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研发类企业产业化PCBA 组装工艺探索(一)
  2022-04-19      159

浙江大华智联有限公司 技术总监  刘传习

结合多年PCBA组装生产技术管理经验针对研发类企业设计人员,就SMT工艺基本知识做一个普及并谈一谈目前研发型企业系统类单板的产业化之路,市场趋势已经表明手机已经被苹果、小米、华为等几大巨头瓜分80%的份额,故原来众多的SMT加工型企业开始转型为各类其他需求加工单板,而此类需求的特点注定了是客户定制型的系统类单板,这和原来手机主板的生产有着本质的区别,手机要求是大批量集约化生产,流程决定只需要SMT段工艺即可完成组装,而研发型单板是小批量分散式生产,除了SMT工艺,后段还需要THT甚至手工焊接、压接、打胶涂覆等,工艺更为复杂。

下图为一个完成的系统类单板加工流程图:

image.png

概括起来就是关键工艺过程在于:SMT---THT/手焊---测试---三防漆,其中技术含量最高典型研发类型工厂SMT工艺重点介绍:

一、发料:智能仓库管理系统方案

智能仓库管理系统将采用电子智能制造管理和仓库管理资讯化的现代化相结合,以精益生产(JIT)为理论基础,通过数据库技术、影象识别技术、条码技术、电子货架亮灯技术、API技术(应用程序接口)、OLAP技术(在线事务所处理)和相应的通信机制与外部系统的对接集成,有效地对仓库流程和作业信息进行管理。

系统整体流程图:

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技术特点:

1、无条码PO收货:从ERP中主动获取PO信息,经过AOS自动(摄像头自动识别)/手动收料,核对物料与PO相关信息,核对通过后系统生成Reel ID,并打印物料标签。

2、有条码PO收货:支持UPN信息导入。扫描UPN信息核对物料与送货单相关信息。

3、IQC检验:与LCR等检验设备对接,检验完成后生成检验报告,检验结果自动交互到ERP。检验完成后根据检验结果自动生成待入库批、待退货批。

4、原料仓入库:选择相应的待入库批次清单,扫描reel id、根据推荐规则(库位/电子货架储位),完成入库。入库后可进行补列印(蓝牙打印、网络打印)、拆分、合并、盘点、调储作业(支持单物料、整储位作业)。同时对仓库进行预警管理(库龄、超期、呆滞料等)。

5、调拔管理:根据系统调拔单,使用PDA选择调拔单号,将物料从原料仓调拔到相应的区域(线边仓、车间等);系统自动根据FIFO原则进行亮灯作业,仓库人员根据可视化亮灯提醒进行发料(支持多工单作业)。

电子货架:

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6、杂收发: 针对特殊原因借出(样品、维修、测试等)进行杂收发作业。电子货架根据规则进行亮灯提示发料。物料归还时,进行剩余数量更新并入库作业。

7、线边仓入库: 选择相应的待入库批次清单,扫描reel id、根据推荐规则(库位/电子货架储位),完成入库。入库后可进行补列印(蓝牙打印、网络打印)、拆分、合并、盘点、调储作业(支持单物料、整储位作业)等。

8、线边仓发料:系统根据工单计划开始时间,提前(时间可自由配置)产生工单首套料备料预警。使用PDA选择工单号,按照电子货架发料提醒,进行工单LPM发料(支持正反面合并发料),支持电子料架车发料,支持依照站位表排序发料及分盘提醒。

9、退料:退料时与自动数料机配合完成退料作业。

10、退货:按PO退货、按账户别名退货。

11、盘点:循环盘点、定期盘点、自定义盘点。

12、LPM(低位预警)发料:WMS系统通过与MES系统(前提是MES必须提供接口)

对接产生低位看板预警,使用PDA选择工单号,即可进行LPM发料。

13、特殊物料管理: 针对锡膏、湿敏件进行特殊流程管控。

14、报废作业: 针对报废产品进行报废申请、报废鉴定、入报废仓、再生资源厂商处理

流程。

15、特殊作业: 实现物流传输带,自动进行扫码扣料作业。

16、权限管理: 可进行单独仓库权限管控。非本仓库人员无法进行仓库操作。

17、ERP接口: 仓库信息自动交互ERP,可设定是否更新ERP库存。

二、基板打标:激光刻码

激光打标技术作为一种现代精密加工方法与机器贴标手工贴标,喷码,印刷等传统的加工方法相比具有无与伦比的优势:

激光刻码机:

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刻码效果:

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1、采用激光做加工手段,与打标件之间没有加工力的作用,具有无接触的优点,保证了 PCB 或元件的无形变与破坏。同时,对材料的适应性较广,可以在多种材料的表面制作出非常精细的标记且耐久性非常好。

2、激光的空间控制性和时间控制性很好,对打标对象的材质、形状、尺寸和加工环境的自由度都很大,特别适用于自动化打标和特殊面打标。且加工方式灵活,既可以适应实验室式的单项设计的需要,也可以满足工业化大批量生产的要求。

3、激光刻划精细线条可以达到毫米到微米量级,采用激光标刻技术制作的标记仿造和更改都非常困难,对产品防伪极为重要。

4、激光加工系统与FA工控技术相结合可构成高效自动化加工设备,可以打出各种文字、符号和图案,易于用软件设计标刻图样,更改标记内容,适应现代化生产高效率,快节奏的要求。

5、激光加工和传统的贴标/喷码相比,没有污染源/耗材,是一种清洁无污染的高环保加工技术。

三、SMT工艺:  印刷---SPI检测---贴片---回流---AOI检测

SMT是Surface Mount Technology的英文缩写,中文意思是表面贴装技术。SMT是新一代电子组装技术,也是目前电子组装行业里最流行的一种技术和工艺。组装密度高、电子产品体积小、重量轻,贴片元件的体积和重量只有传统插装元件的1/10左右,一般采用SMT之后,电子产品体积缩小40%~60%,重量减轻60%~80%。SMT产品可靠性高、抗振能力强;焊点缺陷率低,高频特性好;减少了电磁和射频干扰。且易于实现自动化,提高生产效率。降低成本达30%~50%。节省材料、能源、设备、人力、时间等。采用SMT技术方面的原因主要有以下几点:电子产品追求小型化,以前使用的穿孔插件元件已无法缩小;电子产品功能更完整,所采用的集成电路(IC)已无穿孔元件,特别是大规模、高集成IC,不得不采用表面贴片元件;产品批量化,生产自动化,厂方要以低成本高产量,出产优质产品以迎合顾客需求及加强市场竞争力;电子元件的发展,集成电路(IC)的开发,半导体材料的多元应用。

SMT线体展示

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SMT涉及的相关行业技术

SMD(表面贴装器件):封装尺寸、引脚/球间距、引脚宽度/球直径;包装方式(编带、TRAY、管装);器件温湿度。

PCB(印制电路板):基材PCB尺寸及厚度;PCB表面处理喷锡 化金、 OSP等;线路最小安全间距、PAD间最小间距。

表面贴装设备:应对PCB尺寸及厚度:器件的视觉识别尺寸范围及精度、供料的包装方式、取料的重量、贴装的精度、速度和稳定性。

印刷/涂覆设备:将焊接材料或辅助固定材料附着在PCB表面;精度、分离能力、稳定性。

Reflow(回流焊):回流焊设备的温度控制能力、温区之间温差能力;升温斜率及冷却斜率控制能力、热补偿能力。

检测设备:SPI锡膏检测设备;AOI自动光学外观检测设备、X-RayBGA/CSP类穿透检查设备。

焊接材料及辅料:锡膏的成分、融点焊接、脱模性能对SMT工艺艺支持。固着剂如红胶,对贴装器件的固定能力。

网板及载具:需要网板技术对SMT工艺的技术支持,实现焊材涂覆能力;载具材料及加工精度对柔性及复杂线路板的支撑。

测试设备及技术:ICT设备及技术,对PCBA的线路电性测试支持;FT设备及技术,对PCBA的功能测试支持。

返修技术及设备:对焊接不良或器件不良的维修技术支持,常用的返修设备有烙铁、热风筒、BGA返修台等。

IPC行业相关标准

1.IPC-2220 印制板设计系列标准。

2.IPC-SM-782 表面贴装设计与焊盘结构标准。 

3.IPC-A-600 印制电路板的可接受标准。 

4.IPC-A-610 电子组件可接受标准。

5.IPC-7711/21 电子组件的返工、修改和维修。

6.IPC-7525 模板的设计和制作指南。

IPC标准系

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SMT工艺流程

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PCBA加工流程

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锡膏印刷

印刷:Screen Printer——锡膏印刷(丝网印刷)使用丝网,将印料印到承印物上的印刷工艺过程,简称丝印。 其作用是将锡膏或贴片胶漏印到PCB的焊盘上,为元器件的焊接做准备。所用设备为丝印机(丝网印刷机),位于SMT生产线的最前端。 

基本构成

印刷设备:全自动印刷机、半自动印刷机

辅助材料: 锡膏(Solder paste)、红胶(Adhesive)

工装治具: 钢网(Stencil)、载具(Carrier) 

印刷对象:印制电路板(PCB)

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全自动印刷机结构

1)传输系统PCB的搬运,即传入、停止、传出功能。

2)定位系统PCB的支撑、固定工作台的升降,钢网固定。

3)视觉系统识别PCB和钢网的基准点,通过X、Y轴等来补偿定位偏差。

4)印刷系统通过刮刀头升、降、移动系统,将锡膏均匀的附着在PCB上。

5)擦拭系统通过湿擦、真空吸附、干擦等方式清洁钢网的锡膏残留,防止钢网的网孔堵塞。

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辅助材料

锡膏

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1)锡膏成份如下表 

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2)锡膏按合金成份 

有铅Sn/Pb 63/37

无铅Sn/Ag/Cu 96.5/3.0/0.5 

3)按锡粉颗粒大小 

Type3 25-45um 

Type4 20-38um 

Type5 15-25um

4)锡膏的三大特性:流动性、触变性、粘附性是实现锡奔印刷的必要条件。

5)锡膏的焊接融点:有铅锡膏(Sn63/Pb37)焊接融点183℃;无铅锡(SAC305)焊接融点217~220℃。

6)红胶主要用于波峰焊工艺的辅助固定作用,并不起到焊接作用;红胶固化温度一般150℃。

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工装治具

1)钢网(制作钢网需要PCB文件或gerber文件)

作用:依据PCB的PAD进行开孔。用来将锡膏涂覆在PCB焊盘表面的模板。

制造方式:化学蚀刻、激光切割、电铸成形

使用材料:不锈钢、尼龙、聚酯。

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尺寸:网框尺寸常用的37*47、42*52、55*65、736*736,钢网尺寸选择根据PCB尺寸及全自动印刷机支持的尺寸。

厚度:常用厚度0.08mm、0.1mm、012mm、013mm、0.15mm,钢网厚度的选择依据PCB焊盘尺寸及IC引脚的精密度。

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2)载具

起到对柔性PCB(FPC)支撑或复杂精密PCBA的印刷、贴片、回流起到承载作用,一般使用材料有合成石、玻纤板、铝合金等。

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印刷对象

PCB,印刷的目的就是将锡膏附着在PCB的焊盘上 。

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锡膏印刷对可制造性设计要求

1. PCB尺寸要求,常规LW=50*50mm~400*340m,T=0.5~4m。

2. 尺寸小于最小要求需要拼板,拼板尺寸不能大于印刷机的规格要求。

3. PCB正面,PAD到板边需要大于3mm,底部支撑面大于5mm,满足不了需要加工艺边。

4. FPC、板子薄、BOT面元器件排布密无法使用支撑PIN的需要载具支撑印刷。

5. PCB重量小于1.5kg。

6. PCB表面焊盘层需要设计一对 Fidicial Mark, 用于设备视觉识别,坐标非对称便于防呆。

7. 自动印刷机一般印刷的周期15~45sec,单板贴片料不多的情况下为提升效率建议拼板。

8. 自动印刷机可接受的钢网尺寸370*470~736*736mm。

9. PCB拼板,工艺边需要考虑流板方向的顺畅性,一般建议长宽比大于1,最少2:3。

10. PCB表面平整、干净,PCB翘曲度小于0.75%。

SPI:Solder Paste Inspection(锡膏检测仪),利用结构光测量,在PCB及锡膏的垂直方向设置高速CCD相机,从斜上方用户投影机向PCB照射周期变化的条纹光或图像。在PCB上存在高出成份的情况下,会拍摄到条纹相对基面发生位移的图像。利用三角测量原理,将偏移值换算成高度值,从而在贴片及回流焊接前及时发现锡膏印刷不良,由此尽可能地避免成品PCB不合格的发生,是一种质量过程控制手段。

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体积的计算方法:通过测量每一个像素范围内的高度值,再乘以每个像素的表面积,对测量范围内的所有高度值进行累计加法,并就可以得到非常精确的体积。

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体积计算方法

SPI内部结构

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  设备整机图

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器件贴装

基本构成

  1. 贴片机:高速贴片机、多功能高精度贴片机。

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2. 配件: Nozzle(吸嘴)、Feeder(供料器)。

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3. 元器件:Chip C/R、SOT、SOP、QFP、BGA等封装贴片器件。

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4. 包装方式:编带、Tray盘。

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5. PCB 即印制电路板,是重要的电子部件,是电子元件的支撑体,是电子元器件电气连接的提供者。由于它是采用电子印刷术制作的,故被称为“印刷”电路板。通常PCB的颜色都是绿色或是棕色,这是阻焊漆(Solder Mask)的颜色。是绝缘的防护层,可以保护铜线,也可以防止零件被焊到不正确的地方。在阻焊层上还会印刷上一层丝印面(Silk Screen)。通常在这上面会印上文字与符号(大多是白色的),以标示出各零件在板子上的位置。PCB的分类:根据电路层数分类:分为单面板、双面板和多层板。常见的多层板一般为4层板或6层板,复杂的多层板可达十几层。根据焊盘表面处理分类:有机可焊性保护层(OSP)、化镍浸金(ENIG)、化镍钯浸金(ENEPIG)、浸银(Immersion silver)、浸锡。(未完待续.....)

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