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2020/07/20 為什麼SMT需要回焊過爐托盤(reflow carrier)與全程載具(Full process carrier)?

為什麼SMT需要回焊過爐托盤(reflow carrier)與全程載具(Full process carrier)?

 

為什麼SMT需要回焊過爐托盤(reflow carrier)與全程載具(Full process carrier)?

什麼是SMT過爐托盤(Reflow Carrier)?為什麼SMT生產有時候需要用到SMT過爐托盤(Reflow Carrier)?有時候又需要用到全程托盤或全線載具(Full Process Carrier)?

合成石過爐托盤(durostone reflow carrier)合成石過爐托盤(durostone reflow carrier)

所謂的【SMT過爐托盤或過爐載具】真的就是拿來盛載PCB電路板然後拿去過回焊爐(Reflow Oven)的托盤或載具。托盤載具上面通常會有定位柱用來固定PCB以防止其跑位或形變,有些更高級的托盤載具還會多加一個蓋子,通常是給FPC用的,並安裝磁鐵於上、下載具當吸盤扣緊用,這樣可以更確實的避免板子變形,部份硬板PCB也會使用蓋板以固定某些零件過爐時滑動。

 

使用【SMT過爐托盤或過爐載具】 的目的通常有:

  1. 降低PCB變形。  
    這裡之所以說是「降低」,而不說「防止」,是因為不論這過爐載具設計得再好,PCB經過回焊高溫後多多少少還會有一些變形,只要變形在不影響品質的範圍內就可以了。過爐載具上面會設計定位柱來固定PCB,也會設計一些肋條來支撐以降低其變形量。
  2. 防止過重零件掉落。  
    過爐載具可以設計支撐點來托住某些第一面打件後過第二次回焊時容易掉落的零件,通常是一些較重的零件,比如網路線連接器之類。

以上兩點其實都與SMT回焊爐(Reflow oven)的高溫區有關,以現在絕大部分產品採用無鉛製程來說,無鉛的SAC305錫膏的熔錫溫度為217℃,而SAC0307錫膏的熔錫溫度大約落在217℃~225℃,其回焊最高溫度一般都建議在240~250℃之間,但是為了成本的考量,一般我們選用的FR4板材為Tg150以上而已(不清楚Tg是什麼的朋友,請參考【何謂玻璃轉移溫度(Tg, Glass Transition Temperature)】一文),也就是說PCB進入到回焊爐高溫區的時候,其實早就超過其玻璃轉移溫度變成橡膠態,橡膠態下的PCB會變形只是表現出其材料特性剛剛好而已。

再加上現在電路板厚度越來越薄,從一般的1.6mm厚度將低到0.8mm,工作熊還見過0.4mm的PCB,這樣薄的電路板在經過回焊爐(SMT Reflow)的高溫的洗禮時,就更容易因為高溫而出現板子變形問題。

至於打在第一面的過重零件,容易在過第二面回焊掉落的原因應該不用多做解釋了,反而是很多朋友有疑問【為什麼SMT二次回焊時第一面零件不會掉落?再回焊熔錫溫度會升高?】,就請自行參考相關文章了。二次回焊時避免第一面零件掉落的解決方法

【SMT過爐托盤或過爐載具】就是為了克服PCB變形與零件掉落的問題而出現,它一般利用定位柱來固定PCB的定位孔,在板材高溫變形時有效維持PCB的形狀降低板材變形,當然還得有其他的筋條來輔佐板材中間位置因為重力影響可能彎曲下沉的問題。

另外,也可以利用過爐載具不易變形的特性在「過重零件」的下方設計肋條或支撐點來確保零件無掉落的問題,不過這個載具的設計必須非常小心以避免支撐點過度頂起零件造成第二面錫膏印刷不準的問題發生。

綜上所述,一個良好的【SMT過爐托盤或過爐載具】必須具備以下的特性需求:

  • 軟化變形溫度應該要高於300℃以上,要可以重複使用,不會變形。這是最主要要求。 
  • 要有較小的熱膨脹性。熱脹冷縮為一般材料的特性,如果載具熱膨脹太大,反而會破壞PCB。
  • 材料要可以加工
  • 材料最好要。因為要作業員取放,太重的載具不適合一般的電子廠作業。 
  • 材料最好還要不易吸熱或是散熱要快。因為載具必須循環重複使用,如果過完回焊後不能很快的降低溫度到人手可以拿取的溫度,就必須準備更多的載具備用,這樣就會增加成本。
  • 材質要盡可能便宜,且可以量產。 

一般常見的過爐載具的材料為鋁合金,另外也有使用高碳鋼、鎂合金來製作過爐托盤的,鋁合金雖然比一般的鐵金屬要輕,但產線的小姑娘拿起來還是有點重,而且鋁合金的材質容易吸熱,過爐後需戴上隔熱手套或等待一段冷卻時間後方能拿起,操作上有點給它不是很方便。另外,還有一種【合成石過爐托盤(Reflow carrier)】,算是比較經濟實惠的材質,但使用壽命較短,不過近來時有反應會有過敏的現象發生。

全程托盤或全線載具(Full Process Carrier)?

一般的【SMT過爐載具】只有在板子過回焊爐的時候使用,也就是說在回焊爐以前的製程(印錫膏、貼片打件…)都不需要裝上載具,這樣可以減少載具的數量。

可是隨著PCB的厚度越來越薄,而且越來越密,而錫膏印刷的精度則要求越來越高。如果錫膏印刷的時候電路板已經發生了變形,錫膏印刷的位置就會偏移,錫膏的厚度也會發生變化,這些都方常不利細間腳零件(fine pitch)與0402以下的零件。

當有上述的問題發生時,最好的方法是透過設計變更的方式來解決,如果所有的設計都幫不上忙時,就得開始考慮使用【SMT全程載具】,這種載具其實就跟【過爐載具】一樣,唯一不一樣的地方就是要考慮錫膏印刷製程,所以PCB放入載具後必須要高出載具表面,就連定位柱也必須遵守,否則錫膏印說就會出問題。

可以想見的,使用【SMT全程載具】的數量對比【過爐載具】應該會呈倍數增加,視SMT產線的長短而定,對於大量生產的產品來說,整個攤提下來或許只是小錢,但對於小量多樣的產品來說,這些載具加總起來的費用幾乎都快可以買一部小汽車了。

後記:

如果你是RD或專案經理,請詳細評估設計所帶來的生產成本與品質風險,使用SMT載具不只要計算載具的費用,還得多增加至少一個人力的工時來Loading/unloading及傳送載具,操作過程中還可能因為不小心碰到零件產生品質問題。請記得總體成本的概念。

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