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PCB电路板的SMT贴片加工:(PCBA)的整个制造工艺流程

2019-08-29 14:36:17 475

电子产品是我们日常生活不可或缺的一部分。从智能手机到汽车,一切都包括电子元件。这些电子产品的核心是PCB电路板,也称为PCBA/主板/板卡等等。

 

大多数人在看到PCB电路板时就会认出来。这些是用线条和铜部件覆盖的小型绿色芯片,您可以在内部电子设备的核心找到它们。这些板由玻璃纤维,铜线和其他金属部件制成,用环氧树脂固定在一起,并用阻焊膜绝缘。这种阻焊膜是特有的绿色来源。

 

但是,你有没有观察到那些组件坚固的组件?永远不要将它们视为PCB板的装饰。在组件安装到其上之前,先进的电路板将无法提供其功能。安装有元件的PCB称为PCBA或者主板,制造过程称为PCB板 smt贴片加工或简称PCBA加工。裸板上的铜线(称为迹线)将连接器和组件彼此电连接。它们在这些功能之间运行信号,允许电路板以特别设计的方式运行。这些功能从简单到复杂,但PCB的尺寸可以小于缩略图。

 

那么这些设备究竟是如何制作的呢?PCB板的smt贴片加工过程很简单,包括几个自动和手动步骤。随着流程的每个步骤,板制造商都有手动和自动选项供您选择。为了帮助您从头到尾更好地理解PCBA加工流程,在下面详细解释了每个步骤。

 

PCB设计基础

 

PCBA加工过程总是从PCB的最基本单元开始:基座由多个层组成,每个单元在最终PCB的功能中起着重要作用。

 

•基板:这是PCB的基础材料。它赋予PCB刚性。

 

•铜:PCB的每个功能侧添加一层薄薄的导电铜箔 - 如果是单面PCB,则在一侧;如果是双面PCB,则在两侧。这是铜痕迹层。

 

•焊接掩模:在铜层的顶部是焊接掩模,为每个PCB提供其特有的绿色。它使铜迹线与无意接触其他导电材料绝缘,这可能导致短路。换句话说,焊料将所有东西都保留在原位。焊接掩模中的孔是施加焊料以将部件附接到板的地方。焊接掩模是平滑制造PCBA的关键步骤,因为它可以避免在不需要的部件上发生焊接而避免短路。

 

•丝网印刷:白色丝网印刷是PCB板上的最后一层。该层以字符和符号的形式向PCB添加标签。这有助于指示电路板上每个组件的功能。

 

除基板外,这些材料和组件在所有PCB上基本保持相同。PCB的基板材料根据每个设计师在其成品中寻找的特定质量(例如成本和可弯曲性)而变化。

 

三种主要PCB类型包括:

 

•刚性PCB:最常见的PCB基板类型是刚性的,占大多数PCBA的基础。刚性PCB的实心核心使板材具有刚性和厚度。这些不灵活的PCB基座由几种不同的材料组成。最常见的是玻璃纤维,否则称为“FR4”。较便宜的PCB由环氧树脂或酚醛树脂等材料制成,尽管这些材料不如FR4耐用。


•柔性FPCB:柔性PCB比柔性PCB具有更高的柔韧性。这些PCB的材料往往是可弯曲的高温塑料。


•金属基PCB:这些电路板是典型FR4电路板的另一种替代方案。这些板由金属基材制成,比其他板更有效地散热。这有助于散热并保护更多对热敏感的电路板元器件。

 

现代PCBA行业普遍存在两种类型的安装技术:


SMT表面贴装技术:贴片元件,一些非常小的元件,如电阻器或二极管,自动放置在电路板表面。这称为SMD元器件,用于SMT表面贴装器件。SMT表面贴装技术可应用于小尺寸元件和集成电路(IC)。例如,PCBCart能够以min为单位安装包装。尺寸01005,甚至小于铅笔点的尺寸。


过孔技术:适用于带有引线或电线的元件,必须通过插入板上的孔将其安装在板上。额外的引线部分必须焊接在电路板的另一侧。该技术适用于包含大型元件的PCB元器件,例如电容器,待组装的线圈。

 

由于THT(国内叫dip)和SMT之间的区别,它们也必须经历不同的装配过程。以下文章将讨论PCB之外的其他材料和设计考虑因素,因为它们适用于与THT,SMT和混合技术相关的PCB贴装过程。

 

 

SMT贴装过程之前

 

在真正的PCBA过程开始之前,必须进行一些准备步骤。这有助于PCB制造商评估PCB设计的功能,主要包括DFM检查。

 

大多数专门从事PCB贴装的公司都需要开始使用PCB的设计文件,以及任何其他设计说明和具体要求。这是因为PCB贴装公司可以检查PCB文件是否存在可能影响PCB功能或可制造性的任何问题。这是一种可制造性检查或DFM检查的设计。

 

DFM检查着眼于PCB的所有设计规范。具体而言,此检查会查找任何缺失,冗余或可能存在问题的功能。任何这些问题都可能严重影响最终项目的功能。例如,一个常见的PCB设计缺陷是在PCB元器件之间留下太小的间距。这可能导致短路和其他故障。

 

 

实际的PCBA加工流程步骤:

 

1步:锡膏软化

 

SMT贴片加工的第一步是在电路板上涂上锡膏。这个过程就像丝网印刷衬衫一样,除了掩模之外,在PCB上放置一个薄的不锈钢模板。这允许贴装商仅将锡膏涂覆到可能的PCB的某些部分上。这些部件是元件放置在成品PCB中的部件。

 

锡膏本身是一种灰色物质,由微小的金属球组成,也称为焊料。这些微小金属球的成分是96.5%锡,3%银和0.5%铜。锡膏与焊剂混合,焊剂是一种化学设计,有助于焊料熔化并粘合到表面。锡膏显示为灰色浆料,必须在恰当的位置以恰当的数量施加到电路板上。

 

在专业的PCBA生产线中,机械夹具将PCB和焊接模板固定到位。然后,涂敷器将锡膏以精确的量放置在预期区域上。然后机器将糊状物涂抹在模板上,均匀地涂抹在每个开放区域。在移除模板后,锡膏保留在预期位置。

 

2步:挑选和放置

 

在将锡膏涂到PCB板上之后,PCBA工艺移动到拾取和放置机器上,机器人设备将SMT表面贴装元件或SMD放置在准备好的PCB上。如今,SMD占PCB上大多数非连接器元器件。然后在PCBA工艺的下一步骤中将这些SMD焊接到电路板的表面上。

 

传统上,这是用一对镊子完成的手动过程,其中装配工必须手工拾取和放置元件。这一步是PCB制造商之间的自动化过程。这种转变主要是因为机器往往比人类更准确,更一致。虽然人类可以快速工作,但疲劳和眼睛疲劳往往会在使用这些小部件几个小时后开始。机器全天候工作,没有这种疲劳。


该设备通过拾取带有真空夹具的PCB板并将其移动到拾取和放置站来启动拾取和放置过程。然后,机器人在工作站上定位PCB,并开始将SMT应用于PCB表面。这些元件放置在预编程位置的锡膏顶部。

 

 

3步:回流焊接

 

一旦锡膏和表面贴装元件全部到位,它们就需要保留在那里。这意味着锡膏需要固化,将元件粘附到电路板上。PCB贴装通过称为“回流”的过程实现此目的。

 

拾取和放置过程结束后,PCB板被转移到传送带上。这条传送带穿过一个大型回流炉,有点像商业披萨烤箱。这个烤箱由一系列加热器组成,这些加热器逐渐将电路板加热到大约250摄氏度或480华氏度的温度。这足够热以熔化锡膏中的焊料。

 

 

焊料熔化后,PCB继续通过烘箱。它通过一系列较冷的加热器,使熔化的焊料以受控的方式冷却和固化。这样就形成了一个永久性焊点,将SMD连接到PCB上。

 

许多PCBA在回流期间需要特别考虑,特别是对于双面PCB贴装。双面PCB贴装需要分别进行模板印刷和回流。首先,具有较少和较小部件的一侧是钢印,放置和回流,然后是另一侧。

 

4步:检查和质量控制

 

一旦SMT表面贴装元件在回流工艺之后焊接到位,这不能代表PCBA的完成,并且需要对贴装好的电路板进行功能测试。通常,在回流过程中的移动将导致差的连接质量或完全没有连接。短路也是这种运动的常见现象,因为错位的部件有时会连接不应连接的电路部分。

 

检查这些错误和错位可能涉及几种不同的检查方法之一。最常见的检查方法包括:

 

•人工检查:尽管自动化和智能制造即将发展,但在PCB贴装过程中仍然需要人工检查。对于较小的批次,设计人员进行的现场视觉检查是确保回流焊过程后PCB质量的有效方法。然而,随着检查板数量的增加,这种方法变得越来越不切实际和不准确。观察这些小部件一个多小时会导致光学疲劳,导致检查不准确。


•AOI自动光学检测:对于较大批量的PCBA,AOI自动光学检测是更合适的检查方法。AOI自动光学检测机,也称为AOI机器,使用一系列高功率相机来“看”PCB。这些摄像机以不同的角度排列,以查看焊接连接。不同质量的焊接连接以不同方式反射光,使AOI能够识别质量较低的焊料。AOI以非常高的速度完成这项工作,使其能够在相对较短的时间内处理大量的PCB。


•X射线检查:另一种检查方法涉及X射线。这是一种不太常见的检测方法 - 它最常用于更复杂或分层的PCB。X射线允许观察者透视层并可视化下层以识别任何潜在的隐藏问题。

 

故障板的命运取决于PCBA公司的标准,它们将被发送回清理和重新加工或报废。

 

无论检查是否发现其中一个错误,该过程的下一步是测试元器件以确保它完成它应该做的事情。这涉及测试PCB连接的质量。需要编程或校准的电路板需要更多步骤来测试正确的功能。

 

这种检查可以在回流过程之后定期进行,以识别任何潜在的问题。这些定期检查可以确保尽快找到并修复错误,这有助于制造商和设计人员节省时间,人力和材料。

 

步骤5:给孔元件插入式焊接

 

根据PCBA下的电路板类型,电路板可能包含除常规SMD之外的各种组件。这些包括电镀过孔元件或PTH元件。

 

镀过孔是PCB上的一个孔,一直镀在电路板上。PCB元器件使用这些孔将信号从电路板的一侧传递到另一侧。在这种情况下,锡膏不会有任何好处,因为锡膏将直接穿过孔而没有粘附的机会。

 

在以后的PCB贴装过程中,PTH元器件需要更专业的焊接方法,而不是锡膏:


•手工焊接:手工过孔插入式是一个简单的过程。通常,单个站点的一个人的任务是将一个元器件插入指定的PTH。完成后,电路板将转移到下一个工作站,其他人正在插入另一个元器件。每个需要配备的PTH都会继续循环。这可能是一个漫长的过程,取决于在PCBA的一个循环期间需要插入多少PTH元器件。大多数公司都特别试图避免使用PTH元件进行设计,但PTH元件在PCB设计中仍然很常见。


•波峰焊接:波峰焊是手工焊接的自动化版本,但涉及一个非常不同的过程。将PTH元器件放置到位后,将板放在另一条传送带上。这一次,传送带穿过一个专门的烤箱,在那里一股熔化的锡在电路板的底部洗涤。这会立即焊接电路板底部的所有引脚。对于双面PCB来说,这种焊接几乎是不可能的,因为焊接整个PCB侧会使任何精密的电子元件无法使用。

 

在完成此焊接工艺之后,PCB可以继续进行最终检查,或者如果PCB需要添加额外的元器件或特殊工艺焊接,则可以执行前面的步骤。

 

 

6步:最终检查和功能测试

 

PCBA工艺的焊接步骤完成后,最终检查将测试PCB的功能性。这种检查称为“功能测试”。该测试使PCB完成其步调,模拟PCB运行的正常情况。在此测试中,电源和模拟信号通过PCB,同时测试仪监控PCB的电气特性。

 

如果这些特性中的任何一个(包括电压,电流或信号输出)显示出不可接受的波动或在预定范围之外的击中峰值,PCB测试没有通过测试。根据公司的标准,失效的PCB可以回收维修或报废。

 

测试是PCB贴装过程中最后也是最重要的一步,因为它决定了过程的成败。此测试也是整个装配过程中定期测试和检查非常重要的原因。

 

完成PCBA之后

 

可以这么说,PCB电路板贴装过程可能是一个污秽的过程。锡膏会留下一定量的助焊剂,而人工操作可以将油和污垢从手指和衣服转移到PCB表面。一旦完成,结果看起来有点暗淡,这既是美学又是实际问题。

 

PCB上剩余数月后,助焊剂残留物开始闻起来并感觉粘稠。它也会变得有些酸性,随着时间的推移会损坏焊点。此外,当新PCB的出货量被残留物和指纹覆盖时,客户满意度往往会受到影响。由于这些原因,在完成所有焊接步骤后清洗产品很重要。

 

使用去离子水的不锈钢高压清洗设备是去除PCB中残留物的最佳工具。在去离子水中清洗PCB不会对设备造成威胁。这是因为常规水中的离子会损坏电路,而不是水本身。因此,去离子水在经历洗涤循环时对PCB是无害的。

 

在清洗之后,使用压缩空气的快速干燥循环使成品PCB准备好包装和运输。

 

PCBA之间的差异:THT组装,SMT组装和混合技术

 

过孔技术(THT)贴装工艺

 

作为传统的PCB贴装方法,通过手动程序和自动程序的协作完成过孔安装过程。

•步骤1:元器件放置 - 此步骤由专业工程人员手动完成。工程师需要根据客户的PCB设计文件快速,精确地将元器件放置在相应的位置。元件放置必须符合过孔安装工艺的规定和操作标准,以保证高质量的最终产品。例如,他们必须澄清元器件的极性和方向,停止操作元器件影响环境元器件,使完成的元器件放置与相应的标准兼容,并在处理IC等静电敏感元器件时佩戴防静电腕带。


•步骤2:检查和整改 - 完成元件放置后,将电路板放置在匹配的传输框架中,其中插入元器件的电路板将被自动检查,以确定元器件是否准确放置。如果观察到有关元件放置的问题,也很容易立即纠正它们。毕竟,这是在PCBA工艺中焊接之前发生的。


•步骤3:波峰焊接 - 现在应将THT元件精确焊接到电路板上。在波峰焊接系统中,电路板在高温(约500°F)的液体焊料波上缓慢移动。然后,可以成功获得所有引线或电线连接,以便将过孔元件牢固地连接到电路板上。

 

表面贴装技术(SMT)贴装工艺

 

与过孔焊接工艺相比,SMT表面贴装工艺在制造效率方面脱颖而出,因为它具有全自动安装PCB组装工艺,从锡膏印刷,拾取和放置以及回流焊接。


•步骤1:锡膏印刷 - 通过锡膏印刷机在板上涂敷锡膏。模板确保锡膏可以准确地留在安装元件的正确位置,也称为模板或焊接屏。由于锡膏印刷的质量与焊接质量直接相关,因此专注于高质量产品的PCBA制造商通常在通过锡膏检查员进行锡膏印刷后进行检查。这种检查保证了印刷已达到法规和标准。如果在锡膏印刷中发现缺陷,则必须重新进行印刷,或者在第二次印刷之前将锡膏洗掉。


•步骤2:元器件贴装 - 从锡膏印刷机出来后,PCB将被自动送到贴片机,其中元件或IC将被安装在相应的焊盘上,以抵抗锡膏的张力。元件通过机器中的元件卷轴贴装在PCB板上。与薄膜卷轴类似,承载元器件的元器件卷轴旋转以向机器提供元器件,这将快速地将零件粘附到板上。


•步骤3:回流焊接 - 放置每个元件后,电路板通过一个23英尺长的熔炉。500°F的温度导致锡液化。现在,SMD元件牢牢地绑定在电路板上。

 

 

混合技术

 

随着现代科学技术的发展,电子产品变得越来越复杂,驱动复杂,集成和尺寸更小的PCB板。包含一种类型元器件的PCBA几乎不可能参与其中。

 

大多数电路板都带有过孔元件和SMD元件,这需要过孔技术和SMT表面贴装技术的协作。然而,焊接是一个复杂的过程,往往会受到太多元素的影响。因此,更好地安排过孔技术和SMT表面贴装技术的顺序变得非常重要。