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PCBAINTRODUCTIONPCBA介绍 PeterYu俞瑞峰 ConceptionofPCBA什么是PCBA PCBA是英文PrintedCircuitBoard Assembly的简称 也就是说PCB空板经过SMT等工艺上件 再经过DIP插件的整个制程 简称PCBA PCBIntroductionPCB介绍 PCB PrintedCircuitBoard 中文名称为印制电路板 又称印刷电路板 印刷线路板 是重要的电子部件 是电子元器件的支撑体 是电子元器件电气连接的提供者 由于它是采用电子印刷术制作的 故被称为 印刷 电路板 PCB板的分类 根据材质分 a 有机材质酚醛树脂 玻璃纤维 环氧树脂 Polyimide BT Epoxy等皆属之 b 无机材质铝 Copper invar copper ceramic等皆属之 主要取其散热功能根据电路层数分类 分为单面板SSB 见图1 双面板DSB 见图2 和多层板MLB 见图3 常见的多层板一般为4层板或6层板 复杂的多层板可达几十层根据软硬进行分类 分为刚性电路板RPC和柔性电路板FPC 见图4 软硬结合板 见图5 依用途分 通信 耗用性电子 军用 计算机 半导体 电测板 见图6 BGA 图2 图5 图3 图4 图1 图5 图6 单面板 Single SidedBoards 在最基本的PCB上 零件集中在其中一面 导线则集中在另一面上 因为导线只出现在其中一面 所以这种PCB叫作单面板 Single sided 因为单面板在设计线路上有许多严格的限制 因为只有一面 布线间不能交叉而必须绕独自的路径 所以只有早期的电路才使用这类的板子双面板 Double SidedBoards 这种电路板的两面都有布线 不过要用上两面的导线 必须要在两面间有适当的电路连接才行 这种电路间的 桥梁 叫做导孔 via 导孔是在PCB上 充满或涂上金属的小洞 它可以与两面的导线相连接 因为双面板的面积比单面板大了一倍 而且因为布线可以互相交错 可以绕到另一面 它更适合用在比单面板更复杂的电路上多层板 Multi LayerBoards 为了增加可以布线的面积 多层板用上了更多单或双面的布线板 用一块双面作内层 二块单面作外层或二块双面作内层 二块单面作外层的印刷线路板 通过定位系统及绝缘粘结材料交替在一起且导电图形按设计要求进行互连的印刷线路板就成为四层 六层印刷电路板了 也称为多层印刷线路板 板子的层数就代表了有几层独立的布线层 通常层数都是偶数 并且包含最外侧的两层 大部分的主机板都是4到8层的结构 不过技术上理论可以做到近100层的PCB板 PCB板制作流程 收到客户资料 Gerber 制作规格单资料处理 数据装换 排版底片制作 线路底片材料准备 覆铜基板 FR 4 环氧树脂 防焊漆 GERBER 预清洗Clear 将基板上的杂志清洗干净涂膜 将感光干膜均匀涂抹在基板上曝光 盖上线路底片进行曝光 感光干膜受到光的照射后开始硬化 紧紧包裹在基板表面的铜箔 形成线路显影 使用碳酸钠溶液洗去未硬化的感光干膜 让不需干膜保护的铜箔露出来蚀刻 使用蚀铜液对没有干膜保护的铜箔进行蚀刻去膜 脱膜 将剩余感光干膜去除检测 使用AOI进行基板检测 Inner内层 定位黑 棕 氧化 烘烤 其目的在于使内层线路板表面上形成一层高抗撕裂强度的黑 棕 氧化铜 以增加内层板在进行层压时的结合能力排版 压版磨边 Laminating压合 定位 以插梢将基板固定于钻孔上数控钻 使用精密数控钻床出要的导通孔去毛边 通孔电 先以重度刷磨及高压冲洗方式清理孔壁中的毛边及粉屑 再以高锰酸钾溶液去除孔壁同面上的胶渣 而后再将基板浸于化学铜溶液中 借着金属的催化作用将铜离子还原沉积于孔壁 形成通孔电路 Drilling钻孔 将整个印刷电路板电镀一层铜先将线路板作适当的粗化处理再将感光绿漆涂覆于板面上预烘干燥冷却后送入紫外线曝光机中曝光以溶剂去除未曝光区域的绿漆高温烘烤使绿漆完全硬化将客户所需的文字 商标 零件标号以网版印刷方式印在版面上再用热烘 或紫外线照射 方式让文字漆墨硬化 镀铜 防焊 文字 常见的Finish有1 喷锡 成本低 但是表面不平整 易造成制程问题 多用于电脑主机板2 OSP 护铜剂 成本低但是易氧化3 镀金 品质稳定但成本高4 化金 可焊性寿命比OSP更久 但有墨垫 BlackPad 问题5 化银 可焊性寿命比OSP更久 但比化金较差6 化锡 在化锡板的制程中必须加入硫脲 Thiourea 方能使锡离子逆向取代铜 但是硫脲却有致癌的危险性 此外 硫脲会攻击印刷电路板的防焊层 Soldermask 且铜与锡在室温下即会发生反应 因此化锡板也有保存性不佳的疑虑7 选化 化金 OSP 结合两者优点 制程较复杂且费时间 PCBsurfacefinish表面处理 将PCB以CNC成型机械切割成客户所需要的外形尺寸 最后再将PCB上的粉屑及表面离子污染物洗净电流测试 ICT InCircuitTesting 最后视觉检测 VisionInspection 包装 出货 packaging shipping 成型电测检验出货 PCBManufactureProcessPCB制造流程 PCBManufactureProcessPCB制造流程 PCBManufactureProcessPCB制造流程 制造出合格的PCB板 PCBAssemblyTypesPCB组装方式 PCBAssemblyTypesPCB组装方式 Unavailabilityofoddshaped highpower andspecializedcomponents 奇怪形状 高功率 和一些特殊的元件不能用单一的组装技术 MoreinvestmentrequiredtosetupafullSMTprocess建立一个全套的SMT制程需要更多的投资 Inmanycasesitischeapertousethroughholecomponents插件元件在许多情况下是便宜的THTismorerobustandisnecessaryincertainapplication插件在某些应用中更可靠和必要 WhymixedtechnologyPCBassembly 为什么有混合PCB组装技术 SMTandMixedTechnologyAssemblyTypesSMT和混合组装技术类型 WhySurfaceMountTechnology 为什么有表面粘贴技术Enablessignificantsizeandweightreduction可显着减少尺寸和重量Providesimprovementinelectricalperformance改善电气性能OffersreasonablesolutionforhighpincountICs提供高引脚数集成电路合理的解决方案Manufacturingassemblyismoreeasilyautomated生产装配更容易自动化Offersthepotentialforsignificantcostreductions提供了降低成本的巨大潜力 SurfaceMountTechnology SMT 表面粘贴技术 SMT SurfaceMountTechnologyPerformance 表面粘贴技术性能Primemotivationisincreaseddensityandboardareareduction 主要目的是提高板密度和减少面积 Smallerdevices activesandpassives 小体积的主动元件和被动元件 DIPsover40pinswereimpractical超过40支脚的插件元件是不切实际的 Two sidedmounting两面粘贴SMTresultsinabetterproductSMT可以生产出一个更好的产品 Samefunctionsforlessspace小的空间可以得到同样的功能 Morefunctionsforsamespace同样的空间 更多的功能 Lesselectricalsignaldelays信号延迟少 Lessmass bettervibrationresistance更好的抗震性 SurfaceMountTechnology SMT 表面粘贴技术 SMT SurfaceMountTechnology SMT 表面粘贴技术 SMT SMTComponentsSMT元件 SurfaceMountTechnology SMT 表面粘贴技术 SMT SMTComponentsSMT元件 直插式封装直插式封装集成电路是引脚插入印制板中 然后再焊接的一种集成电路封装形式 主要有单列式封装和双列直插式封装 其中单列式封装有单列直插式封装 SingleInlinePackage 缩写为SIP和单列曲插式封装 Zig ZagInlinePackage 缩写为ZIP 双列直插式封装又称DIP封装 DualInlinePackage 这种封装的集成电路具有两排引脚 适合PCB的穿孔安装 贴片封装这种封装的集成电路引脚很小 可以直接焊接在印制电路板的印制导线上 贴片封装的集成电路主要有薄型QFP TQFP 细引脚间距QFP VQFP 缩小型QFP SQFP 塑料QFP PQFP 金属QFP MetalQFP 载带QFP TapeQFP J型引脚小外形封装 SOJ 薄小外形封装 TSOP 甚小外形封装 VSOP 缩小型SOP SSOP 薄的缩小型SOP TSSOP 及小外形集成电路 SOIC 等派生封装 BGA封装 BallGridArrayPackage 又名球栅阵列封装 BGA封装的引脚以圆形或柱状焊点按阵列形式分布在封装下面 采用该封装形式的集成电路主要有CPU以及南北桥等的高密度 高性能 多功能集成电路 厚膜封装厚膜集成电路就是把专用的集成电路芯片与相关的电容 电阻元件都集成在一个基板上 然后在其外部采用标准的封装形式 并引出引脚的一种模块化的集成电路 常用的集成电路封装方法 HowarePCBsassembled PCBA怎样组装 WaveSolder波峰焊 HandPlacement手摆放 VisualInspection目检 ICT在线测试 PCBPreparationPCB准备 PCBA测试 RawComponent原始零件 FT功能测试 OverviewofSMTProcessSMT制程概述 SMTProcess SMT SolderPrinting锡膏印刷 Pick Place选择和放置零件 PostReflow回流焊 SolderPrinting锡膏印刷 Whatissolderprinting 什么是锡膏印刷ProcessoftransferringsolderpasteontothepadsofaPCB byforcingitthroughmatingaperturesonastencil usingasqueegee 用刮刀使用压力 使锡膏通过匹配的模具上的小孔 转移到PCB的焊盘的过程 CircuitBoard线路板Usetoprovideinterconnecttracesbetweencomponents提供元件间的相互连接 Stencil钢板Vehiclebywhichthevolumeandplacementlocationofsolderpastedepositioniscontrolled控制锡膏流量和放置位置的媒介 SolderPaste锡膏Mixtureofsolderspheresandfluxdepositedontopadsofcircuitboardonacontrolledvolume Afterreflowprovideselectrical mechanicalandthermaldissipativeconnectionbetweencomponentandboard焊料和助焊剂的混合 定量的转化到线路板的焊盘上 经过回流 提供元件和线路板之间的电气 机械和热耗散连接 SolderPrinting锡膏印刷 Squeegee刮刀Criticaltoolusedto push pastethroughthedesignatedopenings Variationsinhardness flatness speed angleandpressurecriticallyimpactqualityoftheprint 用于通过指定的开孔推动锡膏的关键工具 硬度 平整度 速读 角度和压力关键变量影响印刷的质量 Printer印刷机Machinewhichdepositssolderpasteontopadsonthecircuitboard将锡膏放到线路板上的机器 SolderPrinting锡膏印刷 Pick PlaceProcess选择和放置零件 AflexiblemachinethatplacesmanydifferenttypesofcomponentsonaPCB灵活的机器 可以在一块PCB上放置许多不同类型的元件 MostimportantpieceofequipmentintheSMTassemblyprocess在SMT组装制程中最重要的一种设备 Veryexpensive很昂贵 Withouttheuseofappropriatefeedersandamachinevisionsystem theplacementequipmentwillnotbeabletopick placecomponents如果没有适当的进料器和机器视觉系统的使用 安置设备将无法取放组件 Itincludesfeaturessuchas 它包括以下的功能 Reliableplacementaccuracy可靠的放置精度Vacuumpickupcapability真空提取能力Automaticcomponentrealignment元件自动对准Visionsystem视觉系统TransportationsystemforPCBsPCBs运输系统 Pick PlaceProcess选择和放置零件 FactorsinfluencingtheuseofautomatedplacementequipmentinSMT在SMT中影响自动贴装设备的使用的因素 Handlingofcomponents especiallysmallchipsandultra finepitchleadeddevices元件的手动搬运和操作 尤其是小芯片和超细间距引线的器件 Throughputrequirements吞吐量需求 ReliabilityandAccuracy可靠性和准确性 Quality质量 Flexibility灵活性 Pick PlaceProcess选择和放置零件 Pick PlaceProcess选择和放置零件 NormalPickUp正常的提取 Z AxismovestillcomponentistouchedZ 轴移动直到接触到元件 ThenZ Axismovesbackandcomponentispickedup 然后 Z 轴移回原来的地方 元件被提起来TouchlessPickUp无接触的提取 Z AxismovestoafixedheightabovethecomponentZ 轴移动到元件上方一个固定的高度 Componentissuckedoutofthepocket元件被吸出袋外 PostReflowProcess回流焊 Whatispostreflowprocess 什么是回流焊 Processofjoiningmetallicsurfacesthroughthemassheatingofsolderorsolderpaste是通过大量加热 使锡膏受热融化从而让表面贴装元器件和PCB焊盘通过焊锡膏合金可靠地结合在一起的制程 CreatesamechanicalandelectricalconnectionbetweenthecomponentsandPCB在PCB和元件之间创建一种机械和电器的连接Surfacemountcomponentsaresecuredonthesurfaceandaredependentonsoldervolumeformechanicalstrength表面粘贴元件依靠一定量的锡膏由于机械强度被固定在表面 Solderalloymetalismeltedtoformtheconnection合金焊料融化后 形成连接 Liquidsolderattachestothebasemetalsbyformingintermetalliccompounds throughtheprocessofwetting液态焊料由金属化合物 通过润湿流程附着在金属表面 PostReflowProcess回流焊 Requirementforsoldering 回流焊的需求SourceofSolder Alloy焊料 合金SourceofHeat热源Flux助焊剂 通常是以松香为主要成分的混合物 CompatibleMetallization兼容金属CleanSurfaces表面清洁ControlledProcess被控制的流程 PostReflowProcess回流焊 SurfaceMountandThroughHoleSolderJoints表面焊接和通孔焊接 PostReflowProcess回流焊 Inthesolderingprocess threedifferentheatingmethodsareused三种不同的加热模式用在焊接制程中 Conduction热传导Convention热对流InfraredRadiation IR 红外辐射 Differentheattransfermethodsofferdifferentadvantagesanddisadvantages不同的热传输模式有不同的优势和劣势 Conduction热传导Conductionoccurswhentwosolidmassesofdifferenttemperaturesareincontactwitheachother热传导发生在不同温度下的两个固体相互的接触 Providesuniformproductheatingasheatwillconductfromahotspottoacoldspotintheproduct供给均匀的热 由于热能将从热的一端传到冷的一端 PostReflowProcess回流焊 Convection 热对流Convectionheattransferoccurswhenafluid suchasairornitrogen flowsovertheobjecttobeheated热对流发生在气体吹过目标物 如空气或氮气 Twotypes NaturalConvectionandForcedConvection两种方式 自然对流和强制性对流 Naturalconvectionoccurswhennoflowisbeingforcedovertheobject自然对流发生于没有气体被强制流过目标物 Forcedconvectionrequiresanexternalforcethatpushesorpullstheflowovertheobject强制对流需要一种外部的压力推动或拉动气流流过目标物 Mostsolderingovenstodayuseforcedconvectionastheprimaryheattransfermethod今天大多数焊接烤箱使用强制对流作为换热模式预热的主要方法 PostReflowProcess回流焊 PostReflowProcess回流焊 InfraredRadiation IR 红外辐射Infraredradiation IR occurswhentwobodiesofdifferenttemperaturesareinsightofeachother红外辐射发生与当两种不同温度的物体在相互的视野内Heatistransferredbytheelectromagneticwavesgeneratedbythehotbody热被产生于热物体的电磁波转换 Twoimportantphenomenonwithradiation 两种重要的辐射现象Absorbtivity PercentageofinfraredabsorbedbythePCBandcomponents吸收 被PCB和元件吸收的百分比BlackBody Abodythatabsorbsallradiationincidentuponitssurface黑体 吸收所有表面辐射的物体 PostReflowProcess回流焊 SolderingSurfaceMountComponents表面粘贴元件 焊接 回流焊 波峰焊 蒸气 红外辐射 强制对流 AllthesolderedconnectsArecreatedinasinglestep所有的焊接在一个步骤完成 ThesolderedconnectionsareCreatedoneafteranother焊接在一个步骤接着另一个步骤地完成 SolderingThroughHoleComponents插件元件 PostReflowProcess回流焊 插件元件 一次性的 连续性的 PostReflowProcess回流焊 SimultaneousSoldering 一次性的 浸焊 有防焊的波峰焊 PostReflowProcess回流焊 SequentialSoldering连续性的焊接 持续性焊接 烙铁焊 小热风焊 光波焊接 镭射焊接 火焰焊接 波峰焊是指将熔化的软钎焊料 铅锡合金 锡银铜合金等 经电动泵或电磁泵喷流成设计要求的焊料波峰 亦可通过向焊料池注入氮气来形成 使预先装有元器件的印制板通过焊料波峰 实现元器件焊端或引脚与印制板焊盘之间机械与电气连接的软钎焊 根据机器所使用不同几何形状的波峰 波峰焊系统可分许多种 波峰