Công nghệ đóng gói bề mặt (SMT)Xu hướng phát triển không thể khác tại Việt nam

Đầu tháng 5/2008, tại Hà Nội sẽ diễn ra hội chợ triển lãm về công nghiệp điện tử. Khách tham quan triển lãm sẽ

có cơ hội diện kiến những cỗ máy, những công nghệ đang ngày đêm góp phần vào sự phát triển của nền công

nghiệp điện tử toàn cầu. Theo thông tin do TĐH nhận được, các hãng sãn xuất thiết bị cho nền công nghiệp điện

tử sẽ tập trung vào giới thiệu các dây truyền hàn linh kiện bề mặt. Nhân sự kiện này chúng tôi xin gửi tới quý

độc giả một số khái niệm về công nghệ tiên tiến này với mong muốn rằng chúng ta sẽ có những khái niệm cơ

bản khi tiếp xúc với các cỗ máy làm nên sự thành công cho bao tập đoàn điện tử hàng đầu thế giới.

Khái niệm về công nghệ hàn linh kiện bề mặt (SMT)

Công nghệ hàn linh kiện bề mặt là phương pháp gắn các linh kiện điện tử trực tiếp lên trên bề mặt của bo mạch

(PCB). Các linh kiện điện tử dành riêng cho công nghệ này có tên viết tắt là SMD. Trong công nghiệp điện tử,

SMT đã thay thế phần lớn công nghệ đóng gói linh kiện trên tấm PCB xuyên lỗ theo đó linh kiện điện tử được cố

định trên bề mặt PCB bằng phương pháp xuyên lỗ và hàn qua các bể chì nóng.

Lắp ráp linh kiện trên PCB theo công nghệ xuyên lỗ Theo công nghệ SMT

Công nghệ SMT được phát triển vào những năm 1960 và được áp dụng một cách rộng rãi vào cuối những năm

1980. Tập đoàn IBM của Hoa kỳ có thể được coi là người đi tiên phong trong việc ứng dụng công nghệ này. Lúc

đó linh kiện điện tử phải được gia công cơ khí để đính thêm một mẩu kim loại vào hai đầu sao cho có thể hàn

trực tiếp chúng lên trên bề mặt mạch in. Kích thước linh kiện được giảm xuống khá nhiều và việc gắn linh kiện

lên trên cả hai mặt của PCB làm cho công nghệ SMT trở lên thông dụng hơn là công nghệ gắn linh kiện bằng

phương pháp xuyên lỗ, cho phép làm tăng mật độ linh kiện. Thông thường, mỗi linh kiện được cố định trên bề

mặt mạch in bằng một diện tích phủ chì rất nhỏ, và ở mặt kia của tấm PCB linh kiện cũng chỉ được cố định bằng

một chấm kem hàn tương tự. Vì lý do này, kích thước vật lý của linh kiện ngày càng giảm. Công nghệ SMT có

mức độ tự động hóa cao, không đòi hỏi nhiều nhân công, và đặc biệt làm tăng công suất sản xuất.

Kỹ thuật gắn chíp - Các hãng khác nhau sở hữu những bí quyết và độc quyền công nghệ khác nhau khi chế

tạo các loại máy gắn chíp trên dây truyền SMT. Tuy vậy, những công đoạn từ lúc nạp liệu cho tới lúc thành

phẩm (bo được gắn chíp) thì tương đối giống nhau. Các công đoạn đó bao gồm: 1) quét hợp kim hàn (kem hàn)

lên trên bo mạch trần vào các vị trí trên đó có mạ sẵn chân hàn bằng vàng, thiếc-chì, bạc…2) gắn chíp, gắn IC

3) gia nhiệt – làm mát 4 ) kiểm tra và sửa lỗi.

Quét hợp kim hàn

Trên bề mặt mạch in không đục

lỗ, ở những nơi linh kiện được

gắn vào, người ta đã mạ sẵn các

lớp vật liệu dẫn điện như thiếc-

chì, bạc hoặc vàng – những chi

tiết này được gọi là chân hàn

(hay lớp đệm hàn). Sau đó, kem

hàn, thường thấy dưới dạng bột

nhão là hỗn hợp của hợp kim

hàn (có thành phần khác nhau,

tùy vào công nghệ và đối tượng

hàn) và các hạt vật liệu hàn,

được quét lên trên bề mặt của

mạch in. Để tránh kem hàn dính

lên trên những nơi không mong

muốn người ta phải sử dụng một

dụng cụ đặc biệt gọi mà mặt nạ

kim loại (metal mask – hoặc

stencil) làm bằng màng mỏng

thép không gỉ trên đó người ta

gia công, đục thủng ở những vị

trí tương ứng với nơi đặt chíp

trên bo mạch-bằng cách này,

kem hàn sẽ được quét vào các

vị trí mong muốn. Nếu cần phải

gắn linh kiện lên mặt còn lại của

bo mạch, người ta phải sử dụng

một thiết bị điều khiển số để đặt

các chấm vật liệu có tính bám

dính cao vào các vị trí đặt linh

kiện. Sau khi kem hàn được phủ

lên trên bề mặt, bo mạch sẽ

được chuyển sang máy đặt chíp

(pick-and-place machine).

(mẫu mặt nạ kim loại)

Gắn chíp, gắn IC

Các linh kiện SMDs, kích thước nhỏ, thường được chuyển tải tới dây truyền trên băng chứa (bằng giấy hoặc

nhựa) xoay quanh một trục nào đó. Trong khi đó IC lại thường được chứa trong các khay đựng riêng. Máy gắp

chip được điều khiển số sẽ gỡ các chip trên khay chứa và đặt chúng lên trên bề mặt PCB ở nơi được quét kem

hàn. Các linh kiện ở mặt dưới của bo mạch được gắn lên trước, và các chấm keo được sấy khô nhanh bằng nhiệt

hoặc bằng bức xạ UV. Sau đó bo mạch được lật lại và máy gắn linh kiện thực hiện nốt các phần còn lại trên bề

mặt bo.

Gia nhiệt – làm mát

Sau khi quá trình gắp, gắn linh kiện hoàn tất, bo mạch được

chuyển tới lò sấy. Đầu tiên các bo tiến vào vùng sấy sơ bộ nơi mà

ở đó nhiệt độ của bo và mọi linh kiện tương đối đồng đều và được

nâng lên một cách từ từ. Việc này làm giảm thiểu ứng suất nhiệt

khi khi quá trình lắp ráp kết thúc sau khi hàn. Bo mạch sau đó tiến

vào vùng với nhiệt độ đủ lớn để có thể làm nóng chảy các hạt vật

liệu hàn trong kem hàn, hàn các đầu linh kiện lên trên bo mạch.

Sức căng bề mặt của kem hàn nóng chảy giúp cho linh kiện không

lệch vị trí, và nếu như bề mặt địa lý của chân hàn được chế tạo

như thiết kế, sức căng bề mặt sẽ tự động điều chỉnh linh kiện về

đúng vị trí của nó. .(thiết bị gắn chíp SM421 của

Samsung)

Có nhiều kỹ thuật dùng cho việc gia nhiệt, ủ bo mạch sau quá trình gắp, gắn. Những kỹ thuật mà ta thường gặp

sử dụng đèn hồng ngoại, khí nóng. Trường hợp đặc biệt người ta có thể sử dụng chất lỏng CF4 với nhiệt độ sối

lớn. kỹ thuật này được gọi là gia. Phương pháp này đã không còn là ưu tiên số một khi xây dựng các nhà máy.

Hiện nay người ta sử dụng nhiều khí nitơ cho hoặc khí nén giầu ni-tơ trong các lò ủ đối lưu. Dĩ nhiên, mỗi phương

pháp có những ưu điểm và nhược điểm riêng. Với phương pháp ủ dùng IR, kỹ sư thiết kế phải bố trí linh kiện trên

bo sao cho những linh kiện thấp hơn không rơi vào vùng của các linh kiện cao hơn. Nếu người thiết kế biết trước

được các chu trình nhiệt hoặc quá trình hàn đối lưu thì anh ta sẽ dễ dàng hơn trong việc bố trí các linh kiện gắn

trên bo. Với một số thiết kế, người ta phải hàn thủ công hoặc lắp thêm các linh kiện đặc biệt, hoặc là tự động

hóa bằng cách sử dụng các thiết bị hồng ngoại tập trung. Sau quá trình hàn các bo mạch phải được “rửa” để gỡ

bỏ những phần vật liệu hàn còn dính trên đó vì bất kỳ một viên vật liệu hàn nào trên bề mặt bo cũng có thể làm

ngắn mạch của hệ thống. Các vật liệu hàn khác nhau được rửa bằng các hóa chất khác nhau được tẩy rửa bằng

các dung môi khác nhau. Phần còn lại là dung môi hòa tan được rửa bằng nước sạch và làm khô nhanh bằng

không khí nén. Nếu không chú trọng tới hình thức và vật liệu hàn không gây hiện tượng ngắn mạch hoặc ăn

mòn, bước làm sạch này có thể là không cần thiết, tiết kiệm chi phí và giảm thiểu ô nhiễm chất thải.

Kiểm tra và sửa lỗi

Cuối cùng bo mạch được đưa sang bộ phận kiểm tra quang học để phát hiện lỗi bỏ sót linh kiện hoặc sửa các

lỗivị trí của linh kện. Trong trường hợp cần thiết, chúng ta có thể lắp đặt thêm một số trạm kiểm tra quang học

cho dây truyền công nghệ sao cho có thể phát hiện lỗi sau từng mỗi công đoạn..

(hình ảnh kiểm tra sản phẩm sau quá trình hàn nhiệt bằng X-ray)

Ở công đoạn này chúng ta có thể sử dụng các máy AOI (automated Optical Inspection) quang học hoặc sử dụng

X-ray. Các thiết bị này cho phép phát hiện các lỗi vị trí, lỗi tiếp xúc của các linh kiện và kem hàn trên bề mặt

của mạch in.

Lợi điểm khi sử dụng công nghệ SMT

Linh kiện nhỏ hơn

Cần phải tạo ra rất ít lỗ trong quá trình chế tạo PCB

Quá trình lắp ráp đơn giản hơn

Những lỗi nhỏ gặp phải trong quá trình đóng gói được hiệu chỉnh tự động (sức căng bề mặt của kem

hàn nóng chảy làm lệch vị trí của linh kiện ra khỏi vị trí của chân hàn trên bo mạch)

Có thể gắn linh kiện lên trên hai mặt của bo mạch

Làm giảm trở và kháng của lớp chì tiếp xúc (làm tăng hiệu năng của các linh kiện cao tần)

Tinh năng chịu bền bỉ hơn trong điều kiện bị va đập và rung lắc

Giá linh kiện cho công nghệ SMT thường rẻ hơn giá linh kiện cho công nghệ xuyên lỗ

Các hiệu ứng cao tần (RF) không mong muốn ít xảy ra hơn khi sử dụng công nghệ SMT so với các linh

kiện cho dùng công nghệ hàn chì, tạo điều kiện thuận lợi cho việc dự đoán các đặc tuyến của linh kiện.

Công nghệ SMT ra đời, thay thế dần dần công nghệ đóng gói xuyên lỗ, điều này không có nghĩa là SMT hoàn

toàn lý tưởng. Những điểm cần phải khắc phục ở công nghệ này là quá trình công nghệ chế tạo SMT công phu

hơn nhiều so với việc sử dụng công nghệ đóng gói xuyên lỗ, đầu tư ban đầu tương đối lớn và tốn thời gian trong

việc lắp đặt hệ thống.

Do kích thước linh kiện rất nhỏ, độ phân giải của các linh kiện trên bo là rất cao nên việc nghiên cứu, triển khai

công nghệ này một cách thủ công sẽ làm cho tỷ lệ sai hỏng tương đối lớn và tốn kém.

Hiện nay các sản phẩm SMT tương đối đa dạng đáp ứng đủ các nhu cầu từ thủ công tới tự động hóa hoàn toàn.

Hầu như các hãng sản xuất thiết bị SMT hàng đầu thế giới đều tham gia triển lãm lần này như Samsung-SMT,

Speedline (Mỹ) hay Juki (Nhật bản). Với sự xuất hiện của sản phẩm SMT, với xu hướng dịch chuyển đầu tư, Việt

Nam chắc chắn sẽ trở thành những quốc gia có nền công nghiệp điện tử phát triển trong khu vực và trên thế

giới trong tương lai không xa.

 

Nếu các tòa nhà trong thành phố nối với nhau bằng những con đường, thì trong một sản phẩm điện tử, các linh kiện cũng được kết nối nhờ các vi mạch trên bo mạch. Những năm 1950, người ta dùng công nghệ xuyên lỗ để lắp ráp linh kiện điện tử lên một bo mạch (BM). Theo đó, bề mặt BM được khoan lỗ. Linh kiện điện tử có chân được cắm xuyên qua lỗ, bẻ gấp chân vào và hàn lại ở mặt bên kia, có thể thực hiện hoàn toàn thủ công hoặc dùng cánh tay robot giả lập thao tác con người.  

Đến thập niên 1980, xuyên lỗ vẫn là công nghệ phổ biến trong lắp ráp điện tử nhưng tồn tại một số nhược điểm. Kích thước và hình dạng linh kiện khác nhau nên quy trình cắm cần trật tự cố định, đòi hỏi công nhân phải giàu kinh nghiệm. Chân linh kiện bẻ gấp tạo mối nối tốt nhưng khó tháo ráp. Mối hàn khá to, nếu khoảng cách giữa các mối hàn quá gần dễ bị dính nhau, ngược lại thì BM trở nên to và đắt tiền.  Để đáp ứng yêu cầu đặt ra cho BM thế hệ mới là: càng nhỏ, càng rẻ và càng

tốt, từ sau năm 1980, công nghệ dán bề mặt (SMT - Surface Mount Technology) hay còn gọi là công nghệ hàn linh kiện bề mặt ra đời, thay thế phương pháp xuyên lỗ và trở thành xu hướng mới trong lắp ráp linh kiện điện tử. 

SMT – Công nghệ dán bề mặt SMT là công nghệ lắp ráp linh kiện điện tử bằng cách dán trực tiếp linh kiện lên bề mặt BM mà không cần khoan lỗ.  Linh kiện dùng cho công nghệ SMT gọi là linh kiện dán - SMD (Surface Mount Device). Bất cứ linh kiện xuyên lỗ nào cũng có linh kiện dán tương ứng. SMD nhỏ và nhẹ, cố định lên BM bằng một chấm kem hàn rất nhỏ, cho phép tăng mật độ và độ phức tạp của các vi mạch trên BM nhiều lần.

 Khi thế hệ linh kiện điện tử to cũ bị thay thế bởi những con chip chỉ nhỏ bằng 1/10 hạt gạo thì công nghệ SMT cũng “soán ngôi” công nghệ xuyên lỗ nhờ tính năng ưu việt của nó: • Ưu điểm đầu tiên, dễ thấy nhất của SMT là không cần khoan lỗ BM.  • Quá trình tự động hóa cao, có thể tự hiệu chỉnh những lỗi nhỏ gặp phải.  • Có thể gắn linh kiện lên cả hai mặt BM. • Bền hơn so với xuyên lỗ, đặc biệt trong điều kiện bị rung, lắc, va đập với cường độ không quá cao. • Giá linh kiện dán rẻ hơn linh kiện xuyên lỗ. • Năng suất cao và rất linh động khi thay đổi model BM.  • Ưu điểm lớn nhất của SMT vẫn là chế tạo được BM nhỏ gọn với cấu trúc vi mạch phức tạp. Tuy nhiên, đây cũng là nhược điểm bởi BM quá nhỏ nên khó thao tác hơn.  Nhờ điều khiển, xử lý bằng máy tính hiện đại, các máy SMT ngày nay đảm bảo quá trình tự động hóa cao, sai sót cực nhỏ, giảm chi phí lao động và tăng năng suất đáng kể. Kích thước và trọng lượng BM nhỏ hơn từ 2 đến 5 lần so với loại xuyên lỗ, và giảm từ ¼ đến hơn một nửa chi phí vật liệu. Mặt khác, nếu so sánh năng suất của một máy xuyên lỗ tự động là 12.000 linh kiện/giờ và một máy SMT gia công trên 42.000 linh kiện/giờ với sự chính xác gần như tuyệt đối, có thể hình dung SMT như một công nghệ “hái ra tiền”. Một số ít trường hợp vẫn cần đến phương pháp xuyên lỗ, chủ yếu dùng cho linh kiện kích thước lớn, thường xuyên chịu áp lực cơ học, có điện áp cao, cần tháo lắp liên tục…Tùy thiết kế BM, người ta có thể chọn lựa giữa xuyên lỗ và SMT, hoặc kết hợp cả hai phương pháp. 

 

Sơ lược về công nghệ SMT Nhìn chung, quá trình dán linh kiện lên BM bằng công nghệ SMT gồm 4 bước cơ bản: 1. Quét kem hàn (Solder Paste) lên bề mặt BM ở vị trí cần gắn linh kiện. Kem hàn quét qua lỗ của một mặt nạ kim loại (metal mask hoặc stencil) được đặt trên BM để tránh dính vào nơi không mong muốn (lỗ trên mặt nạ kim loại được đục thủng ở ngay vị trí cần dán của BM). Kem hàn có dạng bột nhão, tính bám dính cao, thành phần thay đổi tùy công nghệ và đối tượng hàn. Sau đó, BM chuyển sang máy gắn linh kiện. 2. Gắn linh kiện. Máy gắn linh kiện tự động gỡ linh kiện từ băng chuyền hoặc khay và đặt vào vị trí tương ứng đã được quét kem hàn. Sau khi sấy khô nhanh kem hàn bằng nhiệt hoặc tia UV, BM được lật mặt và quá trình gắn lặp lại. Khi hoàn tất cả hai mặt, BM chuyển sang lò sấy. Công nghệ SMT mới còn cho phép gắn linh kiện cùng lúc cả hai mặt 3. Gia nhiệt. Tại lò sấy, BM đi qua các khu vực với nhiệt độ tăng dần để linh kiện có thể thích ứng. Ở nhiệt độ đủ lớn, kem hàn nóng chảy, dán chặt linh kiện lên BM. BM sau đó được rửa bằng một số hóa chất, dung môi và nước để làm sạch vật liệu hàn rồi dùng khí nén làm khô nhanh. 4. Kiểm tra và sửa lỗi sản phẩm.  Khó khăn khi ứng dụng vào sản xuất là SMT đòi hỏi sự chính xác tuyệt đối và trình độ quản lý cao trong quá trình gia công. Đầu tư ban đầu cho máy móc thiết bị cũng tương đối lớn và mất nhiều thời gian, bởi kích thước linh kiện quá nhỏ, nếu quá trình tự động hóa không đạt chuẩn sẽ gây sai sót lớn và tốn chi phí.  

SMT trên thế giới 

Theo cơ sở dữ liệu tiếp cận được, sáng chế (SC) đầu tiên về SMT đăng ký năm 1976 nhưng đến năm 1980 SMT mới bắt đầu phổ biến. IBM tiên phong ứng dụng SMT trong lĩnh vực máy tính. Lúc này, phương pháp xuyên lỗ vẫn được ưa chuộng do dễ hàn và tháo lắp. Hạn chế của chất lượng BM cũng khiến SMT khó phát triển. Sự ra đời của BM chất lượng cao đã mở rộng thị trường cho SMT từ sau năm 2000.

 Do liên hệ chặt chẽ với ngành điện tử, những năm 2008, lĩnh vực SMT chịu ảnh hưởng không nhỏ của cuộc khủng hoảng kinh tế toàn cầu với số lượng SC sụt giảm khá mạnh. Tuy nhiên, theo báo cáo gần đây của Electronics. CA. Publications, thị trường SMT đang hồi phục cùng với sự khởi sắc của nền kinh tế, nhanh chóng thay thế công nghệ xuyên lỗ nhờ đột phá về năng suất và độ tin cậy.

Tính đến nay, gần 1.300 SC về SMT trên thế giới hầu hết đăng ký tại Mỹ. Nhiều SC nhất thuộc về những

công ty sản xuất và cung cấp linh kiện điện tử hàng đầu. Trong top 10, đến 8 công ty có trụ sở chính tại Mỹ (AMP Incorporated, Motorola, IBM, AVX, The Whitaker, Micron Technology, Intel), còn lại của Nhật (Murata, Nihon Dempa Kogyo) và Anh (GEM Services).  Phân tích theo phân loại SC quốc tế IPC cho thấy 3 hướng nghiên cứu chính về SMT: 19% SC về thiết bị mạch tích hợp (H01L); 16% SC về màng phim kỹ thuật để sản xuất BM (H05K); khoảng15 % SC về hệ thống phân phối điện (H01R). Một số hướng nghiên cứu khác là về phương pháp và thiết bị hàn, hợp kim hàn, ứng dụng SMT trong thiết bị truyền thông, biến áp... 

Và tại Việt Nam Chậm chân hơn các nước khác một chút, tại Việt nam, công nghệ SMT chỉ bắt đầu “sôi động” trong ngành điện tử từ năm 2008. Một số nhà cung cấp thiết bị SMT tại nước ta hiện nay có: SMT Vietnam, Siemens, Panasonic, Fuji, Samsung, Matsushita… Do chi phí đầu tư quá cao, nên thời gian đầu, đa số công ty trong nước chọn cách hợp tác chuyển giao công nghệ, học hỏi mô hình quản lý từ tập đoàn nước ngoài. Công ty Cổ phần Bóng đèn Điện Quang là một trong những doanh nghiệp nội địa áp dụng SMT thành công trong sản xuất. Sản phẩm ballast cho đèn compact dùng công nghệ SMT nhỏ gọn, ít tỏa nhiệt và tăng tuổi thọ thiết bị. 

 Tháng 10 vừa qua, triển lãm lần thứ 5 về công nghiệp phụ trợ do Tổ chức Xúc tiến Thương mại Nhật Bản (JETRO) và Trung tâm Xúc tiến Thương mại và Đầu tư (ITPC) tổ chức đã giới thiệu một số dây chuyền SMT công nghệ cao phục vụ ngành điện tử. Theo TS. Trần Quang Hùng – Tổng thư ký Hiệp hội Doanh nghiệp Điện tử Việt Nam (VEIA), ngành công nghiệp sản xuất linh phụ kiện điện tử Việt Nam phát triển mạnh mẽ từ năm 2011 và hứa hẹn sẽ tăng gấp đôi doanh thu mỗi năm. Ứng dụng hiệu quả SMT trong sản xuất sẽ góp phần đáng kể vào lợi ích quốc gia nhờ giảm chi phí nhập khẩu, nâng cao hiệu quả sản xuất và giá trị sản phẩm. 

Surface Mount Technology

SMT viết tắt của cụm tư Surface Mount Technology (Công nghệ dán bề mặt), trong kỹ thuật PCB thì gọi là công nghệ hàn linh kiện dán, từ 2008 công nghệ này đã du nhập vào Việt Nam và đến nay nó đã phát triển khá rộng lớn theo nhu cầu sản xuất bo mạch dán và yêu cầu nhỏ gọn của PCB.Sau đây mình sẽ nói cơ bản một số điều về SMT:

Khái niệm.Công nghệ hàn linh kiện dán là phương pháp gắn các linh kiện điện tử trực tiếp lên trên bề mặt của bo mạch (PCB). Các linh kiện điện tử dành riêng cho công nghệ này có tên viết tắt là SMD. Trong công nghiệp điện tử, SMT đã thay thế phần lớn công nghệ đóng gói linh kiện trên tấm PCB xuyên lỗ theo đó linh kiện điện tử được cố định trên bề mặt PCB bằng phương pháp xuyên lỗ và hàn qua các bể chì nóng.

 Công nghệ SMT được phát triển vào những năm 1960 và được áp dụng một cách rộng rãi vào cuối những năm 1980. Tập đoàn IBM của Hoa kỳ có thể được coi là người đi tiên phong trong việc ứng dụng công nghệ này. Lúc đó linh kiện điện tử phải được gia công cơ khí để đính thêm một mẩu kim loại vào hai đầu sao cho có thể hàn trực tiếp chúng lên trên bề mặt mạch in. Kích thước linh kiện được giảm xuống khá nhiều và việc gắn linh kiện lên trên cả hai mặt của PCB làm cho công nghệ SMT trở lên thông dụng hơn là công nghệ gắn linh kiện bằng phương pháp xuyên lỗ, cho phép làm tăng mật độ linh kiện. Thông thường, mỗi linh kiện được cố định trên bề mặt mạch in bằng một diện tích phủ chì rất nhỏ, và ở mặt kia của tấm PCB linh kiện cũng chỉ được cố định bằng một chấm kem hàn tương tự. Vì lý do này, kích thước vật lý của linh kiện ngày càng giảm. Công nghệ SMT có mức độ tự động hóa cao, không đòi hỏi nhiều nhân công, và đặc biệt làm tăng công suất sản xuất.

  Kỹ thuật hàn Chip ( bao gồm cả tụ, trở, led và các linh kiện cơ bản gọi

chung là chip trong SMT)

Các hãng khác nhau sở hữu những bí quyết và độc quyền công nghệ khác nhau khi chế tạo các loại máy gắn chíp trên dây truyền SMT. Tuy vậy, những công đoạn từ lúc nạp liệu cho tới lúc thành phẩm (bo được gắn chíp) thì tương đối giống nhau.Các công đoạn đó bao gồm:

1. Quét hợp kim hàn (kem hàn) lên trên bo mạch trần vào các vị trí trên đó có mạ sẵn chân hàn bằng vàng, thiếc-chì, bạc… sử dụng mặt nạ hàn để thực hiện công việc này.

2. Gắn chíp, gắn IC3. Gia nhiệt – làm mát4. Kiểm tra và sửa lỗi. Quét hợp kim hàn ( Thông thường là quét thiếc)

Trên bề mặt mạch in không đục lỗ, ở những nơi linh kiện được gắn vào, người ta đã mạ sẵn các lớp vật liệu dẫn điện như thiếc-chì, bạc hoặc vàng – những chi tiết này được gọi là chân hàn (hay lớp đệm hàn). Sau đó, kem hàn, thường thấy dưới dạng bột nhão là hỗn hợp của hợp kim hàn (có thành phần khác nhau, tùy vào công nghệ và đối tượng hàn) và các hạt vật liệu hàn, được quét lên trên bề mặt của mạch in. Để tránh kem hàn dính lên trên những nơi không mong muốn người ta phải sử dụng một dụng cụ đặc biệt gọi mà mặt nạ kim loại (metal mask – hoặc stencil) làm bằng màng mỏng thép không gỉ trên đó người ta gia công, đục thủng ở những vị trí tương ứng với nơi đặt chíp trên bo mạch-bằng cách này, kem hàn sẽ được quét vào các vị trí mong muốn. Nếu cần phải gắn linh kiện lên mặt còn lại của bo mạch, người ta phải sử dụng một thiết bị điều khiển số để đặt các chấm vật liệu có tính bám dính cao vào các vị trí đặt linh kiện. Sau khi kem hàn được phủ lên trên bề mặt, bo mạch sẽ được chuyển sang máy đặt chíp (pick-and-place machine).

 Hình ảnh máy quét thiếc SMP200 của SAMSUNG

 Hình ảnh của mặt nạ hàn hay stencil SMT

Gắn chíp, gắn ICCác linh kiện SMDs, kích thước nhỏ, thường được chuyển tải tới dây truyền trên băng chứa (bằng giấy hoặc nhựa) xoay quanh một trục nào đó. Trong khi đó IC lại

thường được chứa trong các khay đựng riêng. Máy gắp chip được điều khiển số sẽ gỡ các chip trên khay chứa và đặt chúng lên trên bề mặt PCB ở nơi được quét kem hàn. Các linh kiện ở mặt dưới của bo mạch được gắn lên trước, và các chấm keo được sấy khô nhanh bằng nhiệt hoặc bằng bức xạ UV. Sau đó bo mạch được lật lại và máy gắn linh kiện thực hiện nốt các phần còn lại trên bề mặt bo.

 Hình ảnh và thông số kỹ thuật của một máy gắn chip

Video minh họa quá trình gắn chip. Gia nhiệt – làm mát

Sau khi quá trình gắp, gắn linh kiện hoàn tất, bo mạch được chuyển tới lò sấy. Đầu tiên các bo tiến vào vùng sấy sơ bộ nơi mà ở đó nhiệt độ của bo và mọi linh kiện tương đối đồng đều và được nâng lên một cách từ từ. Việc này làm giảm thiểu ứng suất nhiệt khi khi quá trình lắp ráp kết thúc sau khi hàn. Bo mạch sau đó tiến vào vùng với nhiệt độ đủ lớn để có thể làm nóng chảy các hạt vật liệu hàn trong kem hàn, hàn các đầu linh kiện lên trên bo mạch. Sức căng bề mặt của kem hàn nóng chảy giúp cho linh kiện không lệch vị trí, và nếu như bề mặt địa lý của chân hàn được chế tạo như thiết kế, sức căng bề mặt sẽ tự động điều chỉnh linh kiện về đúng vị trí của nó.Có nhiều kỹ thuật dùng cho việc gia nhiệt, ủ bo mạch sau quá trình gắp, gắn. Những kỹ thuật mà ta thường gặp sử dụng đèn hồng ngoại, khí nóng. Trường hợp đặc biệt người ta có thể sử dụng chất lỏng CF4 với nhiệt độ sối lớn. kỹ thuật này được gọi là gia. Phương pháp này đã không còn là ưu tiên số một khi xây dựng các nhà máy. Hiện nay người ta sử dụng nhiều khí nitơ cho hoặc khí nén giầu ni-tơ trong các lò ủ đối lưu. Dĩ nhiên, mỗi phương pháp có những ưu điểm và nhược điểm riêng. Với phương pháp ủ dùng IR, kỹ sư thiết kế phải bố trí linh kiện trên bo sao cho những linh kiện thấp hơn không rơi vào vùng của các linh kiện cao hơn. Nếu người thiết kế biết trước được các chu trình nhiệt hoặc quá trình hàn đối lưu thì anh ta sẽ dễ dàng hơn trong việc bố trí các linh kiện gắn trên bo. Với một số thiết kế, người ta phải hàn thủ công hoặc lắp thêm các linh kiện đặc biệt, hoặc là tự động hóa bằng cách sử dụng các thiết bị hồng ngoại tập trung. Sau quá trình hàn các bo mạch phải được “rửa” để gỡ bỏ những phần vật liệu hàn còn dính trên đó vì bất kỳ một viên vật liệu hàn nào trên bề mặt bo cũng có thể làm ngắn mạch của hệ

thống. Các vật liệu hàn khác nhau được rửa bằng các hóa chất khác nhau được tẩy rửa bằng các dung môi khác nhau. Phần còn lại là dung môi hòa tan được rửa bằng nước sạch và làm khô nhanh bằng không khí nén. Nếu không chú trọng tới hình thức và vật liệu hàn không gây hiện tượng ngắn mạch hoặc ăn mòn, bước làm sạch này có thể là không cần thiết, tiết kiệm chi phí và giảm thiểu ô nhiễm chất thải.

 Một loại máy ra nhiệt và làm mát.

Kiểm tra và sửa lỗiCuối cùng bo mạch được đưa sang bộ phận kiểm tra quang học để phát hiện lỗi bỏ sót linh kiện hoặc sửa các lỗivị trí của linh kện. Trong trường hợp cần thiết, chúng ta có thể lắp đặt thêm một số trạm kiểm tra quang học cho dây truyền công nghệ sao cho có thể phát hiện lỗi sau từng mỗi công đoạn..

 

(hình ảnh kiểm tra sản phẩm sau quá trình hàn nhiệt bằng X-ray)Ở công đoạn này chúng ta có thể sử dụng các máy AOI (automated Optical Inspection) quang học hoặc sử dụng X-ray. Các thiết bị này cho phép phát hiện các lỗi vị trí, lỗi tiếp xúc của các linh kiện và kem hàn trên bề mặt của mạch in.

Lợi điểm khi sử dụng công nghệ SMT Linh kiện nhỏ hơn Cần phải tạo ra rất ít lỗ trong quá trình chế tạo PCB Quá trình lắp ráp đơn giản hơn Những lỗi nhỏ gặp phải trong quá trình đóng gói được hiệu chỉnh tự động

(sức căng bề mặt của kem hàn nóng chảy làm lệch vị trí của linh kiện ra khỏi vị trí của chân hàn trên bo mạch)

Có thể gắn linh kiện lên trên hai mặt của bo mạch Làm giảm trở và kháng của lớp chì tiếp xúc (làm tăng hiệu năng của các

linh kiện cao tần) Tinh năng chịu bền bỉ hơn trong điều kiện bị va đập và rung lắc Giá linh kiện cho công nghệ SMT thường rẻ hơn giá linh kiện cho công

nghệ xuyên lỗ Các hiệu ứng cao tần (RF) không mong muốn ít xảy ra hơn khi sử dụng

công nghệ SMT so với các linh kiện cho dùng công nghệ hàn chì, tạo điều kiện thuận lợi cho việc dự đoán các đặc tuyến của linh kiện.

Công nghệ SMT ra đời, thay thế dần dần công nghệ đóng gói xuyên lỗ, điều này không có nghĩa là SMT hoàn toàn lý tưởng. Những điểm cần phải khắc phục ở công nghệ này là quá trình công nghệ chế tạo SMT công phu hơn nhiều so với việc sử dụng công nghệ đóng gói xuyên lỗ, đầu tư ban đầu tương đối lớn và tốn thời gian trong việc lắp đặt hệ thống.Do kích thước linh kiện rất nhỏ, độ phân giải của các linh kiện trên bo là rất cao nên việc nghiên cứu, triển khai công nghệ này một cách thủ công sẽ làm cho tỷ lệ sai hỏng tương đối lớn và tốn kém.Hiện nay các sản phẩm SMT tương đối đa dạng đáp ứng đủ các nhu cầu từ thủ công tới tự động hóa hoàn toàn. Hầu như các hãng sản xuất thiết bị SMT hàng đầu thế giới đều tham gia triển lãm lần này như Samsung-SMT, Speedline (Mỹ) hay Juki (Nhật bản). Với sự xuất hiện của sản phẩm SMT, với xu hướng dịch chuyển đầu tư, Việt Nam chắc chắn sẽ trở thành những quốc gia có nền công nghiệp điện tử phát triển trong khu vực và trên thế giới trong tương lai không xa.