IoT创业：电子硬件产品制造指南- PCBA 制造指南

Posted 2021-06-18 简一商业

卫 Sir 在制造指南系列的第一篇文章中详细介绍了供应链采购的相关信息，今天主要谈谈 PCBA 的制造过程。

 

把电子元器件焊接在印制电路板「PCB」（ printed circuit board ）上就形成了「PCBA」（ printed circuit board assembly ）。

 

换句话说，PCBA 是指 PCB 空板经过 SMT 生产工艺，实现焊接的工艺过程。

 

 

PCB 是定制元件，你需要向 PCB 厂订购，工厂会根据研发提供的文件进行生产。

 

把电子元器件组装焊接到这些板子上的过程称为 PCB 组装，PCB 组装有几个目标：

 

• 所有元件位置正确，方向正确；

   

• 每个元件的针脚被完全焊接到指定的焊盘上；

   

• 不存在容易引起问题的多余焊锡；

   

• 不存在其他多余物，比如，制造中使用的溶剂或助焊剂，这些东西很容易引起问题，可能让不该导通的地方导通或造成腐蚀等。

   

   

PCB 组装几乎完全是自动化的，组装线的一端送进 PCB 和电子元件，组装好的电路板从另一端出来，整个过程几乎不需要人工干预。

 

 

组装过程的第一步是给 PCB 涂焊膏。

 

 

# 1 - 涂焊膏

 

焊锡是一种金属合金，用于电气上和机械上把金属部件焊接在一起。

 

借助焊锡可以把电子元件针脚和 PCB 金属焊盘牢牢地焊接在一起，同时保证有良好的导电性。

 

焊膏是超细焊锡粉和液态助焊剂混合而成的黏稠物，助焊剂用来清理金属表面的腐蚀物和污物，以便形成良好的焊点。

 

PCB 组装过程的第一步是在 PCB 的正确位置上涂适量焊膏，这道工序要用到焊锡模板，也称为钢网，而模板需要根据设计的 PCB 进行定制。

 

焊锡模板是薄薄的金属片，有许多孔洞，焊膏通过这些孔洞涂到板子上。

 

 

模板精准地贴合到电路板上，刮刀均匀地将焊膏涂抹到模板上，然后移走模板并做清理，这样就在电路板的正确位置上涂上了适量焊膏。

 

至此，焊膏已经涂好，接下来需要在电路板上安装电子元件。

 

 

# 2 - 安装元件

 

接下来的步骤是把每个电子元件安装到 PCB 合适的位置上，这项工作通常由贴片机完成。

 

待安装的元件通常由带盘提供，载带的每个凸起的小容器里都有一个元件，每个容器都用盖带密封着，等到贴装元件时盖带才会被除去。

 

带盘上电阻：

 

 

贴片机不光要求提供的元件正确，还需要清楚各个元件贴装的位置。

 

这通常要借助 CAD 数据和物料清单实现，后者也是由 PCB 设计软件自动生成的。

 

管状包装和托盘包装通常没有带盘那样顺滑，具体取决于特定的贴装方式。

 

若选用管状包装或托盘包装，最好提前与负责生产产品的工作人员一起研究是否合适。

 

管状包装和托盘包装：

 

 

贴装元件时，贴片机先确定 PCB 的位置，然后使用小吸盘拾取元件，把元件安放到 PCB 指定的位置后释放吸盘。

 

元件下方的焊膏充当黏合剂把元件临时固定在原位，后面通过回流焊让焊膏固结。

 

在某些情况下，如果焊膏不足以固定住元件，贴片机可能会放点黏合剂固定元件。

 

贴片机速度快，动作精确，每分钟最快可以贴装几百个元件，但是这么快的速度也意味着你要付出一些代价。

 

1）第一个问题：贴片机仅适用于表面贴装器件，不适合尺寸较大的穿孔式元件。

 

穿孔式元件通常是手工安放和焊接的，这比自动的表面贴装器件工艺成本高。

 

把穿孔式元件换成表面贴装器件中等效的元件通常不会有什么大问题，但是这需要在 PCB 设计过程中提前考虑到。

 

2）第二个问题：在贴片机工作之前必须把所有带盘（或者塑料管、托盘）装载到贴片机中，这需要时间。

 

不管你要组装的电路板是 1 个还是 1000 个，安装时间都一样，所以几次大批量组装要胜过多次小批量组装。

 

3）第三个问题：贴片机可以安装的带盘数量是有限的，从 20 个到 100 多个不等，具体数量取决于贴片机的型号。

 

如果你需要的元件种类超过了贴片机所支持的最大带盘数，那么你必须让电路板多次通过贴片机，以便安装好所有元件。

 

为了解决这个问题，最好的办法是在产品设计与开发中多使用相同元件，以此减少所需要的元件种类。

 

比如，你可以试着对几个电阻的阻值和大小进行标准化，通过这些电阻的并联或串联来得到所需要的各种阻值。

 

4）第四个问题：你有时只能以带盘为单位购买元件，而可能只需用到其中一小部分，即使这样你也要购买一整盘元件。

 

一般来说，一个带盘所装载的元件数量从几百个到几千个不等。一整盘电阻可能有 5000 个，但是由于电阻很便宜，每个电阻只需要几分钱，开销并不大。

 

但是一个装载有 500 个 GPS 芯片的带盘，如果每个 GPS 芯片按 45 元计算，购买整个带盘差不多要花 22500 元。

 

即使你只用其中的 100 个，也必须花 22500 元买下整个带盘。

 

这样算下来，平均每个 GPS 芯片就是 225 元了。

 

针对上述问题，元件经销商提供了一种变通方法，他们可以根据需要的元件数从带盘上切一部分卖出，或者专门为制作一个小带盘。

 

对于管状包装或托盘包装的芯片，其购买数量是可以指定的，但是并非所有贴片机都满足这样的条件。

 

 

# 3 - 回流焊

 

回流焊的作用是把焊膏固化成焊点，从而把元件焊接在 PCB 上。

 

其中，包含对 PCB 加热以及其他两个步骤：

 

• 使助焊剂起效，做好清理工作，然后蒸发掉；

   

• 熔化底层焊膏，然后冷却，使之凝固成块，把元件引脚焊接到焊盘上。

   

这个过程不是简单地把电路板加热到特定温度再冷却，实操起来要复杂得多。

加热与冷却的过程中要做到：

 

• 元件加热和冷却不可过快，温度冲击会导致失败；

   

• 高温时，助焊剂有足够的时间做清理，然后蒸发；

   

• 热量有充足的时间渗透到整个电路板表面，让整个电路板达到指定温度。如果热量未能充分渗透到电路板，电路板上的某些元件可能无法获得足够热量以产生良好的焊点。

   

   

回流焊期间温度随时间的变化关系：

 

 

回流焊用的是回流焊炉，回流焊炉是可编程的，它会根据所使用的焊膏类型和其他因素设定相应的温度曲线。

 

除了可编程，回流焊炉还必须确保对每个电路板均匀加热。一般加热采用的是高温气体（空气或氮气），也可以使用其他方法。

 

在实际生产环境中，回流焊炉尺寸多样，主要取决于产量，小批量生产所用的回流焊炉很小，像一台微波炉；

 

用于大批量生产的大型回流焊炉拥有持续的生产能力。

 

大型流水式回流焊炉，顶盖处于打开状态：

 

 

大型商用回流焊炉能够连续不断地对电路板做回流焊接，电路板通过传送带源源不断地输送到回流焊炉。

 

这种回流焊炉拥有多个区域，并且这些区域可以独立设置温度，从回流焊温度曲线中可以看出这一点。

 

在顶盖之下，可以看到风扇后端向外凸出，这些风扇会吹动空气，使相应温度区域中的温度保持均匀。

 

当电路板从回流焊炉中出来，电路板上就会出现成百上千个新的焊点。

 

• 这些焊点都是好的吗？

   

• 所有元件都准确地焊接到指定位置上了吗？

 

有时未必那么幸运，最好检查一下，这就是接下来要做的事情。

 

 

# 4 - 光学检测 AOI

 

当所有元件都焊接完成后，电路板就放到自动光学检测机「AOI」（ automatedoptical inspection ）中。

 

检查电路板上各个元件焊接得是否合适以及焊接位置是否正确。

 

经过这道工序，所有位置或方向不对的元件都会被检查出来，可以手工修正或者直接报废。

 

例如，在下图中，可以看到 AOI 的检测结果呈现在操作员面前的屏幕上，AOI 发现一个元件与上一个电路板有所不同，将其放大显示。

 

然后请技术人员检查并回答这个问题：是元件的安装方式有问题，还是特意修改的？

 

AOI 的结果呈现在屏幕上：

 

 

这次检测出的“异常”是正常的：

 

所标记的元件（电阻网络）是由多家供应商生产的，这一次生产启用了一家新的供应商。

 

标出的问题是在这个元件上印制“103”时所采用的字体与之前 AOI 看到的有所不同。

 

如果让 AOI 记住这种新样式的“103”，在以后进行的 PCBA 中，这个元件就不会因为同样的原因而被标记出来了。

 

虽然这不是什么大问题，但有时这些小问题会使生产中止，AOI 操作员需要与设计和开发部门的负责人进行沟通，确认一切正常之后，才能继续生产。

 

在有些情况下，一些不太负责的 AOI 操作员在遇到问题时不会与相关人员沟通，他们觉得这些问题无足轻重，而实际上这些问题可能非常严重，最终会导致生产出一大批劣质电路板。

 

在产品生产中，每个细节都至关重要，生产无小事。

 

当然，对带有不可见焊接触点的元件做检查可能会很难。

 

最难检查的是采用球栅阵列「BGA」（ ball grid array ）封装的芯片，这种芯片中不可见的焊接触点数超过 1000 个。

 

小型 BGA 的底视图：

 

 

中型 BGA 元件的 PCB 封装，拥有几百个焊球，当这些焊点位于正方形板之下时（BGA 封装），其检查难度可想而知。

 

中型 BGA 封装：

 

 

可以使用专门定制的 2D 和 3D X 射线系统来检查这些不可见的焊点。

 

下图粗箭头所指的锡桥把两个触点意外地焊接在了一起，对于存在这种问题的电路板，要么手工修正，要么报废。

 

BGA 在 X 射线下的部分影像：

 

 

并不是所有工厂都有 X 射线系统，选择产品制造商时要注意确认这一点。

 

至此，通过自动化手段完成了 PCB 组装的大部分工作，并把这个过程中出现的所有瑕疵记了下来。

 

 

# 5 - 手工焊接/组装

 

多数情况下，某些电路板的组装工作只能靠手工完成，比如：

 

• 对 AOI 标记出的回流焊存在问题的元件进行修复；

   

• 电路板开始制造后需要修改设计，比如电路板的迹线可能被切断以及添加连线改变电路通路；

   

• 使用手工焊接那些不适合用回流焊焊接的元件，比如穿孔式元件以及电池等对温度敏感的元件；

   

在 PCBA 上手工组装机械元件：

 

 

手工组装要比机器组装成本高，因而设计师和开发者总是想方设法减少产品制造中需要使用人工进行组装的元件数量。

 

即便如此，在 PCB 组装中，有些手工作业还是无法避免的。

 

比如，供终端用户使用的连接器（如 USB 连接器）常常是穿孔式的，而非表面贴装器件，穿孔式连接器更经久耐用，磨损后从电路板脱落的风险也更小。

 

至此，已经把电路板全部组装好了，如果后面测试中发现问题，就需要返厂修正。

 

在接下来的两道工序（清理和切割）中，你需要为把 PCBA 组装成产品做准备。

 

 

# 6 - 清理

 

功能良好的 PCBA 必须是干净的，做完 PCBA 后，最好对其进行清理，以便移除那些回流焊过程中未烧掉的助焊剂。

 

残留在电路板上的助焊剂可能会产生腐蚀，不必要的电路通路可能会损害整个电路的可靠性和性能。

 

有些助焊剂是“免清理”的，即便残留在电路板上也不会产生腐蚀，当然也不会导电。

 

尽管如此，最好还是要进行清理，因为它们仍可能对高敏感与高速电路产生不良影响。

 

 

# 7 - 切割

 

在产品制造中，把多个电路板放在一整个板子上进行制造和组装通常是最经济的做法，也称为拼板，组装好之后，再把它们切割成一个个单独的板子。

 

每个板子上电路板的数量取决于 PCB 制造商和装配商所支持的尺寸、每个 PCB 的尺寸以及其他一些因素。

 

比如一块 18×24 的板子最多能容纳 20 个 2.5×5 的 PCB。

 

下图展示的是一块板子上有 5 个 PCB。每个电路板之间都有一条切割线，并且每个电路板的转角上都有开口，方便之后进行切割。

 

 

• V-cut 分板包括一条在电路板上特定位置切割好的浅浅的 V 型分割线，方便后续工序将电路板按分割线裁切开。

   

• 曲线分板则使用工具在电路板上进行任意形状的切割。

   

切割之后得到的一块单独的 PCB：

 

 

PCB 组装通常是在一整块板子上进行的（包含多个 PCB）。

 

一般是在测试之前，使用切割工具或者采用手工分离（这种方式会让电路板和元件受到更大压力）把单独的 PCB 切割出来。

 

切割工具可以用很多种方式分离电路板，包括锯切、曲线切割、镭射（激光）切割、用特制的装置打孔切割等。

 

拼板和切割的方式使得分离出来的 PCB 单板的边缘各不相同，设计师和开发者需要注意。

 

在切割工序中，做切割或分离时，PCB 边缘会承受一些应力和应变，附近可能出现机械变形。

 

为了解决这个问题，你需要在电路板边缘和迹线/焊盘之间留出至少 50 密耳的空隙，在电路板边缘和元件之间留出至少 100 密耳的空隙。

 

在分板时是使用 V-cut 分板还是曲线分板，要认真权衡：

 

使用曲线分板能够产生平滑边缘，而 V-cut 分板产生的电路板边缘比较粗糙，但这通常只在终端用户能看得到电路板的情况下才是问题，比如这款产品需要用户将电路板接连到连接器上；

 

曲线分板要求电路板之间的间隔更大，以便放入切割工具；

 

采用曲线分板时，电路板可能会发生明显的弯曲，这会对 PCB 组装产生不良影响。

 

为防止出现这些问题，最重要的是设计 PCB 时要与装配工密切合作，因为他们对自己的设备非常了解。

 

至此，PCBA 已经完成，接下来就要进行测试了，检查它们能否如预期那样正常工作。

 

作者：卫Sir，公众号：简一商业

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