详解电子加工厂是如何做出一块电路板?

2020-05-19 12:01:49 217

现今电路板的PCBA加工组装,基本上都是通过焊锡(solder)将电子零件焊接于印刷电路板之上,这个焊接的过程可以经过表面贴焊(SMT,Surface Mount Technology)或波峰焊(Wave soldering)的方式来达成,当然你也可以全部用手焊,但那不在本篇讨论的范围,而且手焊的品质风险很大,也无法大量生产。

SMT生产线

因为波峰焊几乎已经很少有产品在使用了,所以本篇仅介绍以表面贴焊(SMT)做电路板组装的焊接。基本上现在的SMT制程都是一条龙的作业,也就是把空板放到SMT产线开始,到最后板子流出组装完成,都是在同一条产线搞定。

 

底下的制程会简单地介绍从空板载入到板子组装完成,还有品质保证的后制程:

空板载入(Bare Board Loading)

电路板的组装第一步就是把空板子 (bare board)排列整齐,然后放到料架(magazine)上面,机器就会自动的一片一片的把板子送进SMT的流水生产线。 


印刷锡膏(Solder paste printing)

印刷电路板(PCB)进入SMT产线的第一步要先印刷锡膏(solder paste),说真的这有点像女生在脸上涂抹面膜,这里会把锡膏印刷在需要焊接零件的焊垫上面,这些锡膏在后面经过高温的迴焊炉的时候会融化并与把电零件焊接在电路板上面。


锡膏检查机(solder paste inspector) (option)

由于锡膏印刷好坏关系到后面零件焊接的好坏,所以有些SMT工厂为求品质稳定,会先在锡膏印刷之后就用光学仪器检查锡膏印刷的好坏,如果有印刷不良的板子就打掉,洗掉上面的锡膏在重新印刷,或是採用修理的方式移除多余的锡膏。


快速贴片机 (Pick and Place speed machine)

这里会先把一些体积较小的电子零件(如小电阻、电容、电感)打在电路板上,这些零件会稍微被刚刚印刷于电路板上的锡膏黏住,所以既使贴片的速度非常很快,快到几乎像是打机关枪一样,板子上面的零件也还不至于会飞散,但大型零件就不适宜用在快速机里面了,一来会拖累原本打得飞快的小零件速度,二来怕零件会因为板子快速移动而偏移原来的位置。


泛用型贴片机 (Pick and Place general machine)

又称为「慢速机」,这里会是打一些体积比较大颗的电子零件,如 BGA IC、联接器(connector)…等,这些零件需要比较淮确的位置,所以对位非常重要,贴片以前会先用照相机照一下确认零件的位置,所以速度上来说就相形慢了许多。这里的零件因为尺寸的关系,不一定都会有卷带包装(tape-on-reel),有的可能是托盘(Tray)或是管状(tube)包装。但如果要让SMT机器可以吃托盘或是管状的包装料,必须要额外配置一台机器。

一般传统的贴片/贴件机(pick and place machine)都是使用吸力的原理来搬移电子零件,所以这些电子零件的最上面一定都要留有一个平面给贴片机的吸嘴来吸取零件之用,可是有些电子零件就是无法有平面留给这些机器,这时候就需要订制特殊吸嘴给这些异形零件,或是在零件上加贴一层平面的胶带,或是戴上有平面的帽盖。

贴片加工


手摆零件或目视检查 (hand place component or visual inspection)

当所有的零件都打上电路板要过高温回焊炉(reflow)以前,通常会设置一个检查点,用来挑出贴片偏移或掉件…等等的缺点,因为过了高温炉后如果还发现有问题就必须要动到烙铁(iron),这会影响的产品的品质,也会有额外的花费;另外一些较大的电子零件或是DIP的传统零件或是某些特殊原因,无法经由贴片/贴件机来操作的零件,也会在这里用人工的方式手摆零件。

另外,有些手机板的SMT会在回焊炉前也设计一道AOI,用来确认回焊前的品质,有些时候是因为零件的上面会打上屏蔽框,会造成回焊炉后无法使用AOI来检查焊锡性。


回焊炉 (Reflow)

回焊炉(reflow)的目的是熔融锡膏并形成共金(IMC)于零件脚与电路板,也就是焊接电子零件于电路板之上,其温度的上升与下降的曲线(temperature profile)会往往影响到整个电路板焊接的品质,根据焊锡的特性,一般的迴焊炉会设定预热区、浸润区、迴焊区、冷却区,以目前无铅制程的SAC305锡膏,其融点约为217℃左右,也就是说回焊炉的温度至少要高于这个温度才能重新熔融锡膏,另外最高温最好不要超过250℃,否则会有很多零件因为没有办法承受那么高的温度而变形或融化。

基本上电路板经过迴焊炉以后,整个电路板的组装就算完成了,如果还有手焊零件例外,剩下的就是检查及测试电路板有没有缺损或功能不良的问题而已。


光学检查銲锡性 (AOI, Auto Optical Inspection) Option

并不一定每条SMT的产线都有光学检查机(AOI),设置AOI的目的是因为有些密度太高的电路板无法进行后续的开短路电子测试(ICT),所以用AOI来取代,但由于AOI为光学判读有其盲点,比如说零件底下的焊锡就无法判断,目前仅能检查零件有否墓碑(tombstone)或侧立、缺件、位移、极性方向、锡桥、空焊等,但无法判断假焊、BGA焊性、电阻值、电容值、电感值等零件品质,所以到目前为止还没办法完全取代ICT。

所以如果仅使用AOI来取代ICT,在品质上仍有部份风险,但ICT也不是百分之百,只能说互相弥补测试涵盖率,希望作到100%,所以自己要做个取舍(trade-off)。


收板 (unloading)

板子组装完成后会在收回到料架(magazine)上,这些料架已经被设计成可以让SMT机台自动取放板子而不会影响到其品质。


成品目检 (Visual Inspection)

不论有没有设立AOI站别,一般的SMT线都还是会设立电路板目视检查区,目的在检查电路板组装完成后有否任何的不良,如果有AOI站别者则可以减少目检人员的数量,因为还是要检查一些AOI无法判读到的地方,或检查AOI打下来的不良。

很多的工厂会在这一站提供目视重点检查模板(inspection template),方便目检人员检验一些重点零件与零件极性。


零件后复 (Touch up)

如果有些零件没有办法用SMT来贴片,就需要后复(touch-up)手焊零件,这通常会放在成品检查之后,以区别缺点是来自SMT还是其后段制程。

后复零件时要使用烙铁(iron)及锡丝(solder wire),焊接时将维持于一定高温的烙铁接触到欲焊锡的零件脚,直至温度升高到足以融化锡丝的温度,然后加入锡丝融化,待锡丝冷却后就会把零件焊接在电路板上。

手焊零件时会有一些烟雾产生,这些烟雾会包含许多重金属,所以操作区域一定要设立烟雾排出设备,尽量不要让操作员吸入这些有害烟雾。

需要提醒的,有些零件后复会因制程的需求而安排在更后段的制程。


电路板开路/短路测试 (ICT, In-Circuit Test)

ICT设置的目的最主要在测试电路板上零件及电路有否开路及短路,它另外也可以量测大部分零件的基本特性,,如电阻、电容、电感值,以判断这些零件经过高温迴焊炉之后功能有否损坏、错件、缺件…等。

电路测试机台又分为高级及初阶机台,初阶的测试机台我们一般称之为MDA(Manufacturing Defect Analyzer),其功能就是上面讲的电子零件的基本特性量测及开短路判断。

高阶的测试机台除了包含初阶机种的所有功能之外,还可以送电到待测板,并启动待测板并执行测试程式,好处是可以模拟电路板在实际开机情况下的功能测试,可以一部分取代后面的功能测试机台(Function Test)。但一台这种高阶测试机台的测试治具大概可以买一部私家轿车,比起一台初阶的测试治具要高上15~25倍,所以一般运用在大量产的产品上面比较适合。


电路板功能测试 (Function test)

PCBA功能测试

功能测试是为了弥补 ICT 的不足,因为 ICT 仅测试电路板上面的开短路,其他如 BGA及产品的功能并没有被测试到,所以需要使用功能测试机台来测试电路板上的所有功能。


裁板 (assembly board de-panel)

一般的电路板都会进行拼板(Panelization),以增加SMT生产的效率,通常会有所谓「几合一」的板子,比如说二合一(2 in 1)、四合一(4 in 1)…等。等到所有的组装作业都完成以后,还要再把它裁切(de-panel)成单板,有些只有单板的电路板也需要裁去一些多余的板边(break-away)。

裁切电路板的方法有几种,可以设计V型槽(V-cut)使用刀片裁板机(Scoring)或直接手动折板(不建议),比较精密的电路板会使用路径分板切割机(Router),比较不会伤害到电子零件与电路板,但费用及工时比较长。


标签: 电子加工厂

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