5種電路板佈線(PCB layout)設計前必須先考慮清楚的組裝焊接生產工藝

一般我們在做電路板佈線(PCB layout)設計時一定都會遇到下列幾個問題,這片PCB該用幾層板?單層板?雙層板?或多層板?ESD/EMI該如何防護?電路板的組裝焊接製程會是單面板或雙面板?電子零件該選用全通孔插件?還是全SMD貼片?或是貼片+插件混合?本文重點放在電路板的焊接生產工藝。

(工作熊不是RD,也不EE,所以文章中就不要期待可以看到太多如何解決ESD/EMI的設計與解決建議了,就工作熊的了解,ESD就是路徑問題,就像洪水,那裏可以有較近距離且良好的導體,電流就會往該處走,即使經由空氣也可能跳過去,而EMI就是輻射…這些真的不是我的強項)







1. 要用到幾層PCB板?單層板?雙層板?或多層板?

這裡的層數指的是PCB的線路層數,PCB的走線基本上可以將之比喻成我們人類住的大樓層數來說明,層數越多,代表同樣表面積可以承載越多的線路或住戶,然後在層與層之間用導通孔(via)或樓梯來作為連結。

PCB的層數越多通常表示可以用越小的PCB尺寸設計出越多的功能,但是製作成本相對的也就越貴,理由同大樓建造。

一般來說越高級的板子所用到的PCB層數也會越多,而且最少會有一層當作接地,一層當作電源電壓。

2. 單面板或雙面板?單面焊接或是雙面焊接?

這個關係到組裝電路板的生產成本,如果可以的話,要盡量地將所有的零件只放在板子的單面(同一面),這樣會大大地降低生產的製程,你要知道,即使在板子的另一面只有1顆零件,一般還是要開一條產線來做焊接,如果可以把這顆零件合併移到與其他零件同一面,就可以少掉一條產線的費用。

3. 電路板組裝製程考慮?全直插?全貼片?直插+貼片?

如果可以做全通孔直插(波焊製程)或全貼片(SMT製程)最好,這樣就不需要額外地多開一條不一樣的產線,SMT與波焊分屬於不同的焊接製程,而現在的EMS廠其實已經越來越少使用波焊爐了,如果可以不用波焊爐製程就盡量避免,因為開一條波焊爐光是加熱將整個錫爐池加熱到融錫溫度的電費就夠嚇人。

4. SMT工廠是否支援紅膠波焊製程?

紅膠製程不是每家EMS廠都有的,設計前建議先問清楚,免得設計出來後無法生產。

其次,波焊與回焊製程針對同一顆電子零件的焊墊距離與大小設計會有不同的要求,建議先詢問SMT工廠,取得相關的DFM要求。

相關文章閱讀:
何謂SMT(Surface Mount Technology)表面貼焊(裝)技術?
何謂SMT「紅膠」製程?什麼時候該用紅膠呢?有何限制呢?

5. EMS或SMT代工廠是如何計算PCBA(電路組裝板)代工費用的呢?

一般來說EMS(Electronics Manufacturing Service)或SMT代工廠大多是以工時(labor hours)來計算代工費用的,少數以BOM表的材料費用一定百分比來計算代工費,而且所有需要用到的治工具費用也會算你的。

如果組裝板會同時用到SMT及波焊製程, 一般來說SMT的單位工時費用會比波焊來得貴,因為SMT的設備比較貴,而且作業員的素質要求比較高,所以相對的薪資也會比較好。

原則上,你如果可以減少製程,那麼你就可以節省生產的成本,因為一條生產線不論你只用了它的1/10或1/2,開線後整條產線的基本費用就固定在那裡,不會因為你少用而減少費用。

下面我們就來看看目前業界的5種主要的電路板組裝製程方案吧!

電路板組裝大致可以分成下列幾種主流製程:全直插?全貼片?直插+貼片?

電路板焊接製程方案一、單面板全直插件波焊製程

製程:單面插件 –> 波峰焊(wave soldering)

路板焊接製程方案一、單面板全直插件波焊製程

一般為單面板使用,全部的電子零件都為通孔的插件(insert parts or through hole parts)包括電阻、電容與電感,人工插件將零件插入單一面的板子後流經「波峰焊(Wave Soldering)」將零件焊接於電路板上,這種板子的特色就是零件全部在電路板的同一面上,因此只要過一次波焊就可以將零件焊接完畢。

早期在還沒有SMD零件時,電路板組裝幾乎都是採用這類製程。缺點是需要較大的電路板空間,而且隨著技術演進,許多零件都已經轉成SMD而沒有插件的型號,所以現在已經很少看到這類板子的製程了。

現在偶爾還是可以看到某些便宜的電源器/變壓器或滑鼠板依然使用這種製程,原因是零件便宜,或是因為需要用到耐大電流或是電壓的零件,如果選用SMD型號會貴上很多,而且大部分板子還是使用低價的紙質電路板。也有一些比較特殊的板子需要用耐大電流或是電壓的零件,這類零件可能還找不到SMD型號零件可以取代。

相關文章閱讀:何謂「波峰焊(wave soldering)」?波焊製程技術介紹

電路板焊接製程方案二:單面板貼片SMT+插件波焊製程

製程:單面印錫膏打SMD零件 –> 回焊爐(reflow) –> 單面插件 –> 波焊爐(wave soldering)

一般為單面板使用,在電路板的同一面同時放置有SMD貼片與通孔插件,製程上要將板子先經過SMT線印刷錫膏,將SMD零件打在板子上,經回焊將SMD零件焊接於板子上,然後還要來到插件站,人工或自動插件機將插件插入板子上,然後經過波峰焊將插件焊接於板子上。

因應板子尺寸越來越小,而且SMD零件越來越普及與便宜,所以現在大部份的消費性電路板組裝製程幾乎都已經朝向「SMD+插件」發展。也就是現在的組裝電路板上大部份的電子零件都使用SMD封裝,而少部份無法使用SMD取代的零件,或是基於價格因素考量而使用通孔插件。

所以,這類板子也是目前最經濟的電路板組裝製程。

電路板焊接製程方案三:雙面板雙面貼片SMT+點紅膠+插件波焊製程

製程:第一面印錫膏打SMD零件 –> 第一次回焊爐(1st reflow) –> 第二面點紅膠打SMD零件 –>第二次回焊爐(爐溫依據紅膠要求調整) –>第一面插件 –> 波焊爐(Wave Soldering)

這是較早期組裝雙面板焊接的製程工藝,早期電子零件還在從通孔插件過度到SMD零件封裝的階段,一片電路板上至少還會有10顆以上的傳統通孔插件或者更多,而且當時的電阻、電容、電感等小零件(small chip)還在0603尺寸以上,有的甚至還在使用1206。

於是就有了在板子的第二面點紅膠固定SMD零件,然後插件後走波峰焊製程出現,因為方案一及二都只能將電子零件佈置在單面板上使用,如果可以連板子的第二面都可以利用擺放零件,就可以大大的增加板子的利用率並縮小板材,可是如果一樣將板子第二面印錫膏焊接後再拿去過波焊,因為板子上還是有很多插件,第二面已經固化的錫膏在流經波焊錫爐時會被融化,第二面的電子零件就會掉落的錫池當中,於是發展出了紅膠製程,紅膠一般為不可逆的環氧樹脂材質,可以黏住SMD零件,就算在流經波焊爐時也不會重新融化。

使用限制:

電路板焊接製程方案四:雙面板雙面貼片SMT+插件選擇性波焊製程

製程:第一面印錫膏打SMD零件 –> 第一次回焊爐(1st reflow) –> 第二面印錫膏打SMD零件 –> 第二次回焊爐(2nd reflow) –> 插件 –> 選擇性波焊爐(Selective wave soldering)或使用擋板過波焊錫爐載具(carrier wave soldering)

隨著時代的演進,這種雙面SMT貼片製程可以算是目前最普片的設計了,因為絕大部分的電子零件都已經可以找到SMD的封裝型號了,只剩下少數幾顆需要承受外力插拔的IO聯接器基於功能與信賴性的考量,不得不採用通孔插件來確保其焊接不會被粗魯的客人給插壞掉。

這種電路板組裝製程已經捨棄了「紅膠」製程,少數仍然需要用波焊製程來焊接的零件,可以考慮使用波焊的遮罩載具/托盤來覆蓋住已經在SMT焊接完成的零件,然後僅露出需要波焊焊接的零件腳位置即可。

相關文章閱讀:
選擇性波焊的製程使用條件(selective wave soldering)

選擇性波焊錫爐(Selective Wave Soldering Machine)】的優缺點

另外,也可以可慮引進這幾年比較流行的選擇性波焊爐設備,它利用小錫爐及噴嘴,採用電腦行程自動控制從底部來焊接通孔零件。

相關文章閱讀:
選擇性波焊錫爐(Selective Wave Soldering Machine)】的優缺點

但是,以上兩種通孔插件的焊接製程都有避讓空間(keepout area)的需求,設計時需要查閱DFM需求。

除了以上兩種波焊及類波焊製程外,因為通孔插件數量不多,所以有人會採用一些更便宜的製程:

1. 手焊:個人真心不建議手焊,因為品質難以管控,在接地腳位常見假焊、空焊發生,細間腳的零件更是考驗技術與眼力,需要高技能工,而且人工長期焊接,對烙鐵手的健康也不好。

2. 機器手臂或是自動焊接設備:自動焊接可以很便宜,也可以很豪華,這類設備一般還是使用烙鐵與錫絲,只是讓機器來取代人工焊接,利用簡單的XYZ三軸以上table就可以達成,只是精密度及參數需要較常的時間調試。

其實,還有一種通孔回流焊(PIH, Paste-in_Hole)製程,它雖然也有通孔插件,但是提昇材料的耐熱等級後,可以將通孔插件當成SMD零件做貼片並過回焊爐後直接焊接,省去了後續插件焊接的製程。不過PIH的要求也很多,詳細可以參考《如何讓通孔元件/傳統插件走回焊爐製程(Paste-in-Hole, PIH)》一文。

電路板焊接製程方案五:雙面板全雙面貼片SMT

製程:第一面印錫膏打SMD零件 –> 第一次回焊爐(1st reflow) –> 第二面印錫膏打SMD零件 –> 第二次回焊爐(2nd reflow)

目前智慧型手機及部份消費性電子產品幾乎都採用此種製程,這是因為現今的智慧型手機幾乎只剩下一顆Type-C或是Lighting的IO聯接器,頂多再加一顆耳機孔,而且智慧手機屬於個人用品,一般客戶會愛惜使用,不會粗暴的插拔,所以完全可以使用SMD的聯接器型號,只要在設計上做一些止擋及防掀的機構就可以確保保固期間或是壽命期間不會有聯接器掉落問題。


延伸閱讀:
PCB電路板為何要有測試點?
PCB名詞解釋:通孔、盲孔、埋孔
電路板上為何要有孔洞?何謂PTH/NPTH/vias(導通孔)
[影片]電路板生產線製程簡介(PCB Production Process)

 
 
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