了解PCB板组装工艺,感受PCB的绿色魅力

就现代技术而言,世界正在以非常快的速度发展,它的影响很容易在我们的日常生活中发挥作用。 我们的生活方式发生了巨大变化,这种技术进步催生了许多我们 10 年前甚至没有想到的先进设备。 这些设备的核心是电气工程,而核心是 印刷电路板 (印刷电路板)。

PCB通常是绿色的,是一个上面有各种电子元件的刚体。 这些组件在称为“PCB 组装”或 PCBA 的过程中焊接到 PCB。 PCB 由玻璃纤维制成的基板、构成迹线的铜层、构成组件的孔以及可以是内部和外部的层组成。 在RayPCB,我们可以为多层原型提供1-36层,为批量生产的多批次PCB提供1-10层。 对于单面和双面PCBS,有外层但没有内层。

印刷电路板

The substrate and components are insulated with solder film and held together with epoxy resin.焊接面罩可以是绿色、蓝色或红色,这在 PCB 颜色中很常见。 焊接面罩将允许组件避免与轨道或其他组件短路。

铜走线用于将电子信号从 PCB 上的一个点传输到另一个点。 这些信号可以是高速数字信号或离散模拟信号。 这些电线可以做得很粗,以便为组件电源提供电源/电源。

In most PCBS that provide high voltage or current, there is a separate grounding plane. 顶层组件通过“过孔”连接到内部 GND 平面或内部信号层。

组件组装在 PCB 上,使 PCB 能够按设计运行。 最重要的是PCB功能。 即使微小的 SMT 电阻没有正确放置,或者即使从 PCB 上切下小走线,PCB 也可能无法工作。 Therefore, it is important to assemble components in a proper way. 组装元件时的PCB称为PCBA或组装PCB。

根据客户或用户描述的规格,PCB 的功能可能复杂或简单。 PCB尺寸也根据要求而变化。

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

PCB层和设计

如上所述,外层之间有多个信号层。 现在我们将讨论外层和功能的类型。

了解PCB板组装工艺,感受PCBD的绿色魅力

1 – 基板:这是一块由 FR-4 材料制成的刚性板,部件在其上“填充”或焊接。 这为 PCB 提供了刚性。

2-铜层:在PCB的顶部和底部涂上薄铜箔,以制作顶部和底部的铜迹。

3- 焊接面罩:应用于PCB的顶层和底层。 This is used to create non-conducting areas of the PCB and insulate the copper traces from each other to protect against short circuits. 焊接面罩还可以避免焊接不需要的部分,并确保焊料进入焊接区域,例如孔和焊盘。 这些孔将 THT 组件连接到 PCB,而 PAD 用于固定 SMT 组件。

4-屏幕:我们在PCBS上看到的元件代码的白色标签,如R1、C1或PCBS上的一些说明或公司标志,都是由屏幕层组成的。 屏蔽层提供有关 PCB 的重要信息。

PCBS按基板分类有3种

1- Rigid PCB:

PCB是我们在各类PCB中看到的大部分PCB器件。 这些是坚硬、刚性和坚固的 PCBS,具有不同的厚度。 主要材料是玻璃纤维或简单的“FR4”。 FR4 代表“阻燃剂-4”。 FR-4 的自熄特性使其适用于许多硬核工业电子设备的使用。 FR-4 的两面都有薄薄的铜箔层,也称为覆铜板。 Fr-4覆铜板主要用于功率放大器、开关电源、伺服电机驱动器等。 另一方面,家用电器和IT产品中常用的另一种刚性PCB基板称为纸酚醛PCB。 它们重量轻、密度低、便宜且易于冲压。 计算器、键盘和鼠标是它的一些应用。

2- 柔性印刷电路板:

由 Kapton 等基板材料制成的柔性 PCBS 可承受非常高的温度,同时厚度可达 0.005 英寸。 它可以轻松弯曲并用于可穿戴电子产品、液晶显示器或笔记本电脑、键盘和相机等的连接器。

三金属芯PCB:

此外,还可以使用另一种 PCB 基板,如铝,这对于冷却非常有效。这些类型的 PCBS 可用于需要热元件的应用,例如高功率 LED、激光二极管等。

Installation technology type:

SMT:SMT 代表“表面贴装技术”。 SMT 元件尺寸非常小,有多种封装,例如用于电阻和电容器的 0402,0603 1608。 同样,对于集成电路 ics,我们有 SOIC、TSSOP、QFP 和 BGA。

SMT 组装对于人手来说非常困难,并且可能是一个时间处理过程,因此主要由自动拾取和放置机器人完成。

THT:THT 代表通孔技术。 带有引线和导线的元件,如电阻器、电容器、电感器、PDIP ic、变压器、晶体管、IGBT、MOSFET 等。

元件必须插入一个元件上的 PCB 的一侧,并由另一侧的支腿拉动,切割支腿并焊接。 THT 组装通常通过手工焊接完成,相对容易。

装配工艺先决条件:

在实际的 PCB 制造和 PCB 组装过程之前,制造商会检查 PCB 中是否存在可能导致故障的任何缺陷或错误。 此过程称为制造设计 (DFM) 过程。 制造商必须执行这些基本的 DFM 步骤以确保 PCB 完美无瑕。

1- 元件布局注意事项:必须检查通孔是否有极性元件。 Like electrolytic capacitors must be checked polarity, diode anode and cathode polarity check, SMT tantalum capacitor polarity check. 必须检查 IC 槽口/头部方向。

需要散热片的元件应该有足够的空间来容纳其他元件,这样散热片就不会接触到。

2孔和通孔间距:

应检查孔之间以及孔与迹线之间的间距。 焊盘和通孔不能重叠。

3- 应考虑钎焊垫、厚度、线宽。

通过执行 DFM 检查,制造商可以通过减少废板数量来轻松降低制造成本。 这将有助于通过避免 DFM 级别故障来快速转向。 At RayPCB, we provide DFM and DFT inspection in circuit assembly and prototyping. 在RayPCB,我们使用最先进的OEM设备提供PCB OEM服务、波峰焊、PCB卡测试和SMT组装。

PCB组装(PCBA)分步过程:

步骤 1:使用模板涂抹焊膏

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. 模板和 PCB 由机械夹具固定在一起,焊膏通过涂抹器均匀涂抹在电路板上的所有开口上。 用涂抹器均匀涂抹焊膏。 因此,必须在涂抹器中使用适当的焊膏。 移除涂抹器后,焊膏将保留在 PCB 的所需区域。 灰色焊膏 96.5% 由锡制成,含 3% 银和 0.5% 铜,无铅。 在步骤 3 中加热后,焊膏会熔化并形成牢固的结合。

Step 2: Automatic placement of components:

PCBA的第二步是自动将SMT元件放置在PCB上。 这是通过使用拾放机器人来完成的。 在设计层面,设计师创建一个文件并将其提供给自动化机器人。 该文件具有 PCB 中使用的每个组件的预编程 X、Y 坐标,并标识所有组件的位置。 使用这些信息,机器人只需将 SMD 器件准确地放置在板上。 拾放机器人将从其真空夹具中拾取元件并将它们准确地放置在焊膏上。

在机器人拾取和贴片机出现之前,技术人员会使用镊子拾取元件,并通过仔细查看位置并避免任何握手来将它们放置在 PCB 上。 This results in high levels of fatigue and poor vision for technicians, and leads to a slow PCB assembly process for SMT parts. 所以出错的可能性很大。

随着技术的成熟,拾取和放置元件的自动化机器人减少了技术人员的工作量,实现了快速准确的元件放置。 这些机器人可以 24/7 全天候工作而不会感到疲劳。

第 3 步:回流焊

设置元件并涂抹焊膏后的第三步是回流焊接。 回流焊是将 PCB 放置在带有元件的传送带上的过程。 The conveyor then moves the PCB and components into a large oven, which produces a temperature of 250 o C. 温度足以熔化焊料。 然后熔化的焊料将元件固定在 PCB 上并形成接头。 PCB经过高温处理后进入冷却器。 然后这些冷却器以受控方式固化焊点。 这将在 SMT 组件和 PCB 之间建立永久连接。 在双面PCB的情况下,如上所述,具有较少或较小元件的PCB一侧将首先从步骤1到3进行处理,然后再处理另一侧。

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第四步:质量检验和检验

回流焊接后,由于PCB托盘中的某些不正确移动,可能导致元件未对准,这可能导致短路或开路连接。 These defects need to be identified, and this identification process is called inspection. 检查可以是手动的,也可以是自动的。

A. 人工检查:

Because the PCB has small SMT components, visual inspection of the board for any misalignment or malfunction can cause technician fatigue and eye strain. 因此,由于结果不准确,这种方法对于高级 SMT 板是不可行的。 然而,这种方法对于具有 THT 组件和较低组件密度的板是可行的。

B. 光学检测:

这种方法对于大量PCBS是可行的。 该方法使用具有以不同角度安装的高功率和高分辨率相机的自动化机器,以从各个方向观察焊点。 根据焊点的质量,光线会以不同的角度从焊点反射。 这种自动光学检测 (AOI) 机器速度非常快,可以在很短的时间内处理大量 PCBS。

CX——射线检测:

X 光机允许技术人员扫描 PCB 以查看内部缺陷。 这不是一种常见的检查方法,仅用于复杂和高级的 PCBS。 如果使用不当,这些检查方法可能会导致返工或 PCB 报废。 需要定期进行检查以避免延误、人工和材料成本。

第五步:THT组件固定和焊接

通孔元件在许多 PCB 板上很常见。 These components are also called plated through holes (PTH). 这些元件的引线将穿过 PCB 上的孔。 这些孔通过铜线与其他孔和通孔相连。 当这些 THT 元件插入并焊接到这些孔中时,它们与设计电路的同一 PCB 上的其他孔电气连接。 这些PCBS可能包含一些THT元件和许多SMD元件,因此在回流焊等SMT元件的情况下,上述焊接方法不适用于THT元件。 所以焊接或组装的两种主要类型的 THT 组件是

A. 手工焊接:

手动焊接方法很常见,而且通常比 SMT 的自动设置需要更多时间。 通常指派一名技术人员一次插入一个组件,然后将电路板传递给其他技术人员,以便在同一电路板上插入另一个组件。 因此,电路板将围绕装配线移动,以使 PTH 元件填充在其上。 这使得过程变得冗长,许多 PCB 设计和制造公司避免在其电路设计中使用 PTH 组件。 但 PTH 组件仍然是大多数电路设计人员最喜欢和最常用的组件。

B. 波峰焊:

手动焊接的自动化版本是波峰焊。 在这种方法中,一旦将 PTH 元件放置在 PCB 上,PCB 就会被放置在传送带上并移动到专用烤箱中。 在这里,熔化的焊料波溅入有元件引线的 PCB 基板上。 这将立即焊接所有引脚。 但是,这种方法仅适用于单面 PCBS 而不适用于双面 PCBS,因为 PCB 一侧的熔化焊料会损坏另一侧的元件。 在此之后,移动 PCB 进行最终检查。

第 6 步:最终检查和功能测试

PCB 现在已准备好进行测试和检查。 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

该测试用于检查 PCB 的功能和电气特性,并验证 PCB 要求中描述的电流、电压、模拟和数字信号以及电路设计

如果 PCB 的任何参数显示不可接受的结果,PCB 将根据标准公司程序被丢弃或报废。 测试阶段很重要,因为它决定了整个PCBA工艺的成败。

第 7 步:最终清洁、整理和运输:

现在 PCB 已经在各个方面进行了测试并宣布正常,现在是清理不需要的残留助焊剂、手指污垢和油污的时候了。 使用去离子水的不锈钢高压清洁工具足以清洁所有类型的污垢。 去离子水不会损坏PCB电路。 清洗后,用压缩空气吹干 PCB。 最终的 PCB 现在已准备好进行包装和运输。