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SMT贴片工艺详解!硬件工程师不一定去过SMT工厂但看了就懂了!

福州有家装饰工程通讯 2024-12-21 0

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电路板生产工艺:SMT

硬件工程师,要常常和工厂打交道,必须要对SMT工厂的基本流程和事理充分理解。

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PCBA=PCB Assembled。
组装完成的PCB。
严格来讲,PCBA=PCB+元器件+SMT生产+固件+测试。

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(图片来自网络侵删)

电路板上那么多元器件,靠手焊肯定是弗成的,得靠机器来贴片。
不管去没去过工厂,在电视上肯定都见过这样的画面:一只机器手,移动到电路板上面,啪啪啪向下捅了几次,电路板上就有元器件了。
这便是PCB变成PCBA中的一个环节,SMT。

机器焊接电路,跟手工焊接电路事理上都一样,上锡,摆元器件,加热。
只不过机器比人的手速高多了,一秒钟可以摆好几个元器件。

上锡:

首先要给电路板上锡。
前面讲到Gerber文件中有一个paste mask文件,便是用来开钢网的。
钢网是一张薄薄的钢片,很平整,厚度在0.1mm旁边。
根据paste mask文件上的图形,有相应的镂空的孔。
把钢网盖在电路板上,对齐了,这时候能看到,须要焊接的焊盘都会露出来。
钢网便是锡膏的模版,把锡膏在钢网上刷一层,有孔的地方的锡膏会印刷到电路板焊盘上去,没有开孔的地方就没有焊锡。
锡膏的厚度,跟钢网的厚度相同,也是0.1mm那么厚。

做上锡事情的设备,叫做“印刷机”,把钢网插到机器里,再把电路板放进去,设备会自动托起电路板,定位好,牢牢的顶在钢网下方。
钢网上方有一个刷子,推着一大堆锡膏,从钢网上层来回一趟,钢网开孔的位置和电路板形成的凹槽里,就会堆了一层锡膏。
再把电路板拿下来,电路板上锡就完成了。
接下来就须要进另一台机器,开始摆放元器件。

钢网上开孔,和电路板的元器件焊盘对应

通过钢网,往电路板上印刷锡膏

贴片/SMT

SMT,Surface Mount Technology,表面贴装。
顾名思义,把元器件贴装在电路板表面。
之以是叫贴,是由于锡膏是有一定的粘性的,能够在没有熔化的时候,也能够黏住元器件。
SMT又称贴片。
把芯片贴在电路板上的意思。

由于贴片,是全体PCBA加工过程中的最主要的一个环节,因此PCBA加工厂同样都叫做贴片厂。

贴片的事理极其大略,手工焊接的时候是用镊子夹着元器件放在电路板上,贴片机是用机器手夹着元器件放在电路板上。

不过贴片的实际情形是非常繁芜的,设备也很精密。
想想也是,如果没啥技能含量,为什么电视里总是放贴片的镜头,而不是放印刷或者后面过炉的镜头呢?我们可以先看看后面的问题:

元器件往哪里放?

尺寸比较小的元器件,包括芯片类的,都是编带存储的。
通过纸质或者塑料的料带,把元器件一颗一颗的按照相同的顺序嵌入到料带中,再卷成一卷一卷的。
料带上有很多标准尺寸的孔,这些孔可以卡在物料运送器的齿轮上,齿轮带着物料一点一点的往前送。

物料运送器,叫做飞达。
这个名字纯粹是音译的,Feeder。
原意是喂食器、喂养员。
很形象的表达出这个东西的浸染:给贴片机喂物料的。

飞达整整洁齐的排列在贴片机两端,贴片机的机器手,按照程序设定,从飞达上拾取元器件,并摆放在电路板上。

对付大尺寸的元器件或者未编成卷带的散料,也可以放在托盘上,机器手也可以从托盘上拾取物料。

机器手是怎么把这么小的元器件抓起来的?

实际上贴片机的机器手臂,并不是靠手指把元器件抓起来的,而是靠真空吸起来的。
每一个手臂上有好多个吸嘴,每个吸嘴可以吸起来一个元器件。
吸嘴多了,机器臂移动一次就可以吸取很多个元器件,并且摆放很多次,生产效率就会更高。

不同尺寸的元器件,吸嘴是不一样的,从高中物理可以看出来,相同的压强下,面积越大力越大,以是吸芯片和连接器这种比较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的元器件须要用更小的吸嘴。

重量比较大的东西,移动的时候惯性也会比较大,以是贴片机会划分为几个区域,大元器件区域的机器手臂移动的比较慢,小元器件区域的移动的快很多。

从贴片机吸元器件这个事理上,不难明得,对付插针、顶针这样的尖头的元器件,物料出厂的时候都带有一个塑料的盖子,由于没有一个平面,是无法吸起来的。
对付USB口这样的表面有小的开口的元器件,出厂的时候会贴有一小块高温胶纸,其目的也是防止吸嘴漏气了。

机器手怎么知道元器件该放在哪里?

生产资料里,会有坐标文件,标示每一个元器件在电路板上的坐标。
上线贴片前,产线工程师会对着生产资料,把每个元器件的贴片信息录入到贴片机的操作软件里去。
这样贴片机就知道从哪一个飞达拿多少颗元器件,放在电路板的哪个位置了。

这个过程在工厂叫做编程,SMT工厂有专门的程序工程师卖力录入这些信息,一个几百颗元器件的电路板的编程,须要花费大半天的韶光。

如何对准电路板和元器件?

电路板是通过传送带送到贴片机里去的,元器件在料带里,也不是卡的严严实实的,是会晃动的。
贴片机必须要能够判断电路板的精确位置,并把元器件精准的摆放到位。

贴片机,是通过机器臂上的摄像头来识别电路板和元器件的。
每一个元器件被拿起来之后,都会被照一张相,通过对这张相片的图像识别,能够看的出来是否吸歪了,如果歪了,根据图像上歪的数据,系统会自动对贴片位置做一定的补偿,偏了的移动,歪了的旋转。
同样,电路板上也会设计有几个mark点,一个圆形的焊盘,摄像头能够根据焊盘的位置,识别出电路板当前的位置,再根据元器件相对电路板的坐标,找到元器件所在的位置。

回流焊/波峰焊

打开盖子的回流焊炉子

把所有的元器件都摆放好了,电路板就会被从贴片机中推出来,由人工目检,或者由AOI机器检讨,看看是否有元器件贴歪了或者错了。
如果没什么问题,就要过炉了。

过炉,通过一个炉子。
锡膏得加热,才能熔化,熔化了才能把元器件固定起来。
过炉便是通过回流焊的炉子,把全体电路板逐步加热,直至焊锡熔化,然后再逐步降温下来。
全体过程常日会持续8分钟旁边。
目前回流焊的炉子,都因此热风加热为主。
分成多个温度区,逐步加热,在焊锡熔点之上的韶光并不长,最多也就几十秒钟。

讲到回流焊这个名字,险些所有人都不知道什么是“回流”,并不是说里面的风会来回流动,更不是说焊锡从这里流到那里。
回流焊来自“Reflow Soldering”,这个“回流”的真实含义是“把固体的锡膏,变回能够流动的液体”的意思。

过炉的过程中,锡膏会熔化,熔化了的锡膏呈现出液体的特色:吸附到能吸附的地方,并产生张力。
常常会涌现贴片的时候贴正了,过炉之后就歪了的情形。
这种每每是焊盘之间产生的拉力不一样大造成的,例如有的焊盘大,有些焊盘小的芯片。
这种须要通过掌握锡量和锡膏形状来办理,或者采取过炉前点胶固定的办法。

还有一种针对插针式的焊接办法,波峰焊,在老式电路板和大尺寸大略电路板上依然有运用,专门焊接插针电路。
波峰焊的波峰,是指焊锡熔化之后,通过设备的喷口把焊锡喷出来,像小喷泉一样,形成波浪形,把元器件的插针插入波峰中,就可以沾上焊锡,并在焊锡吸附力下把焊盘和插针焊接起来。

现在智能硬件领域,全板插接元器件的产品险些没有,大部分都是全板SMT的,偶尔有局部大尺寸连接器可能须要通过波峰焊。

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