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《Youtube》什麼是屏蔽罩(shielding can)？工程師對屏蔽罩的愛恨情仇

今天來跟大家聊一個在電子產品裡經常看到，但是卻很少有人會特別介紹的零件──屏蔽罩（Shielding Can）。

如果你有拆過手機、Wi-Fi模組、藍牙模組、伺服器，甚至很多醫療設備，應該都有機會看到過，在PCB的某些零件上蓋著一個金屬盒子，尤其是中央處理器上最常見。

這個金屬盒子就叫做屏蔽罩(shielding-can)，但它到底有什麼作用？又為什麼很多的SMT工程師一看到它，就常常開始頭痛？為什麼有些RF工程師總說一些似是而非的論點？

今天我們就從設計、製造到維修，一起來聊聊屏蔽罩的一些基本概念及那些容易被忽略的小細節。

一、屏蔽罩到底有什麼用途？

大部分人第一個想到的答案一定是：「防止電磁干擾。」

這當然沒有錯。現在的電子產品裡面，可能同時會有Wi-Fi、Bluetooth、GPS、4G/5G、NFC等無線訊號，而且為了讓運算更快，各種高速傳輸訊號也越來越多。

如果沒有將這些訊號適當地隔離，彼此就可能互相干擾。

例如：Wi-Fi可能影響GPS接收、高速CPU可能影響RF無線射頻電路、開關電源時也可能產生大量雜訊。

所以電路設計工程師就會把容易受到干擾、或者容易產生干擾的區域，用金屬屏蔽罩把它給包起來。簡單來說，就是把電磁波關在裡面，避免影響別人；同時也把外面的雜訊擋在外面，減少對自己訊號的干擾。

不過，很多人不知道的是，屏蔽罩其實還有第二個用途。那就是—增加PCB的機械強度。

尤其現在PCB越做越薄。像是手機的主機板，大多只有1.0mm，有些更薄的可能只有0.6mm。大尺寸的BGA零件附近如果沒有適當地支撐，一旦PCB稍微受到外力，就容易彎曲。選擇一款強度足夠的屏蔽罩焊接在需要支撐強度的地方，就像是在PCB上增加了一道金屬補強。它可以降低PCB的局部彎曲，也多少能保護屏蔽罩周圍及底下的重要零件。

所以它除了可以防止電磁干擾外，也兼具結構補強的效果。

二、為什麼SMT工程師害怕遇到有屏蔽罩的產品？

如果你有在SMT產線上工作過，大概都知道：只要有屏蔽罩的產品，良率就會開始出現問題。最常見到與屏蔽罩焊接有關的不良大概有下列幾種。

• 第一個是屏蔽罩本身空焊或少錫。
• 第二個是屏蔽罩本身偏移。
• 第三個則是屏蔽罩內出現零件短路或空焊。

最後一個則是屏蔽罩焊接後出現異色。

我們先來談談空焊與少錫發生的原因

1. 溫度不足

屏蔽罩設計的原理就是藉由接地來屏蔽干擾訊號，所以，其外框的四周一定會焊接在接地上，而且是大面積的 Ground Plane 上，這種情況下，回焊如果選用RTS(Ramp-To-Spike)斜昇式溫度曲線，溫度供給上可能就會給它跟不上接地的吸熱速度。結果就是：錫膏明明印刷沒有問題，偏偏就是有某些角落的焊錫沒有完全融化、潤濕，最後造成空焊、冷焊、虛焊、假焊或吃錫不足等問題。

所以，對於有屏蔽罩的PCB，建議要採用RSS(Ramp-Soak-Spike)馬鞍式溫度曲線，還要使用測溫板(profile-board)，確實量測重點位置的溫度，尤其是屏蔽罩的接地，在進入回焊區前要與其他位置達到一致溫度，確保進入回焊區後可以完全融錫，這樣才能避免有未融錫的情況發生。

2. 屏蔽罩及PCB翹曲變形

很多屏蔽罩的尺寸都設計得很大。面積越大，就越容易受到PCB熱變形的影響。有時候PCB本身只是翹曲一點點，就會造成影響。其實還有更嚴重的，屏蔽罩本身的「共面度(coplanarity)」必須要達到0.1mm的公差要求，之所以要求0.1mm，是因現在手機板的鋼板厚度大多只有0.1mm或0.127mm，有些甚至會更薄。只要屏蔽罩的共面度達不到0.1mm的要求，再加上PCB翹曲變形，兩個加起來，就很有可能導致屏蔽罩的部分焊腳無法接觸到錫膏。回焊後，自然就會容易形成空焊。這個還沒考慮到屏蔽罩在回焊高溫受熱時，可能產生的變形。

這裡工作熊要給大家一個小提醒：也許還有人不知道，錫膏中可以吃錫的錫粉只佔了錫膏體積的50%，剩下的50%為助焊劑。所以，錫膏融化後，助焊劑變成氣體揮發，而焊錫的高度也一定會比原來錫膏印刷的高度還低。當錫膏融化的當下，錫膏如果沒有接觸到屏蔽罩的焊腳，等到錫膏完全融化，反而會攤平，這時要想再讓錫膏接觸到屏蔽罩的焊腳，機會就會變得很小。當然，也可以透過鋼板擴孔增加錫量來補救，但這個方法必須配合延長回焊時間，還得考慮鄰近是否有其他焊墊，不會阻礙鋼板擴孔。

3. 屏蔽罩的表面處理金屬選用不當

為了讓屏蔽罩可以吃得上錫，必須要在其表面鍍上一層可以吃錫的金屬，而最常見的表面處理則是鍍鎳與鍍錫。

很多工程師可能不知道，一般金屬都會先鍍上一層鎳當作阻隔層，然後再鍍錫。

既然只鍍鎳就可以吃錫，那為何還要鍍錫呢？只鍍一層鎳不是比較便宜嗎？這就是為何，很多人會選用鍍鎳。

鎳雖然可以吃錫，但是鎳在與空氣接觸後會生出一層氧化膜，這層膜會稍稍阻礙焊錫的潤濕。如果是不需要焊接的屏蔽蓋，鍍鎳倒是個不錯的選擇。想要讓鎳層可以順利地吃上錫，就必須保持其新鮮度，也就是說，得嚴格控制其暴露於大氣的時間，降低氧化膜的生成厚度；其次則是選用錫膏中含有去氧化效果較好的助焊劑，但這麼一來，助焊劑的酸性就會比較強，也就比較容易對PCB的銅箔造成腐蝕，長期可靠性必須考慮。

另一個表面處理的選擇則是鍍錫，錫雖然也會在與空氣接觸後開始生成氧化膜，但只需使用一般的助焊劑就可以將其清除，不太會影響到焊接的效果，唯一要擔心的是，鍍錫的厚度與純度，還有純錫在屏蔽罩上，卻不需要焊接的部分，是否會在回焊高溫時發生重融的現象。因為純錫的熔點大約是232°C，而一般無鉛回焊的高溫則會落在240~260°C左右，鍍錫中如果還夾雜了其他的金屬，更會使得合金錫的熔點再往下掉，重熔的問題就會更嚴重；純錫的鍍層如果太薄了，則無法完全覆蓋住底層金屬(通常是鎳)，就如同前面說的，鎳容易氧化，會導致焊接不良；鍍錫如果太厚了，則容易在回焊時重新融熔聚集在一起，在屏蔽罩的表面形成小凸點，可能會影響外觀，或是機構干涉。所以，這層錫的厚度必須要剛剛好。至於厚度多少比較好？不同材質的屏蔽罩要求的厚度可能不一樣，建議要諮詢有經驗的電鍍商。

4. 屏蔽罩或PCB焊墊氧化

這個應該不需要我再多做解釋了。不管是屏蔽罩或PCB焊墊氧化，都會影響到焊接品質，空焊是一定會發生的。

接下來，我們來看看

屏蔽罩焊接時，另一個常見問題：偏移

其實，屏蔽罩在焊接時發生偏移，並不是什麼重大缺點，除非這偏移超出了焊墊的範圍，這樣才有機會發生空焊問題，而空焊則會影響到屏蔽罩的電磁屏蔽效能。如果硬要找出屏蔽罩偏移會對產品造成何種影響，應該是焊接強度會變得差一些吧！正常來說，屏蔽罩焊接腳垂直面的內外兩側應該都會吃錫，而且形成有效的焊錫弧度，這對焊接強度至關重要。但屏蔽罩偏移後，就會造成某一側的焊錫弧度無法有效形成，焊接強度自然就會差一些。

工作熊之前就曾經遇到過，有RD要求屏蔽罩焊接不可偏移，因為RD發現，產品在做摔落衝擊測試(impact drop test)時，屏蔽罩的焊錫裂開，進而影響到屏蔽罩內的BGA焊錫也跟著裂開。而這類問題，似乎又回到了那個死胡同，電子零件發生錫裂，是否一定是SMT製程的問題？焊錫強度是否足夠強大到可以抵抗摔落時的PCB板彎應力？而且RD希望屏蔽罩不能偏移，又不在PCB上設計定位孔，這不是強人所難嗎！就好比是希望一艘浮在水面上且沒有船錨的船不能飄移，是一樣的道理。

屏蔽罩焊接偏移另外還有一個隱憂，就是可能會與鄰近的電子零件接觸或短路，尤其是於位於屏蔽罩內側的零件，因為肉眼看不到，不容易檢查，容易被忽略。所以，一般我都會要求保留至少0.5mm以上的安全距離，但也有藝高人膽大的RD只保留0.3mm，這種膽大似乎是建立在SMT製程的管控上啊。

屏蔽罩焊接的第三個問題並不是屏蔽罩本身，而是被封閉在屏蔽罩內的零件容易發生空焊及短路

這是因為現在的SMT工廠幾乎都採用「熱風對流式回焊(Convection Reflow)」，需要花費比較長的時間，才能將熱量傳遞到被封閉的屏蔽罩內的區域。這時候回焊爐的溫度與時間設置如果不足，就很容易發生空焊，甚至立碑的問題；當然，如果溫度與時間設置得太過，則可能會發生短路或零件燒毀的問題，不過還是要提醒一下，短路問題通常還牽涉到焊墊尺寸設計與錫膏印刷量的精準管控，不是單獨溫度問題。

而比較嚴重的挑戰，則是屏蔽罩內的焊接缺點，一般無法直接用肉眼，及AOI光學設備檢查出來，尤其是那種一件式，直接將屏蔽罩焊接於PCB的製程。

屏蔽罩焊接的最後一個常見問題，是在回焊或維修後容易發生黃變/異色現象

許多屏蔽罩會使用不銹鋼，或是表面經過鍍鎳、鍍錫等處理。這些材料在與空氣接觸後，表面會自然形成一層氧化膜（主要是鉻氧化物）。正常情況下，這層氧化膜非常薄、呈現透明；但在高溫環境下，氧化速度會加速，氧化膜增厚，就會因為光線的薄膜干涉而出現黃色，更嚴重時甚至會轉為藍紫色。

高溫則是加速氧化膜生長的主要原因，因此在使用熱風槍進行重工修理時，就特別容易看到屏蔽罩變色的現象。

變色後的屏蔽罩，只要不再持續對其加熱，氧化膜通常不會繼續快速增厚，原則上對電磁屏蔽功能也不會有影響。但外觀上出現了異色或彩虹色，卻常常成為客戶與品管人員的關注焦點。同樣花錢，消費者當然不希望拿到有明顯瑕疵的產品。

所以，SMT工程師除了必須追求焊接良率外，有時還必須兼顧外觀品質。

在正常情況下，屏蔽罩在回焊後是不應該出現明顯變色的。如果發生，常見原因包括：

• 回焊溫度設定過高、峰值時間過長；
• 表面處理製程(也就是電鍍)的清洗不徹底，酸劑或污染物殘留，在高溫下加速氧化；
• 助焊劑殘留：助焊劑中的有機酸或活性劑在高溫下與金屬反應，產生黃化、彩虹色甚至局部氧化。

如果你選用的是活性較強、去氧化能力好(酸劑多)，或是清潔性較差、殘留物較多的助焊劑/錫膏，問題就會更容易發生。

回焊後遇到黃變的暫時性解決方法，可以開啟氮氣(N₂)回流來降低氧化速度。但根本之道，還是得找出問題發生的真正原因並加以改善，比如溫度曲線、助焊劑選擇、表面處理等，這樣才是長久之計。

維修時發生黃變，那就直接換一個新的吧！

接下來我們來談談

三、屏蔽罩發生空焊到底該怎麼改善？

1. 調整回焊溫度曲線

很多人第一個想到解決屏蔽罩空焊的方法幾乎都是：增加回焊溫度或是改用RSS溫度曲線，延長吸熱區的時間。

因為屏蔽罩的空焊大多來自溫度不足，而且高溫也可以提供更多的能量，讓焊錫可以潤濕稍微有氧化的金屬表面。

不過，在拉高溫度前，得先衡量PCB上的其它零件是否可以承受較高的溫度。也就是說，貿然直接增加回焊溫度並不是最佳的解決方法。

我們在前面已經說過，屏蔽罩會有空焊發生，基本上有四大原因，分別為：溫度不足、屏蔽罩變形、表面金屬選用不當，以及氧化。

因此，我個人建議，要先使用測溫板，確實量測PCB所有重點位置的溫度，尤其是屏蔽罩的接地，在進入回焊區前應該與其他位置盡量達到一致溫度，確保在進入回焊區後可以完全融錫，這樣才能避免有未融錫的情況發生。如果測溫板量出來的溫度是正常的，那就不能一昧地升高回焊溫度，而要考慮其他可能原因與解決方法。

2. 增加錫膏厚度克服共面度不足的屏蔽罩

一般來說，如果只是屏蔽罩共面度不足，或輕微變形所造成的空焊，通常可以透過增加錫膏印刷的高度來解決。要注意：不能只在鋼板擴孔來增加錫量，而是要確保錫膏在融化時與屏蔽罩的焊腳是接觸的，否則錫膏量增加卻仍然接觸不到焊腳，依然還是會發生空焊。

鋼板擴孔增加錫量也不是完全沒有效果，只是必須等到錫膏完全融錫並聚集，才能堆高焊錫。還要注意，這時候的焊錫量只有原來錫膏的一半體積，所以鋼板擴孔的尺寸最好要比原來焊墊大一倍以上，而且進入回焊區(reflow zone)的時間也不能太短，否則就達不到鋼板擴孔的效果。

3. 從設計面降低屏蔽罩變形風險

這是工作熊最推薦的方法之一，除了可以從製程改善之外，我個人強烈建議，最好要從設計上下手，想辦法來降低屏蔽罩變形的問題，比如

• 在轉角處增加R角、或使用折邊及筋條來強化結構。
  
  
• 合理增加屏蔽罩的厚度。
• 避免過度密封、合理開孔。完全密閉的屏蔽罩，會使得罩內局部過熱或溫度梯度過大，進而引發變形。
• 也可以在情況允許的情況下，於屏蔽罩的垂直側壁增加長條形缺口，用以在二次加工時整平作業進行。
  
  
• 還有一個很多人容易忽略的問題，就是盡量不要使用大尺寸的屏蔽罩，因為尺寸越大，變形量就越大，建議用兩個以上的屏蔽罩來取代大尺寸屏蔽罩。

4. 改善焊墊的設計來提升焊接能力

許多人初次接觸屏蔽罩時，總以為要將屏蔽罩的整個外圈都給焊接在接地焊墊(ground pad)上，才能達到最佳電磁屏蔽效果。其實，這完全沒有必要。

如果將接地焊墊設計成一整圈連續的焊墊，並且在焊墊上也印刷一整圈的錫膏，反而可能造成屏蔽罩在回焊時莫名浮起或傾斜，這是因為焊錫熔化後會受到表面張力的影響，液態焊錫會重新聚集（coalescence），形成大小不一小山包(焊錫堆積)，這樣就會產生不均勻的支撐力，進而將屏蔽罩頂起，甚至造成偏移或傾斜。

比較好的做法是利用防焊層(Solder Mask)將接地焊墊分隔成多個彼此間隔的小區段，例如每段長約 3～5 mm、間距約 1 mm。屏蔽罩則設計成為城堡腳。這種設計除了能維持良好的接地連續性之外，也可以降低液態焊錫聚集而造成屏蔽罩浮起的風險。此外，這些沒有印刷錫膏的間隙還能提供助焊劑揮發時的排氣通道，可以幫助減少焊接過程中氣體的滯留。

在EMI/EMC效能達成的前題下，個人建議可以在屏蔽罩的接地焊墊採用限熱焊墊（Thermal Relief），也就是俗稱的十字花設計。由於屏蔽罩通常焊接在大面積接地銅箔上，熱量容易就會被大面積的銅箔給吸收，導致焊點不易達到足夠的焊接溫度。採用限熱焊墊可以降低熱傳導速度，使焊墊更容易升溫，不僅有助於改善空焊或焊接不良的問題，也能讓後續的維修拆焊作業更加容易。

接下來我們來看看

四、一件式、兩件式的屏蔽罩，到底怎麼選？

市面上的屏蔽罩，大致可以分成幾種。

第一種，就是屏蔽框+蓋子兩件式

它由固定的屏蔽框(shielding-frame)加上上蓋(cover)所組成。

屏蔽框要先焊在PCB上，過完回焊及測試後再把上蓋蓋上。

其優點是，回焊後可以使用AOI自動光學儀器來檢查屏蔽框內的零件焊接品質，也比較方便維修，RF工程師在debug時也容易，而這也是一般電子業最常見到的設計。

第二種，是屏蔽夾+屏蔽罩兩件式

雖然一個屏蔽罩需要用到多個屏蔽夾(shielding clip or EMI clip)，但這應該也可以算是兩件式吧，它利用多個屏蔽夾來固定屏蔽罩，而不再需要屏蔽框。

屏蔽夾的尺寸比起屏蔽框小很多，它就類似一顆普通的電子零件，可以使用貼片機來自動取放，而不像屏蔽框的框邊，會有阻擋光學檢查的死角，維修也非常方便，且不需要重新焊接，只要使用翹棒把屏蔽罩掀開，維修後再蓋回去就可以，非常適合需要反覆拆裝屏蔽罩的產品。

第三種，沖壓成型屏蔽罩單件式

把屏蔽罩當成零件，與其他電子零件直接回焊在PCB上。它的成本最低、組裝最快速，因為少了屏蔽框或屏蔽夾。

但缺點也很明顯，無法使用AOI來檢查焊屏蔽罩內焊接的品質，因為屏蔽罩已經焊接在PCB上了，只能使用X-ray來檢查。

維修更是麻煩，必須要把屏蔽罩整個解焊下來才有機會維修，而且很難拆，拆下來的屏蔽罩基本上無法重複使用，必須報廢。

第四種，為一體成型(抽伸)屏蔽罩單件式

近年有些產品將屏蔽罩的壁厚做得更加厚實，然後利用抽管成型(drawing)技術來製作屏蔽罩，其整體共面度優秀，結構上也可以抵抗更高的衝擊應力，但模具成本也是所有方案中最高的，設計變更也是最不容易的。

以上四種電磁屏蔽方案到底怎麼選？其實並沒有標準答案。

如果產品量大，品質穩定，幾乎不需要維修。單件式通常最有成本競爭力。

如果產品經常需要Debug、維修或售後服務。兩件式通常會比較有彈性。

五、屏蔽罩材料怎麼選？

很多人以為屏蔽罩就是一塊鐵皮。其實不是。最常見的材料，大概有幾種。

第一種是SPTE，也就是鍍錫鋼板，也就是馬口鐵。

SPTE的成本低。焊接性也不錯。但共面度比較差。馬口鐵表面雖然已經鍍了錫，但是切斷面如果需要吃錫，還是必須再鍍一次錫。

第二種是Nickel Silver，也有人叫洋白銅。

洋白銅雖然呈現銀白色，但它並不是銀。而是一種銅、鎳、鋅合金。耐腐蝕。對高頻屏蔽效果也不錯。很多RF產品都喜歡使用。切斷面如果要吃錫，也必須再鍍上一層錫。

洋白銅的基本金屬為銅，比馬口鐵的基本金屬鐵來得軟，也比較容易被二次加工整平，也就是共面度可以控制的比較好，但是費用比馬口鐵貴。

另外，也有鍍鎳鋼板、不鏽鋼等不同材料。

不同材料會影響：

• 焊接性。
• 成本。
• 導電率。
• 磁導率。
• 以及EMI屏蔽效果。

所以材料也不是越貴越好。而是要依產品需求做選擇。

六、結語

很多零件平常看起來不起眼。屏蔽罩就是其中之一。

但真正進入量產之後。你才會發現，它其實牽涉到EMI設計、PCB Layout、材料、SMT製程、維修策略，甚至產品成本。

很多工程問題，也不是只靠提高回焊溫度就能解決。

真正有效的方法，往往需要設計、製程、供應商一起合作，才能達成。你們家的產品是否也有屏蔽罩，歡迎在留言區分享你遇到過的屏蔽罩問題。

希望今天的分享，可以讓大家下次看到PCB上的那個金屬盒子時，不只是知道它叫做屏蔽罩，而是更了解它背後代表的設計思維。

如果喜歡今天的內容，也歡迎分享給身邊從事電子製造或產品設計的朋友。

也歡迎訂閱工作熊的YouTube及Podcast頻道。

YouTube影片：什麼是屏蔽罩(shielding can)？工程師對屏蔽罩的愛恨情仇

Podcast：EP031-什麼是屏蔽罩(shielding can)？工程師對屏蔽罩的愛恨情仇

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