印刷电路板的结构和类型及组装工艺步骤

文章来源：学习那些事‍‍‍

原文作者：赵先生‍‍‍

经过封装与测试的芯片，理论上已具备使用条件。然而在现实生活里，一个集成电路产品通常需要众多芯片共同组装在印刷电路板（PCB）上，以此实现复杂功能。一个或多个集成电路芯片，连同其他组件与连接器，被安装于印刷电路板之上，并通过细铜带连接，以契合应用需求。印刷电路板极为常见的应用场景，便是作为计算机与手机的主板。  

图 1 展示了一部手机的内部结构，从中可以清晰看到，构成手机核心主板的印刷电路板上，装配着数颗芯片。这些芯片不仅各自具备特定功能，还能相互传递信息。将芯片安装至印刷电路板的工艺，即被称作印刷电路板组装工艺。裸板上的铜线被叫做走线，其作用是连接连接器与芯片组件。走线在不同功能部件间传输信号，使印刷电路板能够按照预先设计的方式运行，这些功能的复杂程度各不相同。

图1：印刷电路板

那么，这些组装好的印刷电路板究竟是如何制造出来的呢？印刷电路板组装实则是一个由若干自动与手动步骤构成的过程。在流程的每一步，电路板制造商都拥有手动与自动两种选择方案。为了让读者能够全面深入地了解印刷电路板组装工艺流程，以下将对每个步骤展开详细阐释。

印刷电路板的结构和类型‍‍‍‍‍‍

印刷电路板组装工艺起始于印刷电路板的最基础单元 —— 基底。基底由四层材料构成，每一层都在最终印刷电路板的功能实现中发挥着关键作用。

1.基底层的组成‍‍‍‍‍‍‍‍‍

基板：这是印刷电路板的基础材质，赋予印刷电路板刚性特质。

铜：在印刷电路板的每个功能面，都会添加一层薄薄的导电铜箔。若是单面印刷电路板，铜箔在一侧；若为双面印刷电路板，铜箔则分布在两侧，这便是铜走线层。

阻焊层：铜层之上是阻焊层，它赋予每块印刷电路板标志性的绿色外观。阻焊层的作用是隔离铜走线与导电材料，防止短路现象发生。换言之，焊料依靠阻焊层将所有组件固定在相应位置。阻焊层上的孔用于通过焊料将组件连接到电路板，它是印刷电路板组装工艺能够顺利进行的关键环节，因为它能够避免在不必要的部件上出现焊接，有效防止短路情况。

丝印：白色丝印是印刷电路板上的最后一层，该层以字符与符号的形式在印刷电路板上添加标识，用于提示印刷电路板上每个组件的功能。

2.印刷电路板的类型

刚性印刷电路板：最为常见的印刷电路板基板类型是刚性基板，在印刷电路板组装工艺中占比颇高。刚性印刷电路板的实心核心赋予电路板刚度与厚度，这类不易弯折的印刷电路板底座由多种不同材料制成。其中，玻璃纤维最为常见，其代号为 “FR4”（耐燃材料等级的代号）。较为廉价的印刷电路板采用环氧树脂或酚醛树脂等材料制作，但耐用程度不及 FR4。

柔性印刷电路板：柔性印刷电路板相较于刚性印刷电路板，具有更高的柔韧性。此类印刷电路板的材料通常是可弯曲的高温塑料，例如 Kapton 聚酰亚胺。

金属芯印刷电路板：这类电路板是典型 FR4 板的又一替代选择。它们由金属芯制成，相较于其他电路板，散热性能更佳，有助于散热并保护对热更为敏感的电路板组件。

现代印刷电路板组装工艺‍‍‍‍

在当今行业中，主流的组装技术主要有以下两种：

1.表面贴装技术

对于一些尺寸极小且较为敏感的元件，比如电阻器或者二极管，会通过自动化方式安置于电路板表面。采用这种安装方式的电子元件，被称作表面贴装器件（SMD），具体可参考图 2。

图2：表面贴装技术

2.通孔技术

该技术适用于那些带有引线或导线的组件。此类组件需要将其插入板上的孔中，从而安装在电路板上。插入后，多余的引线部分需在电路板的另一侧进行焊接，如图 3 所示。通孔技术常用于包含电容器、线圈等大型组件的印刷电路板组装环节。

图3：通孔技术

实际印刷电路板组装工艺步骤

1.焊膏模板

印刷电路板组装流程的首要步骤，便是在电路板上涂抹焊膏。这一过程类似于对衬衫进行丝网印刷，不同之处在于，印刷电路板上所放置的并非普通掩模版，而是一块薄的不锈钢模板。借助这块模板，组装人员能够精准地仅在印刷电路板特定的预期部位涂抹焊膏。这些部位正是成品印刷电路板上组件所要安置的位置。焊膏本身呈现为灰色物质，它由微小的金属球构成，这些金属球也就是通常所说的焊料。其成分包含 96.5% 的锡、3% 的银以及 0.5% 的铜。焊膏将焊料与助焊剂混合在一起，助焊剂作为一种化学物质，能够助力焊料熔化，并使其更好地黏附在电路板表面。呈现为灰色的焊膏，必须以精准的量涂抹在电路板的正确位置。在专业的印刷电路板组装工艺生产线上，机械夹具会将印刷电路板与焊接模板稳固地固定住，涂抹装置则会把适量的焊膏精准放置在预期区域。随后，机器会将糊状的焊膏均匀地涂抹在模板上，并确保每个开放区域都能被均匀覆盖。待模板移除后，焊膏便会留在预定位置。

2. 取放操作

在印刷电路板成功涂抹焊膏后，印刷电路板组装工艺线便转移至贴片机处。此时，自动机械设备会将表面贴装元件，也就是我们常说的表面贴装器件（SMD），放置到已准备好的印刷电路板上。在现今的印刷电路板非连接器组件中，SMD 占据了相当大的比例。随后，在印刷电路板组装工艺的下一步，这些 SMD 将被焊接到电路板表面。在传统工艺里，这一环节需借助一对镊子，由组装人员手动完成拾取与放置组件的操作。而如今，自动机器臂已取代了人工操作，其不仅精准度更高，而且操作的一致性也远超人工。在取放过程中，设备会利用真空夹具拿起印刷电路板，并将其移动至拾放站。紧接着，自动机器臂会将印刷电路板在工作站上精准定位，随后开始在印刷电路板表面应用表面组装技术（SMT）。这些元件会被放置在预先编程位置的焊膏顶端。

3. 回流焊接

当焊膏与表面贴装元件全部安置到位后，需要确保它们稳固地附着在电路板上。这就意味着要让焊膏固化，从而将元件牢牢黏附于电路板。印刷电路板组装通过一种被称作 “回流” 的工艺过程来达成这一目标。取放流程结束后，印刷电路板会被转移至传送带上。这条传送带会穿过一个大型回流炉。该回流炉类似于一个大型烤箱，由一系列加热器构成，这些加热器会逐步将电路板加热至约 250℃，这一温度足以使焊膏中的焊料熔化。

当焊料熔化后，印刷电路板会继续在回流炉中移动，穿过一系列冷却器加热器，让熔化的焊料以可控的方式冷却并固化。如此一来，便会形成一个永久性焊点，成功将 SMD 与印刷电路板连接起来。对于许多印刷电路板组装工艺而言，尤其是双面印刷电路板组装，在回流过程中需要特别处理。双面印刷电路板组装需要对每一面分别进行模板印刷与回流操作。首先对零件较少且尺寸较小的那一面进行模板印刷、元件放置以及回流处理，随后再对另一面进行相同操作。

4. 检验和质量控制

表面贴装元件在回流过程后焊接到位，并不意味着印刷电路板组装工艺就此完成。组装好的电路板还需进行功能测试。通常情况下，回流过程中的移动可能会导致连接质量欠佳，甚至出现完全未连接的开路情况。而元件放置位置错误时，有时会连接原本不应连接的电路部分，进而造成短路。

检查这些错误与未对准状况，可能会用到几种不同的检查方式。最为常见的检查方法包括：

1）人工检查：尽管自动化与智能制造的发展趋势日益显著，但在印刷电路板组装过程中，人工检查仍具有一定的必要性。对于小批量生产而言，设计人员通过目视检查，是确保回流工艺后印刷电路板质量的一种有效手段。然而，随着需要检查的电路板数量增多，这种方法逐渐变得不太现实且准确性降低。长时间观察如此微小的组件，容易引发视觉疲劳，进而导致检查结果不准确。

2）自动光学检测：自动光学检测是一种更适用于大批量印刷电路板组装工艺的检测方法。自动光学检测机（automated optical inspection，AOI）借助一系列高功率相机来 “查看” 印刷电路板。这些摄像头以不同角度排列，用于观察焊接连接情况。不同质量的焊料连接对光的反射方式各异，这使得 AOI 能够识别出质量较低的焊料。AOI 能够以极高的速度执行此项操作，因此能够在相对较短的时间内处理大量印刷电路板。

3）X 射线检查：另一种检查方式涉及 X 射线。这是一种相对不太常见的检查方法，主要应用于更为复杂或分层的印刷电路板。X 射线能够让观察者穿透电路板的各层，对较低层进行可视化，从而识别出任何潜在的隐藏问题。

对于出现故障的电路板，将会被送回进行清除和返工处理，若无法修复则只能报废。无论检查过程中是否发现这些错误，该工艺的下一步都是对零件进行测试，以确保其能够实现预期功能。这涉及到对印刷电路板连接质量的测试。对于那些需要编程或校准的电路板，还需要更多步骤来测试其功能是否正确。此类检查可在回流工艺后定期开展，以便识别潜在问题。这些定期检查能够确保错误被尽早发现并修复，有助于制造商和设计人员节省时间、人力以及材料成本。

5. 插入通孔元件

依据印刷电路板组装工艺所涉及的电路板类型，电路板除了常见的表面贴装器件（SMD）外，可能还包含各类别的组件，其中就有电镀通孔（plating through hole，PTH）组件或者通孔直插式元件组件。电镀通孔组件，其实就是印刷电路板上的一个贯穿电路板的电镀孔。印刷电路板上的组件借助这些孔，实现信号在电路板两侧的传递。不过，这类组件的存在可能会对焊膏产生影响，因为焊膏有可能直接穿过这些孔，而无法有效地黏附在所需位置。

PTH 元件并不使用焊膏，而是在后续的印刷电路板组装环节中，需要采用更为专业的焊接手段，常见的有手动焊接或者波峰焊接。手动焊接插入通孔这一操作相对较为简单。一般情况下，在单个工作站，由一名工作人员负责将一个组件插入指定的 PTH 孔中。完成后，电路板会被转移至下一个工位，由另一名工作人员插入不同的组件。针对每一个需要装配的 PTH 孔，如此循环往复。这一过程可能会比较耗时，具体时长取决于在印刷电路板组装工艺的一个周期内，需要插入的 PTH 组件数量。鉴于此，大多数公司在设计时都尽量避免使用 PTH 组件，但在实际的印刷电路板设计中，PTH 组件依然较为常见。波峰焊是手动焊接的自动化形式，但其操作过程却大不相同。一旦 PTH 组件安装到位，电路板便会被放置在另一条传送带上。这条传送带会经过一个特制的烤箱，在烤箱中，一股熔化的焊料会冲刷电路板的底部，一次性完成电路板底部所有引脚的焊接。不过，这种焊接方式对于双面印刷电路板而言，几乎难以实现，因为对电路板的一侧进行全面焊接，可能会致使板上任何精密的电子元件损坏。完成这一焊接流程后，印刷电路板可以进入最终检查环节；倘若电路板还需要添加额外零件，或者进行另一面的组装，那么就得重复前面的步骤。

6. 最终检查和功能测试

在印刷电路板组装工艺的焊接步骤全部完成后，会进行最终检查，这一检查旨在测试印刷电路板的功能，也被称作 “功能测试”。该测试会模拟印刷电路板实际运行时所处的正常环境，以此对其进行检验。在测试过程中，电源和模拟信号会通过印刷电路板，与此同时，测试人员会密切监测印刷电路板的电气特性。一旦这些特性，如电压、电流或者信号输出等，出现不可接受的波动，或者超出预先设定的范围峰值，那么该印刷电路板的测试便判定为失败。对于测试失败的印刷电路板，可根据具体的接受标准，选择回收利用或者直接报废处理。测试是印刷电路板组装过程中最后也是极为关键的一步，因为它直接决定了整个组装过程的成败。这也是为何在整个组装流程中，定期进行测试和检查如此重要的原因。

7. 组装工艺的后清洗

在印刷电路板组装过程中，焊膏会残留一定量的助焊剂，而且人工操作过程中，工作人员手指和衣服上的油污、污垢等也可能会转移到印刷电路板表面。全部组装工作完成后，电路板表面可能会显得有些暗淡，这不仅影响美观，还存在实际问题。

经过数月时间，残留在印刷电路板上的助焊剂开始散发气味，并且变得黏糊，还会逐渐变酸，久而久之，会对焊点造成损坏。此外，当新生产的印刷电路板出货时，表面布满残留物和指纹，客户满意度往往会大打折扣。基于上述种种原因，在完成所有焊接步骤后，对产品进行清洗至关重要。使用去离子水的不锈钢高压清洗设备，是去除印刷电路板残留物的最佳工具。用去离子水清洗印刷电路板，不会对器件造成威胁。这是因为普通水中的离子才是对电路造成损坏的根源，而非水本身。所以，利用去离子水对印刷电路板进行循环冲洗是安全无害的。清洗完毕后，再使用压缩空气进行快速循环干燥，让成品印刷电路板能够为包装和运输做好充分准备。