文章分類Article
電子製造工廠如何產出一片電路板(PCBA)
現今電路板的組裝，基本上都是透過所謂的【錫膏(solder paste)】將電子零件黏貼焊接於印刷電路板之上，這個焊接的過程可以使用表面貼焊(SMT，Surface Mount Technology)或波峰焊(Wave soldering)的焊接技術來達成，當然你也可以全部用手焊，但那不在本文討論的範圍，而且手焊的品質風險很大，也無法大量生產。
因為波峰焊幾乎已經很少有產品在使用了，所以本篇僅介紹以表面貼焊(SMT)做電路板組裝的焊接相關作業。
基本上現在的SMT製程都是一條龍的作業，也就是把空板放到SMT產線開始，到最後板子流出組裝完成，都是在同一條產線搞定。
底下的製程簡單介紹從空板(bare PCB)載入到板子組裝完成，還有品質保證的後製程：
01.空板載入(Bare Board Loading)
電路板的組裝第一步就是把空板子 (bare board)排列整齊，然後放到料架(magazine)上面，機器就會自動的一片一片的把板子送進SMT的流水生產線。
02.印刷錫膏(Solder paste printing)
印刷電路板(Printed Circuit Board)進入SMT產線的第一步要先印刷錫膏(solder paste)，說真的這有點像女生在臉上塗抹面膜，這裡會把錫膏印刷在PCB需要焊接零件的焊墊上面，這些錫膏在後面經過高溫的迴焊爐的時候會融化並與把電子零件焊接在電路板上面。另外，新產品試機的時候有些人會使用膠膜板/膠紙板來代替錫膏，可以增加SMT調機的效率與浪費。
03.錫膏檢查機(solder paste inspector) (option)
由於錫膏印刷好壞關係到後面零件焊接的好壞，所以有些SMT工廠為求品質穩定，會先在錫膏印刷之後就用光學儀器檢查錫膏印刷的好壞，如果有印刷不良的板子就打掉，洗掉上面的錫膏在重新印刷，或是採用修理的方式移除多餘的錫膏。
04.快速打件機 (Pick and Place speed machine)
這裡會先把一些體積較小的電子零件(如小電阻、電容、電感)打在電路板上，這些零件會稍微被剛剛印刷於電路板上的錫膏黏住，所以既使打件的速度非常很快，快到幾乎像是打機關槍一樣，板子上面的零件也還不至於會飛散，但大型零件就不適宜用在快速機裡面了，一來會拖累原本打得飛快的小零件速度，二來怕零件會因為板子快速移動而偏移原來的位置
05.泛用型打件機 (Pick and Place general machine)
又稱為「慢速機」，這裡會是打一些體積比較大顆的電子零件，如 BGA IC、聯接器(connector)…等，這些零件需要比較準確的位置，所以對位非常重要，打件以前會先用照相機照一下確認零件的位置，所以速度上來說就相形慢了許多。這裡的零件因為尺寸的關係，不一定都會有捲帶包裝(tape-on-reel)，有的可能是托盤(Tray)或是管狀(tube)包裝。但如果要讓SMT機器可以吃托盤或是管狀的包裝料，必須要額外配置一台機器。一般傳統的打件/貼件機(pick and place machine)都是使用吸力的原理來搬移電子零件，所以這些電子零件的最上面一定都要留有一個平面給打件機的吸嘴來吸取零件之用，可是有些電子零件就是無法有平面留給這些機器，這時候就需要訂製特殊吸嘴給這些異形零件，或是在零件上加貼一層平面的膠帶，或是戴上有平面的帽蓋。
06.手擺零件或目視檢查 (hand place component or visual inspection)
當所有的零件都打上電路板要過高溫回焊爐(reflow)以前，通常會設置一個檢查點，用來挑出打件偏移或掉件…等等的缺點，因為過了高溫爐後如果還發現有問題就必須要動到烙鐵(iron)，這會影響的產品的品質，也會有額外的花費；另外一些較大的電子零件或是DIP的傳統零件或是某些特殊原因，無法經由打件/貼件機來操作的零件，也會在這裡用人工的方式手擺零件。另外，有些手機板的SMT會在回焊爐前也設計一道AOI，用來確認回焊前的品質，有些時候是因為零件的上面會打上屏蔽框，會造成回焊爐後無法使用AOI來檢查焊錫性。
07.回焊 (Reflow)
回焊(reflow)的目的是將錫膏熔融並形成非金屬共化物(IMC)於零件腳與電路板，也就是焊接電子零件於電路板之上，其溫度的上升與下降的曲線(temperature profile)往往影響到整個電路板焊接的品質，根據焊錫的特性，一般的迴焊爐會設定預熱區、浸潤區、迴焊區、冷卻區來達到最佳的焊錫效果。以目前無鉛製程的SAC305錫膏，其融點大約為217℃左右，也就是說回焊爐的溫度至少要高於這個溫度才能重新熔融錫膏，另外回焊爐中的最高溫度最好不要超過250℃，否則會有很多零件因為沒有辦法承受那麼高的溫度而變形或融化。基本上電路板經過迴焊爐以後，整個電路板的組裝就算完成了，如果還有手焊零件例外，剩下的就是檢查及測試電路板有沒有缺損或功能不良的問題而已。
08.光學檢查銲錫性 (AOI, Auto Optical Inspection) Option
並不一定每條SMT的產線都有光學檢查機(AOI)，設置AOI的目的是因為有些密度太高的電路板無法進行後續的開短路電子測試(ICT)，所以用AOI來取代，但由於AOI為光學判讀有其盲點，比如說零件底下的焊錫就無法判斷，目前僅能檢查零件有否墓碑(tombstone)或側立、缺件、位移、極性方向、錫橋、空焊等，但無法判斷假焊、BGA焊性、電阻值、電容值、電感值等零件品質，所以到目前為止還沒辦法完全取代ICT。所以如果僅使用AOI來取代ICT，在品質上仍有部份風險，但ICT也不是百分之百，只能說互相彌補測試涵蓋率，希望作到100%，所以自己要做個取捨(trade-off)。
09.收板 (unloading)
板子組裝完成後會在收回到料架(magazine)上，這些料架已經被設計成可以讓SMT機台自動取放板子而不會影響到其品質。
10.成品目檢 (Visual Inspection)
不論有沒有設立AOI站別，一般的SMT線都還是會設立電路板目視檢查區，目的在檢查電路板組裝完成後有否任何的不良，如果有AOI站別者則可以減少目檢人員的數量，因為還是要檢查一些AOI無法判讀到的地方，或檢查AOI打下來的不良。很多的工廠會在這一站提供目視重點檢查模板(inspection template)，方便目檢人員檢驗一些重點零件與零件極性。
11.零件後復 (Touch up)
如果有些零件沒有辦法用SMT來打件，就需要後復(touch-up)手焊零件，這通常會放在成品檢查之後，以區別缺點是來自SMT還是其後段製程。後復零件時要使用烙鐵(iron)及錫絲(solder wire)，焊接時將維持於一定高溫的烙鐵接觸到欲焊錫的零件腳，直至溫度升高到足以融化錫絲的溫度，然後加入錫絲融化，待錫絲冷卻後就會把零件焊接在電路板上。手焊零件時會有一些煙霧產生，這些煙霧會包含許多重金屬，所以操作區域一定要設立煙霧排出設備，盡量不要讓操作員吸入這些有害煙霧。需要提醒的，有些零件後復會因製程的需求而安排在更後段的製程。
12.電路板開路/短路測試 (ICT, In-Circuit Test)
ICT設置的目的最主要在測試電路板上零件及電路有否開路及短路，它另外也可以量測大部分零件的基本特性,，如電阻、電容、電感值，以判斷這些零件經過高溫迴焊爐之後功能有否損壞、錯件、缺件…等。電路測試機台又分為高級及初階機台，初階的測試機台我們一般稱之為MDA(Manufacturing Defect Analyzer)，其功能就是上面講的電子零件的基本特性量測及開短路判斷。高階的測試機台除了包含初階機種的所有功能之外，還可以送電到待測板，並啟動待測板並執行測試程式，好處是可以模擬電路板在實際開機情況下的功能測試，可以一部分取代後面的功能測試機台(Function Test)。但一台這種高階測試機台的測試治具大概可以買一部私家轎車，比起一台初階的測試治具要高上15~25倍，所以一般運用在大量產的產品上面比較適合。
13.電路板功能測試 (Function test)
功能測試是為了彌補 ICT 的不足，因為 ICT 僅測試電路板上面的開短路，其他如 BGA及產品的功能並沒有被測試到，所以需要使用功能測試機台來測試電路板上的所有功能。
14.裁板 (assembly board de-panel)
一般的電路板都會進行拼板(Panelization)，以增加SMT生產的效率，通常會有所謂「幾合一」的板子，比如說二合一(2 in 1)、四合一(4 in 1)…等。等到所有的組裝作業都完成以後，還要再把它裁切(de-panel)成單板，有些只有單板的電路板也需要裁去一些多餘的板邊(break-away)。裁切電路板的方法有幾種，可以設計V型槽(V-cut)使用刀片裁板機(Scoring)或直接手動折板(不建議)，比較精密的電路板會使用路徑分板切割機(Router)，比較不會傷害到電子零件與電路板，但費用及工時比較長。
文章取自於:Posted by 工作熊(電子製造，工作狂人)