PCB組裝（PCBA）：4個(gè)步驟和所需的相關(guān)機(jī)器

發(fā)布時(shí)間2022-04-07 20:01:00

對(duì)于大部分電子工程師來說，焊樣板都是噩夢一樣的存在。說焊樣板是這樣的一個(gè)過程：膽大心細(xì)身體好，一不小心冒煙了。大家還是有同感的吧。關(guān)鍵這活兒，還必須得自己干，不然BOM的錯(cuò)誤發(fā)現(xiàn)不了。

之前PCBA樣板加工，大部分是手工焊接，這個(gè)對(duì)經(jīng)驗(yàn)和焊接技能就是一個(gè)考驗(yàn)，同時(shí)手工焊接也是一種成本效益高的方法，可以節(jié)省往返通信/運(yùn)輸?shù)臅r(shí)間。但當(dāng)物料種類到幾十上百個(gè)，焊接樣板數(shù)量超過5塊，手工焊接就扛不住了，需要專業(yè)的機(jī)器組裝。還好目前的以嘉立創(chuàng)為龍頭的企業(yè)(捷配、華強(qiáng)等)，把PCB下單生產(chǎn)、SMT貼片和物料倉儲(chǔ)、等環(huán)節(jié)都打通的，給工程師帶來一定的便利。

所有的微小元件是如何用機(jī)器粘在PCB板上的？有時(shí)這對(duì)制造商、業(yè)余愛好者甚至工程師來說都是個(gè)問題。但事實(shí)上，PCBA的制造并沒有什么神奇之處，有時(shí)甚至連焊接都很無聊。深入了解PCB組裝技術(shù)，有助于工程師設(shè)計(jì)線路板，提高生產(chǎn)合格率。那么，讓我們深入研究一下PCB組裝過程。

今天我們就將介紹一些印刷電路板組裝所需的機(jī)器和相關(guān)材料/工具；在接下來的內(nèi)容中，我將解釋這些機(jī)器是如何工作的，以及相關(guān)的規(guī)格，以及在PCB板設(shè)計(jì)中應(yīng)該考慮什么，以提高生產(chǎn)合格率。
首先，在PCB組裝中，你會(huì)看到“SMT組裝”字樣，SMT是Surface Mounted Technology的縮寫，這意味著焊接所有表面貼裝組件在PCB上，有4個(gè)主要階段：

焊料粘貼
自動(dòng)元件放置
波峰焊
檢查

1：焊料粘貼階段

1.1焊膏

焊膏（或焊膏）是焊接的關(guān)鍵材料。作為維基百科，它是印刷電路板制造過程中使用的一種材料，用于將表面貼裝元件連接到板上的焊盤上”. 膏體最初是粘性的，加熱后貼在PCB板上的元件上（需要嚴(yán)格按照溫度曲線），它會(huì)融化，然后凝固，形成電氣連接。

1.2 PCB模板

印刷電路板模板是一塊鋼板(也稱鋼網(wǎng))，上面有很多孔。這些孔被激光切割，使焊膏流動(dòng)。

1.3錫膏印刷機(jī)

在粘貼過程中，我們需要確保模板孔對(duì)準(zhǔn)相應(yīng)的焊盤，然后刷上尖叫聲，以確保所有的焊盤都能貼上尖叫聲。當(dāng)然，你可以手工粘貼尖叫聲，但那不適用于數(shù)百塊板，這就是為什么需要一臺(tái)錫膏印刷機(jī)。

在圖中，我們使用全自動(dòng)錫膏印刷機(jī)，以確保錫膏在正確的位置上擦亮準(zhǔn)確。

2：自動(dòng)元件放置

印刷電路板上的焊料尖叫聲后，下一步是把電子元件放在裸板上。

2.1貼片機(jī)

貼片機(jī)是電路板裝配生產(chǎn)中的關(guān)鍵設(shè)備，它決定著產(chǎn)品的質(zhì)量和速度，也決定了產(chǎn)品的最大生產(chǎn)能力。基本上，它是用來“拾取組件，并將其放置到正確的位置”。

工程師將首先在機(jī)器的特殊位置安裝所需的所有組件，如電阻/電容器/集成電路/連接器等，然后對(duì)貼片機(jī)進(jìn)行編程，告訴它“嘿，把這個(gè)電阻/電容器放在這里”。

對(duì)于一個(gè)貼片機(jī)的關(guān)鍵規(guī)格是它能有多精確。在圖中，我們使用的貼片機(jī)是SM481-PIUS，它可以處理電阻/電容器0201封裝和0.3mm的BGA IC。

2.2真空壓縮機(jī)

貼片機(jī)與真空壓縮機(jī)一起工作，它通過一個(gè)微小的噴嘴來拉動(dòng)部件的后部，因此通常，您會(huì)看到機(jī)器中有幾十個(gè)噴嘴。

對(duì)于PCBA原型/小批量組裝來說，時(shí)間成本最高的工序是元器件的安裝/編程和調(diào)試，這就是為什么一個(gè)項(xiàng)目有啟動(dòng)費(fèi)，而單位焊接費(fèi)從10個(gè)減少到50個(gè)的原因。

2.3加膠機(jī)

有時(shí)，PCB的兩邊都有元件，當(dāng)一邊焊接時(shí)，另一邊的元件可能會(huì)脫落，特別是元件較重或較大時(shí)。加膠機(jī)將膠水涂在PCB板上，使元器件牢固地坐在PCB板上。這對(duì)波峰焊很重要，在波峰焊中，焊波的力可能會(huì)使較大的元件移位，或者對(duì)于雙面波峰焊或回流焊，以防止元件脫落。

3：回流焊

3.1回流焊爐

通常，對(duì)于表面貼裝元件，使用回流焊。將元件放在裸板上后，用這臺(tái)名為“回流焊爐”的機(jī)器加熱。

將放置元件的PCB板從一端放入機(jī)器，在雙軌傳送帶上，新放置元件的電路板通過回流焊爐的熱區(qū)和冷區(qū)（大部分SMT工廠是10個(gè)區(qū)），精確控制焊料的熔化和冷卻，以填充焊點(diǎn)，焊膏熔化后變硬，形成電連接。當(dāng)PCBA板到達(dá)另一端時(shí)，連接變得牢固。

電路板從機(jī)器里出來時(shí)很熱，所以需要手套來拿。

3.2回流焊溫度曲線

與回流焊相關(guān)的溫度曲線是確保零件正確連接的最重要參數(shù)。與再流焊溫度曲線相關(guān)的主要溫度變化可分為四個(gè)階段/區(qū)域（如下所示，以及隨后的圖片）。

預(yù)熱
恒定加熱
高溫焊接
冷卻

3.2.1 預(yù)熱

預(yù)熱區(qū)是為了揮發(fā)焊膏中較低的熔化溶劑。預(yù)熱區(qū)需要揮發(fā)溶劑，但必須控制升溫斜率。

3.2.2 恒定加熱

恒溫區(qū)的設(shè)置主要控制在錫膏供應(yīng)商的參數(shù)和PCB的熱容量內(nèi)。在這一階段，印刷電路板達(dá)到一個(gè)均勻的溫度，焊膏中的焊劑開始積極反應(yīng)，從而增加了潤濕性。

3.2.3 高溫焊接

在這一區(qū)域，發(fā)生完全熔化和潤濕反應(yīng)。該過程的這一部分也需要小心控制，以使溫度上升和下降的斜率不會(huì)使部件受到熱沖擊。該區(qū)的理想溫度和時(shí)間一般為220～260度，30s～60s。

3.2.4 冷卻

在冷卻過程中，溫度下降，焊料尖叫聲再次凝固。它對(duì)焊縫的最終結(jié)果起著關(guān)鍵作用。過慢的冷卻會(huì)使部件升高、焊點(diǎn)變暗或焊點(diǎn)不均勻，而快速冷卻會(huì)對(duì)部件造成熱沖擊。

溫度曲線的設(shè)置對(duì)于經(jīng)驗(yàn)豐富的SMT工程師來說是最重要的，有許多因素需要考慮，這取決于PCBA和組件，包括：

組件所能承受的最高溫度。例如，如果板上有ws2812，Makerfabs建議不超過220度，正如我們的建議：為什么WS2812 SK6812 SMT焊后出現(xiàn)故障 .
使用的焊膏。不同的面霜可能需要不同的溫度曲線。
組件最大尺寸/最大Pin腳數(shù)。例如，如果他們是一個(gè)大功率感應(yīng)器，溫度需要更高，以確保錫膏完全融化。
PCB溫度規(guī)格
......

非常粗糙的溫度是：

區(qū)域	鉛（Sn63 Pb37）	無鉛（SAC305）
預(yù)熱	在60秒內(nèi)達(dá)到150°C	60秒內(nèi)達(dá)到150°C
浸泡	在120秒內(nèi)從150°C到165°C	在120秒內(nèi)從150°C到180°C
回流焊	峰值溫度225°C至235°C，保持20秒	峰值溫度245°C至255°C，保持15s
冷卻	-4°C/s或自由風(fēng)冷	-4°C/s或自由風(fēng)冷