PCBA詳解及PCB設(shè)計(jì)基礎(chǔ)介紹

電子產(chǎn)品是我們?nèi)粘Ｉ钪胁豢苫蛉钡囊徊糠?。?a target="_blank">智能手機(jī)到汽車，一切都包括電子元件。這些電子產(chǎn)品的核心是印刷電路板，也稱為PCB。

大多數(shù)人在看到印刷電路板時(shí)都會(huì)識別它們。這些是用線條和銅部件覆蓋的小型綠色芯片，您可以在內(nèi)臟電子設(shè)備的核心找到它們。這些板由玻璃纖維，銅線和其他金屬部件制成，用環(huán)氧樹脂固定在一起，并用阻焊膜絕緣。這種焊接掩模是特征綠色的來源。

但是，您是否曾經(jīng)觀察過那些組件牢固粘在上面的電路板？永遠(yuǎn)不要將它們視為PCB板的裝飾。在組件安裝到其上之前，先進(jìn)的電路板將無法提供其功能。安裝有元件的PCB稱為組裝PCB，制造過程稱為PCB組件或簡稱PCBA。裸板上的銅線（稱為跡線）將連接器和組件彼此電連接。它們在這些功能之間運(yùn)行信號，允許電路板以特別設(shè)計(jì)的方式運(yùn)行。這些功能從簡單到復(fù)雜，但PCB的尺寸可能比縮略圖小。

那么這些設(shè)備究竟是如何制作的呢？ PCB組裝過程很簡單，包括幾個(gè)自動(dòng)和手動(dòng)步驟。隨著流程的每個(gè)步驟，板制造商都有手動(dòng)和自動(dòng)選項(xiàng)供您選擇。為了幫助您從頭到尾更好地理解PCBA過程，我們在下面詳細(xì)解釋了每個(gè)步驟。

PCB設(shè)計(jì)基礎(chǔ)

PCBA過程總是從PCB的最基本單元開始：底座由多個(gè)層組成，每個(gè)單元在最終PCB的功能中起著重要作用。這些交替層包括：
?基板：這是PCB的基礎(chǔ)材料。它為PCB提供了剛性。
?銅：在PCB的每個(gè)功能面上添加一層薄薄的導(dǎo)電銅箔 - 如果它是單面PCB，則在一側(cè)雙面如果是雙面PCB。這是銅跡線層。
?焊接掩模：銅層頂部是焊接掩模，為每個(gè)PCB提供特有的綠色。它使銅跡線與無意接觸其他導(dǎo)電材料絕緣，這可能導(dǎo)致短路。換句話說，焊料將所有東西都保留在原位。焊接掩模中的孔是施加焊料以將部件附接到板的地方。焊接掩模是平滑制造PCBA的關(guān)鍵步驟，因?yàn)樗梢员苊庠诓恍枰牟考习l(fā)生焊接，避免短路。
?絲網(wǎng)：白色絲網(wǎng)印刷是PCB板上的最后一層。該層以字符和符號的形式向PCB添加標(biāo)簽。這有助于指示電路板上每個(gè)元件的功能。

這些材料和元件在所有PCB上基本保持不變，但基板除外。 PCB的基板材料根據(jù)特定質(zhì)量（例如成本和可彎曲性）而變化 - 每個(gè)設(shè)計(jì)師都在尋找成品。

三種主要PCB類型包括：

?剛性PCB ：最常見的PCB基板類型是剛性的，占據(jù)了大部分PCBA 。剛性PCB的實(shí)心核心使板材具有剛性和厚度。這些不靈活的PCB基座由幾種不同的材料組成。最常見的是玻璃纖維，否則稱為“FR4”。較便宜的PCB采用環(huán)氧樹脂或酚醛樹脂等材料制成，盡管這些材料不如FR4耐用。
?柔性PCB ：柔性PCB比柔性PCB更柔韌。這些PCB的材料往往是像Kapton這樣的可彎曲的高溫塑料。
?金屬芯PCB ：這些電路板是典型FR4電路板的另一種替代品。這些板由金屬芯制成，比其他板更有效地散熱。這有助于散熱并保護(hù)更多對熱敏感的電路板組件。

有兩種類型的安裝技術(shù)在現(xiàn)代PCBA行業(yè)：
表面貼裝技術(shù)：敏感元件，一些非常小的元件，如電阻器或二極管，自動(dòng)放置在電路板表面。這稱為SMD組件，用于表面貼裝器件。表面貼裝技術(shù)可應(yīng)用于小尺寸元件和集成電路（IC）。例如，PCBCart能夠以min為單位安裝包裝。尺寸01005，甚至小于鉛筆尖的尺寸。
通孔技術(shù)：適用于帶有引線或電線的元件，必須通過將它們插入孔中而安裝在板上在船上。額外的引線部分必須焊接在電路板的另一側(cè)。該技術(shù)適用于包含大型元件的PCB組件，如電容器，線圈等組裝。

由于THT和SMT之間的區(qū)別，它們也必須經(jīng)歷不同的裝配過程。以下文章將討論P(yáng)CB之外的其他材料和設(shè)計(jì)考慮因素，因?yàn)樗鼈冞m用于與THT，SMT和混合技術(shù)相關(guān)的PCB組裝過程。

之前裝配過程

在真正的PCBA過程開始之前，必須進(jìn)行一些準(zhǔn)備步驟。這有助于PCB制造商評估PCB設(shè)計(jì)的功能，主要包括DFM檢查。

大多數(shù)專門從事PCB組裝的公司需要開始使用PCB的設(shè)計(jì)文件以及其他任何公司設(shè)計(jì)說明和具體要求。這是因?yàn)镻CB組裝公司可以檢查PCB文件是否存在可能影響PCB功能或可制造性的任何問題。這是一種可制造性檢查或DFM檢查的設(shè)計(jì)。

DFM檢查查看PCB的所有設(shè)計(jì)規(guī)格。具體而言，此檢查會(huì)查找任何缺失，冗余或可能存在問題的功能。任何這些問題都可能嚴(yán)重影響最終項(xiàng)目的功能。例如，一個(gè)常見的PCB設(shè)計(jì)缺陷是在PCB組件之間留下太小的間距。這可能導(dǎo)致短路和其他故障。

通過在制造開始之前識別潛在問題，DFM檢查可以降低制造成本并消除不可預(yù)見的費(fèi)用。這是因?yàn)檫@些檢查減少了報(bào)廢板的數(shù)量。作為我們對低成本質(zhì)量承諾的一部分，DFM檢查是每個(gè)PCBCart項(xiàng)目訂單的標(biāo)準(zhǔn)配置。 PCBCart提供免費(fèi)的DFM和DFA檢查，但價(jià)值無價(jià)值，因?yàn)閂alor DFM/DFA檢查PCBCart取決于是一個(gè)有助于提高速度和精度的自動(dòng)系統(tǒng)。

實(shí)際PCBA流程步驟。

步驟1：焊膏軟化

PCB組裝的第一步是使用焊膏到董事會(huì)。這個(gè)過程就像絲網(wǎng)印刷襯衫一樣，除了掩模之外，在PCB上放置一個(gè)薄的不銹鋼模板。這允許組裝商僅將焊膏涂覆到可能的PCB的某些部分上。這些部件是元件放置在成品PCB中的地方。

焊膏本身是一種由微小球組成的灰色物質(zhì)金屬，也稱為焊料。這些微小金屬球的成分是96.5％錫，3％銀和0.5％銅。焊膏與焊劑混合，焊劑是一種化學(xué)設(shè)計(jì)，有助于焊料熔化并粘合到表面。焊膏看起來像灰色焊膏，必須在恰當(dāng)?shù)奈恢靡郧‘?dāng)?shù)臄?shù)量施加到電路板上。

在專業(yè)的PCBA生產(chǎn)線中，機(jī)械夾具固定PCB和焊料模具到位。然后，涂敷器將焊膏以精確的量放置在預(yù)期區(qū)域上。然后機(jī)器將糊狀物涂抹在模板上，均勻地涂抹在每個(gè)開放區(qū)域。去除模板后，焊膏仍留在預(yù)定位置。

步驟2：拾取和放置

將焊膏涂到PCB板上后，PCBA工藝?yán)^續(xù)移動(dòng)到拾取和放置機(jī)器上，機(jī)器人設(shè)備將表面貼裝元件或SMD放置在準(zhǔn)備好的PCB上。如今，SMD占PCB上大多數(shù)非連接器組件。然后在PCBA工藝的下一步中將這些SMD焊接到電路板表面。

傳統(tǒng)上，這是一個(gè)用鑷子完成的手動(dòng)過程，其中裝配工必須選擇并手動(dòng)放置組件。這些天，幸運(yùn)的是，這一步是PCB制造商之間的自動(dòng)化過程。這種轉(zhuǎn)變主要是因?yàn)闄C(jī)器往往比人類更準(zhǔn)確，更一致。雖然人類可以快速工作，但疲勞和眼睛疲勞往往會(huì)在使用這些小部件幾個(gè)小時(shí)后開始。機(jī)器全天候工作，沒有這種疲勞。

設(shè)備通過拾取PCB板來啟動(dòng)拾取和放置過程真空夾具并將其移至取放站。然后，機(jī)器人在工作站對PCB進(jìn)行定向，并開始將SMT應(yīng)用于PCB表面。這些元件放置在預(yù)編程位置的焊膏頂部。

步驟3：回流焊接

焊膏和表面貼裝元件都已到位，它們需要保留在那里。這意味著焊膏需要固化，將元件粘附到電路板上。 PCB組裝通過稱為“回流”的過程實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。

拾取和放置過程結(jié)束后，PCB板被轉(zhuǎn)移到傳送帶上。這條傳送帶穿過一個(gè)大型回流爐，有點(diǎn)像商業(yè)披薩烤箱。這個(gè)烤箱由一系列加熱器組成，這些加熱器逐漸將電路板加熱到大約250攝氏度或480華氏度的溫度。這足夠熱，可以熔化焊膏中的焊料。

焊料熔化后，PCB繼續(xù)通過烘箱。它通過一系列較冷的加熱器，使熔化的焊料以受控的方式冷卻和固化。這樣就形成了一個(gè)永久性焊點(diǎn)，將SMD連接到PCB上。

在回流焊過程中需要特別考慮許多PCBA，特別是對于雙面PCB組裝。雙面PCB組裝需要分別進(jìn)行模板印刷和回流。首先，較少和較小部件的一側(cè)是印刷，放置和回流，然后是另一側(cè)。

步驟4：檢查和質(zhì)量控制

表面貼裝元件在回流焊過程后焊接到位后，不能完成PCBA，需要對組裝好的電路板進(jìn)行功能測試。通常，在回流過程中的移動(dòng)將導(dǎo)致差的連接質(zhì)量或完全沒有連接。短褲也是這種運(yùn)動(dòng)的常見副作用，因?yàn)殄e(cuò)位的組件有時(shí)會(huì)連接不應(yīng)連接的電路部分。

檢查這些錯(cuò)誤和錯(cuò)位可能涉及幾種不同的檢查方法之一。最常見的檢查方法包括：
?手動(dòng)檢查：盡管自動(dòng)化和智能制造即將發(fā)展，但在PCB組裝過程中仍然需要手動(dòng)檢查。對于較小的批次，設(shè)計(jì)人員進(jìn)行的現(xiàn)場視覺檢查是確?；亓骱高^程后PCB質(zhì)量的有效方法。然而，隨著檢查板數(shù)量的增加，這種方法變得越來越不切實(shí)際和不準(zhǔn)確。觀察這些小型元件超過一小時(shí)會(huì)導(dǎo)致光學(xué)疲勞，從而導(dǎo)致檢查不準(zhǔn)確。
?自動(dòng)光學(xué)檢測：自動(dòng)光學(xué)檢測是更適合大批量檢測的方法PCBA的。自動(dòng)光學(xué)檢測機(jī)，也稱為AOI機(jī)器，使用一系列高功率相機(jī)來“看”PCB。這些攝像機(jī)以不同的角度排列，以查看焊接連接。不同質(zhì)量的焊接連接以不同方式反射光，使AOI能夠識別質(zhì)量較低的焊料。 AOI以非常高的速度完成這項(xiàng)工作，使其能夠在相對較短的時(shí)間內(nèi)處理大量的PCB。
?X射線檢測：另一種檢查方法涉及X射線。這是一種不太常見的檢測方法 - 它最常用于更復(fù)雜或分層的PCB。 X射線允許觀察者透視層并可視化下層以識別任何潛在的隱藏問題。

故障板的命運(yùn)取決于PCBA公司的標(biāo)準(zhǔn)，它們將被送回被清理，重新加工或報(bào)廢。

檢查是否發(fā)現(xiàn)其中一個(gè)錯(cuò)誤，該過程的下一步是測試零件以確保它完成它應(yīng)該做的事情。這涉及測試PCB連接的質(zhì)量。需要編程或校準(zhǔn)的電路板需要更多步驟來測試正確的功能。

此類檢查可在回流過程后定期進(jìn)行，以識別任何潛在問題。這些定期檢查可以確保盡快找到并修復(fù)錯(cuò)誤，這有助于制造商和設(shè)計(jì)人員節(jié)省時(shí)間，人力和材料。

步驟5：通孔元件插入

根據(jù)PCBA下的電路板類型，電路板可能包含除常規(guī)SMD之外的各種元件。這些包括電鍍通孔元件或PTH元件。

電鍍通孔是PCB上的一個(gè)孔，它一直鍍在電路板上。 PCB組件使用這些孔將信號從電路板的一側(cè)傳遞到另一側(cè)。在這種情況下，焊膏不會(huì)有任何好處，因?yàn)楹父鄬⒅苯哟┻^孔而沒有粘附的機(jī)會(huì)。

PTH組件需要更專業(yè)的焊接而不是焊膏后續(xù)PCB裝配過程中的焊接方法：
?手工焊接：手動(dòng)通孔插入是一個(gè)簡單的過程。通常，單個(gè)站點(diǎn)的一個(gè)人的任務(wù)是將一個(gè)組件插入指定的PTH。完成后，電路板將轉(zhuǎn)移到下一個(gè)工作站，其他人正在插入另一個(gè)組件。每個(gè)需要配備的PTH都會(huì)繼續(xù)循環(huán)。 這可能是一個(gè)漫長的過程，取決于在PCBA的一個(gè)循環(huán)期間需要插入多少個(gè)PTH組件。為此目的，大多數(shù)公司都特別試圖避免使用PTH元件進(jìn)行設(shè)計(jì)，但PTH元件在PCB設(shè)計(jì)中仍然很常見。
?波峰焊接：波峰焊接是自動(dòng)化版本手工焊接，但涉及一個(gè)非常不同的過程。將PTH組件放置到位后，將板放在另一條傳送帶上。這一次，傳送帶穿過一個(gè)專門的烤箱，在那里一股熔化的焊料在電路板的底部洗滌。這會(huì)立即焊接電路板底部的所有引腳。 這種焊接幾乎不可能用于雙面PCB，因?yàn)楹附诱麄€(gè)PCB面會(huì)使任何精密的電子元件無法使用。

此焊接工藝完成后PCB可以繼續(xù)進(jìn)行最終檢查，或者如果PCB需要添加額外的零件或另一側(cè)裝配，它可以完成前面的步驟。

步驟6：最終檢查和功能測試

PCBA工藝的焊接步驟完成后，最終檢查將測試PCB的功能。這種檢查稱為“功能測試”。該測試使PCB完成其步調(diào)，模擬PCB運(yùn)行的正常情況。在此測試中，電源和模擬信號通過PCB，而測試人員監(jiān)控PCB的電氣特性。

如果這些特性中的任何一個(gè)，包括電壓，電流或信號輸出，顯示不可接受的波動(dòng)或在預(yù)定范圍之外的擊中峰值，PCB未通過測試。根據(jù)公司的標(biāo)準(zhǔn)，失效的PCB可以回收或報(bào)廢。

測試是PCB裝配過程中最后也是最重要的一步，因?yàn)樗鼪Q定了過程的成敗。此測試也是整個(gè)裝配過程中定期測試和檢查非常重要的原因。

PCBA之后

Suffice可以說，PCB組裝過程可能是一個(gè)污穢的過程。焊膏會(huì)留下一定量的助焊劑，而人工操作可以將油和污垢從手指和衣服轉(zhuǎn)移到PCB表面。一旦完成所有工作，結(jié)果看起來有點(diǎn)暗淡，這既是美學(xué)又是實(shí)際問題。

在PCB上剩余數(shù)月后，助焊劑殘留物開始聞起來并感覺粘稠。它也會(huì)變得有些酸性，隨著時(shí)間的推移會(huì)損壞焊點(diǎn)。此外，當(dāng)新PCB的出貨量被殘留物和指紋覆蓋時(shí)，客戶滿意度往往會(huì)受到影響。由于這些原因，在完成所有焊接步驟后清洗產(chǎn)品非常重要。

使用去離子水的不銹鋼高壓清洗設(shè)備是去除PCB中殘留物的最佳工具。在去離子水中清洗PCB不會(huì)對設(shè)備造成威脅。這是因?yàn)槌Ｒ?guī)水中的離子會(huì)損壞電路，而不是水本身。因此，去離子水在進(jìn)行洗滌循環(huán)時(shí)對PCB無害。

洗滌后，使用壓縮空氣進(jìn)行快速干燥循環(huán)，使成品PCB準(zhǔn)備好包裝和運(yùn)輸。

PCBA之間的差異：THT組裝，SMT組裝和混合技術(shù)

通孔技術(shù)（THT）裝配工藝

作為傳統(tǒng)的PCB裝配方法，通過手動(dòng)程序和自動(dòng)程序的協(xié)作完成通孔安裝過程。
?步驟1：元件放置 - 此步驟由專業(yè)工程人員手動(dòng)完成。工程師需要根據(jù)客戶的PCB設(shè)計(jì)文件快速，精確地將組件放置在相應(yīng)的位置。元件放置必須符合通孔安裝工藝的規(guī)定和操作標(biāo)準(zhǔn)，以保證高質(zhì)量的最終產(chǎn)品。例如，他們必須澄清組件的極性和方向，停止操作組件影響環(huán)境組件，使完成的組件放置與相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)兼容，并在處理IC等靜電敏感組件時(shí)佩戴防靜電腕帶。 > ?第2步：檢查＆amp;整流 - 組件放置完成后，然后將電路板放置在匹配的傳輸框架中，其中插入組件的電路板將自動(dòng)檢查，以確定組件是否準(zhǔn)確放置。如果觀察到有關(guān)元件放置的問題，也很容易立即糾正它們。畢竟，這是在PCBA工藝焊接之前進(jìn)行的。
?步驟3：波峰焊接 - 現(xiàn)在應(yīng)將THT元件精確焊接到電路板上。在波峰焊接系統(tǒng)中，電路板在高溫（約500°F）的液體焊料波上緩慢移動(dòng)。然后，可以成功獲得所有引線或電線連接，以便將通孔元件牢固地連接到電路板上。

表面貼裝技術(shù)（SMT）裝配工藝

與通孔安裝工藝相比，表面安裝工藝在制造效率方面脫穎而出，因?yàn)樗哂腥詣?dòng)安裝PCB組裝工藝，包括焊膏印刷，拾取和回流焊接。 br> ?步驟1：焊膏印刷 - 通過焊膏印刷機(jī)在板上涂敷焊膏。模板確保焊膏可以準(zhǔn)確地留在安裝元件的正確位置，也稱為模板或焊接屏。由于焊膏印刷的質(zhì)量與焊接質(zhì)量直接相關(guān)，因此專注于高質(zhì)量產(chǎn)品的PCBA制造商通常在通過焊膏檢查員進(jìn)行焊膏印刷后進(jìn)行檢查。這種檢查保證了印刷已達(dá)到法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)。如果在焊膏印刷中發(fā)現(xiàn)缺陷，則必須重新進(jìn)行印刷或在第二次印刷之前將焊膏洗掉。
<步驟2：元件安裝 - 從焊膏印刷機(jī)出來后，PCB將被自動(dòng)發(fā)送到貼片機(jī)，其中元件或IC將被安裝在相應(yīng)的焊盤上，以抵抗焊膏的張力。元件通過機(jī)器中的元件卷軸安裝在PCB板上。與薄膜卷軸類似，承載組件的組件卷軸旋轉(zhuǎn)以向機(jī)器提供零件，這將快速將零件粘貼到電路板上。
步驟3：回流焊接 - 放置每個(gè)元件后，板通過一個(gè)23英尺長的爐子。 500°F的溫度導(dǎo)致焊膏液化。現(xiàn)在SMD元件已經(jīng)牢牢地固定在電路板上。

混合技術(shù)

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，電子產(chǎn)品變得越來越復(fù)雜，驅(qū)動(dòng)復(fù)雜，集成和更小尺寸的PCB板。只包含一種類型元件的PCBA幾乎不可能參與其中。

大多數(shù)電路板都帶有通孔元件和SMD元件，這需要通孔技術(shù)和表面貼裝技術(shù)的協(xié)作。然而，焊接是一個(gè)復(fù)雜的過程，往往會(huì)受到太多元素的影響。因此，更好地安排通孔技術(shù)和表面貼裝技術(shù)的順序變得非常重要。

應(yīng)用混合技術(shù)的PCBA應(yīng)在以下情況下進(jìn)行：

?單面混合組件：單面混合組件符合以下制造程序：注意：當(dāng)此類裝配中只需要少量THT元件時(shí)，可以采用手工焊接代替波峰焊接。

?單面SMT＆amp;單側(cè)THT ：注意 - 不建議采用這種類型的PCB組裝程序，因?yàn)檎澈蟿?huì)增加PCBA的總成本，并可能導(dǎo)致一些焊接問題。

?雙面混合裝配：就雙面混合裝配方法而言，有兩種選擇：使用粘合劑的PCBA和不使用PCBA的PCBA。粘合劑的應(yīng)用增加了PCB組裝的總成本。此外，在這個(gè)PCBA過程中，加熱必須進(jìn)行三次，這往往會(huì)導(dǎo)致效率低下。

基于上面介紹的混合組裝程序之間的比較，可以得出結(jié)論，手工焊接適用于PCB組裝，其需要兩側(cè)的許多組件，其中SMD組件多于THT組件。因此，面對需要少量THT元件的情況，建議采用波峰焊接。

PCB組裝必須經(jīng)歷如此復(fù)雜的技術(shù)過程，需要仔細(xì)考慮，稍加修改可能會(huì)導(dǎo)致成本和產(chǎn)品質(zhì)量發(fā)生巨大變化。本文中關(guān)于PCB組裝過程的描述僅以典型的PCBA程序和技術(shù)為中心。實(shí)際制造過程在很大程度上取決于設(shè)計(jì)文件和客戶的具體要求。因此，如何評估可靠的PCB組裝商成為客戶在PCBA訂單之前必須考慮的關(guān)鍵問題。