SMT贴片工艺详解&贴片机工作演示

shuszhao

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。
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。

                               
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钢网上开孔，和电路板的元器件焊盘对应

                               
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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。

                               
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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

                               
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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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