給初學者的Q&A:關於SMT鋼板、打件面順序決定、DFM、DFX

Stencil

這是網友詢問SMT製程中關於鋼板(Stencil)、打件面順序如何決定、DFM與DFX的一些問題跟術語的說明,相信這也是許多在電子公司當PM(Project Management)NPI(New Product Introduction)或是採購人員心中的疑惑。

因為有時候跟工程師們開會總會聽到這些專有名詞,可是又不是很清楚人家到底在談些什麼,不用擔心,工作熊現在就借此一角,試著用較淺顯的文字來幫你解說這些工程名詞,如果日後有其他相關的問題也會再更新上 來。







Q1、請問「鋼板 (Stencil)」是什麼?常聽工程師說「開鋼板」是什麼意思?鋼板的用途是什麼?另外鋼板是在SMT製程的哪一個階段會用到?

A1、所謂的鋼板(Stencil)就是一片很薄的鋼片,鋼板的尺寸大小通常是固定的以配合錫膏印刷機,但鋼板的厚度從0.08mm, 0.10mm, 0.12mm, 0.15mm, 0.18mm等視需要都有人使用。鋼板的目的是為了讓錫膏(solder paste)可以印刷於電路板上而設計的,所以鋼板上面會刻有許多的開孔,印刷錫膏的時候,要塗抹錫膏在鋼板的上方,而電路板則會放在鋼板的下方,然後用一支刮刀(通常是刮刀,因為錫膏就類似牙膏狀的黏稠物)刷過放有錫膏的鋼板上面,錫膏受到擠壓就會從鋼板的開孔流下來並黏在電路板的上面,拿開鋼板後就會發現錫膏已經被印刷於電路板上了。簡單的說,鋼板就像在噴漆時,要準備的罩子,而錫膏就相當於漆,罩子上面刻有你想要的圖形,把漆噴在罩子上就會出現想要的圖形。

既然「鋼板」是為了把錫膏印刷於電路板上,所以第一個步驟除了要把電路板放到SMT產線之外,再來就馬上要用到鋼板來印刷錫膏了。

錫膏的目的通常是為了要將零件焊接於電路板上,所以只要電路板上面需要焊接零件的位置有所變動,就必須重開一片新的鋼板。

延伸閱讀:
如何將錫膏印刷於電路板(solder paste printing)
電子製造工廠如何產出一片電路板

Q2、看過您另外一篇文章,請問現在無論是較小(電阻、電容等)與較大(connector等)的電子零件都是走SMT製程了嗎?DIP手插件是完成在泛用型打件機的階段嗎?那大型的CPU與南橋等的晶片又是在哪個階段所完成的呢?

A2.、現在絕大部分的電子零件幾乎都是採用SMT打件完成的了,就算是DIP零件也可以採用PIH(Paste-In-Hole)的方式當SMT打件,通常一條SMT線上會有快速機、慢速泛用機,有些會再加一台異形零件打件機,小零件就用快速機,大型零件如BGA、CPU、連接器一般用慢速泛用機,所以一般的CPU與南橋晶片都會使用泛用機來打件,大部分的SMT都會視實際需要配置多台的打件機,目的是希望每一台打件機都可以得到充分的利用,互相做到生產平衡 (Line Balance)的效率。有興趣做進一步了解的朋友可以參考一下電子製造工廠如何產出一片電路板 這篇文章。

另外,並不是所有的DIP零件都可以當成SMD來打件過回焊爐的,因為有耐溫的需求,還必須符合SMT機器打件的包裝需求,建議可以參考把SMD零件改成通孔錫膏(Paste-In-Hole)製程有何差別及影響? 這篇文章。

Q3、如果電路板需要雙面(side1、side2或A面、B面)打件,是哪一面先打?先打的哪面是如何決定的?取決點是什麼?

A3、這個問題比較複雜一點,一般來說產品在設計之初就應該根據DFM(Design For Manufacturing)設計規範決定好哪些零件擺放在第一面與第二面。只是有時候事與願違,工廠可能沒能提出任何的DFM建議。

好了,先想想當板子的第一面打完零件後,要打第二面零件時,原來在第一面的零件就會被翻過來放到底下,然後第二面打完件後會一起再過一次高溫回焊爐,如果這時候有比較重的零件在底面(第一面),當第二次過回焊爐時就會因為重力及錫膏重新熔融的可能而容易掉落下來。

所以一般放有較重零件的那一面會放在第二面來打件。其次,當有BGA或LGA零件時,因為擔心二次過爐影響掉件及焊錫回流問題,所以會建議放在第二面打件,只過一次回焊爐就好。其他如果有細間腳(fine pitch)零件,因為需要比較精細的對位,一般情況下,如果可以在第一面就先打件,會比放在第二面打件來得好,因為電路板過完一次回焊爐後,板子就容易因溫度的影響而彎曲變形,會造成錫膏印刷偏移,而且錫膏量也比較不容易控制得好。

當然,這些只是原則,常常有例外,就因為雙面製程有些先天上的限制,所以就是選一個對製程影響最小,品質可以得到最佳化的步驟而已。

Q4、那如果兩面都有比較重的零件該如何避免回焊時掉件了?

A4、如果第一面有比較重的零件,可以採用下列的方法來克服過第二次回焊爐時掉件的問題:

  • 點紅膠。(後續說明)
  • 使用過爐治具。使用治具從下面將可能掉落的零件支撐住,這些過爐治具可以重複使用,但是需要人工裝治具、拆治具、運送治具,耗時、費力、額外工時。
    相關文章:
    合成石過爐托盤(Reflow carrier)

Q5、有時候會聽到工程師在討論說因為板子設計的關係零件要額外點「紅膠」增加製程,可是又聽說點「紅膠」是為了要讓板子可以過波焊用的,可是我們的板子又沒有波焊製程?

A5、早期波焊(Wave Soldering)還很流行的時候的確要在電路板的一面(通常是第二面)點上紅膠,然後將SMD零件放置在上面,再經過回焊爐的高溫將紅膠固化以達到黏住零件的目的,最後才會將板子拿去走波焊,因為波焊的錫爐就像是一窪池子般裝滿了液體錫液,當電路板從錫爐的錫池表面滑過時,電子零件其實是整個泡在錫池之中的,這時候紅膠會起到黏住零件的目的,不讓零件掉落到錫池中。

相關文章:何謂SMT「紅膠」製程?什麼時候該用紅膠呢?有何限制呢?

所以重點來了,既然紅膠可以黏住零件使其不至於掉落到波焊錫爐之中,那如果雙面SMT製程的第一面有過重零件時,是否也可以用紅膠將零件黏住,讓已經翻轉到底面的零件不會在第二次過回焊爐時掉落?答案當然是肯定的,所以你聽到工程師們談論的就是要用紅膠黏住這些可能在第二次過回焊爐時可能掉落的零件,因為這樣子會多增加一道製程,增加生產成本並增加出錯的機會,所以會被提出來討論。

Q6、常聽到工程師與工廠的製程工程師談到DFX與DFM,但不是很懂這專有名詞的意思,是否有空可以幫忙解答疑問呢?

A6、DFM 是 Design For Manufacturing的意思;而DFX的X字,代表無限可能,可以是DFT(Design For Test), DFA(Design For Assembly)…當然也包括 DFM。相信在製造工廠內談論DFX與DFM都是指相同的東西,也就是設計上應該要怎麼改善才能更符合工廠生產的品質與效率。


延伸閱讀:

SPI(Solder Paste Inspection)錫膏檢查機可以做什麼?
波焊(Wave soldering)時零件擺放的設計規範
浸金及電鍍金在電路板焊接中所扮演的角色

訪客留言內容(Comments)

熊大您好,最近剛進入品保部門工作,許多知識以及經驗都是拜讀您的文章學習而來,真的很感謝您。
想請教您:
近期因為板子上有兩處固定的二極體容易有歪斜或者浮件的問題,代工廠回覆說是因為 PAD 大於零件導致錫量過多,過回焊爐後多餘的錫跑到零件下方導致歪斜與浮件。
改善作法為重開鋼板,將開孔縮小減少錫量或者修改 PCB PAD Layout。
由於剛到業界,許多嘗試還在累積或學習,煩請您指導。
1. 請問在業界一般會優選選擇 PCB PAD Relayout 還是重開鋼板呢?
2. 廠商所謂重開鋼板的意思真的是“重新”製作一片鋼板嗎?還是修改鋼板上方的開孔?
3. 若不是因為鋼板原因,修改後的鋼板還能回複原樣嗎?
4. 一般代工廠是否會針對重開鋼板收費呢?

有些觀念問題在您的網站或網路上實在找不到明確的訊息,詢問廠商又不太恰當
請您多多擔待。

Learner

Learner,
你的問題在於不了解何謂「鋼板」,建議你親自去看一次「鋼板」長什麼樣,上面的開孔實際上是什麼。
錫膏太多,造成零件浮高後旋轉或移動對於小零件是非常可能發生的,就想把一艘船放在池塘內可以浮起來是類似的,池塘變小或把池塘的水變少,船就浮不起來了。
1. 一般可以更改鋼板解決的問題就不太會去變更PCB,因為PCB有庫存去話的問題,除非還在研發階段。另外,變更PCB一般無法馬上用到SMT上,因為一般PCB的交期大概兩個月。
2. 已經開好的孔,是沒有辦法縮小的,或許有辦法,但一定比重開一片鋼板貴。就像一張紙已經剪了一個洞,想要完全無損的把孔縮小補起來是不可能的,或者應該說花費的精力時間,比重新拿一張只剪一個比較小的洞。
3. 同問題2。
4. 這個要看貴公司跟對方的合約如何簽,另外,要看這個問題是代工廠的問題還是自己的問題。

感謝大大的教導

想詢問一下
鋼板已經開好
重新洗版時若版邊距離不一樣 會引響刷錫膏嗎?

Wayne,
如果板邊距離不是很大,一般是不會影響的,會影響的應該是定位點,如果定位點跑了,可能就會出問題,但如果板子內的定位點足夠,應該還是可以的。


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4. 工作熊並非某一方面的專家,所以回答的內容或許會有不正確的地方,服用前還請三思。如果您想詢問關於電路板方面的工程問題,前先參考這篇文章【詢問工程問題,請提供足夠的資訊以利有效回答】 把自己的問題想清楚了再來詢問,並且請提供足夠的資訊,這樣才能有效回答問題。
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