SMT貼片工藝詳解

來源:SMT     時間:2020/08/25

電路板生產工藝:SMT硬件工程師,要經常和工廠打交道,必須要對SMT工廠的基本流程和原理充分了解。


PCBA=PCB Assembled。組裝完成的PCB。嚴格來講,PCBA=PCB+元器件+SMT生產+固件+測試。

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電路板上那么多元器件,靠手焊肯定是不行的,得靠機器來貼片。不管去沒去過工廠,在電視上肯定都見過這樣的畫面:一只機械手,移動到電路板上面,啪啪啪向下捅了幾次,電路板上就有元器件了。這就是PCB變成PCBA中的一個環節,SMT。


機器焊接電路,跟手工焊接電路原理上都一樣,上錫,擺元器件,加熱。只不過機器比人的手速高多了,一秒鐘可以擺好幾個元器件。


上錫:


首先要給電路板上錫。前面講到Gerber文件中有一個paste mask文件,就是用來開鋼網的。鋼網是一張薄薄的鋼片,很平整,厚度在0.1mm左右。根據paste mask文件上的圖形,有相應的鏤空的孔。把鋼網蓋在電路板上,對齊了,這時候能看到,需要焊接的焊盤都會露出來。鋼網就是錫膏的模版,把錫膏在鋼網上刷一層,有孔的地方的錫膏會印刷到電路板焊盤上去,沒有開孔的地方就沒有焊錫。錫膏的厚度,跟鋼網的厚度相同,也是0.1mm那么厚。


做上錫工作的設備,叫做“印刷機”,把鋼網插到機器里,再把電路板放進去,設備會自動托起電路板,定位好,緊緊的頂在鋼網下方。鋼網上方有一個刷子,推著一大堆錫膏,從鋼網上層來回一趟,鋼網開孔的位置和電路板形成的凹槽里,就會堆了一層錫膏。再把電路板拿下來,電路板上錫就完成了。接下來就需要進另一臺機器,開始擺放元器件。


鋼網上開孔,和電路板的元器件焊盤對應


通過鋼網,往電路板上印刷錫膏


貼片/SMT


SMT,Surface Mount Technology,表面貼裝。顧名思義,把元器件貼裝在電路板表面。之所以叫貼,是因為錫膏是有一定的粘性的,能夠在沒有熔化的時候,也能夠黏住元器件。SMT又稱貼片。把芯片貼在電路板上的意思。


因為貼片,是整個PCBA加工過程中的最重要的一個環節,因此PCBA加工廠同樣都叫做貼片廠。


貼片的原理極其簡單,手工焊接的時候是用鑷子夾著元器件放在電路板上,貼片機是用機械手夾著元器件放在電路板上。


不過貼片的實際情況是非常復雜的,設備也很精密。想想也是,如果沒啥技術含量,為什么電視里老是放貼片的鏡頭,而不是放印刷或者后面過爐的鏡頭呢?我們可以先看看后面的問題:


元器件往哪里放?


尺寸比較小的元器件,包括芯片類的,都是編帶存儲的。通過紙質或者塑料的料帶,把元器件一顆一顆的按照相同的順序嵌入到料帶中,再卷成一卷一卷的。料帶上有很多標準尺寸的孔,這些孔可以卡在物料輸送器的齒輪上,齒輪帶著物料一點一點的往前送。


物料輸送器,叫做飛達。這個名字純粹是音譯的,Feeder。原意是喂食器、飼養員。很形象的表達出這個東西的作用:給貼片機喂物料的。


飛達整整齊齊的排列在貼片機兩端,貼片機的機械手,按照程序設定,從飛達上拾取元器件,并擺放在電路板上。


對于大尺寸的元器件或者未編成卷帶的散料,也可以放在托盤上,機械手也可以從托盤上拾取物料。


機械手是怎么把這么小的元器件抓起來的?


實際上貼片機的機械手臂,并不是靠手指把元器件抓起來的,而是靠真空吸起來的。每一個手臂上有好多個吸嘴,每個吸嘴可以吸起來一個元器件。吸嘴多了,機械臂移動一次就可以吸取很多個元器件,并且擺放很多次,生產效率就會更高。


不同尺寸的元器件,吸嘴是不一樣的,從高中物理可以看出來,相同的壓強下,面積越大力越大,所以吸芯片和連接器這種比較沉重的物料的吸嘴就要大一些,吸阻容感的吸嘴就要小一些,吸0201的元器件需要用更小的吸嘴。


重量比較大的東西,移動的時候慣性也會比較大,所以貼片機會劃分為幾個區域,大元器件區域的機械手臂移動的比較慢,小元器件區域的移動的快很多。


從貼片機吸元器件這個原理上,不難理解,對于插針、頂針這樣的尖頭的元器件,物料出廠的時候都帶有一個塑料的蓋子,因為沒有一個平面,是無法吸起來的。對于USB口這樣的表面有小的開口的元器件,出廠的時候會貼有一小塊高溫膠紙,其目的也是防止吸嘴漏氣了。


機械手怎么知道元器件該放在哪里?


生產資料里,會有坐標文件,標示每一個元器件在電路板上的坐標。上線貼片前,產線工程師會對著生產資料,把每個元器件的貼片信息錄入到貼片機的操作軟件里去。這樣貼片機就知道從哪一個飛達拿多少顆元器件,放在電路板的哪個位置了。


這個過程在工廠叫做編程,SMT工廠有專門的程序工程師負責錄入這些信息,一個幾百顆元器件的電路板的編程,需要花費大半天的時間。


如何對準電路板和元器件?


電路板是通過傳送帶送到貼片機里去的,元器件在料帶里,也不是卡的嚴嚴實實的,是會晃動的。貼片機必須要能夠判斷電路板的精確位置,并把元器件精準的擺放到位。


貼片機,是通過機械臂上的攝像頭來識別電路板和元器件的。每一個元器件被拿起來之后,都會被照一張相,通過對這張相片的圖像識別,能夠看的出來是否吸歪了,如果歪了,根據圖像上歪的數據,系統會自動對貼片位置做一定的補償,偏了的移動,歪了的旋轉。同樣,電路板上也會設計有幾個mark點,一個圓形的焊盤,攝像頭能夠根據焊盤的位置,識別出電路板當前的位置,再根據元器件相對電路板的坐標,找到元器件所在的位置。


回流焊/波峰焊


打開蓋子的回流焊爐子


把所有的元器件都擺放好了,電路板就會被從貼片機中推出來,由人工目檢,或者由AOI機器檢查,看看是否有元器件貼歪了或者錯了。如果沒什么問題,就要過爐了。


過爐,通過一個爐子。錫膏得加熱,才能熔化,熔化了才能把元器件固定起來。過爐就是通過回流焊的爐子,把整個電路板逐步加熱,直至焊錫熔化,然后再逐步降溫下來。整個過程通常會持續8分鐘左右。目前回流焊的爐子,都是以熱風加熱為主。分成多個溫度區,逐步加熱,在焊錫熔點之上的時間并不長,最多也就幾十秒鐘。


講到回流焊這個名字,幾乎所有人都不知道什么是“回流”,并不是說里面的風會來回流動,更不是說焊錫從這里流到那里?;亓骱竵碜浴癛eflow Soldering”,這個“回流”的真實含義是“把固體的錫膏,變回能夠流動的液體”的意思。


過爐的過程中,錫膏會熔化,熔化了的錫膏呈現出液體的特征:吸附到能吸附的地方,并產生張力。經常會出現貼片的時候貼正了,過爐之后就歪了的情況。這種往往是焊盤之間產生的拉力不一樣大造成的,例如有的焊盤大,有些焊盤小的芯片。這種需要通過控制錫量和錫膏形狀來解決,或者采用過爐前點膠固定的方式。


還有一種針對插針式的焊接方式,波峰焊,在老式電路板和大尺寸簡單電路板上依然有應用,專門焊接插針電路。波峰焊的波峰,是指焊錫熔化之后,通過設備的噴口把焊錫噴出來,像小噴泉一樣,形成波浪形,把元器件的插針插入波峰中,就可以沾上焊錫,并在焊錫吸附力下把焊盤和插針焊接起來。


現在智能硬件領域,全板插接元器件的產品幾乎沒有,大部分都是全板SMT的,偶爾有局部大尺寸連接器可能需要通過波峰焊。

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