SPI管控的參數是怎麼訂出來的呢?錫膏厚度上下限如何定義?

(本文先不探討SPI設備本身量測的精準度問題,純粹只是就品質觀點來討論SPI的管控參數,這個議題沒有標準答案,歡迎留言討論提出你的看法)

工作熊發現有很多SMT工程師都不太清楚SPI的管控參數是如何定義出來的,尤其是針對錫膏厚度的中心值與上、下界限的公差是如何決定的更是莫栽央。

而大部分SMT工程師則會直接採用SPI廠商給的建議,有些比較有良心的廠商可能會建議以鋼板的厚度為中心值,然後下界限抓80%、上界限抓160%,有的甚至會直接建議【60%~200%】的公差值,這麼一來你可能會驚訝的發現怎麼SPI幾乎都不會報警且流程變得順暢無比,在這種條件下SPI大概只會抓出那些有嚴重堵塞或是拉尖特別嚴重的錫膏印刷缺失,這真的是你要的嗎?

你有想過設置SPI的真正目的是什麼?SPI可是我們花了大錢買來的,SPI真的就只能用來抓出這些重大缺失而已嗎?對於那些比較細小的零件(如0201以下零件)或是對錫膏量比較敏感的零件(如BGA)如果遵循同樣的公差標準真的不會出現焊錫問題嗎?

應該要以回焊後的焊錫品質來判斷錫膏量印刷是否恰當

想要釐清這個問題前,我們要來先來做幾個問答:

Q1:設置SPI的真正目的是什麼?
A1:應該是為了要提前檢查篩選出有否錫膏印刷不良的缺失。

Q2:那什麼叫做錫膏印刷不良?
A2:就是錫膏量印刷太多或太少。

Q3:那錫膏量印刷太多或太少會造成什麼問題?
A3:錫膏印多了會造成焊錫短路,錫膏印少了則會造成空焊。

所以最終我們應該要以回焊後的焊錫品質有否造成短路及空焊來評估該錫膏量是否恰當。

不同焊點對錫膏量精準度要求不一樣

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這麼一來又會牽扯到另一個問題:「不同焊墊大小對錫膏量精準度的要求應該不一樣?」,比如說印刷在0201的錫膏量精準度要求應該會比0805的精準度來得高吧!也就是說越細小零件焊點的錫膏量公差應該要越小,這麼一來同一片板子上的不同焊點不就會有不同的公差需求?確實也是如此,真是傷腦筋。

不過,如果你想使用一個公差來管控同一片板子上的所有焊點也不是不可以,你只要選擇板子上對錫膏印刷量公差要求最嚴格的焊點來當成整片板子的公差來管控就可以了,而實際的作法應該也是如此,只要在碰到某個焊點一直報警時再檢查一下是否為比較大的焊點,是否可以放寬個別焊點公差來做調整就可以了,這樣也可以解決誤報率或漏放印刷不良的問題。

利用SPC與印刷機的製程能力來定義錫膏厚度的上、下界限

除了上述的試誤法之外,工作熊這裡會建議你採用SPC統計手法並依據錫膏印刷機的製程能力來定義錫膏厚度管控的上、下界限標準。

我們可以選定1~5個可以代表該片板子的焊點並透過SPC的手法來收集計算錫膏平均厚度的標準差(σ,sigma),這些焊點最好要包含板子上對錫膏量精準度要求較嚴格的FBGA (Fine-Pitch BGA)或是有細間距焊腳的零件,以及對錫膏量精準度要求比較鬆的大焊點。

規格中心值:

建議一樣取鋼板厚度來當做錫膏印刷的中心值。鋼板厚度是我們可以自己定義且管控的材料參數,而鋼板厚度其實也是我們在做錫膏印刷厚度所追求的目標值。

規格上、下界限:

一般應該要用+/-3σ來作為規格的上、下界限,然後逐步排除製程中的變異因素,但實際操作下來,會發現實際印刷出來的錫膏一般都會比鋼板的厚度要來得厚,原因是PCB上面會印有「防焊綠漆(solder mask)」與「絲印白漆(silkscreen)」會墊高鋼板,另外刮刀的壓力、速度與角度也會影響的錫膏量,還有一個很多人可能都忽略掉卻很嚴重的變異-板彎變形。所以…

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當我們使用標準差(σ)定義出了錫膏厚度的規格上、下界限後,要再回去做確認與比對,當錫膏厚度剛好落在規格的上界限與下界限時,回焊後的焊錫品質必須仍然符合品質要求,然後要試著運用PDCA循環來提高Cpk。

下列有幾個方法提供給想改善錫膏印刷Cpk的朋友參考:

要想辦法讓錫膏厚度的中心值趨近鋼板厚度。當Cpk大於1.5後,建議要重新計算標準差(σ)縮小原來規格的上、下限,如此循環持續品質改善。

後記:

SPI除了可以管控錫膏印刷的厚度及錫量外,還可以管控印刷的偏移量,但是錫膏印刷的偏移量其實也受很多因素影響,除了鋼板及印刷機的精準度之外,最大的因素就是拼板及板材熱脹縮所造成的偏移量了,板材的品質可是一分錢一分貨的。

相關閱讀:決定PCB的連板拼板數量時應該考慮的幾個因素


延伸閱讀:
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訪客留言內容(Comments)

文中讲的方法是个不错的方式。
我这里有另一种方法也可以参考一下。每种元器件回流焊后焊接状况都有一个判定标准,根据IPC-A-610的要求,我们可以把第八章中可接受标准作为参考,分别计算元器件达到目标值、可接受3级,2级,1级以及缺陷的理论锡量,可以用这个理论锡量作为该种类元器件印刷锡量标准。
如果产品是3级产品,那么目标值作为中心线,2级作为下限,这里需要注意如何定义上限的问题,目前我是困扰在定义上限这里。。

Cliff,
不管是錫量或是錫厚都是由鋼板來決定的,錫膏印刷作業中唯一需要追求的是如何讓變異(deviation)降低。
在開鋼板前就應該先計算好每個焊點需要的錫膏量與錫厚。
文章中提到的方法是在你已經決定鋼板後的錫膏公差控制方法。


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