第5章
电子组装的方式和工艺流程设计

在电子产品的组装中，工艺流程设计是否合理直接影响组装质量、生产效率和制造成本。在现实中，往往是制造工程师根据设计好的电路板来制定加工工艺流程，如何最佳地选择和定义流程却很难做到，甚至有时还有手工焊带来的质量隐患。其实产品的加工工艺流程在产品设计时就已经由设计工程师定义了，元器件的选择和布局完全决定了用什么工艺来加工。例如，选择PTH元器件就可能使用波峰焊工艺，选择双面布局表面贴装元器件就会有两次再流焊。所以，设计者在产品设计时就必须考虑产品如何加工，用什么工艺制造，这就是要先了解基本的组装工艺并考虑加工流程。

5.1 电子组装的基本工艺

1.印制电路板组装的基本工艺流程

典型的电子组装方式有全表面组装、单面混装、双面混装。全表面组装是指PCB双面全部都是表面贴装元器件（SMC/SMD）；单面混装是指PCB上既有SMC/SMD，又有通孔插装元器件（THC），THC在主面，SMC/SMD可能在主面（上表面），也可能在辅面（下表面）；双面混装是指双面都有SMC/SMD，THC在主面，也可能双面都有THC。

印制电路板组装的基本工艺流程见表5-1。

2.电子整机组装的工艺流程

印制电路板组装是电子整机组装的一部分，印制电路板组装完成后还要经过检验、机械装配、在线测试、功能测试、总检等流程。典型电子整机组装工艺流程如图5-1所示，对于双面印制电路板需要循环焊膏印刷、焊膏印刷检查SPI、贴装、再流焊、AOI检验等工序，其中虚线框里面的工艺步骤表示可选择性的工艺流程，应根据实际的产品而定。

5.2 电子组装的工艺流程设计

在表5-1中列举了主要的印制电路板组装的加工流程，是什么决定了组装的工艺流程呢？当然，对于单面全部是SMC/SMD或是双面全是SMC/SMD的电路板，工艺是很容易的。当电子工程师拿到一个PCBA，上面有SMC/SMD、PTH元器件，是选用先再流焊，再波峰焊，还是有其他更好的工艺呢？一个产品在设计之初就定义工艺流程，所以DFM首先就是要先定义和设计工艺流程。

5.2.1 组装工艺的设计准则

电子组装的工艺流程在印制板设计的时候就已经定义了，而往往设计人员缺乏工艺流程的知识，所以设计的产品加工流程复杂，而每增加一道工序都会产生质量的缺陷，工序越多，直通率就越低，造成加工成本高的同时也降低了质量。多工序的直通率举例见表5-2，传统工艺流程有4个主要工序，直通率为90%，而采用通孔再流焊替代波峰焊，从而减少一道工序，直通率就变成97%，质量提升很明显。

电子装配过程中需要考虑印制电路板组件（PCBA）加工的生产成本。通常，电子产品设计过程中元器件的选择和布局就决定了其装配的复杂性和加工成本，所以电子产品设计初期就要考虑采用什么组装工艺。下列准则通常有助于组件成本下降、组装质量提升。

①选择自动化程度最高、劳动强度最小的工艺。

②选择工艺流程路线最短、工艺材料种类最少的工艺。

③避免因SMC/SMD、PTH元器件混装而需要手工装配组件。

④避免因为布局或元器件选择而采用额外的工艺，例如胶背面的成分、焊锡喷泉高度、独立的附加标签、跨装连接器、封装和保形涂层。

⑤在组装生产线具备SMT再流焊和波峰焊两种设备的条件下，尽量采用再流焊，因为再流焊比波峰焊具有以下优越性。

● 元器件受到的热冲击小。

● 能控制焊料量，焊接缺陷少，焊接质量好，可靠性高。

● SMT再流焊组件比波峰焊元器件有更好的产量，适合自动化生产，生产效率高。

● 焊料中一般不会混入杂质，能正确地保证焊料的组分。

● 有自校准效应（Self-alignment）：当元器件贴装后偏移在25%内，再流焊过程中在表面张力和润湿力的相互作用下对中焊盘的特征。BGA器件和片式元器件的自校准效应如图5-2所示。

● 可在同一基板上，采用不同焊接工艺进行焊接。

● 工艺简单，维修PCB工作量极小，从而节省了人力、电力、材料。

⑥混装情况下尽量选择插件、贴装在同一面，其次选择贴装在两面，插件在一面。

⑦尽量不要使用双面混装，避免手工焊接元器件。

⑧元器件的布局、方向和间距非常重要，要遵守可制造性设计。

5.2.2 PTH元器件组装的工艺设计因素

虽然目前表面组装技术已经成为电子组装技术的主流，但是由于以下原因，PTH元器件在电子组装中仍占有一席之地。

①一些连接器、传感器、变压器和屏蔽罩等PTH元器件的使用仍是难以避免的。

②由于成本的原因，不少企业在元器件的选择上仍会考虑PTH元器件。

③在某些可靠性要求非常高的行业，例如国防军工、汽车电子和高端通信传输，为了追求焊点的极限条件下的可靠性，PTH元器件仍是最佳选择。

由于上述原因，在表面组装和通孔焊接技术的选择上出现两个方向。一是PCB上所需焊接的PTH元器件越来越少；二是PTH元器件的焊接难度越来越大（大容量的电路板和细间距的元器件），可靠性的要求越来越高。在无铅的焊接工艺中这样的方向更为明确。

在可预见的将来，PTH元器件在电路板的设计选择中不会消失，PTH元器件会长久存在。随着电路板设计的复杂性增加，PTH元器件将存在于混装电路板的设计中。在考虑生产技术与工艺时，必须充分估计混装电路板给PTH元器件带来的难度。

电子产品设计时采用PTH元器件会使得组装工艺变得复杂。PTH元器件组装时可以采用波峰焊、选择性波峰焊、通孔再流焊、压接、手工焊等。设计为哪一种工艺主要由PCB厚度、PTH元器件引脚的间距、引脚对应的PCB孔的直径这三个主要因素决定。同时，影响因素还有PTH元器件引脚长度、引脚尺寸和形状、元器件热容性、有无托高（Standoffs）、引脚表面和PCB表面镀层，而这些基本都是在设计阶段就定义了，所以说设计决定了工艺。下面就关键的影响因素进行说明。

1.PCB厚度

对于厚度小于或等于1.6mm（0.063in）的PCB，采用波峰焊和通孔再流焊都是可以的。

对于厚度在1.6mm（0.063in）到2.5mm（0.100in）的PCB也可以采用通孔再流焊，另外还要考虑的关键因素是元器件引脚间距、其他表面贴装元器件对于焊膏印刷钢网的厚度限制。

如果PCB的厚度大于2.36mm（0.093in），不太推荐使用通孔再流焊，因为焊点很难贯穿通孔，即使采用波峰焊工艺也比较难达到足够的孔填充。

对于厚度较大的PCB，就要考虑压接工艺，特别是一些多引脚的连接器。

2.PTH元器件引脚的间距

PTH元器件引脚的间距指的是引脚的中心距，推荐值如下：

波峰焊PTH元器件引脚最小间距为1.78mm（0.070in），通孔再流焊PTH元器件引脚最小间距为2.54mm（0.100in），SMT最小间距为0.5～0.635mm（0.020～0.025in）。

3.PCB孔的直径

PTH元器件采用波峰焊和通孔再流焊的工艺不同，所对应的PCB孔的大小尺寸也不一样。具体的设计尺寸在孔的设计中会详细讲解。

4.表面器件镀层

压接工艺时元器件引脚的镀层必须和PCB镀层兼容，OSP不建议用于压接。

5.PTH元器件引脚长度、形状、大小

PTH元器件再流焊时，引脚截面形状推荐为圆形和方形，不建议使用平头、矩形、十字形，如图5-3（a）所示。通孔再流焊工艺仅适用于有限的孔的大小，需要正确的相对大小的引脚。

用于通孔再流焊，引脚顶部应锥形以防止焊膏被推到孔的底部，如图5-3（b）所示。

PTH元器件焊接的关键是装配正确的引脚长度超出电路板厚度，特别是波峰焊。

5.2.3 对于新的特殊工艺需要验证

在进行DFM过程中，检查产品组装是否使用一些特殊的工艺，或者是本公司之前没有使用到的工艺。这些工艺因为特殊或者从来没有使用经验，可能需要验证，还要考虑是否增加新的设备或者操作时间，判断是否存在产品转移或量产的局限。对于每个新产品，要确认是否有其他特殊的工艺要求，如激光焊接、灌封、喷涂三防漆，底部填充等。对于每个型号，都要检查是否用到特殊的工艺辅料，如用于固定散热器的材料，低温的附件和返修需使用特殊的焊锡丝，手工操作需要新的设备和工具，组装和返修孔在焊盘内的元器件等。

5.3 挠性电路板组装工艺

5.3.1 FPC的特点和应用

柔性电路板（Flexible Printed Circuit，FPC），又称软性电路板、挠性电路板，简称软板、FPC。柔性电路板通常是以聚酰亚胺或聚酯薄膜为基材制成的一种高可靠性、可挠性的印制电路板。

1.FPC的特点

与硬板相比，FPC具有配线密度高、质量小、厚度薄的特点。

（1）FPC的优点

①成本低一些；

②超薄性，缩减体积和减小质量；

③机械和电性能保持一致性；

④具备可挠性、能移动、弯曲、扭转而不损坏导线。

（2）FPC的缺点

①产品返工比较困难；

②不具备PCB的表面硬度；

③不具备PCB尺寸的稳定性。

2.应用场合

FPC主要应用在空间小、需弯曲的地方，以及与硬板间的连接处，如掌上电脑、数码产品、照相机、摄影机、CD-ROM、DVD、触摸屏、硬驱、笔记本电脑、电话、手机、打印机、传真机、电视机、医疗设备、汽车电子、LED灯条、航空航天及军工产品等场合。

5.3.2 FPC的表面组装工艺设计

FPC表面组装的工艺要求与传统硬板PCB的表面组装工艺解决方案有很多共同之处，要想做好FPC的表面组装工艺，最重要的就是FPC预烘烤和治具的定位。因为FPC的硬度不够，较柔软，如果不使用专用载板，就无法完成固定和传输，也就无法完成印刷、贴装、过炉等基本SMT工序。FPC的表面组装工艺如图5-4所示。

1.FPC的预处理

FPC较柔软，需要加防护后真空包装。如果不是真空包装，在运输和存储过程中易吸收空气中的水分，需在SMT生产前作预烘烤处理，将水分缓慢强行排出。否则，在再流焊的高温冲击下，FPC吸收的水分快速汽化变成水蒸气，易造成FPC分层、起泡等不良。

预烘烤条件一般温度为80～100℃，时间为4～8h，特殊情况下，可以将温度调高至125℃以上，但需相应缩短烘烤时间。烘烤前，一定要先作小样试验，以确定FPC是否可以承受设定的烘烤温度，也可以向FPC制造商咨询合适的烘烤条件。烘烤时，FPC堆叠不能太多，10～20片比较合适。有些FPC制造商会在每片之间放一张纸片进行隔离，需确认这张隔离用的纸片是否能承受设定的烘烤温度，如果不耐温，需将隔离纸片抽掉以后，再进行烘烤。烘烤后的FPC应没有明显的变色、变形、起翘等不良，须由IQC抽检合格后才能投线。

2.FPC载板的设计制作

根据电路板的CAD文件，读取FPC的定位孔数据，来制造高精度FPC定位模板和专用载板，使定位模板上定位销的直径和载板上定位孔、FPC上定位孔的孔径相匹配。很多FPC因为要保护部分线路或是设计上的原因并不是同一个厚度的，有的地方厚而有的地方薄，有的还有加强金属板，所以支撑载板和FPC的结合处需要按实际情况进行打磨挖槽，保证印刷和贴装时FPC是平整的。FPC的载板材质要求轻薄、高强度、吸热少、散热快，且经过多次热冲击后翘曲变形小。

常用的载板材料有合成石、铝、硅胶、特种耐高温磁化钢等。FPC载板如图5-5所示。使用硅胶载板或磁性载板时，FPC的固定要方便很多，不需要使用胶带，而印刷、贴装、焊接等工序的工艺要点是一样的。

（1）普通载板

普通载板设计方便，打样快捷。常用的普通载板材料为工程塑料（合成石）、铝板等，工程塑料载板寿命有3000～7000次，具有操作性方便、稳定性较好、不易吸热、不烫手的优点，价格是铝板的5倍以上。铝质载板吸热散热快，内外无温差，变形可简单修复，价格便宜，寿命长；主要缺点是烫手，要使用隔热手套取送。

（2）硅胶载板

硅胶载板具有自黏性，FPC直接粘在上面，不用胶带，而且取下也较容易，没有残胶，又耐高温。硅胶载板在使用过程中，采用化学过程，硅胶材料在使用过程中会老化黏性下降，使用期间未清洁时黏性也会下降，寿命较短，最多1000～2000次，价格也比较高。

（3）磁性载板

磁性载板采用的是特种耐高温（350℃）钢片，经过了加强磁化性能处理，保证再流焊过程中“永磁”，弹性好，平整度好，高温不变形。因为加强磁化性能处理的钢片已经把FPC表面压紧压平，FPC在再流焊时就可避免被热风吹起而导致焊接不良，保证焊接质量稳定，提高成品率。只要不是人为破坏和事故破坏，磁性载板可以永久使用，寿命长。磁性载板同时对FPC进行隔热保护，取载板时不会对FPC产生任何破坏。但磁性载板设计复杂，单价高，大批量生产时才具成本优势。

5.3.3 FPC组装的流程

1.FPC的固定

在进行SMT之前，首先需要将FPC精确固定在载板上。特别需要注意的是，从FPC固定在载板上以后，到进行印刷、贴装和焊接之间的存放时间越短越好。

载板有带定位销和不带定位销两种。不带定位销的载板，需与带定位销的定位模板配套使用。先将载板套在模板的定位销上，使定位销通过载板上的定位孔露出来，将FPC一片一片套在露出的定位销上，再用胶带固定，然后让载板与FPC定位模板分离，进行印刷、贴装和焊接。带定位销的载板上已经固定有长约1.5mm的弹簧定位销若干个，可以将FPC一片一片直接套在载板的弹簧定位销上，再用胶带固定。在印刷工序，弹簧定位销可以完全被钢网压入载板内，不会影响印刷效果。

方法一（单面胶带固定）：用薄型耐高温单面胶带将FPC四边固定在载板上，不让FPC有偏移和起翘，胶带黏度应适中，再流焊后必须易剥离，且在FPC上无残留胶剂。如果使用自动胶带机，能快速切好长短一致的胶带，可以显著提高效率，节约成本，避免浪费。

方法二（双面胶带固定）：先用耐高温双面胶带贴在载板上，效果与硅胶板一样，再将FPC粘到载板，要特别注意胶带黏度不能太高，否则再流焊后剥离时，很容易造成FPC撕裂。在反复多次过炉以后，双面胶带的黏度会逐步变低，黏度低到无法可靠固定FPC时必须立即更换。

固定FPC的工位是防止FPC脏污的重点工位，需要戴手指套作业。载板重复使用前，需作适当清理，可以用无纺布蘸清洗剂擦洗，也可以使用防静电粘尘滚筒，以除去表面灰尘、锡珠等异物。取放FPC时切忌太用力，FPC较脆弱，容易产生折痕和断裂。

采用磁性载板固定FPC的方法共分为4个步骤，如图5-6所示。

2.FPC的焊膏印刷

FPC对焊膏的成分没有很特别的要求。因为载板上装载FPC，FPC上有定位用的耐高温胶带，使其平面不一致，所以FPC的印刷面不可能像PCB那样平整和厚度硬度一致，所以不宜采用金属刮刀，而应采用硬度在80～90的聚氨酯型刮刀。印刷工位也是防止FPC脏污的重点工位，需要戴手指套作业，同时要保持工位的清洁，勤擦钢网，防止焊膏污染FPC的金手指和镀金按键。

3.FPC的再流焊

应采用强制性热风对流红外再流焊炉，这样FPC上的温度能较均匀地变化，减少焊接不良。如果是使用单面胶带的，因为只能固定FPC的四边，FPC中间区域因在热风状态下变形，焊盘容易形成倾斜，熔锡（高温下的液态锡）会流动而产生空焊、连焊、锡珠，不良率较高。

4.检验和分板

由于载板在炉中吸热，特别是铝质载板，出炉时温度较高，所以最好是在出炉口增加强制冷却风扇，帮助快速降温。同时，作业员需戴隔热手套，以免被高温载板烫伤。从载板上拿取完成焊接的FPC时，用力要均匀，不能使用蛮力，以免FPC被撕裂或产生折痕。

取下的FPC放在5倍以上放大镜下目视检验，重点检查表面残胶、变色、金手指沾锡、锡珠、IC引脚空焊、连焊等问题。由于FPC表面不可能很平整，使AOI的误判率很高，所以FPC一般不适合作AOI检查，但通过借助专用的测试治具，FPC可以完成ICT、FCT的测试。FPC的分板和测试治具实例如图5-7所示。

由于FPC以拼板（Panel）居多，可能在作ICT、FCT的测试以前，需要先做分板。虽然使用刀片、剪刀等工具也可以完成分板作业，但是作业效率和作业质量低下，报废率高。如果是异形FPC的大批量生产，建议制作专门的FPC冲裁分板模具，进行冲压分割，可以大幅提高作业效率，同时冲裁出的FPC边缘整齐美观，冲压切板时产生的内应力很低，可以有效避免焊点锡裂。

5.3.4 FPC和硬板的连接

FPC和硬板（即普通PCB）之间的连接有多种方式，如图5-8所示。热压熔锡焊（Hot Bar）是脉冲加热再流焊的俗称，此工艺就是将两个预先上好助焊剂、镀锡的零件加热到足以熔化的温度，冷却固化后形成永久电气连接。