電路板生產(chǎn)工藝：SMT

硬件工程師，要經(jīng)常和工廠打交道，必須要對(duì)SMT工廠的基本流程和原理充分了解。

PCBA=PCB Assembled。組裝完成的PCB。嚴(yán)格來(lái)講，PCBA=PCB+元器件+SMT生產(chǎn)+固件+測(cè)試。

電路板上那么多元器件，靠手焊肯定是不行的，得靠機(jī)器來(lái)貼片。不管去沒(méi)去過(guò)工廠，在電視上肯定都見過(guò)這樣的畫面：一只機(jī)械手，移動(dòng)到電路板上面，啪啪啪向下捅了幾次，電路板上就有元器件了。這就是PCB變成PCBA中的一個(gè)環(huán)節(jié)，SMT。

機(jī)器焊接電路，跟手工焊接電路原理上都一樣，上錫，擺元器件，加熱。只不過(guò)機(jī)器比人的手速高多了，一秒鐘可以擺好幾個(gè)元器件。

上錫：

首先要給電路板上錫。前面講到Gerber文件中有一個(gè)paste mask文件，就是用來(lái)開鋼網(wǎng)的。鋼網(wǎng)是一張薄薄的鋼片，很平整，厚度在0.1mm左右。根據(jù)paste mask文件上的圖形，有相應(yīng)的鏤空的孔。把鋼網(wǎng)蓋在電路板上，對(duì)齊了，這時(shí)候能看到，需要焊接的焊盤都會(huì)露出來(lái)。鋼網(wǎng)就是錫膏的模版，把錫膏在鋼網(wǎng)上刷一層，有孔的地方的錫膏會(huì)印刷到電路板焊盤上去，沒(méi)有開孔的地方就沒(méi)有焊錫。錫膏的厚度，跟鋼網(wǎng)的厚度相同，也是0.1mm那么厚。

做上錫工作的設(shè)備，叫做“印刷機(jī)”，把鋼網(wǎng)插到機(jī)器里，再把電路板放進(jìn)去，設(shè)備會(huì)自動(dòng)托起電路板，定位好，緊緊的頂在鋼網(wǎng)下方。鋼網(wǎng)上方有一個(gè)刷子，推著一大堆錫膏，從鋼網(wǎng)上層來(lái)回一趟，鋼網(wǎng)開孔的位置和電路板形成的凹槽里，就會(huì)堆了一層錫膏。再把電路板拿下來(lái)，電路板上錫就完成了。接下來(lái)就需要進(jìn)另一臺(tái)機(jī)器，開始擺放元器件。

鋼網(wǎng)上開孔，和電路板的元器件焊盤對(duì)應(yīng)

通過(guò)鋼網(wǎng)，往電路板上印刷錫膏

貼片/SMT

SMT，Surface Mount Technology，表面貼裝。顧名思義，把元器件貼裝在電路板表面。之所以叫貼，是因?yàn)殄a膏是有一定的粘性的，能夠在沒(méi)有熔化的時(shí)候，也能夠黏住元器件。SMT又稱貼片。把芯片貼在電路板上的意思。

因?yàn)橘N片，是整個(gè)PCBA加工過(guò)程中的最重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，因此PCBA加工廠同樣都叫做貼片廠。

貼片的原理極其簡(jiǎn)單，手工焊接的時(shí)候是用鑷子夾著元器件放在電路板上，貼片機(jī)是用機(jī)械手夾著元器件放在電路板上。

不過(guò)貼片的實(shí)際情況是非常復(fù)雜的，設(shè)備也很精密。想想也是，如果沒(méi)啥技術(shù)含量，為什么電視里老是放貼片的鏡頭，而不是放印刷或者后面過(guò)爐的鏡頭呢？我們可以先看看后面的問(wèn)題：

• 元器件往哪里放？

尺寸比較小的元器件，包括芯片類的，都是編帶存儲(chǔ)的。通過(guò)紙質(zhì)或者塑料的料帶，把元器件一顆一顆的按照相同的順序嵌入到料帶中，再卷成一卷一卷的。料帶上有很多標(biāo)準(zhǔn)尺寸的孔，這些孔可以卡在物料輸送器的齒輪上，齒輪帶著物料一點(diǎn)一點(diǎn)的往前送。

物料輸送器，叫做飛達(dá)。這個(gè)名字純粹是音譯的，F(xiàn)eeder。原意是喂食器、飼養(yǎng)員。很形象的表達(dá)出這個(gè)東西的作用：給貼片機(jī)喂物料的。

飛達(dá)整整齊齊的排列在貼片機(jī)兩端，貼片機(jī)的機(jī)械手，按照程序設(shè)定，從飛達(dá)上拾取元器件，并擺放在電路板上。

對(duì)于大尺寸的元器件或者未編成卷帶的散料，也可以放在托盤上，機(jī)械手也可以從托盤上拾取物料。

• 機(jī)械手是怎么把這么小的元器件抓起來(lái)的？

實(shí)際上貼片機(jī)的機(jī)械手臂，并不是靠手指把元器件抓起來(lái)的，而是靠真空吸起來(lái)的。每一個(gè)手臂上有好多個(gè)吸嘴，每個(gè)吸嘴可以吸起來(lái)一個(gè)元器件。吸嘴多了，機(jī)械臂移動(dòng)一次就可以吸取很多個(gè)元器件，并且擺放很多次，生產(chǎn)效率就會(huì)更高。

不同尺寸的元器件，吸嘴是不一樣的，從高中物理可以看出來(lái)，相同的壓強(qiáng)下，面積越大力越大，所以吸芯片和連接器這種比較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。

重量比較大的東西，移動(dòng)的時(shí)候慣性也會(huì)比較大，所以貼片機(jī)會(huì)劃分為幾個(gè)區(qū)域，大元器件區(qū)域的機(jī)械手臂移動(dòng)的比較慢，小元器件區(qū)域的移動(dòng)的快很多。

從貼片機(jī)吸元器件這個(gè)原理上，不難理解，對(duì)于插針、頂針這樣的尖頭的元器件，物料出廠的時(shí)候都帶有一個(gè)塑料的蓋子，因?yàn)闆](méi)有一個(gè)平面，是無(wú)法吸起來(lái)的。對(duì)于USB口這樣的表面有小的開口的元器件，出廠的時(shí)候會(huì)貼有一小塊高溫膠紙，其目的也是防止吸嘴漏氣了。

• 機(jī)械手怎么知道元器件該放在哪里？

生產(chǎn)資料里，會(huì)有坐標(biāo)文件，標(biāo)示每一個(gè)元器件在電路板上的坐標(biāo)。上線貼片前，產(chǎn)線工程師會(huì)對(duì)著生產(chǎn)資料，把每個(gè)元器件的貼片信息錄入到貼片機(jī)的操作軟件里去。這樣貼片機(jī)就知道從哪一個(gè)飛達(dá)拿多少顆元器件，放在電路板的哪個(gè)位置了。

這個(gè)過(guò)程在工廠叫做編程，SMT工廠有專門的程序工程師負(fù)責(zé)錄入這些信息，一個(gè)幾百顆元器件的電路板的編程，需要花費(fèi)大半天的時(shí)間。

• 如何對(duì)準(zhǔn)電路板和元器件？

電路板是通過(guò)傳送帶送到貼片機(jī)里去的，元器件在料帶里，也不是卡的嚴(yán)嚴(yán)實(shí)實(shí)的，是會(huì)晃動(dòng)的。貼片機(jī)必須要能夠判斷電路板的精確位置，并把元器件精準(zhǔn)的擺放到位。

貼片機(jī)，是通過(guò)機(jī)械臂上的攝像頭來(lái)識(shí)別電路板和元器件的。每一個(gè)元器件被拿起來(lái)之后，都會(huì)被照一張相，通過(guò)對(duì)這張相片的圖像識(shí)別，能夠看的出來(lái)是否吸歪了，如果歪了，根據(jù)圖像上歪的數(shù)據(jù)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)對(duì)貼片位置做一定的補(bǔ)償，偏了的移動(dòng)，歪了的旋轉(zhuǎn)。同樣，電路板上也會(huì)設(shè)計(jì)有幾個(gè)mark點(diǎn)，一個(gè)圓形的焊盤，攝像頭能夠根據(jù)焊盤的位置，識(shí)別出電路板當(dāng)前的位置，再根據(jù)元器件相對(duì)電路板的坐標(biāo)，找到元器件所在的位置。

回流焊/波峰焊

打開蓋子的回流焊爐子

把所有的元器件都擺放好了，電路板就會(huì)被從貼片機(jī)中推出來(lái)，由人工目檢，或者由AOI機(jī)器檢查，看看是否有元器件貼歪了或者錯(cuò)了。如果沒(méi)什么問(wèn)題，就要過(guò)爐了。

過(guò)爐，通過(guò)一個(gè)爐子。錫膏得加熱，才能熔化，熔化了才能把元器件固定起來(lái)。過(guò)爐就是通過(guò)回流焊的爐子，把整個(gè)電路板逐步加熱，直至焊錫熔化，然后再逐步降溫下來(lái)。整個(gè)過(guò)程通常會(huì)持續(xù)8分鐘左右。目前回流焊的爐子，都是以熱風(fēng)加熱為主。分成多個(gè)溫度區(qū)，逐步加熱，在焊錫熔點(diǎn)之上的時(shí)間并不長(zhǎng)，最多也就幾十秒鐘。

講到回流焊這個(gè)名字，幾乎所有人都不知道什么是“回流”，并不是說(shuō)里面的風(fēng)會(huì)來(lái)回流動(dòng)，更不是說(shuō)焊錫從這里流到那里。回流焊來(lái)自“Reflow Soldering”，這個(gè)“回流”的真實(shí)含義是“把固體的錫膏，變回能夠流動(dòng)的液體”的意思。

過(guò)爐的過(guò)程中，錫膏會(huì)熔化，熔化了的錫膏呈現(xiàn)出液體的特征：吸附到能吸附的地方，并產(chǎn)生張力。經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)貼片的時(shí)候貼正了，過(guò)爐之后就歪了的情況。這種往往是焊盤之間產(chǎn)生的拉力不一樣大造成的，例如有的焊盤大，有些焊盤小的芯片。這種需要通過(guò)控制錫量和錫膏形狀來(lái)解決，或者采用過(guò)爐前點(diǎn)膠固定的方式。

還有一種針對(duì)插針式的焊接方式，波峰焊，在老式電路板和大尺寸簡(jiǎn)單電路板上依然有應(yīng)用，專門焊接插針電路。波峰焊的波峰，是指焊錫熔化之后，通過(guò)設(shè)備的噴口把焊錫噴出來(lái)，像小噴泉一樣，形成波浪形，把元器件的插針插入波峰中，就可以沾上焊錫，并在焊錫吸附力下把焊盤和插針焊接起來(lái)。

現(xiàn)在智能硬件領(lǐng)域，全板插接元器件的產(chǎn)品幾乎沒(méi)有，大部分都是全板SMT的，偶爾有局部大尺寸連接器可能需要通過(guò)波峰焊。