有鑑於目前市面上有眾多零組件都是只採用表面黏著(SMT)封裝,以手工焊接一些PC電路板的受歡迎程度令人驚訝…特別是考量到那些零件的尺寸是有多麼小。在不是很久以前,就算是那些最大的SMT零件也會讓人害怕,而能焊接次毫米(sub-millimeter)間距的零件會是一種榮譽;不過這種情況在最近十年似乎有所變化。

如果你需要組裝的電路板並非少數,只靠手工帶來的成就感恐怕不夠;當工作量達到某種程度,是該考慮把電路板組裝任務委託給EMS廠商或是自家建置SMT組裝線的時候了。這麼做將能為你節省不少時間,而且確保更可靠的成品;但這並不代表著你只要把零件跟板子裝箱打包寄到組裝廠就好,因為自動化焊接設備並沒有直接與你的大腦相連,規則也得改。

有時候在手工焊接可行的技巧,可能會完全破壞機器組裝程序;為了避免這類問題,筆者列出了以下的十個注意事項,提供準備從手工焊電路板轉向採用機器組裝的朋友參考。

10:小心零組件受潮

這聽起來似乎並不是那麼合理,但是塑膠確實會吸收濕氣,而且不用丟進水槽、只要暴露在空氣中就會發生。塑膠封裝的晶片若有濕氣,在回焊爐(reflow oven)裡會像是爆米花一樣──濕氣會變成水蒸氣,如果不能很快排出,就會讓晶片封裝爆開;通常這種損壞是肉眼不可見的,但你會在現場看到不可靠的產品。

通常喜歡自己動手做的創客們會打開零件的外包裝將它們隨處放置,並沒有使用適當的儲存方法;如果你要把你設計的專案送去機器組裝,有兩件事情可以避免對濕氣敏感的零件受潮:首先是在需要時才訂購零件,不要太早買進,而且要保持包裝密封;或者是通知組裝廠注意零件可能受潮,並請它們在組裝上之前先烘乾,將濕氣妥善去除。

9:電路板一定要上防焊漆

很多電路板廠會在你訂購無防焊漆產品時提供優惠,這在手工組裝時不是問題,因為你可以用眼睛觀察並調整焊料的量。不過如果是利用模板(stencil)來塗焊料,並且電路板會經過回焊爐,焊料會擴散到外露的銅線,這可能會使得零件導線上的焊料不足以建立可靠的連結。上一層防焊漆可能得先多花點錢,但是以長遠的眼光看是可以提升可靠度與降低成本;此外防焊漆現在也有許多顏色選擇(EDNT編按:傳統是綠色),能為你的電路板帶來個性化外觀。

8:網版印刷也不可或缺

電路板上有沒有網版印刷與可靠性無關,但會讓精準的組裝更難實現;依照我的方法,會用CAD檔案能讓組裝設備確實了解每個零件該放置的位置,包括角度與方向。可惜世事不能盡如人意,很常出現錯誤腳位或是零件本身標示模糊不清,無法只靠CAD檔案來描述位置,清晰的網版印刷能確保不會出錯,因為資料是可見的。

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清晰的網版印刷能確保零件位置不出錯
(來源:Screaming Circuits)

如果因為設計的緣故,你不想要有防焊漆與參考指標的電路板,這是你的選擇;不過你還是需要在佈線軟體的文件層中做好標示,或者是另外繪製一張組裝圖,並且要告訴組裝廠注意那些標記資訊。

7: 跟上SMT潮流

要確保能手工打造電路板的最簡單方法之一,是堅持採用導線通孔(lead through-hole,LTH)類型的零件,但這會帶來許多設計上的限制,也會使許多新技術無法被使用。如果你目前主要還是採用LTH元件或是大尺寸的SMT元件,你可以透過轉向採用更小的SMT元件進入一個能利用專業組裝技術的新世界,許多最新、功能最多的零件都是只有超小型封裝,例如裡聚合物電池充電器、無線元件、加速度計,以及一些最新的微控制器,幾乎都只有最迷你的晶片封裝外觀。

當你以手工組裝產品原型或是打造較少數量的私人用途電路板時,或許能夠在擴充板(breakout board)上找到這種小型零件;若要開始打造上千套準備銷售的系統,最好重新為電路板佈線,在不使用擴充板的前提下使用那些小型晶片,千萬別忘了旁路電容還有每一顆必備的支援零件。

6:不要在焊墊上開孔

QFN封裝以及BGA封裝的零件下方都有接腳或焊墊,通常是完全不會接觸到的;這對回焊爐是好事,但如果是手工焊接呢?手工焊接通常會在焊墊上開孔,用膠帶把零件固定在電路板上,然後把電路板翻過來,用焊料以及一小尖焊鐵黏那個孔洞,如此就幾乎可以手工焊接任何一種無接腳的表面黏著元件。

所以你大概知道我要說的就是,在焊墊上開孔不適用自動化組裝,焊料會流經那些孔洞跑到電路板的背面,最後造成短路以及零件因為沒有與焊墊完全連結而脫落。而如果你是使用有開孔的手工焊接技術,要將電路板送到自動組裝廠之前也需要重新佈線,不能在焊墊上留下任何開孔。

5: 重複檢查物料清單(BOM)

專業製造是將你的想法與相關資訊化為實體電路板的最後步驟,遺憾的是我們目前沒有直接將生產線與大腦直接連結的管道,資料檔案就是訊息傳遞管道,而物料清單(BOM)是該資料集最關鍵的部分之一。業餘設計者需要拾取0.1-μF~0.01-μF電容器、將這些元件焊在Vcc與Vss之間、且得佈署其位置的情況並非罕見;這對你來說可能無所謂,但是對組裝廠來說就不見得了,特別是如果你還委託他們採購那類元件。

組裝廠不會知道等效串聯電阻對那些零件是否重要,也不知道所需溫度範圍;各種條件只能靠你來告訴他們。組裝廠需要知道確切的零件型號,而因為可能出現供應問題,如果能為每顆零件提供一個以上的替代品會更好。

4. 隨時準備好替代品

說到替代品…這永遠都會是好主意,現在尤其是,因為本文在寫作的同時,產業界正面臨嚴重的零件缺貨問題,特別是電容器。務必列出替代品,以免你原本選擇的零件再也買不到。

3. 檢查所有的零組件腳位

自家打造電子裝置的一個常見狀況是,會利用CAD軟體內標示接近但是不一定精確的零件腳位;如果是手工焊板或是採用較大尺寸的零件,這通常不會有什麼問題,但機器組裝可能會需要更精確的資訊,因為你本人無法在現場盯著、調整焊料量。小型零件需要非常精確的焊料沉積,唯一能確保其精確度的方法是仔細閱讀特定零件的規格書,確認你在CAD軟體內使用之腳位上的銅以及焊膏符合零件製造商的建議。

2. 隨時準備好溝通

很多理工科系出身的朋友都不擅與人交際,但你需要與你的組裝廠對談,而且準備好快速回應任何問題;如我先前所說的,製造就是盡可能讓你腦袋裡的東西清楚、精確地成形,模擬兩可會是你的大敵。當你的EMS夥伴詢問你任何問題時,請盡快回覆。

1. 動手去做吧!

在沒有很久以前,製造電子產品必備的工具以及服務是如此複雜且昂貴,對業餘DIY愛好者或是創客來說,要把基於個人愛好開發出的專案變成一個小生意,幾乎是不可能的事情。時代已經改變了,硬體新創公司潮流回溫,而且是人人都可以做得到的事!

編譯:Judith Cheng

(原文出自EDN姊妹刊、ASPENCORE旗下EEWeb網站;參考連結: Top 10 Considerations When Moving from Hand-Soldering to Machine Assembly,by Duane Benson;本文作者為 Screaming Circuits共同創辦人、技術長暨行銷經理)