印刷电路：所有人的可靠性

尽管如此，必须始终认识到电梯运行故障的可能性

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学习目标

• 看完这篇文章，你应该已经学会了：
• 印刷电路板的定义和特点
• 印刷电路板在电梯控制中的作用
• 印刷电路板是如何制造的
• 诊断运动控制器中的印刷电路板
• 印刷电路板维修（交给制造商。）

印刷电路板——那些由元件和布线轨迹组成的平面卡，构建在刚性基板上——在当今的电子设备中无处不在。 它们是用户友好的、制造成本低且可靠的，但随着时间的推移，错误操作是可能的。 当这种情况发生在电梯安装中时，系统通常会识别出问题并立即关闭。 轿厢可能会停在下一层楼并且无法重新启动，直到问题得到解决，或者在更严重的情况下，电机的电源被中断，并且在没有持续电源的情况下会应用制动器。 如果停运时间过长，则需要进行乘客提取。

在大众的想象中，当电梯系统出现故障时，轿厢会掉到井道底部，后果不堪设想。 然而，实际上，自从 Elisha Graves Otis 于 1854 年发明电梯安全装置以来，这种情况就没有发生。 如果绳索发生故障，安全狗会咬合向上倾斜的齿条，将轿厢锁定到位并防止其坠落。

更常见的情况是门故障。 电梯系统的设计目的是在任何一扇门没有关闭和安全锁定时防止轿厢移动，除非电梯处于检查模式。 出于显而易见的原因，这是一项非常基本的安全功能。 而且这种情况并不少见：由于即使是低层安装中也有许多门，小故障可能会阻止锁完全接合或会阻止门传感器与运动控制器正确交互。 除了门锁的机械磨损（每天可能需要运行数百次）之外，运动控制器中还可能产生门故障电信号。 这可以在印刷电路板中，它由许多复杂的电路迹线和组件组成，此外还有一个或多个端子排，这些端子排上有较大的电线，连接到整个安装中的许多传感器、执行器和信号器.

印刷电路板出现在 20 世纪的第一个十年。 1903 年，德国的 Albert Hanson 将扁平箔导体层压到多层绝缘板上。 托马斯爱迪生在 1904 年使用化学方法将导体镀在亚麻纸上。 在英国，Arthur Berry 开发了第一个印刷和蚀刻技术。 在美国，Max Schoop 通过模板将导电金属火焰喷涂到板上。 查尔斯杜卡斯电镀电路图案。 这些人都在努力改进点对点布线。

1936 年，保罗·艾斯勒 (Paul Eisler) 在英国制造了包含印刷电路的收音机。1943 年，作为战争努力的一部分，更先进的印刷电路被用于近距离传感器，这项创新于 1948 年向公众推出，并在战后电子繁荣中发挥了作用。随后，1952 年，摩托罗拉推出了用于家用收音机的镀层电路。在整个 1960 世纪 XNUMX 年代，印刷电路板取代点对点布线，成为家用电器以及工业应用中连接元件的主要方法。

今天，许多制造商不提倡对印刷电路板进行元件级维修。 整个电路板被丢弃并更换为一个新单元，这一过程经济高效，但会导致电子垃圾，通常是因为电阻器烧毁。

我将讨论故障排除和维修电路板的方法，但首先是一些注意事项。 我们通常将电梯安全联锁装置视为高度可靠的机制，可在发生任何严重故障时立即跳出并停止电梯。 这通常是正确的，但冗余系统有可能同时发生故障，以及无意引入将来可能出现的故障。

例如，几年前发生了一起极为罕见但悲惨的死亡事件，一名儿童被打开的门夹住。 一项冗长的调查揭示了原因：在更换电路板的过程中，一名技术人员将接线板上的两根相邻电线接反，导致门互锁失效。 直到那个特定的门锁未能接合时，问题才出现，此时电梯继续运行。 知识和技术专长加上持续的警惕是必不可少的，但这不是全部。 对小细节的一时分心或不注意可能会产生无法预料的后果。 在电路板工作中尤其如此，即使是简单的更换也会引入不可见的故障。

在 1960 年代广泛使用印刷电路板之前，电气元件是通过金属底盘上的点对点布线来安装和电气连接的。 当然，还有很多采用这种技术的电梯仍在使用中。 但印刷电路板革命是突然的，不可逆转的，不会有回头路。 基于底盘的点对点布线的问题在于电路大、重且对振动敏感，而很快就发现电路板耐用、高效且成本较低。

有两种主要的印刷电路板类型。 较早的品种“通孔结构”从 1950 年代到 1990 年左右主导了该行业。印刷电路板上的轨道首先只在一侧印刷，但随着多层板的发展，轨道在两侧印刷需要的地方。 为了在两个外层之间建立电接触，电镀通孔必须穿透所有中间板，这限制了有关电路布局的选择。 尽管存在其他缺点，包括精确定位孔以及超薄钻头的快速磨损和破损，但通孔技术是安装和电气连接分立元件的可行方法。 尽管表面贴装技术目前占主导地位，但它仍然使用了 30 年，并且仍在使用，并具有自己的一系列优势和权衡。

用于通孔电路板的组件提供相对较长的引线。 在制造过程中，这些引线会根据需要弯曲并穿过电路板上的预钻孔。 然后翻转电路板并修整引线，留下足够的导线焊接到导电迹线上，在蚀刻工艺去除相邻导电路径之间的导电金属后，导电迹线仍然存在。 然后，手动进行小批量生产或在单个自动化流程中进行大批量生产，焊接所有连接。 广泛使用的自动化工艺是波峰焊，其中电路板悬挂，焊料面朝下，在熔化焊料池上方一小段距离处，稍微搅拌以产生波，波峰沿电路板的长度行进，将焊料施加到预-fluxed 关节。 这个过程很简单，而且比听起来便宜。 成功取决于对焊料温度和波峰高度的精确控制。

用于表面贴装技术的组件由制造商提供，带有直接焊接到电路板表面的小金属焊盘或端盖，而不是用于通孔安装的引线。

通孔和表面贴装元件可以在同一块板上使用。 表面贴装是首选，因为精密钻孔的成本被消除，但通孔用于元件太大而无法表面贴装，或者机械应力可能移动元件，从而将走线从印刷电路板上拉开。

电路板通常以由多个导电和非导电片组成的层生产。 有些是单面的，只有一个铜层。 该层可能会被机械切割或化学蚀刻，或者铜层的某些区域被激光切割和去除，留下类似于今天大部分已经过时的旧点对点布线的导电轨道或迹线。

多层板和带有表面贴装元件的电路板诊断和维修要困难得多。 此外，电梯工作极为关键，因为如果发生错误，安全联锁装置很可能会被禁用。 故障可能会在电梯重新投入使用后不久出现，也可能在几天、几个月或几年后发生。 这是一种不可接受的风险，这也是用制造商提供的新印刷电路板更换可疑印刷电路板的理由。 这些电路板在高度受控的环境中组装，并在发货前经过多次测试。 当旧电梯的替换板不可用时，有专门从事电梯电路板维修的公司； 这些公司对其成品进行严格而彻底的测试。 即使是连接相邻迹线的几乎不可见的焊锡条也会造成危险情况。 此外，在当今的高频环境中，对电路板走线的任何改动都会改变其特性阻抗，从而导致数据反射、冲突和损坏。

另一方面，如果您安装了一个价值 500 美元的新电路板，但电梯仍然无法工作（在所有停机时间之后），设施经理可能正在寻找责任人。 摆脱这种困境的方法是引入最好的外部帮助。 无论选择什么路线，乘客安全都必须优先于经济考虑。

仅从角度来看，我们将讨论电路板维修的某些方面，并理解这只能由合格的专家进行。 我们倾向于认为钢制运动控制器外壳内的电路板不会受到物理损坏。 毕竟，与可以掉落的收音机不同，电梯电路板不太可能破裂，从而破坏一个或多个导电迹线。 此外，在其机房中，通过过滤空气供应，导电灰尘颗粒不应损害电路。 但是附近闪电或公用电源异常引起的过电压怎么办？

一个好的开始方法是查阅制造商的文档。 通常，原理图已存档或可以与故障排除指南一起在线获取。 或者，制造商可能有一个很好的技术帮助部门或工程师，他们会进行电话咨询。

当然，目视检查通常很有用。 应该很容易确定电路板已通电。 您可以查看电路板，检查轨道不连续性和烧焦的组件。 如果您做过很多电子工作，您就会知道如何通过膨胀或扭曲的形状来识别出故障的电解电容器。 这些元件的寿命比其他仅在信号电压下工作的电容器短。 不是由电解质材料分隔的两个电极（板），而是在组装后首次施加电压时以化学方式形成电解质层。 由于这一层很薄，电解电容器具有很大的电容，它在更高的工作电压下工作。 因此，您可以期待更短的寿命。 这些组件直接焊接到电路板上，看起来像高耸于其他设备之上的金属罐。

温度测量总是很有启发性。 高端万用表有温度探头，另一个很好的方法——同样，假设电路板通电——是使用数字红外摄像头，它可以立即显示热点。 所有功能正常的微芯片都应该是微热的，而热的半导体可能有内部短路。 冷半导体可能有内部开路。 许多设备在初始故障时会在短时间内明显变热，然后随着内部电流路径烧毁而变冷。 您还可以使用高阻抗欧姆表检查输入和输出电压，但为此您需要原理图或设备制造商的数据表。

自从设计、开发和广泛使用以来，电路板技术发展迅速，允许更高的制造效率和程序。 使用表面贴装技术，电路板变得更薄，因此在外壳内需要更少的专用区域。 但距离更近的组件需要先进的热管理技术，并且在 EMI 屏蔽方面存在新的挑战。 更紧凑的多层板需要在受控环境中进行高级诊断和维修程序。 执行这项工作的技术人员需要专门的工具、培训和工作场所资产，尤其是在不允许出错的电梯工作中。

尽管如此，只要电路板损坏不是灾难性的，印刷电路就可以返工。 这通常涉及熔化电路板的损坏部分并使用适当的方法和材料对其进行再制造。 该过程的很大一部分是施加热量，在这里技术人员必须仔细控制其强度、持续时间和施加的区域。 必须使用足够的热量来熔化焊料，以便可以在不影响电路板的情况下移除组件。 部分连接迹线可能会分层并从电路板上抬起或从通孔和焊盘回熔。 在这种情况下，必须放置新材料并在电气和结构上进行修复。

在修理电视或冰箱电路板时，可以容忍一定程度的即兴创作，但在电梯工作中，风险要大得多。 我见过一个破裂的电视电路板，带有切断的导电轨道，只需焊接铜跳线或使用鳄鱼夹连接断端即可修复。 如果设备不移动太多，这种维修可能会持续几年，如果最终再次发生故障，电视可能会被丢弃并很快被遗忘。 但电梯不是一次性用品。 一个低层的奥的斯电梯改造将花费超过 XNUMX 万美元，然后两名乘客的生命处于危险之中。

通常，电路板实际上并未损坏，而是一个或多个组件出现故障。 这可能是由于制造中的潜在故障、过电压、高环境热量、振动或冷却故障造成的。 如果采用通孔安装，或者在表面安装或多层板安装中难度更大，则可以轻松更换该组件。 还请记住，问题可能不在于组件本身，而在于相邻电路中短路的阻塞二极管或故障电源施加了过多电压并持续太长时间。 另一种情况是当电路板走线因老化或外伤而变得不导电时，现在就是欠压的情况。 温度和电压测量将揭示是否是这种情况。 糟糕的设计是可能的，但我们不希望在电梯电路板中看到它，因为它总是超出通常的行业标准。

将安装在电路板上的元件进行电气连接的单个导体是平坦的、暴露在外的狭窄铜箔区域； 当相邻时，它们会通过各种工艺去除，主要是化学蚀刻。 这些印刷导体的宽度、厚度和长度决定了电阻。 因此，电导比我们在点对点布线中看到的要小得多。 然而，由于广泛使用的金属氧化物半导体场效应晶体管 (MOSFET) 消耗的电流非常小，尤其是在互补配置中使用时，电阻的问题并不像您想象的那么严重。 大功率消耗器安装在板外。 在使用电源和接地层的地方，走线比通常的信号走线要宽。 事实上，在多层板中，整个层可能由厚实的铜板组成，该铜板执行高电流功能，例如 EMI 屏蔽和接地回路。

对于高速电路，使用串行总线（如 CANbus）来传送数据，电路板走线实际上变成了传输线，其中物理参数决定了特性阻抗。 线路与电源或负载之间的不匹配会导致电梯运动控制器与分布在整个装置中的许多传感器（尤其是门互锁）之间的反射、数据丢失和通信受损。

其他问题是与频率相关的阻抗和电容，就像寄生虫一样，几乎总是有害的，因为最终结果是信号衰减。 有时，衰减是设计的一个深思熟虑的方面，而特性阻抗起着重要作用。 正是由于这些原因，在电路板工作时，任何轻微的衰减都会导致安全功能失效或导致电梯系统停机。

有害物质限制 (RoHS) 是欧盟 (EU) 立法，其中禁止在焊料中使用铅。 此外，打算出口到欧盟的所有组件、电路板和完整或部分电梯系统必须不含其他重金属，例如汞或镉。 无铅焊料符合要求，但由于其较高的熔化和熔化温度而更难使用。

印刷电路板垫层，即层压铜层之前的基础板，是通过使用热固性树脂对布或纸层进行压力和热处理而制成的。 最终产品必须在严格控制下成型，以实现厚度和其他物理特性（包括介电常数和拉伸强度）均匀的最终产品。 它通常是一张胶合板（4 英尺 x 8 英尺）的大小，可以切割成许多电路板。

常见的衬垫材料是玻璃编织物和环氧树脂 (FR-4)。 它是阻燃的，这意味着如果加热它会释放出气体，从而在火势蔓延之前将其扑灭。 FR代表阻燃剂。 为了符合要求，材料必须通过 UL 94（垂直燃烧测试）。 FR-4 不会吸水。 由于在潮湿环境中具有高强度和优异的电气特性，它被广泛用作电绝缘体和继电器、开关、支座、套管、垫圈、电弧屏蔽、变压器和螺钉端子条。 在通孔结构中，高强度和磨料质量会导致钻头快速磨损和破损，这是表面贴装技术的一个重要原理。

印刷电路板制造，从初始设计到最终产品，包括许多复杂的操作，但对于大中型生产或高价值产品，如飞机和电梯运动控制器，这是有道理的，尤其是当您考虑点对点点接线作为替代方案。

在设计阶段的早期，制造数据是通过基于组件信息的计算机辅助设计生成的。 计算机辅助制造 (CAM) 验证基于数据的制造数据输入。 开发了数字工具的输出，包括铜图案、钻孔文件和检查程序。 拼板包括将多个印刷电路板从大面板上进行布局和切割的过程。

铜箔表面贴有保护膜。 然后，蚀刻去除不受掩模保护的不需要的铜。 可以使用激光而不是光掩模。 另一种方法是使用专门的铣床进行印刷电路板铣削，或者可以通过激光去除不需要的铜。

在印刷电路板填充通孔和/或表面贴装元件之前和之后，手动或自动焊接到位（通常通过波峰焊接），制造中的最后一个非常关键的阶段发生：测试.

作为准备，在安装组件之前，裸板测试确定走线没有短路或开路。 在生产运行的规模或价值需要额外费用的情况下，“钉床”夹具接触板上指定的铜焊盘，并执行连续性测试。 短路可能由桥接相邻轨道的错误焊料斑点组成； 在这种情况下，打开是不连续的。

元件焊接到位后，进行断电和通电测试。 最后，通电后，功能测试可确定是否满足所有操作标准。 未通过任何这些测试的印刷电路板需要拆焊、更换有缺陷的组件并重新测试。 在飞机和电梯系统等关键应用中，测试是广泛且冗余的，以确保不会出现服务中的故障。

学习强化问题

使用以下学习强化问题来学习继续教育评估考试，该考试可在liftbooks.com 或第 124 页上在线获得。 本期第XNUMX期。

五个开放式问题：

1. 印刷电路板如何失效？
2. 印刷电路板制造的步骤是什么？
3. 痕迹是如何产生的？
4. 什么原因导致电路板短路？
5. 电路板测试的步骤有哪些？