文章來源：學(xué)習(xí)那些事???

原文作者：趙先生???

經(jīng)過封裝與測試的芯片，理論上已具備使用條件。然而在現(xiàn)實生活里，一個集成電路產(chǎn)品通常需要眾多芯片共同組裝在印刷電路板（PCB）上，以此實現(xiàn)復(fù)雜功能。一個或多個集成電路芯片，連同其他組件與連接器，被安裝于印刷電路板之上，并通過細(xì)銅帶連接，以契合應(yīng)用需求。印刷電路板極為常見的應(yīng)用場景，便是作為計算機(jī)與手機(jī)的主板。

圖 1 展示了一部手機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，從中可以清晰看到，構(gòu)成手機(jī)核心主板的印刷電路板上，裝配著數(shù)顆芯片。這些芯片不僅各自具備特定功能，還能相互傳遞信息。將芯片安裝至印刷電路板的工藝，即被稱作印刷電路板組裝工藝。裸板上的銅線被叫做走線，其作用是連接連接器與芯片組件。走線在不同功能部件間傳輸信號，使印刷電路板能夠按照預(yù)先設(shè)計的方式運行，這些功能的復(fù)雜程度各不相同。

圖1：印刷電路板

那么，這些組裝好的印刷電路板究竟是如何制造出來的呢？印刷電路板組裝實則是一個由若干自動與手動步驟構(gòu)成的過程。在流程的每一步，電路板制造商都擁有手動與自動兩種選擇方案。為了讓讀者能夠全面深入地了解印刷電路板組裝工藝流程，以下將對每個步驟展開詳細(xì)闡釋。

印刷電路板的結(jié)構(gòu)和類型??????

印刷電路板組裝工藝起始于印刷電路板的最基礎(chǔ)單元 —— 基底?；子伤膶硬牧蠘?gòu)成，每一層都在最終印刷電路板的功能實現(xiàn)中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。

1.基底層的組成?????????

基板：這是印刷電路板的基礎(chǔ)材質(zhì)，賦予印刷電路板剛性特質(zhì)。

銅：在印刷電路板的每個功能面，都會添加一層薄薄的導(dǎo)電銅箔。若是單面印刷電路板，銅箔在一側(cè)；若為雙面印刷電路板，銅箔則分布在兩側(cè)，這便是銅走線層。

阻焊層：銅層之上是阻焊層，它賦予每塊印刷電路板標(biāo)志性的綠色外觀。阻焊層的作用是隔離銅走線與導(dǎo)電材料，防止短路現(xiàn)象發(fā)生。換言之，焊料依靠阻焊層將所有組件固定在相應(yīng)位置。阻焊層上的孔用于通過焊料將組件連接到電路板，它是印刷電路板組裝工藝能夠順利進(jìn)行的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，因為它能夠避免在不必要的部件上出現(xiàn)焊接，有效防止短路情況。

絲?。喊咨z印是印刷電路板上的最后一層，該層以字符與符號的形式在印刷電路板上添加標(biāo)識，用于提示印刷電路板上每個組件的功能。

2.印刷電路板的類型

剛性印刷電路板：最為常見的印刷電路板基板類型是剛性基板，在印刷電路板組裝工藝中占比頗高。剛性印刷電路板的實心核心賦予電路板剛度與厚度，這類不易彎折的印刷電路板底座由多種不同材料制成。其中，玻璃纖維最為常見，其代號為 “FR4”（耐燃材料等級的代號）。較為廉價的印刷電路板采用環(huán)氧樹脂或酚醛樹脂等材料制作，但耐用程度不及 FR4。

柔性印刷電路板：柔性印刷電路板相較于剛性印刷電路板，具有更高的柔韌性。此類印刷電路板的材料通常是可彎曲的高溫塑料，例如 Kapton 聚酰亞胺。

金屬芯印刷電路板：這類電路板是典型 FR4 板的又一替代選擇。它們由金屬芯制成，相較于其他電路板，散熱性能更佳，有助于散熱并保護(hù)對熱更為敏感的電路板組件。

現(xiàn)代印刷電路板組裝工藝????

在當(dāng)今行業(yè)中，主流的組裝技術(shù)主要有以下兩種：

1.表面貼裝技術(shù)

對于一些尺寸極小且較為敏感的元件，比如電阻器或者二極管，會通過自動化方式安置于電路板表面。采用這種安裝方式的電子元件，被稱作表面貼裝器件（SMD），具體可參考圖 2。

圖2：表面貼裝技術(shù)

2.通孔技術(shù)

該技術(shù)適用于那些帶有引線或?qū)Ь€的組件。此類組件需要將其插入板上的孔中，從而安裝在電路板上。插入后，多余的引線部分需在電路板的另一側(cè)進(jìn)行焊接，如圖 3 所示。通孔技術(shù)常用于包含電容器、線圈等大型組件的印刷電路板組裝環(huán)節(jié)。

圖3：通孔技術(shù)

實際印刷電路板組裝工藝步驟

1.焊膏模板

印刷電路板組裝流程的首要步驟，便是在電路板上涂抹焊膏。這一過程類似于對襯衫進(jìn)行絲網(wǎng)印刷，不同之處在于，印刷電路板上所放置的并非普通掩模版，而是一塊薄的不銹鋼模板。借助這塊模板，組裝人員能夠精準(zhǔn)地僅在印刷電路板特定的預(yù)期部位涂抹焊膏。這些部位正是成品印刷電路板上組件所要安置的位置。焊膏本身呈現(xiàn)為灰色物質(zhì)，它由微小的金屬球構(gòu)成，這些金屬球也就是通常所說的焊料。其成分包含 96.5% 的錫、3% 的銀以及 0.5% 的銅。焊膏將焊料與助焊劑混合在一起，助焊劑作為一種化學(xué)物質(zhì)，能夠助力焊料熔化，并使其更好地黏附在電路板表面。呈現(xiàn)為灰色的焊膏，必須以精準(zhǔn)的量涂抹在電路板的正確位置。在專業(yè)的印刷電路板組裝工藝生產(chǎn)線上，機(jī)械夾具會將印刷電路板與焊接模板穩(wěn)固地固定住，涂抹裝置則會把適量的焊膏精準(zhǔn)放置在預(yù)期區(qū)域。隨后，機(jī)器會將糊狀的焊膏均勻地涂抹在模板上，并確保每個開放區(qū)域都能被均勻覆蓋。待模板移除后，焊膏便會留在預(yù)定位置。

2. 取放操作

在印刷電路板成功涂抹焊膏后，印刷電路板組裝工藝線便轉(zhuǎn)移至貼片機(jī)處。此時，自動機(jī)械設(shè)備會將表面貼裝元件，也就是我們常說的表面貼裝器件（SMD），放置到已準(zhǔn)備好的印刷電路板上。在現(xiàn)今的印刷電路板非連接器組件中，SMD 占據(jù)了相當(dāng)大的比例。隨后，在印刷電路板組裝工藝的下一步，這些 SMD 將被焊接到電路板表面。在傳統(tǒng)工藝?yán)?，這一環(huán)節(jié)需借助一對鑷子，由組裝人員手動完成拾取與放置組件的操作。而如今，自動機(jī)器臂已取代了人工操作，其不僅精準(zhǔn)度更高，而且操作的一致性也遠(yuǎn)超人工。在取放過程中，設(shè)備會利用真空夾具拿起印刷電路板，并將其移動至拾放站。緊接著，自動機(jī)器臂會將印刷電路板在工作站上精準(zhǔn)定位，隨后開始在印刷電路板表面應(yīng)用表面組裝技術(shù)（SMT）。這些元件會被放置在預(yù)先編程位置的焊膏頂端。

3. 回流焊接

當(dāng)焊膏與表面貼裝元件全部安置到位后，需要確保它們穩(wěn)固地附著在電路板上。這就意味著要讓焊膏固化，從而將元件牢牢黏附于電路板。印刷電路板組裝通過一種被稱作 “回流” 的工藝過程來達(dá)成這一目標(biāo)。取放流程結(jié)束后，印刷電路板會被轉(zhuǎn)移至傳送帶上。這條傳送帶會穿過一個大型回流爐。該回流爐類似于一個大型烤箱，由一系列加熱器構(gòu)成，這些加熱器會逐步將電路板加熱至約 250℃，這一溫度足以使焊膏中的焊料熔化。

當(dāng)焊料熔化后，印刷電路板會繼續(xù)在回流爐中移動，穿過一系列冷卻器加熱器，讓熔化的焊料以可控的方式冷卻并固化。如此一來，便會形成一個永久性焊點，成功將 SMD 與印刷電路板連接起來。對于許多印刷電路板組裝工藝而言，尤其是雙面印刷電路板組裝，在回流過程中需要特別處理。雙面印刷電路板組裝需要對每一面分別進(jìn)行模板印刷與回流操作。首先對零件較少且尺寸較小的那一面進(jìn)行模板印刷、元件放置以及回流處理，隨后再對另一面進(jìn)行相同操作。

4. 檢驗和質(zhì)量控制

表面貼裝元件在回流過程后焊接到位，并不意味著印刷電路板組裝工藝就此完成。組裝好的電路板還需進(jìn)行功能測試。通常情況下，回流過程中的移動可能會導(dǎo)致連接質(zhì)量欠佳，甚至出現(xiàn)完全未連接的開路情況。而元件放置位置錯誤時，有時會連接原本不應(yīng)連接的電路部分，進(jìn)而造成短路。

檢查這些錯誤與未對準(zhǔn)狀況，可能會用到幾種不同的檢查方式。最為常見的檢查方法包括：

1）人工檢查：盡管自動化與智能制造的發(fā)展趨勢日益顯著，但在印刷電路板組裝過程中，人工檢查仍具有一定的必要性。對于小批量生產(chǎn)而言，設(shè)計人員通過目視檢查，是確?；亓鞴に嚭笥∷㈦娐钒遒|(zhì)量的一種有效手段。然而，隨著需要檢查的電路板數(shù)量增多，這種方法逐漸變得不太現(xiàn)實且準(zhǔn)確性降低。長時間觀察如此微小的組件，容易引發(fā)視覺疲勞，進(jìn)而導(dǎo)致檢查結(jié)果不準(zhǔn)確。

2）自動光學(xué)檢測：自動光學(xué)檢測是一種更適用于大批量印刷電路板組裝工藝的檢測方法。自動光學(xué)檢測機(jī)（automated optical inspection，AOI）借助一系列高功率相機(jī)來 “查看” 印刷電路板。這些攝像頭以不同角度排列，用于觀察焊接連接情況。不同質(zhì)量的焊料連接對光的反射方式各異，這使得 AOI 能夠識別出質(zhì)量較低的焊料。AOI 能夠以極高的速度執(zhí)行此項操作，因此能夠在相對較短的時間內(nèi)處理大量印刷電路板。

3）X 射線檢查：另一種檢查方式涉及 X 射線。這是一種相對不太常見的檢查方法，主要應(yīng)用于更為復(fù)雜或分層的印刷電路板。X 射線能夠讓觀察者穿透電路板的各層，對較低層進(jìn)行可視化，從而識別出任何潛在的隱藏問題。

對于出現(xiàn)故障的電路板，將會被送回進(jìn)行清除和返工處理，若無法修復(fù)則只能報廢。無論檢查過程中是否發(fā)現(xiàn)這些錯誤，該工藝的下一步都是對零件進(jìn)行測試，以確保其能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)期功能。這涉及到對印刷電路板連接質(zhì)量的測試。對于那些需要編程或校準(zhǔn)的電路板，還需要更多步驟來測試其功能是否正確。此類檢查可在回流工藝后定期開展，以便識別潛在問題。這些定期檢查能夠確保錯誤被盡早發(fā)現(xiàn)并修復(fù)，有助于制造商和設(shè)計人員節(jié)省時間、人力以及材料成本。

5. 插入通孔元件

依據(jù)印刷電路板組裝工藝所涉及的電路板類型，電路板除了常見的表面貼裝器件（SMD）外，可能還包含各類別的組件，其中就有電鍍通孔（plating through hole，PTH）組件或者通孔直插式元件組件。電鍍通孔組件，其實就是印刷電路板上的一個貫穿電路板的電鍍孔。印刷電路板上的組件借助這些孔，實現(xiàn)信號在電路板兩側(cè)的傳遞。不過，這類組件的存在可能會對焊膏產(chǎn)生影響，因為焊膏有可能直接穿過這些孔，而無法有效地黏附在所需位置。

PTH 元件并不使用焊膏，而是在后續(xù)的印刷電路板組裝環(huán)節(jié)中，需要采用更為專業(yè)的焊接手段，常見的有手動焊接或者波峰焊接。手動焊接插入通孔這一操作相對較為簡單。一般情況下，在單個工作站，由一名工作人員負(fù)責(zé)將一個組件插入指定的 PTH 孔中。完成后，電路板會被轉(zhuǎn)移至下一個工位，由另一名工作人員插入不同的組件。針對每一個需要裝配的 PTH 孔，如此循環(huán)往復(fù)。這一過程可能會比較耗時，具體時長取決于在印刷電路板組裝工藝的一個周期內(nèi)，需要插入的 PTH 組件數(shù)量。鑒于此，大多數(shù)公司在設(shè)計時都盡量避免使用 PTH 組件，但在實際的印刷電路板設(shè)計中，PTH 組件依然較為常見。波峰焊是手動焊接的自動化形式，但其操作過程卻大不相同。一旦 PTH 組件安裝到位，電路板便會被放置在另一條傳送帶上。這條傳送帶會經(jīng)過一個特制的烤箱，在烤箱中，一股熔化的焊料會沖刷電路板的底部，一次性完成電路板底部所有引腳的焊接。不過，這種焊接方式對于雙面印刷電路板而言，幾乎難以實現(xiàn)，因為對電路板的一側(cè)進(jìn)行全面焊接，可能會致使板上任何精密的電子元件損壞。完成這一焊接流程后，印刷電路板可以進(jìn)入最終檢查環(huán)節(jié)；倘若電路板還需要添加額外零件，或者進(jìn)行另一面的組裝，那么就得重復(fù)前面的步驟。

6. 最終檢查和功能測試

在印刷電路板組裝工藝的焊接步驟全部完成后，會進(jìn)行最終檢查，這一檢查旨在測試印刷電路板的功能，也被稱作 “功能測試”。該測試會模擬印刷電路板實際運行時所處的正常環(huán)境，以此對其進(jìn)行檢驗。在測試過程中，電源和模擬信號會通過印刷電路板，與此同時，測試人員會密切監(jiān)測印刷電路板的電氣特性。一旦這些特性，如電壓、電流或者信號輸出等，出現(xiàn)不可接受的波動，或者超出預(yù)先設(shè)定的范圍峰值，那么該印刷電路板的測試便判定為失敗。對于測試失敗的印刷電路板，可根據(jù)具體的接受標(biāo)準(zhǔn)，選擇回收利用或者直接報廢處理。測試是印刷電路板組裝過程中最后也是極為關(guān)鍵的一步，因為它直接決定了整個組裝過程的成敗。這也是為何在整個組裝流程中，定期進(jìn)行測試和檢查如此重要的原因。

7. 組裝工藝的后清洗

在印刷電路板組裝過程中，焊膏會殘留一定量的助焊劑，而且人工操作過程中，工作人員手指和衣服上的油污、污垢等也可能會轉(zhuǎn)移到印刷電路板表面。全部組裝工作完成后，電路板表面可能會顯得有些暗淡，這不僅影響美觀，還存在實際問題。

經(jīng)過數(shù)月時間，殘留在印刷電路板上的助焊劑開始散發(fā)氣味，并且變得黏糊，還會逐漸變酸，久而久之，會對焊點造成損壞。此外，當(dāng)新生產(chǎn)的印刷電路板出貨時，表面布滿殘留物和指紋，客戶滿意度往往會大打折扣?；谏鲜龇N種原因，在完成所有焊接步驟后，對產(chǎn)品進(jìn)行清洗至關(guān)重要。使用去離子水的不銹鋼高壓清洗設(shè)備，是去除印刷電路板殘留物的最佳工具。用去離子水清洗印刷電路板，不會對器件造成威脅。這是因為普通水中的離子才是對電路造成損壞的根源，而非水本身。所以，利用去離子水對印刷電路板進(jìn)行循環(huán)沖洗是安全無害的。清洗完畢后，再使用壓縮空氣進(jìn)行快速循環(huán)干燥，讓成品印刷電路板能夠為包裝和運輸做好充分準(zhǔn)備。