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SMT贴片工艺详解&贴片机工作演示

  • 发布时间:2022-01-17 09:37:11
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硬件工程师,要经常和工厂打交道,必须要对SMT工厂的基本流程和原理充分了解。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。 


机器焊接电路,跟手工焊接电路原理上都一样,上锡,摆元器件,加热。只不过机器比人的手速高多了。 

 

PCBA


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,就是用来开钢网的。钢网是一张薄薄的钢片,很平整,厚度在0.1mm左右。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,需要焊接的焊盘都会露出来。钢网就是锡膏的模版,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。 
做上锡工作的设备,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,紧紧的顶在钢网下方。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。接下来就需要进另一台机器,开始摆放元器件。 

 

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。之所以叫贴,是因为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。 
因为贴片,是整个PCBA加工过程中的最重要的一个环节,因此PCBA加工厂同样都叫做贴片厂。 
贴片的原理极其简单,手工焊接的时候是用镊子夹着元器件放在电路板上,贴片机是用机械手夹着元器件放在电路板上。 
不过贴片的实际情况是非常复杂的,设备也很精密。 
 
贴片机是如何工作的? 
贴片机,又称“贴装机”、“表面贴装系统”,它配置在点胶机或丝网印刷机之后,是通过移动贴装头把表面贴装元器件准确地放置PCB焊盘上的一种设备。它是用来实现高速、高精度地贴放元器件的设备,是整个SMI、生产中最关键、最复杂的设备。主要分为手动和全自动两种。 
 

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输送器的齿轮上,齿轮带着物料一点一点的往前送。 
物料输送器,叫做飞达。这个名字纯粹是音译的,Feeder。原意是喂食器、饲养员。很形象的表达出这个东西的作用:给贴片机喂物料的。 
 

飞达整整齐齐的排列在贴片机两端,贴片机的机械手,按照程序设定,从飞达上拾取元器件,并摆放在电路板上。 
对于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,机械手也可以从托盘上拾取物料。 


机械手是怎么把这么小的元器件抓起来的? 
实际上贴片机的机械手臂,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,机械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,所以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的元器件需要用更小的吸嘴。 
 

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

从贴片机吸元器件这个原理上,不难理解,对于插针、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,因为没有一个平面,是无法吸起来的。对于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。 


机械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负责录入这些信息,一个几百颗元器件的电路板的编程,需要花费大半天的时间。 


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,是通过机械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 
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机器检查,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。过炉就是通过回流焊的炉子,把整个电路板逐步加热,直至焊锡熔化,然后再逐步降温下来。整个过程通常会持续8分钟左右。目前回流焊的炉子,都是以热风加热为主。分成多个温度区,逐步加热,在焊锡熔点之上的时间并不长,最多也就几十秒钟。 


讲到回流焊这个名字,几乎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征:吸附到能吸附的地方,并产生张力。经常会出现贴片的时候贴正了,过炉之后就歪了的情况。这种往往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。这种需要通过控制锡量和锡膏形状来解决,或者采用过炉前点胶固定的方式。 


还有一种针对插针式的焊接方式,波峰焊,在老式电路板和大尺寸简单电路板上依然有应用,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几乎没有,大部分都是全板SMT的,偶尔有局部大尺寸连接器可能需要通过波峰焊。 

 

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