之前PCBA样板加工,大部分是手工焊接,这个对经验和焊接技能就是一个考验,同时手工焊接也是一种成本效益高的方法,可以节省往返通信/运输的时间。但当物料种类到几十上百个,焊接样板数量超过5块,手工焊接就扛不住了,需要专业的机器组装。还好目前的以嘉立创为龙头的企业(捷配、华强等),把PCB下单生产、SMT贴片和物料仓储、等环节都打通的,给工程师带来一定的便利。
所有的微小元件是如何用机器粘在PCB板上的?有时这对制造商、业余爱好者甚至工程师来说都是个问题。但事实上,PCBA的制造并没有什么神奇之处,有时甚至连焊接都很无聊。深入了解PCB组装技术,有助于工程师设计线路板,提高生产合格率。那么,让我们深入研究一下PCB组装过程。
今天我们就将介绍一些印刷电路板组装所需的机器和相关材料/工具;在接下来的内容中,我将解释这些机器是如何工作的,以及相关的规格,以及在PCB板设计中应该考虑什么,以提高生产合格率。
首先,在PCB组装中,你会看到“SMT组装”字样,SMT是Surface Mounted Technology的缩写,这意味着焊接所有表面贴装组件在PCB上,有4个主要阶段:
焊料粘贴
自动元件放置
波峰焊
检查
1: 焊料粘贴阶段
1.1焊膏
焊膏(或焊膏)是焊接的关键材料。作为维基百科,它是印刷电路板制造过程中使用的一种材料,用于将表面贴装元件连接到板上的焊盘上”. 膏体最初是粘性的,加热后贴在PCB板上的元件上(需要严格按照温度曲线),它会融化,然后凝固,形成电气连接。
1.2 PCB模板
印刷电路板模板是一块钢板(也称钢网),上面有很多孔。这些孔被激光切割,使焊膏流动。
1.3锡膏印刷机
在粘贴过程中,我们需要确保模板孔对准相应的焊盘,然后刷上尖叫声,以确保所有的焊盘都能贴上尖叫声。当然,你可以手工粘贴尖叫声,但那不适用于数百块板,这就是为什么需要一台锡膏印刷机。
在图中,我们使用全自动锡膏印刷机,以确保锡膏在正确的位置上擦亮准确。
2: 自动元件放置
印刷电路板上的焊料尖叫声后,下一步是把电子元件放在裸板上。
2.1贴片机
贴片机是电路板装配生产中的关键设备,它决定着产品的质量和速度,也决定了产品的最大生产能力。基本上,它是用来“拾取组件,并将其放置到正确的位置”。
工程师将首先在机器的特殊位置安装所需的所有组件,如电阻/电容器/集成电路/连接器等,然后对贴片机进行编程,告诉它“嘿,把这个电阻/电容器放在这里”。
对于一个贴片机的关键规格是它能有多精确。在图中,我们使用的贴片机是SM481-PIUS,它可以处理电阻/电容器0201封装和0.3mm的BGA IC。
2.2真空压缩机
贴片机与真空压缩机一起工作,它通过一个微小的喷嘴来拉动部件的后部,因此通常,您会看到机器中有几十个喷嘴。
对于PCBA原型/小批量组装来说,时间成本最高的工序是元器件的安装/编程和调试,这就是为什么一个项目有启动费,而单位焊接费从10个减少到50个的原因。
2.3加胶机
有时,PCB的两边都有元件,当一边焊接时,另一边的元件可能会脱落,特别是元件较重或较大时。加胶机将胶水涂在PCB板上,使元器件牢固地坐在PCB板上。这对波峰焊很重要,在波峰焊中,焊波的力可能会使较大的元件移位,或者对于双面波峰焊或回流焊,以防止元件脱落。
3: 回流焊
3.1回流焊炉
通常,对于表面贴装元件,使用回流焊。将元件放在裸板上后,用这台名为“回流焊炉”的机器加热。
将放置元件的PCB板从一端放入机器,在双轨传送带上,新放置元件的电路板通过回流焊炉的热区和冷区(大部分SMT工厂是10个区),精确控制焊料的熔化和冷却,以填充焊点,焊膏熔化后变硬,形成电连接。当PCBA板到达另一端时,连接变得牢固。
电路板从机器里出来时很热,所以需要手套来拿。
3.2回流焊温度曲线
与回流焊相关的温度曲线是确保零件正确连接的最重要参数。与再流焊温度曲线相关的主要温度变化可分为四个阶段/区域(如下所示,以及随后的图片)。
预热
恒定加热
高温焊接
冷却
3.2.1 预热
预热区是为了挥发焊膏中较低的熔化溶剂。预热区需要挥发溶剂,但必须控制升温斜率。
3.2.2 恒定加热
恒温区的设置主要控制在锡膏供应商的参数和PCB的热容量内。在这一阶段,印刷电路板达到一个均匀的温度,焊膏中的焊剂开始积极反应,从而增加了润湿性。
3.2.3 高温焊接
在这一区域,发生完全熔化和润湿反应。该过程的这一部分也需要小心控制,以使温度上升和下降的斜率不会使部件受到热冲击。该区的理想温度和时间一般为220~260度,30s~60s。
3.2.4 冷却
在冷却过程中,温度下降,焊料尖叫声再次凝固。它对焊缝的最终结果起着关键作用。过慢的冷却会使部件升高、焊点变暗或焊点不均匀,而快速冷却会对部件造成热冲击。
温度曲线的设置对于经验丰富的SMT工程师来说是最重要的,有许多因素需要考虑,这取决于PCBA和组件,包括:
组件所能承受的最高温度。例如,如果板上有ws2812,Makerfabs建议不超过220度,正如我们的建议:为什么WS2812 SK6812 SMT焊后出现故障 .
使用的焊膏。不同的面霜可能需要不同的温度曲线。
组件最大尺寸/最大Pin脚数。例如,如果他们是一个大功率感应器,温度需要更高,以确保锡膏完全融化。
PCB温度规格
......
非常粗糙的温度是:
4: 检验和测试
4.1 AOI(自动光学检测)
在那里,你不能保证所有的组件都是焊接好的,因为许多原因,例如组件丢失/提升/冷连接…AOI被用来检测这些常见的问题。
AOI机器使用光学方法来检测缺陷,它使用高清晰度摄像机捕捉电路板的表面并建立其图像以进行分析。然后将捕获的图像与正确参考板的图像进行比较,以识别各种缺陷,包括不正确的组件、丢失的组件、冷连接等。
4.2编程工具
对于功能测试,尤其是控制器板,需要一些编程工具或者烧录/烧写工具,如Jlink/离线下载器等工具。
作为生产的一个重要环节,掌握以下芯片的编程经验,并熟练使用编程工具和相关软件是有必要的。
PIC芯片
ATMEL系列
ARM系列
Arduino引导程序和草图
FPGA
MicroPython和Circuit Python相关
STM系列
ESP/ESP32系列
4.3测试夹具
功能测试是关键的一步,以确保最终的PCBA板按预期工作。虽然像焊锡桥或墓碑这样的物理缺陷使PCBA“应该工作”,而功能测试则使电路板“准备就绪”。
作为一家PCB组装厂,很难甚至不可能知道客户的电路板应该如何工作。通常需要PCBA设计师将详细的测试步骤以及如何判断电路板是否正常工作。
对于用户来说,测试板的工厂测试通常是很有帮助的。
一个测试夹具是由许多针组成的,用来接触PCBA上的焊盘,因此测试人员可以对焊盘进行编程和测试,如果它们按预期工作的话。当然,固件/软件加载之前,使PCBA板工作。
4.4目检
是的,这是包装前的最后一步。完成所有机器步骤后,需要进行最基本/最简单的目视检查,以检查是否有任何疤痕/客户特殊需要,以及机器无法检查出的任何其他问题。