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《Youtube》這種波焊短路該如何處理？只能這樣了嗎？
我們今天來討論一個現在已經比較少人會用到的波焊製程的短路問題。早期的電路板組裝產線，波焊製程可是主力啊，當時的電子零件也都是通孔零件，而SMT製程則是後來才發展起來的。如果單純的以PCBA焊接品質製程控制來說，波焊可比SMT難控制得多了，這也是為何當初華碩在早期代工電腦主機板及顯示卡時，要請來高學歷的博士坐鎮，然後用實驗計畫手法，來管理並優化波焊的製程了。
背景說明：
廢話不多說，我們就先來針對今天的主題做個背景說明好了。這也是一位苦主在SMT論壇上貼出的求助的帖子，苦主貼出了一張波焊後PCBA的焊接照片，照片上顯示板子有使用波焊過爐載具，載具上在幾個需要焊接的位置開孔露出通孔零件的焊腳，從焊腳的排列上觀察，大部分需要波焊的零件應該都是排PIN的連接器，而檢查焊錫的結果，發現至少有三處明顯的短路缺點，有一處是四支焊腳短路，另外兩處則是兩支焊腳短路，以及焊腳與旁邊焊點短路。
苦主問說：「這種波焊短路難道就只能這樣接受了嗎？有沒有什麼好的方法可以調整呢？」
工作熊真的看多這種只丟一句話或一張圖就希望別人可以幫忙提供解方(求帶飛)的提問者了。就算是柯南或福爾摩斯來了，也得自己先找線索，否則巧婦也難為無米之炊，然後還會問問你板子的過爐方向為何？波焊開幾個波？更甚者，可能還會問你有沒有量測波焊的錫池溫度及板子的溫度曲線？錫池內的金屬成分有沒有分析？含銅量是否超標？通孔零件有沒有剪腳？焊腳是否有氧化？你自己又做過何種原因分析？因為會造成這類波焊短路的原因實在是太多了。
在這邊，工作熊要先插播一下，如果你還不是很了解什麼是波焊(Wave Soldering)，建議你先到工作熊的部落格，看一下這幾篇文章，否則後面可能會跟鴨子聽雷一樣：
我們回來看看網友們是如何給予苦主意見的吧！
第1位網友問苦主：你的進板方向是怎樣的？
苦主回覆說，進板方向沒得改了，治具做的是轉180度的，反個方向還會是出現一樣的結果，治具也不是我們自己做的。
工作熊怎麼覺得苦主這話聽起來有點酸溜溜地，不過，苦主說”治具做的是轉180度的”，這話聽起來怪怪的，苦主想說的應該是”治具設計的過爐方向與零件排列不一致”吧，也就是”治具的過爐方向與零件排列轉了90度”。
我個人猜想，這過爐治具應該是客戶從別的代工廠給轉過來的，所以~沒得改。不是，這治具如果無法改，那不就可以跟客戶多要些重工修復的工錢咩，代工廠一般都是算工時計價的，羊毛當然出在羊身上，如果不幸是以BOM cost來計價，那短期就想辦法改善，從別得地方省錢，長期把它當案例拿出來與客戶做DFx反饋討論，並讓客戶知道，這樣的設計不僅會增加工時，還會影響焊接的品質，看客戶是要增加代工費用或是花一次性的NRE(Non-Recurring Engineering，一次性工程費用)改治具或重作治具的費用。當然，這需要一些商業談判的技巧，不在我們今天的討論範圍。
後面，陸續也有其他的網友都建議，這過爐治具建議要轉90度，讓進板的方向可以更有利於雙排針的拖錫，降低短路的不良。
說到了這裡，工作熊想考考大家，從苦主提供的照片，大家可以判斷出來這板子進入波焊爐的方向是怎樣子的嗎？
好了，現在工作熊來說說自己認為可能的進板方向吧！波焊的進板方向非常重要，因為波焊的板子就類似舢舨，會從錫面上滑過，在引腳焊點脫離錫池的錫面時，會有個錫液反彈的動作，這就類似你拉扯一塊乳酪，會發生拉絲，而拉絲斷開的瞬間，會發生反彈，是一樣的道理，視錫液反彈的力道，錫液反彈後可能會與前一焊點連接在一起，並形成短路。
如果是排針的焊點，也就是多個焊點連成一條直線的焊點，板子在錫池的前進方向如果是與排針方向平行，也就是順著直線焊點前進，那錫液的反彈幾乎都會被後面一個焊點給吸收掉，直到最後一個焊點，錫液才會反彈與倒數第2個焊點短路，這也是為何波焊的短路總出現在前進方向的最後兩根引腳的位置。
如果板子在錫池的前進方向與排針垂直，那後果就是會發生嚴重的短路，因為這時的排針就會類似河道上的攔汙柵(trash rack)，只要錫液表面稍有雜質，就會橫梗在兩根引腳之間並形成短路。很不幸的，由於錫池的溫度永遠處於高溫狀態，而且也一直與空氣接觸，也就是說錫液上會一直有IMC形成及氧化物出現，並漂浮在錫液的表面上。這些東西對錫液來說都是容易造成短路的雜質。
現在，我們回來看看這苦主的照片，大家應該可以發現這個雙排針的連接器在中間的位置有四根引腳短路在了一起，而連接器最末尾的地方也有兩根引腳發生左右短路的現象。所以，我們可以由此推論板子在波焊爐內的行進方向應該是照片的左右方向，至於是右進還是左進，我們可以再來觀察剛剛連接器最後兩根引腳短路的狀況，可以發現左邊焊點上的錫比右邊的要來的飽滿很多，所以左側的焊點應該是錫液反彈的起點，而右側焊點則是被短路的倒數第2個焊點。
另外，也可以觀察一下治具開孔的設計，原則上開孔最先接觸錫液的那一端斜面會做得比較平緩，一般我們會要求其與垂直面的夾角最好要大於45度，這是為了避免陰影效應(shadow effect)產生，造成空焊的問題，而較晚脫離錫池那端的斜面最好也要大於45度角，讓錫液可以平緩的流動，如果達不到，則可以適當縮小斜面的角度，因為出錫端比較不會形成陰影效應。
所以，整體判斷下來，板子應該是從照片的右邊開始進入波焊爐。
知道了進板的方向後，我們就可以稍微來看一下其問題點，大家應該會驚訝地發現，怎麼板子上大多屬排針連接器的方向，都與板子行進的方向垂直，這不是妥妥地給自己挖坑嗎？還是說這是前一家代工廠的陽謀，就是要你生產發生短路。
我們如果仔細檢視這片過爐治具的設計，會發現問題還蠻多的，這個我們等後面看過其他網友及苦主的回覆後再來加以說明好了。
另外有一位網友則提出來，可以加鈦合金隔片來防止短路。
苦主則回覆說，加了鈦合金也沒有效果，苦主說他有用過，沒什麼效果，現在只能維修處理了，或許間距改大一點就可以改善。
工作熊其實不太明白，為何說加了鈦合金也沒有效果，所謂加鈦合金，其實是在治具上增加鈦合金隔離片，並安置在相鄰焊墊之間，以隔開可能橫跨焊墊間的焊錫短路，因為鈦合金本身不會沾錫，所以可以有效隔離焊錫，但是鈦合金加工不便宜，隔離片最好也得有一定的高度，才能有效隔離焊錫，使用得當，效果其實是不錯。就是不知道苦主是如何驗證鈦合金隔離片無效的。
除開鈦合金外，當然也有其他的網友提出可以在治具上加裝拖錫片。
所謂的拖錫片，其實也叫做偷錫片，小偷的偷，因為偷錫片的英文叫做”solder thief tool”，我們前面說過排針引腳會在最後出錫的引腳反彈焊錫並與倒數第2根引腳短路，那我們就在最後一根引腳的後面再多設計一個類似引腳的dummy焊墊，來吸收最後的反彈錫液，不就可以避開短路，當然這多出來的焊墊必須是沒有訊號的，或是與最後一個焊墊相連的訊號，因為我們就是要讓最後一根引腳與這多出來焊墊短路。一般我們將這個多出來的dummy焊墊直接設計在PCB上，稱之為偷錫焊墊或拖錫焊墊(solder thief pad)。
那如果無法將偷錫焊墊設計在PCB上，也可以在過爐波焊治具上加裝偷錫片，以達到相同的效果，但是製作偷錫片必須符合下列的幾個要求：
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偷錫片的材質必須要可以吃錫。可以使用電鍍處理讓原本無法吃錫的材質變得可以吃錫。
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材質必須考慮可以多次重複使用。因要載具本身就是要可以重複多次使用才能省錢，所以偷錫片也得符合多次重複使用的要求。可以考慮使用鋼材，然後先鍍鎳再鍍錫，主要考慮是必須使其可以重複吃錫，銅片太軟了，多次重複使用後會變形，而且無鉛波焊會咬銅。
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厚度也要注意。太薄容易變形，太厚會阻擋焊錫流動，0.5～1.0mm左右的厚度應該差不多。
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必須要可以固定於過波焊爐的載具上，不可移動。
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要考慮更換問題。偷錫片使用久了，難免會有撞傷損耗的情形，一般建議使用螺絲來固定，可以方便更換，螺絲當然得選擇不吃錫材質。
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偷錫片不可以有銳角及鋒利處。因為偷錫片會接觸到PCB，銳角及鋒利處則有機會劃傷PC板。
目前業界有很多人使用「馬口鐵」來當作偷錫焊片，效果還不錯。其實，網路上也有許多網友都會分享他們的偷錫焊墊設計與例子，只能說花樣五花八門，就連QFP這類四邊都有腳的IC，也都有人大膽的設計走波焊加偷錫焊墊。
可惜苦主並沒有對這個建議有任何的反應與回覆。
其他還有網友提議：
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可以在PCB的排針焊墊周圍加防焊漆。
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排針焊點周圍被載具遮罩的零件可否改為紅膠製程。
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波焊載具是否可以再打薄，並增加拖錫片。
而苦主則只回應了一句話：「也就是說調整波焊參數讓它不連錫是很難行得通，是嗎？」
呵！苦主這也不能改，那也不能動，這PCB與治具的設計其實就是先天不足後天失調了，只好勤勞補拙，也就是波焊後靠烙鐵來補救了。
其實，這位網友提供的意見也蠻有建設性的，不過可能有些人看不懂，工作熊就稍微來解釋一下。
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在PCB的排針焊墊周圍加防焊漆。 這說的是可以用防焊漆把排針焊墊上的annual ring覆蓋掉一些，來縮小焊墊吃錫的面積，這樣就可以增加排針的焊墊到焊墊邊緣間的距離，也就是增加阻錫區，增加焊錫橫跨在兩個焊墊間的難度。這種方法，其實只能針對發生在焊墊上的短路，如果短路是發生在突出PCB表面的引腳上，就沒有用了。而且，這種改善必須透過PCB板廠來執行，也就是要做PCB的設計小變更。
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排針焊點周圍被載具遮罩的零件可否改為紅膠製程。這位網友應該是看到苦主治具的開孔有許多不太合理的地方，有好幾個焊點幾乎都貼在了開孔的邊緣，比如說這幾個地方，這樣其實非常不利焊接品質的管控，容易造成空焊，因為開孔的邊緣容易出現擾流及陰影效應，如果可以將那些被治具遮罩的零件改為紅膠製程，就可以移除掉這些遮罩的區域，讓錫液更順暢流動。 不過，苦主的問題是短路，而不是空焊。而且紅膠製程也不是那麼容易控制的，可別到時候改了之後，反而得不償失。所以，我個人對這個建議是持保留態度的。工作熊反而看到有另一位網友的提議比較有創意，而且可能有效，這位網友提議可以將紅膠點在容易發生短路的兩個焊墊之間，這樣可以起到隔離的效果，降低短路。
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波焊載具是否可以再打薄，並增加拖錫片。工作熊個人是同意這個建議的，但檢視苦主的過爐治具，應該沒有多大的空間可以打薄了。至於增加拖錫片，前面已經有做過說明，這裡就不再贅述。
另外，也有網友提問，每片板子都是這個位置短路嗎？
苦主回覆說，每片板子都有這樣的短路。
由於，苦主並未提供空板的照片，否則我們也可以檢視苦主板子的layout，是否有什麼DFM上的缺陷，然後加以改善。因為苦主說，每片板子都有短路，如果短路都是在固定位置，就可以針對短路的焊墊做些改善動作，比如可以縮小該處焊墊的防焊開窗或是在治具上增加阻錫裝置。
最後，來說說工作熊自己對這個案例的一些看法：
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確認波焊爐是否有開”波1″，也就是擾流波。一般波焊爐都會設計有兩個錫波，第一波為”擾流波”，也簡稱為”波1″，它的目的是為了消除陰影效應，第二波為”平流波”，簡稱為”波2″。 苦主的波焊如果有開波1，建議關閉波1，僅留波2開啟。原因是波1的最大功效在產生錫液的擾動，解決空焊，但是從不良照片看來，並沒有發現有空焊問題的發生，而僅有短路。之所以建議要關閉波1，目的是為了讓助焊劑可以在波2起到真正潤濕助焊的效果，如果加開波1，那在波焊前噴塗的大部分助焊劑，就會在經過波1時就被消耗掉，而無法在波2時再起到助焊的效果。當然，關閉波1之後，也要觀察是否會有空焊問題出現。 如果苦主的不良照片僅開波2，那建議要檢查助焊劑的噴塗是否均勻。
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建議可以剪掉波焊載具中間一些沒有用到的遮罩肋條，擴大開孔的面積，這樣可以讓融熔的錫液在PCB的表面更順暢的流動，也可以避免開孔過小產生擾流及陰影效應等不確定因素。
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要定期檢查波焊錫池內的含銅量，錫液中含銅量越高，錫液的流動性就會越差，也就越容易引起短路。而錫池中的含銅量，則會隨著焊接的次數增加，從PCB及零件引腳上不斷融入到錫池中而漸漸升高。所以，一定要定期檢查錫池的含銅量。
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可以在過爐治具上新增拖錫片，尤其是在經常出現短路的焊點後方。拖錫片要設計在與過爐方向平行的排針尾端之後，這樣才能吸收融熔焊錫與最後一個焊點斷開時回彈力所造成的短路。這個拖錫片安裝需要多嘗試幾次，選定一個與焊墊最適合的距離。
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建議要安排做實驗計畫，來抓出最佳的波焊參數。
好了，以上就是我們這次的內容。
工作熊還是得提醒大家注意，這裡所回答的問題不一定就是正確的解答，因為苦主所提供的資訊可能只是冰山的一角，而我們所看到問題也可能只是整個問題中的一小塊，很容易瞎子摸象，而且工作熊個人的見解也不一定就是最正確的，只是提供個人見解給大家參考，建議大家要多加確認。當然，如果你有自己的看法，也非常歡迎你提出來討論。
YouTube影片：這種波焊的短路問題就只能這樣了嗎？
Podcast：EP023-這種波焊的短路問題就只能這樣了嗎？
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