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        PCBA详解及PCB设计基础

        时间:2020-09-25 作者:pcba-smt.cn

        电子产品是我们日常生活中不可或缺的一部分。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印刷电路板,也称为PCB。

          大多数人在看到印刷电路板时都会识别它们。这些是用线条和铜部件覆盖的小型绿色芯片,您可以在内脏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。这种焊接掩模是特征绿色的来源。

          但是,您是否曾经观察过那些组件牢固粘在上面的电路板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称为组装PCB,制造过程称为PCB组件或简称PCBA。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的尺寸可能比缩略图小。

          那么这些设备究竟是如何制作的呢? PCB组装过程很简单,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过程,我们在下面详细解释了每个步骤。

          PCB设计基础

          PCBA过程总是从PCB的最基本单元开始:底座由多个层组成,每个单元在最终PCB的功能中起着重要作用。这些交替层包括:

          基板:这是PCB的基础材料。它为PCB提供了刚性。

          铜:在PCB的每个功能面上添加一层薄薄的导电铜箔 - 如果它是单面PCB,则在一侧双面如果是双面PCB。这是铜迹线层。

          焊接掩模:铜层顶部是焊接掩模,为每个PCB提供特有的绿色。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,避免短路。

          丝网: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元件的功能。

          这些材料和元件在所有PCB上基本保持不变,但基板除外。 PCB的基板材料根据特定质量(例如成本和可弯曲性)而变化 - 每个设计师都在寻找成品。

          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,占据了大部分PCBA 。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采用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PCB :柔性PCB比柔性PCB更柔韧。这些PCB的材料往往是像Kapton这样的可弯曲的高温塑料。

          金属芯PCB :这些电路板是典型FR4电路板的另一种替代品。这些板由金属芯制成,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组件。

          

        PCBA详解及PCB设计基础介绍

          有两种类型的安装技术在现代PCBA行业:

          表面贴装技术:敏感元件,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组件,用于表面贴装器件。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,甚至小于铅笔尖的尺寸。

          通孔技术:适用于带有引线或电线的元件,必须通过将它们插入孔中而安装在板上在船上。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组件,如电容器,线圈等组装。

          

        PCBA详解及PCB设计基础介绍

          由于THT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组装过程。

          之前装配过程

          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组装的公司需要开始使用PCB的设计文件以及其他任何公司设计说明和具体要求。这是因为PCB组装公司可以检查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检查查看PCB的所有设计规格。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组件之间留下太小的间距。这可能导致短路和其他故障。

          通过在制造开始之前识别潜在问题,DFM检查可以降低制造成本并消除不可预见的费用。这是因为这些检查减少了报废板的数量。作为我们对低成本质量承诺的一部分,DFM检查是每个PCBCart项目订单的标准配置。 PCBCart提供免费的DFM和DFA检查,但价值无价值,因为Valor DFM/DFA检查PCBCart取决于是一个有助于提高速度和精度的自动系统。

          实际PCBA流程步骤。

          步骤1:焊膏软化

          PCB组装的第一步是使用焊膏到董事会。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。这允许组装商仅将焊膏涂覆到可能的PCB的某些部分上。这些部件是元件放置在成品PCB中的地方。

          

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          焊膏本身是一种由微小球组成的灰色物质金属,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。焊膏与焊剂混合,焊剂是一种化学设计,有助于焊料熔化并粘合到表面。焊膏看起来像灰色焊膏,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,机械夹具固定PCB和焊料模具到位。然后,涂敷器将焊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。去除模板后,焊膏仍留在预定位置。

          步骤2:拾取和放置

          将焊膏涂到PCB板上后,PCBA工艺继续移动到拾取和放置机器上,机器人设备将表面贴装元件或SMD放置在准备好的PCB上。如今,SMD占PCB上大多数非连接器组件。然后在PCBA工艺的下一步中将这些SMD焊接到电路板表面。

          传统上,这是一个用镊子完成的手动过程,其中装配工必须选择并手动放置组件。这些天,幸运的是,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。

          

        PCBA详解及PCB设计基础介绍

          设备通过拾取PCB板来启动拾取和放置过程真空夹具并将其移至取放站。然后,机器人在工作站对PCB进行定向,并开始将SMT应用于PCB表面。这些元件放置在预编程位置的焊膏顶部。

          步骤3:回流焊接

          焊膏和表面贴装元件都已到位,它们需要保留在那里。这意味着焊膏需要固化,将元件粘附到电路板上。 PCB组装通过称为“回流”的过程实现这一目标。

          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,可以熔化焊膏中的焊料。

          

        PCBA详解及PCB设计基础介绍

          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。

          在回流焊过程中需要特别考虑许多PCBA,特别是对于双面PCB组装。双面PCB组装需要分别进行模板印刷和回流。首先,较少和较小部件的一侧是印刷,放置和回流,然后是另一侧。

          步骤4:检查和质量控制

          表面贴装元件在回流焊过程后焊接到位后,不能完成PCBA,需要对组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。短裤也是这种运动的常见副作用,因为错位的组件有时会连接不应连接的电路部分。

          

        PCBA详解及PCB设计基础介绍

          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:

          手动检查:尽管自动化和智能制造即将发展,但在PCB组装过程中仍然需要手动检查。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。观察这些小型元件超过一小时会导致光学疲劳,从而导致检查不准确。

          自动光学检测:自动光学检测是更适合大批量检测的方法PCBA的。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射线检测: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,它们将被送回被清理,重新加工或报废。

          检查是否发现其中一个错误,该过程的下一步是测试零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。

          此类检查可在回流过程后定期进行,以识别任何潜在问题。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:通孔元件插入

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

          电镀通孔是PCB上的一个孔,它一直镀在电路板上。 PCB组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,焊膏不会有任何好处,因为焊膏将直接穿过孔而没有粘附的机会。

          PTH组件需要更专业的焊接而不是焊膏后续PCB装配过程中的焊接方法:

          手工焊接:手动通孔插入是一个简单的过程。通常,单个站点的一个人的任务是将一个组件插入指定的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组件。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个PTH组件。为此目的,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:波峰焊接是自动化版本手工焊接,但涉及一个非常不同的过程。将PTH组件放置到位后,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,在那里一股熔化的焊料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。 这种焊接几乎不可能用于双面PCB,因为焊接整个PCB面会使任何精密的电子元件无法使用。

          此焊接工艺完成后PCB可以继续进行最终检查,或者如果PCB需要添加额外的零件或另一侧装配,它可以完成前面的步骤。

          步骤6: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。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,而测试人员监控PCB的电气特性。

          

        PCBA详解及PCB设计基础介绍

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

          测试是PCB装配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。

          PCBA之后

          Suffice可以说,PCB组装过程可能是一个污秽的过程。焊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。一旦完成所有工作,结果看起来有点暗淡,这既是美学又是实际问题。

          在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非常重要。

          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,去离子水在进行洗涤循环时对PCB无害。

          洗涤后,使用压缩空气进行快速干燥循环,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

          

        PCBA详解及PCB设计基础介绍

          通孔技术(THT)装配工艺

          作为传统的PCB装配方法,通过手动程序和自动程序的协作完成通孔安装过程。

          步骤1:元件放置 - 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,精确地将组件放置在相应的位置。元件放置必须符合通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,他们必须澄清组件的极性和方向,停止操作组件影响环境组件,使完成的组件放置与相应的标准兼容,并在处理IC等静电敏感组件时佩戴防静电腕带。 第2步:检查&amp;整流 - 组件放置完成后,然后将电路板放置在匹配的传输框架中,其中插入组件的电路板将自动检查,以确定组件是否准确放置。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工艺焊接之前进行的。

          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,以便将通孔元件牢固地连接到电路板上。

          表面贴装技术(SMT)装配工艺

          与通孔安装工艺相比,表面安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,包括焊膏印刷,拾取和回流焊接。 步骤1:焊膏印刷 - 通过焊膏印刷机在板上涂敷焊膏。模板确保焊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。由于焊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制造商通常在通过焊膏检查员进行焊膏印刷后进行检查。这种检查保证了印刷已达到法规和标准。如果在焊膏印刷中发现缺陷,则必须重新进行印刷或在第二次印刷之前将焊膏洗掉。

          步骤2:元件安装 - 从焊膏印刷机出来后,PCB将被自动发送到贴片机,其中元件或IC将被安装在相应的焊盘上,以抵抗焊膏的张力。元件通过机器中的元件卷轴安装在PCB板上。与薄膜卷轴类似,承载组件的组件卷轴旋转以向机器提供零件,这将快速将零件粘贴到电路板上。

          步骤3:回流焊接 - 放置每个元件后,板通过一个23英尺长的炉子。 500°F的温度导致焊膏液化。现在SMD元件已经牢牢地固定在电路板上。

          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,集成和更小尺寸的PCB板。只包含一种类型元件的PCBA几乎不可能参与其中。

          大多数电路板都带有通孔元件和SMD元件,这需要通孔技术和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,更好地安排通孔技术和表面贴装技术的顺序变得非常重要。

          应用混合技术的PCBA应在以下情况下进行:

          单面混合组件:单面混合组件符合以下制造程序:注意:当此类装配中只需要少量THT元件时,可以采用手工焊接代替波峰焊接。

          

        PCBA详解及PCB设计基础介绍

          单面SMT;单侧THT :注意 - 不建议采用这种类型的PCB组装程序,因为粘合剂会增加PCBA的总成本,并可能导致一些焊接问题。

          

        PCBA详解及PCB设计基础介绍

          双面混合装配:就双面混合装配方法而言,有两种选择:使用粘合剂的PCBA和不使用PCBA的PCBA。粘合剂的应用增加了PCB组装的总成本。此外,在这个PCBA过程中,加热必须进行三次,这往往会导致效率低下。

          

        PCBA详解及PCB设计基础介绍

          

        PCBA详解及PCB设计基础介绍

          基于上面介绍的混合组装程序之间的比较,可以得出结论,手工焊接适用于PCB组装,其需要两侧的许多组件,其中SMD组件多于THT组件。因此,面对需要少量THT元件的情况,建议采用波峰焊接。

          PCB组装必须经历如此复杂的技术过程,需要仔细考虑,稍加修改可能会导致成本和产品质量发生巨大变化。本文中关于PCB组装过程的描述仅以典型的PCBA程序和技术为中心。实际制造过程在很大程度上取决于设计文件和客户的具体要求。因此,如何评估可靠的PCB组装商成为客户在PCBA订单之前必须考虑的关键问题。

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                  原文地址:https://www.pcba-smt.cn/Article_736.html
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