Основное руководство по сборке PCB: от проектирования к производству

Навигация: Терминология PCBA | Монтаж с выводными компонентами | Поверхностный монтаж | Смешанная технология | Производство PCB в Millennium Circuits Limited

Процесс сборки печатной платы (PCB) состоит из множества этапов и правил, которые должны выполняться в строгой последовательности для обеспечения работоспособности готового изделия. Чтобы гарантировать это, производители используют экранные шаблоны и контролируемые механизмы нагрева и охлаждения для регулировки нанесения и фиксации компонентов.

При сборке печатной платы необходимо выбрать подходящую технологию для типа используемых компонентов. Все детали должны быть точно выровнены в своих обозначенных местах, как указано в проекте PCB. Любое, даже незначительное отклонение, может иметь серьезные последствия для функций готовой платы.

Терминология PCBA

Для понимания процесса сборки PCB нужно знать значение нескольких терминов:

• Субстрат: Базовый материал печатной платы, придающий ей жесткость и прочность.
• Медь: Каждая рабочая сторона PCB содержит тонкий слой меди для проводимости. На односторонних платах медь находится на активной стороне. На двухсторонних — на обеих.
• Паяльная маска: Поверхностный слой (обычно зеленый) на каждой печатной плате. Паяльная маска обеспечивает изоляцию между медью и другими материалами, предотвращая короткие замыкания при контакте различных проводящих материалов. Она также задает структуру разводки, удерживая все элементы на месте. В плате имеются отверстия, проходящие через паяльную маску. В каждое отверстие помещается припой, создающий основу для монтируемых компонентов.
• Шелкография (Silkscreen): Финальный штрих на каждой печатной плате — прозрачный слой с цифрами и буквами рядом с различными элементами платы. Это позволяет производителям идентифицировать конкретные компоненты каждой платы.
• Ручная пайка: Процесс, при котором техник вручную устанавливает отдельный компонент на заданное место серии печатных плат. После завершения каждая плата передается следующему технику, который добавляет другую деталь и передает плату дальше.
• Волновая пайка: Плату помещают на конвейер и пропускают через нагревательную камеру. Волна припоя наносится на нижнюю сторону, закрепляя все выводы компонентов за один проход.

Также важно понимать различия между монтажом с выводными компонентами, поверхностным монтажом и смешанной технологией.

Монтаж с выводными компонентами (Through-Hole)

Технология монтажа с выводными компонентами идеально подходит для печатных плат с выводами или проводами, которые проходят через отверстия в плате и фиксируются с обратной стороны припоем. PCB с крупногабаритными компонентами особенно хорошо подходят для этой технологии, особенно конденсаторы.

Основные этапы технологии through-hole:

1. Техник вручную собирает детали на конкретных участках печатной платы в соответствии с проектными спецификациями. Каждый компонент должен быть установлен в точной позиции для правильной работы платы.
2. Плата проверяется на правильность сборки всех деталей и точность их размещения. Если какие-либо компоненты смещены, сейчас устраняют эти дефекты.
3. Компоненты паяются на плату. Обычно это делается волновой пайкой: плата движется над волной расплавленного припоя, который затвердевает, фиксируя сборку. Это также можно сделать вручную или с использованием селективной пайки. Селективная пайка похожа на волновую, но оператор может паять выборочно определенные участки, что помогает, когда припой не должен попадать на определенные зоны.

Платы с выводным монтажом обычно содержат компоненты с проводными выводами — осевыми или радиальными. По сравнению с поверхностным монтажом, through-hole обеспечивает более прочные соединения. Однако производство требует больше работы из-за дополнительного сверления.

Если through-hole плата состоит из нескольких слоев, трассировка сигналов на внутренних слоях ограничена, так как отверстия проходят через верхнюю и нижнюю поверхности. Поэтому эта технология часто применяется для более громоздких компонентов: электролитических конденсаторов и полупроводников. Платы, требующие дополнительной прочности и поддержки (электромеханические реле, разъемы), также изготавливаются с использованием through-hole.

На этапе прототипирования техники часто предпочитают более крупные through-hole компоненты поверхностному монтажу, так как первые лучше работают с макетными платами (breadboard). Однако если плата предназначена для высокоскоростных или высокочастотных целей, дизайн может требовать поверхностного монтажа для уменьшения паразитной индуктивности/емкости выводов.

При нанесении паяльной пасты на печатную плату поверх нее устанавливается паяльной шаблон (стейнсил), чтобы припой оставался в пределах, заданных дизайном. Штейнсил — это тонкая копия исходного дизайна с выемками для зон размещения компонентов.

После установки компонентов и первого осмотра паяльная паста нагревается над горячей жидкостью до затвердевания микрокругликов припоя с флюсом. Это надежно связывает компоненты с платой. После нагрева и паяки плата охлаждается в контролируемых условиях, возвращаясь в нормальное состояние и предотвращая тепловой шок.

Готовая печатная плата должна быть проверена на возможные смещения компонентов. Если компоненты достаточно крупны, это можно сделать визуально. Сейчас для более точного контроля используют оптические и рентгеновские инспекторы. При обнаружении дефектов проектирования проблему устраняют перед запуском следующих плат.

Поверхностный монтаж (Surface Mount Technology — SMT)

Поверхностный монтаж — практичный вариант для печатных плат с крошечными и чувствительными компонентами, которые трудно установить без повреждений. Примеры: диоды и резисторы.

Основные этапы поверхностного монтажа:

1. Первый этап — принтер для нанесения паяльной пасты. Используется экранный шаблон для точного размещения микрокомпонентов. Перед установкой компонентов шаблон проверяют на правильное выравнивание.
2. Плату перемещают к машине, где компоненты размещаются согласно дизайну экранного шаблона. Бобины в машине обеспечивают выравнивание и прикрепление деталей к соответствующим контактным площадкам.
3. С установленными компонентами применяется термический процесс для их фиксации. Плата проходит через нагревательную камеру, где припой расплавляется и закрепляет детали.

Перед установкой компонентов отдельные участки платы покрывают паяльной пастой, выполняющей роль клея. Основные зоны для нанесения пасты — это места, где будут контактные площадки для соответствующих компонентов.

Паяльная паста состоит из микрозерен и флюкса. Процесс ее нанесения похож на печать. Экранный шаблон накладывают на плату с точным выравниванием. Затем валик проходит по экрану, прессуя пасту на плату.

Экранный шаблон изготавливается заранее согласно дизайну PCB. Апертуры экрана выровнены относительно контактных площадок компонентов на плате. Это гарантирует, что паяльная маска распределяется исключительно на этих участках. Количество распределяемого припоя должно регулироваться, чтобы каждый контакт не был ни перекрыт, ни недозаправлен.

После нанесения пасты плату отправляют в pick-and-place машину, где заданные компоненты устанавливаются на припаянные зоны. Пока внешние силы не встряхивают плату в этом процессе, натяжение припоя достаточно для удержания компонентов на месте.

На некоторых pick-and-place машинах к заданным участкам добавляют крошечные количества клея для фиксации компонентов. Это в основном для плат, проходящих волновую пайку. Недостаток добавленного клея — затруднение коррекции на платах с неверно выровненными компонентами.

С закрепленными компонентами PCB проходит через паяльную машину. На старых платах часто использовали волновую пайку, но сейчас этот метод в основном ушел в прошлое. В производствах, где он применяется, паяльная паста не используется, так как припой наносит сама волновая машина. Сегодня рефлоу-пайка (reflow soldering) является более распространенным методом среди производителей PCB.

После выхода из паяльной машины техники осматривают состав платы на наличие дефектов. Если на плате более 100 различных компонентов, ее пропускают через автоматический оптический инспектор (AOI), способный обнаружить даже малейшие неисправности: смещенные контакты, не на месте компоненты и неверные установки.

Каждая печатная плата должна пройти серию тестов перед выпуском. Плата проходит несколько проверок для верификации работоспособности согласно исходному дизайну.

Пока процесс идет, оборудование должно проверяться на работоспособность. Первыми проверяют выходы, так как они помогают верифицировать успех производства. Выход паяльной машины инспектируют в начале каждого запуска вместе с первыми прошедшими платами. Так любые дефекты ловятся рано, до того как ошибка станет масштабной и дорогостоящей.

Смешанная технология (Mixed Technology)

Благодаря быстрому развитию компьютерных технологий, все больше печатных плат изготавливаются с все более мелкими деталями. Это означает, что многие современные PCB делаются комбинацией методов, обычно называемой смешанной технологией. Сборка со смешанной технологией включает один из следующих подходов:

• Односторонняя смешанная сборка: печатная плата проходит и поверхностный монтаж, и монтаж с выводными компонентами — обе технологии на одной стороне платы.
• Разделенная сборка: одна сторона платы собирается поверхностным монтажом, другая — с выводными компонентами. Такие платы имеют нормальные компоненты с одной стороны и крошечные — с другой.
• Двусторонняя смешанная сборка: обе стороны платы собираются комбинацией through-hole и SMT. Плата такого типа содержит обычные, крошечные и деликатные компоненты на обеих сторонах.

Перед запуском PCB-дизайна в производство платы, предназначенные для использования, должны быть инспектированы на качество. На компонентах окисление выводов или маслянистый налет могут служить сигналами тревоги. Если паяльная паста хранилась в холодной среде, ее можно наносить только после разморозки и перемешивания. PCB должна быть сухой перед нанесением пасты на поверхность.

На платах со смешанной технологией в pick-and-place машине требуется более сложный набор процессов. Здесь нужно учесть смесь различных размеров компонентов на одной или обеих сторонах платы.

Если плата представляет собой двустороннюю сборку, паяльный процесс должен применяться к обеим сторонам. По сути, все, что происходит на одной стороне, повторяется на другой. Единственная разница — конкретные компоненты и их размещение, так как одна сторона может содержать более мелкие детали. Волновая пайка невозможна для двусторонних PCB, так как повторная подача платы для второй стороны разрушит деликатные детали на первой стороне.

Любая печатная плата со смешанной технологией должна проходить через автоматический оптический инспектор. Так техники получают гарантированно полный контроль, выявляющий даже мельчайшие несовершенства, такие как незначительные смещения микроскопических деталей.

Для учета сложностей двусторонней платы со смешанной технологией требуется более тщательный набор тестов для первых изготовленных в таких линиях PCB. Поскольку компонентов больше, больше потенциальных проблем, если даже одна деталь выходит из строя.

Производство PCB в Millennium Circuits Limited

В современном высокотехнологичном мире печатные платы становятся все более сложными, пока техники находят способы размещать больше данных и энергии на все более крошечных чипах. По мере уменьшения компьютерных устройств и электроники уменьшаются и PCB, питание этих устройств и соединяющие их с беспроводной сетью. Для производителей PCB это означает, что производство будет требовать передовых уровней инженерии.

Чтобы сделать PCB эффективными по современным стандартам, необходимо иметь соответствующий указанный bare PCB для выполнения каждого шага сборки максимально эффективно. В Millennium Circuits мы используем новейшие технологии на своих объектах для выполнения каждого заказа bare PCB согласно спецификациям клиента. Свяжитесь с Millennium Circuits для получения дополнительной информации о производстве PCB.

Есть вопросы об наших услугах или вашем проекте? Свяжитесь с нами сегодня, чтобы поговорить с премированной командой поддержки MCL!