Tại sao thiếc hàn ăn tốt, ăn xấu?
Bạn có bao giờ tự hỏi, tại sao khi hàn, có lúc thiếc ăn vào linh kiện rất đẹp, nhưng có lúc lại bị "chảnh", không chịu bám dính không? Vấn đề này liên quan đến một hiện tượng gọi là "làm ướt" (Wetting).
Hãy tưởng tượng thiếc hàn như là nước và bề mặt cần hàn (chân linh kiện, miếng đồng trên mạch PCB) như một cái ly.
Nếu nước "làm ướt" được cái ly, nghĩa là nước trải đều, bám dính vào thành ly. Khi đó, thiếc hàn ăn rất tốt, tạo thành mối hàn đẹp và chắc chắn.
Ngược lại, nếu nước không "làm ướt" được cái ly (ví dụ như nước bị vón cục lại, không trải đều), thì thiếc hàn sẽ ăn không tốt, thậm chí không bám dính tí nào.
Vậy, yếu tố nào quyết định nước có "làm ướt" cái ly (thiếc có ăn) hay không? Đó chính là sự hình thành của một "mối quan hệ hóa học" giữa thiếc và bề mặt cần hàn, gọi là IMC (Hợp chất liên kim loại).
Để tạo ra mối quan hệ này, chúng ta cần "lửa" (nhiệt độ). Lửa phải đủ nóng, đủ thời gian để thiếc và bề mặt hàn có thể "kết bạn" với nhau, tạo ra IMC. Cụ thể:
Nếu bạn hàn trên mạch đồng (như loại OSP), đồng sẽ kết hợp với thiếc tạo ra Cu6Sn5.
Nếu bạn hàn trên mạch mạ Niken/Vàng (như loại ENIG), Niken sẽ kết hợp với thiếc tạo ra Ni3Sn4.
Nói tóm lại, cho đến bây giờ, yếu tố quan trọng nhất để thiếc ăn tốt chính là [nhiệt độ]. Nhiệt độ phải đủ cao để thiếc chảy ra và "kết nối" được với bề mặt hàn, tạo ra IMC. Hay nói cách khác, nhiệt độ phải thắng được cái "sự cứng đầu" (năng lượng bề mặt) của bề mặt cần hàn và của thiếc để chúng chịu phản ứng với nhau.
Khi nào thì thiếc "chảnh" không chịu ăn?
Trên lý thuyết thì là vậy, nhưng trong thực tế, mọi chuyện không phải lúc nào cũng đẹp. Điều gì sẽ xảy ra nếu bề mặt cần hàn hoặc bản thân thiếc hàn bị "oxy hóa" (bị gỉ, bị bẩn)?
Khi bị oxy hóa, bề mặt trở nên "khó tính" hơn, cái "sự cứng đầu" (năng lượng bề mặt) của nó tăng lên. Giống như cái ly bị dính dầu mỡ, nước sẽ khó làm ướt hơn.
Trong khi đó, nhiệt độ hàn của chúng ta (nhiệt độ lò Reflow) thường là cố định, vì có những linh kiện rất nhạy cảm với nhiệt độ cao. Vậy là, nhiệt độ thì không đổi mà bề mặt thì "khó tính" hơn, dẫn đến tình trạng thiếc ăn kém.
Nếu chỉ bị oxy hóa nhẹ, bạn sẽ thấy hiện tượng co thiếc (De-Wetting): Thiếc vẫn chảy ra, nhưng nó không chịu trải đều mà co lại thành những giọt, những mảng, chỗ bám chỗ không.
Nếu bị oxy hóa quá nặng, sẽ xảy ra hiện tượng không bám thiếc (Non-Wetting): Thiếc chảy ra nhưng gần như không bám dính gì vào bề mặt, cứ trơ ra.
Vì vậy, hai yếu tố chính ảnh hưởng đến việc thiếc có ăn tốt hay không là [nhiệt độ] và mức độ [oxy hóa].
Một điểm cực kỳ quan trọng cần nhớ: Cái nhiệt độ mà tôi nói ở đây là nhiệt độ mà thiếc và vị trí cần hàn (chân linh kiện, pad trên mạch) thực sự đạt được, chứ không phải chỉ là nhiệt độ chung chung trong lò.
Có những trường hợp, nhiệt độ trong lò đã đủ nóng để thiếc chảy ra, nhưng chân linh kiện hoặc pad hàn vẫn chưa đủ nóng để "hòa nhập" với thiếc. Khi đó, thiếc sẽ chảy và "chạy" sang những chỗ đã đủ nóng hơn để bám vào.
Các lỗi hàn thường gặp do nhiệt độ và oxy hóa:
Đôi khi, bạn sẽ thấy những mối hàn rất "kỳ cục":
Thiếc hàn chỉ tập trung hết vào chân linh kiện, pad trên mạch thì không có tí thiếc nào.
Hoặc ngược lại, thiếc hàn chỉ đọng hết trên pad mạch, chân linh kiện lại không có thiếc.
Đây chính là do một trong hai bên (chân linh kiện hoặc pad mạch) đã bị oxy hóa, trở nên "khó tính" hơn, không chịu cho thiếc bám vào. Thiếc đành phải "chạy" sang phía còn lại đã đủ nóng và "dễ tính" hơn để bám dính.
Đối với việc xử lí các bề mặt bị ô xi hóa có thể sử dụng các công cụ như miếng cọ xoong, giấy ráp, giấy bạc để tiến hành mài bề mặt của vật bị oxi hóa
Vấn đề với vùng đồng lớn trên mạch PCB:
Một tình huống khác là khi pad hàn trên PCB được nối với một miếng đồng lớn. Đồng là kim loại dẫn nhiệt rất tốt. Miếng đồng càng lớn thì nó càng "ngốn" nhiều nhiệt để nóng lên.
Trong khi đó, chân linh kiện vì nhỏ và lộ ra ngoài không khí nên nóng lên rất nhanh. Nếu lò hàn không được điều chỉnh nhiệt độ tốt, khi mạch đi vào vùng hàn, chân linh kiện thì đã nóng rực còn miếng đồng lớn thì vẫn còn "nguội", dẫn đến sự chênh lệch nhiệt độ quá lớn. Lúc này, thiếc sẽ có xu hướng "chạy" hết sang chân linh kiện, bỏ lại pad đồng trống trơn.
Để khắc phục điều này, một số PCB sẽ được thiết kế thêm các "khớp nối nhiệt" (Thermal Relief). Tức là, thay vì nối thẳng pad hàn với miếng đồng lớn, họ sẽ làm vài đường nối nhỏ để "hạn chế" nhiệt độ bị hút quá nhanh vào miếng đồng, giúp nhiệt độ ở pad hàn tăng lên từ từ, đồng đều hơn với chân linh kiện.
Hy vọng với cách giải thích này, bạn đã hình dung rõ hơn về nguyên lý ăn thiếc trong hàn và những yếu tố ảnh hưởng đến nó! Bạn có thắc mắc gì thêm không?
0 Nhận xét