Pokiaľ ide o moderné technológie, svet rastie veľmi rýchlym tempom a jeho vplyv môže ľahko vstúpiť do nášho každodenného života. The way we live has changed dramatically and this technological advance has led to many advanced devices that we didn’t even think of 10 years ago. Jadrom týchto zariadení je elektrotechnika a jadro je vytlačená obvodová doska (DPS).

Doska plošných spojov je zvyčajne zelená a je tuhým telom s rôznymi elektronickými komponentmi. These components are welded to the PCB in a process called “PCB assembly” or PCBA. Doska plošných spojov sa skladá zo substrátu vyrobeného zo sklených vlákien, medených vrstiev, ktoré tvoria stopu, otvorov, ktoré tvoria komponent, a vrstiev, ktoré môžu byť vnútorné a vonkajšie. V RayPCB dokážeme poskytnúť až 1-36 vrstiev pre viacvrstvové PROTOTYPY a 1-10 vrstiev pre viac dávok PCB pre objemovú výrobu. For single-sided and double-sided PCBS, an outer layer exists but no inner layer.

The substrate and components are insulated with solder film and held together with epoxy resin.The welding mask can be green, blue or red, as is common in PCB colors. Zváracia maska ​​umožní súčiastke zabrániť skratu na trati alebo iných častiach.

Medené stopy sa používajú na prenos elektronických signálov z jedného bodu do druhého na doske plošných spojov. These signals can be high-speed digital signals or discrete analog signals. Tieto vodiče môžu byť hrubé, aby poskytovali energiu/napájanie pre napájanie komponentov.

In most PCBS that provide high voltage or current, there is a separate grounding plane. Components on the top layer are connected to the internal GND plane or internal signal layer via “Vias”.

Komponenty sú zostavené na doske plošných spojov, aby umožnili doske plošných spojov fungovať tak, ako bolo navrhnuté. The most important thing is PCB function. Aj keď malé rezistory SMT nie sú správne umiestnené, alebo aj keď sú z DPS vyrezané malé dráhy, doska plošných spojov nemusí fungovať. Therefore, it is important to assemble components in a proper way. DPS pri montáži komponentov sa nazýva PCBA alebo montážna PCB.

V závislosti od špecifikácií popísaných zákazníkom alebo užívateľom môže byť funkcia DPS zložitá alebo jednoduchá. PCB size also varies according to requirements.

The PCB assembly process has both automatic and manual processes, which we will discuss.

Vrstva a dizajn DPS

Ako bolo uvedené vyššie, medzi vonkajšími vrstvami je viac signálnych vrstiev. Now we will discuss the types of outer layers and functions.

Understand PCB board assembly process and feel the green charm of PCBD

1-Substrát: Jedná sa o pevnú dosku vyrobenú z materiálu FR-4, na ktorú sa súčasti „plnia“ alebo zvárajú. To poskytuje tuhosť dosky plošných spojov.

2- Copper layer: Thin copper foil is applied to the top and bottom of the PCB to make the top and bottom copper trace.

3- Zváracia maska: Aplikuje sa na hornú a dolnú vrstvu PCB. This is used to create non-conducting areas of the PCB and insulate the copper traces from each other to protect against short circuits. Zváracia maska ​​tiež zabraňuje zváraniu nechcených častí a zaisťuje, že spájka vstupuje do oblasti zvárania, ako sú otvory a podložky. These holes connect the THT component to the PCB while the PAD is used to hold the SMT component.

4- Screen: The white labels we see on PCBS for component codes, such as R1, C1 or some description on PCBS or company logos, are all made of screen layers. Vrstva obrazovky poskytuje dôležité informácie o DPS.

There are 3 types of PCBS according to the substrate classification

1- Rigid PCB:

DPS sú väčšinou zariadení DPS, ktoré vidíme v rôznych typoch DPS. Jedná sa o tvrdé, tuhé a odolné PCBS s rôznymi hrúbkami. The main material is fiberglass or simple “FR4”. FR4 znamená „retardér horenia-4“. Vďaka samozhášacím vlastnostiam je FR-4 vhodný na použitie v mnohých tvrdých priemyselných elektronických zariadeniach. The FR-4 has thin layers of copper foil on both sides, also known as copper-clad laminates. Lamináty potiahnuté meďou Fr-4 sa používajú hlavne vo výkonových zosilňovačoch, napájacích zdrojoch so spínacím režimom, ovládačoch servomotorov atď. Na druhej strane, ďalší tuhý substrát PCB bežne používaný v domácich spotrebičoch a IT produktoch sa nazýva papierový fenolický PCB. Sú ľahké, s nízkou hustotou, lacné a dajú sa ľahko vyraziť. Medzi jeho aplikácie patria kalkulačky, klávesnice a myši.

2- Flexible PCB:

Made from substrate materials such as Kapton, flexible PCBS can withstand very high temperatures while being as thick as 0.005 inches. It can be easily bent and used in connectors for wearable electronics, LCD monitors or laptops, keyboards and cameras, etc.

3-metal core PCB:

In addition, another PCB substrate can be used like aluminum, which is very efficient for cooling.Tieto typy PCBS je možné použiť v aplikáciách, ktoré vyžadujú tepelné súčiastky, ako sú LED diódy s vysokým výkonom, laserové diódy atď.

Installation technology type:

SMT: SMT stands for “surface mount technology”. Komponenty SMT sú veľmi malé a dodávajú sa v rôznych baleniach, ako napríklad 0402,0603 1608 pre odpory a kondenzátory. Podobne pre integrované obvody máme SOIC, TSSOP, QFP a BGA.

Zostavenie SMT je pre ľudské ruky veľmi náročné a môže ísť o proces časového spracovania, preto ho v prvom rade vykonávajú automatické snímacie a umiestňovacie roboty.

THT: THT znamená technológiu priechodných otvorov. Components with leads and wires, such as resistors, capacitors, inductors, PDIP ics, transformers, transistors, IGBT, MOSFET, etc.

Komponenty musia byť vložené na jednej strane DPS na jednom komponente a vytiahnuté za nohu na druhej strane, nohu prerezané a zvárané. THT assembly is usually done by hand welding and is relatively easy.

Predpoklady postupu montáže:

Prior to the actual PCB fabrication and PCB assembly process, the manufacturer checks the PCB for any defects or errors in the PCB that could cause the failure. This process is called the Manufacturing design (DFM) process. Výrobcovia musia vykonať tieto základné kroky DFM, aby zaistili bezchybný plošný spoj.

1- Component layout considerations: Through-holes must be checked for components with polarity. Like electrolytic capacitors must be checked polarity, diode anode and cathode polarity check, SMT tantalum capacitor polarity check. Je potrebné skontrolovať smer zárezu IC/hlavy.

Prvok vyžadujúci chladič by mal mať dostatok priestoru na umiestnenie ostatných prvkov tak, aby sa chladič nedotýkal.

2-Hole and through-hole spacing:

The spacing between holes and between holes and traces should be checked. Podložka a priechodný otvor sa nesmú prekrývať.

3- Do úvahy sa musí vziať spájkovacia podložka, hrúbka a šírka čiary.

By performing DFM inspections, manufacturers can easily reduce manufacturing costs by reducing the number of scrap panels. Pomôže to pri rýchlom riadení tým, že sa vyhnete poruchám na úrovni DFM. At RayPCB, we provide DFM and DFT inspection in circuit assembly and prototyping. V RayPCB používame najmodernejšie zariadenia OEM na poskytovanie služieb OEM pre PCB, spájkovanie vlnou, testovanie kariet PCB a montáž SMT.

Proces montáže DPS (PCBA) krok za krokom:

Krok 1: Naneste spájkovaciu pastu pomocou šablóny

First, we apply solder paste to the area of the PCB that fits the component. This is done by applying solder paste to the stainless steel template. Šablóna a DPS sú držané pohromade mechanickým upínaním a spájkovacia pasta sa rovnomerne nanáša na všetky otvory v doske pomocou aplikátora. Apply solder paste evenly with applicator. Preto v aplikátore musíte použiť vhodnú spájkovaciu pastu. Keď je aplikátor odstránený, pasta zostane v požadovanej oblasti PCB. Sivá spájkovacia pasta 96.5% vyrobená z cínu, obsahujúca 3% striebra a 0.5% medi, bez olova. After heating in Step 3, the solder paste will melt and form a strong bond.

Step 2: Automatic placement of components:

Druhým krokom PCBA je automatické umiestnenie súčastí SMT na dosku plošných spojov. To sa deje pomocou vyberacieho a umiestňovacieho robota. Na úrovni návrhu dizajnér vytvorí súbor a poskytne ho automatizovanému robotovi. Tento súbor má predprogramované súradnice X, Y každého komponentu použitého na doske plošných spojov a identifikuje umiestnenie všetkých komponentov. Using this information, the robot only needs to place the SMD device accurately on the board. The pick and place robot will pick up components from its vacuum fixture and place them accurately on the solder paste.

Pred príchodom robotických snímačov a umiestňovacích strojov technici vyberali súčiastky pomocou pinzety a umiestnili ich na dosku plošných spojov tak, že sa dôkladne pozreli na miesto a vyhli sa podávaniu rúk. This results in high levels of fatigue and poor vision for technicians, and leads to a slow PCB assembly process for SMT parts. Potenciál chyby je teda vysoký.

Ako technológia dozrieva, automatizované roboty, ktoré zbierajú a umiestňujú súčiastky, znižujú pracovné zaťaženie technikov a umožňujú rýchle a presné umiestnenie súčiastok. Tieto roboty môžu pracovať 24/7 bez únavy.

Krok 3: Znova zváranie

The third step after setting up the elements and applying the solder paste is reflux welding. Reflow welding is the process of placing the PCB on a conveyor belt with components. The conveyor then moves the PCB and components into a large oven, which produces a temperature of 250 o C. Teplota je dostatočná na roztavenie spájky. Roztavená spájka potom drží komponent na DPS a tvorí spoj. After high temperature treatment, the PCB enters the cooler. These coolers then solidify the solder joints in a controlled manner. Tým sa vytvorí trvalé spojenie medzi komponentom SMT a DPS. V prípade obojstranného PCB, ako je popísané vyššie, bude strana PCB s menším alebo menším počtom komponentov ošetrená najskôr od krokov 1 až 3 a potom na druhú stranu.

Understand PCB board assembly process and feel the green charm of PCBD

Krok 4: Kontrola a kontrola kvality

Po spájkovaní pretavením je možné, že súčiastky sú nesprávne zarovnané v dôsledku nesprávneho pohybu v doske plošných spojov, čo môže mať za následok skrat alebo prerušenie obvodu. These defects need to be identified, and this identification process is called inspection. Kontroly môžu byť manuálne a automatizované.

A. Manual check:

Because the PCB has small SMT components, visual inspection of the board for any misalignment or malfunction can cause technician fatigue and eye strain. Táto metóda preto nie je možná pre pokročilé dosky SMT kvôli nepresným výsledkom. Táto metóda je však možná pre platne so zložkami THT a nižšími hustotami zložiek.

B. Optická detekcia:

Táto metóda je uskutočniteľná pre veľké množstvá PCBS. Metóda používa automatické stroje s vysokým výkonom a kamerami s vysokým rozlíšením namontované v rôznych uhloch na zobrazenie spájkovacích spojov zo všetkých smerov. V závislosti od kvality spájkovaného spoja sa svetlo odrazí od spájkovacieho spoja v rôznych uhloch. This automatic optical inspection (AOI) machine is very fast and can process large quantities of PCBS in a very short time.

CX – ray inspection:

The X-ray machine allows technicians to scan the PCB to see internal defects. This is not a common inspection method and is only used for complex and advanced PCBS. If not used properly, these inspection methods may result in rework or PCB obsoletion. Kontroly je potrebné vykonávať pravidelne, aby sa predišlo zdržaniu, mzdovým a materiálovým nákladom.

Krok 5: Fixácia a zváranie súčiastok THT

Komponenty s priechodnými otvormi sú bežné na mnohých doskách s plošnými spojmi. These components are also called plated through holes (PTH). Vodiče týchto komponentov budú prechádzať otvormi v doske plošných spojov. Tieto otvory sú spojené s inými otvormi a priechodnými otvormi medenými stopami. Keď sú tieto prvky THT vložené a zvárané do týchto otvorov, sú elektricky spojené s inými otvormi na tej istej DPS ako navrhnutý obvod. These PCBS may contain some THT components and many SMD components, so the welding method described above is not suitable for THT components in the case of SMT components such as reflow welding. So the two main types of THT components that are welded or assembled are

A. Manual welding:

Manual welding methods are common and often require more time than an automated setup for SMT. Technik je zvyčajne poverený vložením jedného komponentu naraz a odovzdaním dosky iným technikom, ktorí vložia ďalší komponent na rovnakú dosku. Preto sa doska s plošnými spojmi bude pohybovať po montážnej linke, aby sa na ňu vyplnil komponent PTH. To robí proces zdĺhavým a mnoho spoločností zaoberajúcich sa návrhom a výrobou plošných spojov sa vyhýba používaniu komponentov PTH pri navrhovaní obvodov. Komponent PTH však zostáva obľúbeným a najčastejšie používaným komponentom väčšinou návrhárov obvodov.

B. Vlnové spájkovanie:

Automatizovanou verziou ručného zvárania je vlnové zváranie. Pri tejto metóde, akonáhle je prvok PTH umiestnený na DPS, je DPS umiestnená na dopravný pás a presunutá do špeciálnej pece. Tu vlny roztavenej spájky striekajú do substrátu PCB, kde sú prítomné vývody súčiastky. To okamžite zvarí všetky kolíky. However, this method only works with single-sided PCBS and not double-sided PCBS, as melted solder on one side of the PCB can damage components on the other. Potom presuňte DPS na konečnú kontrolu.

Krok 6: Záverečná kontrola a funkčné testovanie

DPS je teraz pripravené na testovanie a kontrolu. This is a functional test in which electrical signals and power are given to the PCB at the specified pins and the output is checked at the specified test point or output connector. This test requires common laboratory instruments such as oscilloscopes, digital multimeters, and function generators

Tento test sa používa na kontrolu funkčných a elektrických charakteristík dosky plošných spojov a na validáciu návrhov prúdu, napätia, analógového a digitálneho signálu a obvodov opísaných v požiadavkách na dosku plošných spojov

Pokiaľ niektorý z parametrov PCB vykazuje neprijateľné výsledky, bude PCB zlikvidovaný alebo zošrotovaný podľa štandardných firemných postupov. Fáza testovania je dôležitá, pretože určuje úspech alebo zlyhanie celého procesu PCBA.

Krok 7: Záverečné čistenie, dokončenie a odoslanie:

Now that the PCB has been tested in all aspects and declared normal, it is time to clean up unwanted residual flux, finger grime and oil. Vysokotlakové čistiace nástroje na báze nehrdzavejúcej ocele s použitím deionizovanej vody postačujú na čistenie všetkých typov nečistôt. Deionizovaná voda nepoškodzuje obvod DPS. Po umytí osušte DPS stlačeným vzduchom. Konečná doska plošných spojov je teraz pripravená na zabalenie a odoslanie.