都陸續開始要求那些還不能改成SMD製程的零件,至少要可以先符合PIH的製程要求,讓電路板上的所有電子零件只要走完SMT製程,就可以完成電路板的所有的焊接製程。







不過把零件改成SMD或是PIH製程可是有其要求的,麻煩先參考這篇文章【把SMD零件改成通孔錫膏(Paste-In-Hole)製程有何差別及影響?】以了解其材料要求。

另外,把所有電子零件全部改成SMT製程會碰到一個新的問題,就是電路板第二面過回焊爐時,原來第一面已經吃錫的零件,如果有比較重的零件會有掉落的問題,這個其實大部分的公司都會在其造設計規範(DFx)上頭定義較重零件必須設計在同一面的電路板上,可是隨著科技的演化,以及上面提到的種種需求,RD似乎也越來越無法遵守這條規則了。

如果你還不知道什麼是電路板的第一面與第二面,請先參考【介紹PCBA雙面回焊製程(SMT)及注意事項】及【給初學者的Q&A:關於SMT鋼板、打件面順序決定、DFM、DFX】這兩篇文章。

那工廠製程上有沒有什麼方法可以避免第二面過爐時,第一面的重零件掉落呢?

工作熊目前知道的幾個方法相信大部分的SMT工程師都已經在執行了,這裡只是提出來給一些還未遇到的朋友們參考:

方法一、在零件的底下或是旁邊點紅膠

相關閱讀:何謂SMT「紅膠」製程?什麼時候該用紅膠呢?有何限制呢?

其實早期的SMT線,點膠機是必備的設備,因為點過膠的SMD零件可以拿去過波峰焊(wave soldering),不過現在大部分的SMT線幾乎都沒有這個設備了。如果沒有點膠機(dispenser),就必須使用人工手動來點膠,個人不太建議人工啦,因為人工作業除了耗費人力及工時外,品質也較難管控,因為一不小心就會碰到其他已經貼片好的零件, 如果有機器點膠機品質當然比較好管控。

點紅膠的目的是要將零件黏著在電路板上,所以紅膠一定要點在電路板上面,並且沾黏住零件,然後過回焊爐,利用回焊爐的高溫將紅膠固化,這種紅膠屬於不可逆膠,無法再經由加熱軟化。

如果紅膠要點在零件的下方,點膠作業必須在電路板印完錫膏後馬上點上去,然後再將比較重的零件覆蓋在其上面。要注意的是,紅膠點在零件下方會有撐起零件的風險,所以一般都是比較重且大的零件才會這樣作業。

另一種點膠作業會點在零件的側邊,這個必須等錫膏印刷完畢及零件放到固定位置以後才能作業,如果不小心會有碰掉零件的風險,所以一般會使用於PIH的零件。

如果使用機器點膠於側邊的話,必須精準控制膠量及點膠位置,將膠點於零件的邊緣,然後用貼片機的吸嘴輕壓零件至固定深度,以確保零件沒有浮高的風險。

現在因為機器人的進步,很多早期點膠不易控制的項目都可以有解決方案,工作熊就看過使用簡單的機器手臂來架在SMT流線上做點膠的解決方案,費用也不會很貴,提供有需要做點膠製程的朋友,當然,這個只適合少量的點膠作業。

方法二、使用過爐載具/托盤(carrier)

過爐載具可以設計成肋條剛好支撐住較重的零件位置,這樣比較重的零件在過二次回流焊時就不易掉落。但是過爐載具的費用不便宜,而且載具全部數量排起來要大於回焊爐 (reflow oven)的長度,也就是要計算回焊爐內同時有多少片板子行走其間,還要加上緩衝(buffer)及備品,全部加起來沒有三十個也有二十個,可能還要更多,所費不眥。

另外,過爐載具因為需要承受多次重複經過迴流焊的高溫,所以一般會採用金屬材質或特殊耐高溫的塑料製成。還有一點需要特別提醒,使用Carrier會需要多一個人工成本,把板子放到Carrier上面要人工,載具回收重複使用也要人工。

其次,使用載具可能會有造成融錫狀況變差的風險,因為這個過爐載具通常都是金屬材質,面積大容易吸熱,會造成溫度上升不易的風險,所以調爐溫的時候一定要連過爐載具一起量測,還有載具應該盡量把沒有用到的肉偷掉,只要確保載具足夠支撐不變形為原則就可以了。

方法三、調整回焊爐的上、下爐溫差

回焊爐通常都可以控制上、下爐溫,早期電子零件都還在1206大小的年代,我們在調整回焊爐時通常會將下爐溫條得比上爐溫少個5~10°C ,目的就是希望第二面回焊時,第一面已經焊接好的零件不要因為重新融錫而掉落,但現在大部分的SMT工程師都已經不這樣調爐溫了,因為零件都很小,沒有掉落的風險。

隨著上述的要求而來在第一面的大零件過第二面回焊時掉落是一定的,只是如果是連接器這麼大又重的零件,就算調整上下爐溫差,依然是無法達到零件不掉落的要求的。

所以調整回焊爐的上、下溫差只對小零件有用,也就是發現有些零件會掉落,有些零件不會掉落的時候有效,如果全部掉件,這個方法就無效了。

請注意,如果上下爐溫差過大會容易引起板彎的結果。

方法四、採用高、低錫膏混搭的方式

工作熊其實不太推薦這個方法,因為低溫錫膏的焊錫強度不佳,使用前請經過嚴格的信賴度評估。而且,工廠內有不同溫度的錫膏,擔心會有用錯錫膏的風險。

方法就是第一面Reflow的時候印刷高溫錫膏,第二面Reflow時印刷低溫錫膏,這樣就不用擔心第一面的零件過二次Reflow掉件了。

比如說板子的第一面印刷SAC305錫膏,熔點為217°C,Reflow的峰值最高為250°C。然後在第二面錫膏Sn42Bi58低溫錫膏,熔點為138°C,Reflow的峰值最高建議不超過220°C(建議控制在200°C以下),這樣已經打好的第一面使用SAC305的錫點完全不會有重新融錫的機會

相關閱讀:焊接採用無鉛低溫錫膏SnBi, SnBiAg的目的?

方法五、回去用後復焊接吧(機器焊接、人工焊接)

計算一下後復焊接的成本與零件掉落所需要花費的成本,比較一下那個划算,有時候在時機還未成熟時一味的追求自動化,不見得可以節省成本,還是得多比較,算計算計是否划算。

後復焊接除了使用人工焊接外,也可以考慮機器人焊接,人工焊接的品質畢竟比較有疑慮。


延伸閱讀:
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