Nhà máy sản xuất điện tử tạo ra một bảng mạch lắp ráp (PCBA) như thế nào?
Workbear vốn nghĩ rằng hầu hết những người ghé thăm blog này đều đã rất rõ về cách sản xuất bảng mạch lắp ráp (PCBA). Sau đó, có một số bạn đọc hỏi về các vấn đề liên quan đến SMT, và cũng có đồng nghiệp mới chưa hiểu SMT là gì. Vì vậy, tôi nhân cơ hội này để múa rìu qua mắt thợ một chút. Những bạn nào đã là chuyên gia xin hãy ủng hộ, nếu có thiếu sót hoặc sai sót, rất mong được chỉ giáo. Còn những bạn nào vẫn còn mơ hồ về SMT thì hãy cứ xem thử, biết đâu sẽ học thêm được điều gì đó.
Tổng quan về quy trình lắp ráp bảng mạch hiện đại
Ngày nay, về cơ bản, việc lắp ráp bảng mạch đều thông qua kem hàn (solder paste) để dán và hàn các linh kiện điện tử lên bảng mạch in. Quá trình hàn này có thể được thực hiện bằng công nghệ hàn dán bề mặt (SMT - Surface Mount Technology) hoặc hàn sóng (Wave soldering). Tất nhiên, bạn cũng có thể hàn hoàn toàn bằng tay (Touch-up), nhưng điều đó không nằm trong phạm vi thảo luận của bài viết này, hơn nữa, chất lượng hàn thủ công tiềm ẩn nhiều rủi ro và không thể sản xuất hàng loạt.
Vì hàn sóng gần như đã rất ít sản phẩm sử dụng, nên bài viết này chỉ giới thiệu các hoạt động liên quan đến hàn lắp ráp bảng mạch bằng công nghệ dán bề mặt (SMT).
Về cơ bản, quy trình SMT hiện nay đều là một quy trình "một dây chuyền", tức là từ khi đặt bảng mạch trống (PCB, bare board) vào dây chuyền SMT cho đến khi bảng mạch hoàn thành và ra khỏi dây chuyền lắp ráp, tất cả đều được thực hiện trên cùng một dây chuyền sản xuất.
Dưới đây là giới thiệu đơn giản về quy trình từ khi bảng mạch trống được đưa vào cho đến khi bảng mạch được lắp ráp hoàn chỉnh, cùng với các quy trình sau sản xuất để đảm bảo chất lượng:
Các bước trong quy trình lắp ráp PCBA bằng SMT
01. Nạp bảng mạch trống (Bare Board Loading)
Bước đầu tiên trong việc lắp ráp bảng mạch là sắp xếp các bảng mạch trống (bare board) một cách gọn gàng, sau đó đặt chúng lên giá đỡ (magazine). Máy móc sẽ tự động đưa từng bảng mạch vào dây chuyền sản xuất SMT.
02. In kem hàn (Solder paste printing)
Bước đầu tiên khi bảng mạch in (Printed Circuit Board) đi vào dây chuyền SMT là in kem hàn (solder paste). Thật ra, điều này hơi giống việc phụ nữ thoa mặt nạ lên mặt. Ở đây, kem hàn sẽ được in lên các pad hàn trên PCB nơi cần hàn linh kiện. Lớp kem hàn này sau đó sẽ tan chảy và hàn các linh kiện điện tử lên bảng mạch khi đi qua lò hồi lưu ở nhiệt độ cao.
Ngoài ra, khi chạy thử sản phẩm mới, một số người sẽ sử dụng bảng phim/bảng giấy (sticking board) thay cho kem hàn để tăng hiệu quả điều chỉnh máy SMT và giảm lãng phí.
03. Máy kiểm tra kem hàn (solder paste inspector) (tùy chọn)
Vì chất lượng in kem hàn ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng hàn linh kiện sau này, nên một số nhà máy SMT để đảm bảo chất lượng ổn định, sẽ sử dụng thiết bị quang học để kiểm tra chất lượng kem hàn ngay sau khi in. Nếu có bảng mạch in lỗi, chúng sẽ bị loại bỏ, rửa sạch kem hàn và in lại, hoặc tiến hành sửa chữa bằng cách loại bỏ kem hàn thừa.
04. Máy gắn linh kiện tốc độ cao (Pick and Place speed machine)
Ở đây, các linh kiện điện tử có kích thước nhỏ hơn (như điện trở, tụ điện, cuộn cảm nhỏ) sẽ được gắn lên bảng mạch trước. Các linh kiện này sẽ được giữ lại bởi lớp kem hàn vừa in trên bảng mạch. Vì vậy, ngay cả khi tốc độ gắn linh kiện rất nhanh, gần như bắn súng liên thanh, các linh kiện trên bảng mạch vẫn không bị văng ra. Tuy nhiên, các linh kiện lớn không thích hợp để sử dụng trên máy tốc độ cao, vì thứ nhất sẽ làm chậm tốc độ gắn các linh kiện nhỏ và thứ hai là lo ngại linh kiện có thể bị lệch vị trí ban đầu do bảng mạch di chuyển quá nhanh.
05. Máy gắn linh kiện đa năng (Pick and Place general machine)
Còn được gọi là "máy tốc độ chậm", ở đây sẽ gắn các linh kiện điện tử có kích thước lớn hơn, như BGA IC, đầu nối (connector)... Những linh kiện này đòi hỏi vị trí chính xác hơn, vì vậy việc định vị rất quan trọng. Trước khi gắn, máy sẽ chụp ảnh để xác nhận vị trí của linh kiện, do đó tốc độ sẽ chậm hơn đáng kể. Do kích thước, các linh kiện ở đây không nhất thiết phải có bao bì dạng cuộn (tape-on-reel), một số có thể là khay (Tray) hoặc ống (tube). Tuy nhiên, để máy SMT có thể nhận linh kiện từ khay hoặc ống, cần phải trang bị thêm một thiết bị phụ trợ.
Máy gắn linh kiện/dán linh kiện truyền thống (pick and place machine) thường sử dụng nguyên lý lực hút để di chuyển các linh kiện điện tử, vì vậy phần trên cùng của các linh kiện điện tử này phải có một mặt phẳng để đầu hút của máy gắn linh kiện có thể hút linh kiện. Nhưng một số linh kiện điện tử không thể có mặt phẳng để các máy này hút, lúc này cần phải đặt hàng các đầu hút đặc biệt cho các linh kiện hình dạng đặc biệt này, hoặc dán một lớp băng dính phẳng lên linh kiện, hoặc đội một nắp có mặt phẳng.
06. Gắn linh kiện thủ công hoặc kiểm tra trực quan (hand place component or visual inspection)
Trước khi tất cả các linh kiện được gắn lên bảng mạch và đi qua lò hồi lưu nhiệt độ cao (reflow), thông thường sẽ có một điểm kiểm tra để phát hiện các lỗi như lệch vị trí gắn hoặc thiếu linh kiện... Bởi vì nếu phát hiện vấn đề sau khi đi qua lò nhiệt độ cao, sẽ phải dùng đến mỏ hàn (iron), điều này sẽ ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm và phát sinh thêm chi phí; ngoài ra, một số linh kiện điện tử lớn hơn hoặc các linh kiện truyền thống DIP/THD hoặc vì một số lý do đặc biệt không thể được thao tác bằng máy gắn/dán linh kiện, cũng sẽ được gắn thủ công tại đây.
Ngoài ra, một số bảng mạch điện thoại di động trong quy trình SMT cũng sẽ có một trạm AOI được thiết kế trước lò hồi lưu, dùng để xác nhận chất lượng trước khi hàn hồi lưu. Đôi khi, do có khung chắn được gắn trên linh kiện, sẽ khiến không thể sử dụng AOI để kiểm tra khả năng hàn sau khi ra khỏi lò hồi lưu.
07. Hàn hồi lưu (Reflow)
Mục đích của hàn hồi lưu (reflow) là làm tan chảy kem hàn và hình thành hợp chất liên kim loại (IMC) tại chân linh kiện và bảng mạch, tức là hàn các linh kiện điện tử lên bảng mạch. Đường cong nhiệt độ (temperature profile) tăng và giảm của nó thường ảnh hưởng đến chất lượng hàn của toàn bộ bảng mạch. Dựa trên đặc tính của thiếc hàn, lò hồi lưu thông thường sẽ cài đặt các vùng tiền nhiệt, vùng thấm ướt, vùng hồi lưu, vùng làm mát để đạt được hiệu quả hàn tốt nhất.
Với kem hàn SAC305 trong quy trình không chì hiện nay, điểm nóng chảy của nó khoảng 217℃. Điều đó có nghĩa là nhiệt độ của lò hồi lưu ít nhất phải cao hơn nhiệt độ này để kem hàn có thể tan chảy lại. Ngoài ra, nhiệt độ cao nhất trong lò hồi lưu tốt nhất không nên vượt quá 250℃, nếu không nhiều linh kiện sẽ bị biến dạng hoặc tan chảy do không chịu được nhiệt độ cao như vậy.
Về cơ bản, sau khi bảng mạch đi qua lò hồi lưu, toàn bộ quá trình lắp ráp bảng mạch được coi là hoàn thành, trừ khi còn có linh kiện hàn thủ công. Phần còn lại chỉ là kiểm tra và thử nghiệm xem bảng mạch có bị lỗi hoặc hoạt động kém hay không.
08. Kiểm tra quang học khả năng hàn (AOI, Auto Optical Inspection) (Tùy chọn)
Không phải mọi dây chuyền SMT đều có máy kiểm tra quang học (AOI). Mục đích của việc đặt AOI là vì một số bảng mạch có mật độ quá cao không thể thực hiện kiểm tra điện tử hở mạch/ngắn mạch (ICT) sau đó, nên sử dụng AOI để thay thế. Tuy nhiên, vì AOI là đọc bằng quang học nên có những điểm mù, ví dụ không thể phán đoán mối hàn dưới linh kiện. Hiện tại, nó chỉ có thể kiểm tra các lỗi như linh kiện đứng (tombstone) hoặc nằm nghiêng, thiếu linh kiện, lệch vị trí, hướng cực tính, cầu thiếc, hàn rỗng, v.v., nhưng không thể phán đoán các vấn đề như hàn giả, khả năng hàn của BGA, giá trị điện trở, giá trị tụ điện, giá trị cuộn cảm và các chất lượng linh kiện khác. Vì vậy, đến nay vẫn chưa thể thay thế hoàn toàn ICT.
Do đó, nếu chỉ sử dụng AOI để thay thế ICT, vẫn có một số rủi ro về chất lượng. Tuy nhiên, ICT cũng không phải là hoàn hảo 100%, chỉ có thể nói là bổ sung cho nhau để đạt được độ phủ kiểm tra 100%, vì vậy bạn cần phải cân nhắc (trade-off).
09. Thu hồi bảng mạch (unloading)
Sau khi bảng mạch được lắp ráp xong, chúng sẽ được thu hồi lại vào giá đỡ (magazine). Các giá đỡ này đã được thiết kế để máy SMT có thể tự động lấy và đặt bảng mạch mà không ảnh hưởng đến chất lượng.
10. Kiểm tra trực quan thành phẩm (Visual Inspection)
Bất kể có thiết lập trạm AOI hay không, hầu hết các dây chuyền SMT vẫn sẽ thiết lập khu vực kiểm tra trực quan bảng mạch. Mục đích là để kiểm tra xem bảng mạch có bất kỳ lỗi nào sau khi lắp ráp xong hay không. Nếu có trạm AOI, có thể giảm số lượng nhân viên kiểm tra trực quan, vì vẫn cần kiểm tra những chỗ mà AOI không thể đọc được, hoặc kiểm tra các lỗi mà AOI đã phát hiện.
Nhiều nhà máy sẽ cung cấp mẫu kiểm tra trực quan trọng điểm (inspection template) tại trạm này, giúp nhân viên kiểm tra dễ dàng kiểm tra một số linh kiện quan trọng và cực tính của linh kiện.
11. Sửa chữa linh kiện (Touch-up)
Nếu có một số linh kiện không thể được gắn bằng SMT, cần phải sửa chữa (touch-up, sửa chữa sau quy trình) bằng cách hàn thủ công. Điều này thường được thực hiện sau bước kiểm tra thành phẩm, để phân biệt lỗi đến từ SMT hay từ các quy trình sau đó.
Khi sửa chữa linh kiện, cần sử dụng mỏ hàn (iron) và dây thiếc (solder wire). Khi hàn, đặt mỏ hàn đã được duy trì ở nhiệt độ cao tiếp xúc với chân linh kiện cần hàn, cho đến khi nhiệt độ tăng đủ để làm tan chảy dây thiếc, sau đó thêm dây thiếc tan chảy. Khi dây thiếc nguội đi, linh kiện sẽ được hàn vào bảng mạch.
Khi hàn thủ công, sẽ có một số khói phát sinh. Những khói này sẽ chứa nhiều kim loại nặng, vì vậy khu vực thao tác phải được trang bị thiết bị hút khói để tránh cho người vận hành hít phải những khói độc hại này.
Cần lưu ý rằng, một số linh kiện sửa chữa có thể được sắp xếp ở các quy trình sau hơn do yêu cầu của quy trình.
12. Kiểm tra hở mạch/ngắn mạch bảng mạch (ICT, In-Circuit Test)
Mục đích chính của việc thiết lập ICT là để kiểm tra xem linh kiện và mạch trên bảng mạch có bị hở mạch hay ngắn mạch hay không. Nó còn có thể đo lường các đặc tính cơ bản của hầu hết các linh kiện, như điện trở, tụ điện, giá trị cuộn cảm, để phán đoán xem các linh kiện này có bị hỏng chức năng, sai linh kiện, thiếu linh kiện... sau khi đi qua lò hồi lưu nhiệt độ cao hay không.
Máy kiểm tra mạch điện được chia thành máy cao cấp và máy sơ cấp. Máy kiểm tra sơ cấp thường được gọi là MDA (Manufacturing Defect Analyzer), chức năng của nó là đo lường các đặc tính cơ bản của linh kiện điện tử và phán đoán hở mạch/ngắn mạch như đã nói ở trên.
Máy kiểm tra cao cấp ngoài việc bao gồm tất cả các chức năng của máy sơ cấp, còn có thể cấp điện cho bảng mạch cần kiểm tra, khởi động bảng mạch và thực hiện chương trình kiểm tra. Lợi ích là có thể mô phỏng kiểm tra chức năng của bảng mạch trong điều kiện hoạt động thực tế, có thể thay thế một phần máy kiểm tra chức năng (Function Test) ở giai đoạn sau. Tuy nhiên, một bộ gá (fixture) cho máy kiểm tra cao cấp như vậy có thể đắt cao hơn 15-25 lần bằng một chiếc xe hơi honda với một bộ gá của máy kiểm tra sơ cấp, vì vậy thường thích hợp hơn để sử dụng trong sản xuất hàng loạt.
13. Kiểm tra chức năng bảng mạch (Function test)
Kiểm tra chức năng được thực hiện để bổ sung cho những thiếu sót của ICT, vì ICT chỉ kiểm tra các lỗi hở mạch/ngắn mạch trên bảng mạch, các chức năng khác như BGA và chức năng của sản phẩm chưa được kiểm tra. Vì vậy, cần sử dụng máy kiểm tra chức năng để kiểm tra tất cả các chức năng trên bảng mạch.
14. Cắt bảng mạch (assembly board de-panel)
Các bảng mạch thông thường sẽ được ghép panel (Panelization) để tăng hiệu quả sản xuất SMT. Thường sẽ có các bảng gọi là "n-in-1", ví dụ như 2-in-1, 4-in-1... Sau khi tất cả các công đoạn lắp ráp hoàn tất, chúng cần được cắt (de-panel) thành từng bảng đơn. Một số bảng mạch đơn lẻ cũng cần cắt bỏ một số phần viền bảng thừa (break-away).
Có một vài phương pháp để cắt bảng mạch: có thể thiết kế rãnh chữ V (V-cut) để sử dụng máy cắt lưỡi dao (Scoring) hoặc bẻ bảng thủ công (không khuyến nghị). Các bảng mạch đòi hỏi độ chính xác cao hơn sẽ sử dụng máy cắt tách bảng theo đường dẫn/máy tách bảng (Router), phương pháp này ít gây hư hại cho linh kiện điện tử và bảng mạch hơn, nhưng chi phí và thời gian làm việc sẽ lâu hơn.
Bạn có muốn tìm hiểu sâu hơn về bất kỳ bước cụ thể nào trong quy trình này không?
0 Nhận xét