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为什么SMT需要回流焊过炉托盘与全程载具?

time : 2019-08-15 09:03       作者:凡亿pcb

什么是SMT过炉托盘(Reflow Carrier)?为什么SMT生产有时候需要用到SMT过炉托盘(Reflow Carrier)?有时候又需要用到全程托盘或全线载具(Full Process Carrier)?
合成石过炉托盘(durostone reflow carrier)合成石过炉托盘(durostone reflow carrier)
所谓的【SMT过炉托盘或过炉载具】真的就是拿来盛载PCB然后拿去过回流焊炉(Reflow Oven)的托盘或载具。托盘载具上面通常会有定位柱用来固定PCB以防止其跑位或变形,有些更高级的托盘载具还会多加一个盖子,通常是给FPC用的,并安装磁铁于上、下载具当吸盘扣紧用,这样可以更确实的避免板子变形。
 
使用【SMT过炉托盘或过炉载具】的目的通常有:
1、降低PCB变形。 
这里之所以说是「降低」,而不说「防止」,是因为不论过炉载具设计得再好,PCB经过回流焊高温后多多少少还会有一些变形,只要变形在不影响品质的范围内就可以了。
2、防止过重零件掉落
以上两点其实都与SMT回流焊炉(Reflow oven)的高温区有关,以现在绝大部分产品采用无铅制程来说,无铅的SAC305锡膏的熔锡温度为217℃,而SAC0307锡膏的熔锡温度大约落在217℃~225℃,其回流焊最高温度一般都建议在240~250℃之间,但是为了成本的考量,一般我们选用的FR4板材为Tg150以上而已(不清楚Tg是什么的朋友,请参考【何谓玻璃转移温度(Tg, Glass Transition Temperature)】一文),也就是说PCB进入到回流焊炉高温区的时候,其实早就超过其玻璃转移温度变成橡胶态,橡胶态下的PCB会变形只是表现出其材料特性刚刚好而已。
再加上板子厚度的变薄,从一般的1.6mm厚度降低到0.8mm,深圳宏力捷还见过0.4mm的PCB,这样薄的电路板在经过回流焊炉(SMT Reflow)的高温的洗礼时,就更容易因为高温而出现板子变形的问题了。
至于打在第一面的过重零件,容易在过第二面回流焊掉落的原因应该不用多做解释了,反而是很多朋友有疑问【为什么SMT二次回流焊时第一面零件不会掉落?再回流焊熔锡温度会升高?】,就请自行参考完美彩票注册相关的文章了。二次回流焊时避免第一面零件掉落的解决方法
【SMT过炉托盘或过炉载具】就是为了克服PCB变形与零件掉落的问题而出现,它一般利用定位柱来固定PCB的定位孔,在板材高温变形时有效维持PCB的形状降低板材变形,当然还得有其他的筋条来辅佐板材中间位置因为重力影响可能弯曲下沉的问题。
另外,也可以利用过炉载具不易变形的特性在「过重零件」的下方设计肋条或支撑点来确保零件无掉落的问题,不过这个载具的设计必须非常小心以避免支撑点过度顶起零件造成第二面锡膏印刷不准的问题发生。
 
综上所述,一个良好的【SMT过炉托盘或过炉载具】必须具备以下的特性需求:
? 软化变形温度应该要高于300℃以上,要可以重复使用,不会变形。这是最主要要求。
? 要有较小的热膨胀性。热胀冷缩为一般材料的特性,如果载具热膨胀太大,反而会破坏PCB。
? 材料要可以加工
? 材料最好要。因为要作业员取放,太重的载具不适合一般的电子厂作业。
? 材料最好还要不易吸热或是散热要快。因为载具必须循环重复使用,如果过完回流焊后不能很快的降低温度到人手可以拿取的温度,就必须准备更多的载具备用,这样就会增加成本。
? 材质要尽可能便宜,且可以量产
一般常见的过炉载具的材料为铝合金,另外也有使用高碳钢、镁合金来制作过炉托盘的,铝合金虽然比一般的铁金属要轻,但产线的小姑娘拿起来还是有点重,而且铝合金的材质容易吸热,过炉后需戴上隔热手套或等待一段冷却时间后方能拿起,操作上不是很方便。另外,还有一种【合成石过炉托盘(Reflow carrier)】,算是比较经济实惠的材质,但使用寿命较短,不过近来时有反应会有过敏的现象发生。
 
全程托盘或全线载具(Full Process Carrier)?
一般的【SMT过炉载具】只有在板子过回流焊炉的时候使用,也就是说在回流焊炉以前的制程(印锡膏、贴片打件…)都不需要装上载具,这样可以减少载具的数量。
可是随着PCB的厚度越来越薄,而且越来越密,而锡膏印刷的精度则要求越来越高。如果锡膏印刷的时候电路板已经发生了变形,锡膏印刷的位置就会偏移,锡膏的厚度也会发生变化,这些都非常不利细间脚零件(fine pitch)与0402以下的零件。
当有上述的问题发生时,最好的方法是透过设计变更的方式来解决,如果所有的设计都帮不上忙时,就得开始考虑使用【SMT全程载具】,这种载具其实就跟【过炉载具】一样,唯一不一样的地方就是要考虑锡膏印刷制程,所以PCB放入载具后必须要高出载具表面,就连定位柱也必须遵守,否则锡膏印刷就会出问题。
可以预见,使用【SMT全程载具】的数量对比【过炉载具】应该会呈倍数增加,视SMT产线的长短而定,对于大量生产的产品来说,整个摊下来或许只是小钱,但对于小量多样的产品来说,这些载具加起来的费用几乎都快可以买一部小汽车了。
 
后记:
如果你是RD或专案经理,请详细评估设计所带来的生产成本与品质风险,使用SMT载具不只要计算载具的费用,还得多增加至少一个人力的工时来Loading/un-loading及传送载具,操作过程中还可能因为不小心碰到零件产生品质问题。请记得总体成本的概念。