Công nghệ PCB - Phân tích SMT Công nghệ gắn bề mặt điện tử

Trong những năm gần đây, công nghệ gắn bề mặt điện tử mới SMT (Surface Mount Technology) đã thay thế công nghệ chèn lỗ thông thường và thống trị sự phát triển của thiết bị điện tử. Nó được coi là một cuộc cách mạng trong công nghệ lắp ráp điện tử. SMT được thiết kế để cải thiện độ tin cậy và hiệu suất của sản phẩm và giảm chi phí. Nó sẽ mang lại những thay đổi đáng kể cho điện tử, cho dù đó là điện tử tiêu dùng hay quân sự.

2 Giới thiệu về công nghệ gắn trên bề mặt và lắp ráp PCB

Công nghệ gắn bề mặt, còn được gọi là gắn bề mặt (SMT), là một công nghệ lắp ráp điện tử mà không khoan lỗ trên bảng mạch in, trực tiếp dán các thành phần lắp ráp bề mặt vào vị trí được chỉ định của bảng mạch in và sử dụng hàn để tạo thành kết nối cơ học và điện giữa các thành phần và bảng mạch in.

Các thiết bị điện tử yêu cầu gắn trên bề mặt thường bao gồm bảng mạch in và các thành phần gắn trên bề mặt. Printed Line Board (PWB) là một vật liệu đa lớp một hoặc hai mặt có chứa các đường và pad. Lắp ráp bề mặt bao gồm lắp ráp bề mặt và thiết bị gắn bề mặt. Phần tử gắn trên bề mặt đề cập đến các thành phần thụ động dạng tấm khác nhau, chẳng hạn như điện trở, điện dung, cảm ứng, v.v. Thiết bị gắn bề mặt là thiết bị điện tử được đóng gói, thường đề cập đến các thiết bị hoạt động khác nhau, chẳng hạn như gói hồ sơ nhỏ (SOP), gói mảng lưới bóng (BGA), v.v. Một số thành phần không thể được sử dụng cho SMT, chẳng hạn như một số đầu nối, máy biến áp, bình chứa điện lớn, v.v.

3 Quy trình kỹ thuật gắn trên bề mặt

Bề mặt gắn đinh I bao gồm hai quá trình: và phụ trợ. Quá trình này bao gồm in ấn, đặt chip và hàn ngược. Việc sản xuất bất kỳ loại sản phẩm nào cũng phải trải qua ba quá trình này, mỗi bộ phận đều không thể thiếu; Quá trình phụ trợ chủ yếu bao gồm quá trình "pha chế" và quá trình phát hiện tự động hỗ trợ quang học. Nó không bắt buộc, nhưng được xác định dựa trên các đặc tính của sản phẩm và nhu cầu của người dùng.

Bảng mạch in có thể được chia thành sản phẩm một mặt và sản phẩm hai mặt. Các sản phẩm điện tử cũng có thể được chia thành các sản phẩm một mặt (các thành phần cần được gắn vào một bên của bảng mạch in) và các sản phẩm hai mặt (các thành phần phải được gắn vào hai bên của bảng mạch in). Hình 1 cho thấy quá trình lắp đặt bề mặt của sản phẩm một mặt. Hình 2 cho thấy quá trình lắp đặt bề mặt của sản phẩm hai mặt.

Mục đích của quá trình in là làm cho dán hàn được in chính xác lên bảng mạch in thông qua sự kết hợp của các mẫu và thiết bị in. Các yếu tố quy trình liên quan đến quá trình in chủ yếu bao gồm dán hàn, mẫu và hệ thống in. Dán hàn là một vật liệu quan trọng để kết nối các yếu tố với bảng mạch in và đạt được kết nối điện và cơ khí của chúng. Dán hàn chủ yếu bao gồm hợp kim và thông lượng. Trong quá trình hàn, họ đóng vai trò tương ứng để hoàn thành công việc hàn. Mẫu này được sử dụng để in dán hàn chính xác trên bảng mạch in. Phương pháp sản xuất mẫu và thiết kế mở có ảnh hưởng lớn đến chất lượng in. Hệ thống in chủ yếu đề cập đến thiết bị in và các thông số in. Chất lượng của thiết bị in có ảnh hưởng lớn đến độ chính xác của in ấn. Sự phù hợp hợp lý giữa độ chính xác in lặp đi lặp lại của thiết bị in và cài đặt của các thông số in là một đảm bảo quan trọng cho việc in chính xác. Có rất nhiều thông số in, nhưng các thông số chính ảnh hưởng đến hiệu quả in là tốc độ in, áp suất scraper, tốc độ phát hành và khoảng cách phát hành. Các thông số quan trọng này cần được thiết lập và phù hợp với nhau. Nâng cao chất lượng in vẽ. Tốc độ in thường là 12,7~203,2mm/s, các thông số cụ thể phụ thuộc vào áp suất scraper và tính chất vật lý của dán hàn. Quá trình SMT yêu cầu áp suất scraper là 4.448222~6.672333n.

Mục đích của quá trình vá là để đảm bảo rằng tất cả các bộ phận được dán chính xác và nhanh chóng vào bảng mạch in. Quá trình vá chủ yếu liên quan đến máy vá và khả năng vá lỗi của nó. Khả năng đặt của máy đặt là một đảm bảo quan trọng cho vị trí chính xác. Các kỹ thuật chính của máy vá bao gồm: chuyển động, thực hiện và cơ chế cho ăn tốc độ cao. Công nghệ thu nhỏ; Công nghệ nhận dạng và chiếu sáng bằng máy tốc độ cao; Công nghệ điều khiển thông minh tốc độ cao và độ chính xác cao; Công nghệ xử lý đa nhiệm thời gian thực song song; Thiết bị mở công nghệ mô đun linh hoạt và công nghệ tích hợp hệ thống.

Quá trình hàn reflow là để đạt được bề mặt hàn của các yếu tố gắn trên bề mặt hoặc kết nối cơ học và điện giữa pin và PCB pad bằng cách làm tan chảy dán được phân phối trước trên PCB pad. Hàn trở lại có thể đảm bảo hiệu quả hàn tốt. Các yếu tố quá trình chính của quá trình hàn reflow là lò reflow và khả năng hàn của nó, chủ yếu được phản ánh trong hệ thống sưởi ấm, hệ thống làm mát, hệ thống quản lý thông lượng hàn và hệ thống bảo vệ khí trơ của lò reflow. Hệ thống sưởi ấm liên quan đến hiệu quả sưởi ấm, độ chính xác kiểm soát nhiệt độ, tính đồng nhất nhiệt độ và ổn định; Chức năng của hệ thống làm mát là: khi nhiệt độ đỉnh của hàn reflow cao, nếu không thể làm mát nhanh, nhiệt độ của chất nền bên ngoài lò reflow quá cao, dễ dẫn đến uốn cong chất nền; Làm mát nhanh có thể tinh chỉnh cấu trúc và ngăn chặn sự dày lên của các hợp chất liên kim loại. Cải thiện độ tin cậy. Thông lượng có thể bay hơi trong quá trình hàn trở lại. Nếu không có hệ thống quản lý thông lượng lý tưởng để loại bỏ thông lượng dễ bay hơi kịp thời và lọc chu kỳ, thông lượng sẽ đi vào khu vực làm mát với luồng không khí nhiệt độ cao, ngưng tụ trong bộ tản nhiệt và lò, làm giảm hiệu quả làm mát, gây ô nhiễm thiết bị và chất nền. Khi hoạt động của dán hàn phù hợp với chất nền không đủ tốt, hoặc sự hiện diện của các yếu tố khoảng cách siêu mịn và các yếu tố phức tạp trên bảng mạch đòi hỏi phải đi qua lò phản lưu nhiều lần, hãy xem xét đổ đầy khí trơ vào lò phản lưu để giảm cơ hội oxy hóa và cải thiện hoạt động hàn. Khí trơ thường được sử dụng là nitơ. Khả năng hàn của lò reflow cũng cần được thực hiện bằng cách chỉnh sửa các quy trình điều khiển của nó. Khi bảng mạch hoàn thành miếng vá đi qua lò phản hồi, nó thường phải trải qua giai đoạn làm nóng trước, giai đoạn cách nhiệt, giai đoạn trở lại và giai đoạn làm mát. Chất lượng hàn được đảm bảo thông qua các thủ tục kiểm soát của lò reflow.

Quá trình phụ trợ được sử dụng để hỗ trợ cài đặt trơn tru và tích cực ngăn chặn phát hiện và phát hiện muộn. Quá trình phụ trợ chủ yếu bao gồm quá trình "chấm" và quá trình phát hiện tự động hỗ trợ quang học. Quá trình "dispensing" là "chấm" keo đặc biệt ở phần dưới hoặc ngoại vi của các thành phần mong muốn, bảo vệ thích hợp các thành phần để đảm bảo rằng các thành phần không rơi ra sau khi hàn trở lại nhiều lần; Giảm tác động căng thẳng lên các thành phần trong quá trình lắp đặt; Bảo vệ các thành phần khỏi bị hư hại trong môi trường dịch vụ phức tạp. Các yếu tố quá trình của quá trình "pha chế" chủ yếu bao gồm thiết lập "thiết bị pha chế", keo đặc biệt và "thông số pha chế". Để lựa chọn hợp lý thiết bị, keo và cài đặt thông số thiết kế để đảm bảo hiệu quả của quá trình. Quá trình phát hiện tự động hỗ trợ quang học chủ yếu bao gồm: một là sử dụng thiết bị quang học đặc biệt để đo độ đồng đều độ dày và độ chính xác in của dán hàn sau khi in, phát hiện độ chính xác của từng miếng vá, phát hiện bảng mạch bị lỗi trước khi hàn trở lại và báo động kịp thời; Thứ hai, sau khi hàn trở lại, sử dụng thiết bị quang học đặc biệt để phát hiện các mối hàn, phát hiện bảng mạch có khuyết điểm mối hàn và báo động. Thiết bị đo quang học đặc biệt chủ yếu bao gồm thiết bị phát hiện ánh sáng khả kiến và thiết bị phát hiện tia X. Trước đây chủ yếu là phát hiện quang học tự động (AOI), sau này chủ yếu là thiết bị tia X ba chiều và năm chiều. Trước đây chủ yếu được sử dụng để phát hiện các mối hàn có thể nhìn thấy, trong khi sau này, ngoài việc có thể phát hiện các mối hàn có thể nhìn thấy, cũng có thể phát hiện các mối hàn cho các bộ phận BGA không nhìn thấy. Việc sử dụng quy trình phụ trợ được xác định dựa trên các đặc tính của sản phẩm được lắp đặt.

4 Nguyên tắc hàn trở lại và đường cong nhiệt độ

Phân tích nguyên lý hàn hồi lưu từ đường cong nhiệt độ hàn hồi lưu (Hình 3): Khi PCB đi vào khu vực làm nóng trước, dung môi và khí của dán sẽ bốc hơi và thông lượng hàn sẽ làm ướt đĩa, đầu phần tử và chân. dán làm mềm, sụp đổ và bao gồm pad, cô lập pad và pin lắp ráp từ oxy; Khi PCB đi vào khu vực cách nhiệt, PCB và các thành phần sẽ được làm nóng đầy đủ. Ngăn chặn sự xâm nhập đột ngột của PCB vào khu vực hàn trở lại và làm hỏng PCB và các thành phần do nhiệt độ tăng nhanh; Khi PCB đi vào vùng hàn trở lại, nhiệt độ tăng lên nhanh chóng, làm cho dán đạt đến trạng thái nóng chảy, hàn lỏng làm ướt, khuếch tán, khuếch tán hoặc trở lại PCB pad, phần tử kết thúc và pin, tạo thành tiếp xúc hàn; PCB đi vào khu vực làm mát, hàn điểm chữa khỏi, hoàn thành toàn bộ hàn trở lại.

Trong quá trình hàn trở lại, dán cần phải bay hơi qua dung môi. Các thông lượng loại bỏ các oxit trên bề mặt của các mối hàn, hàn dán tan chảy và chảy lại, hàn dán làm mát và chữa khỏi. Do đó, trong quá trình hàn trở lại, nhiệt độ hàn chủ yếu được chia thành bốn vùng nhiệt độ: vùng nóng trước, vùng cách nhiệt, vùng hồi lưu và vùng làm mát. Khu vực làm nóng trước là nhiệt độ phòng đến 120 độ C; Khu vực cách nhiệt là 120 độ C~170 độ C; Vùng hồi lưu là 170 độ C~230 độ C, nhiệt độ 210 độ C~250 độ C; Vùng làm mát giảm từ 210 độ C xuống khoảng 100 độ C.

Đường cong nhiệt độ là chìa khóa để đảm bảo chất lượng hàn. Độ dốc sưởi ấm và nhiệt độ đỉnh của đường cong nhiệt độ thực tế và đường cong nhiệt độ hàn dán về cơ bản phải phù hợp. Tốc độ làm nóng trước 160 độ C nên được kiểm soát ở 1 độ C/S~2 độ C/S. Nếu tốc độ làm nóng quá nhanh, một mặt sẽ làm cho các thành phần và PCB nóng quá nhanh, dễ dàng làm hỏng các thành phần và gây biến dạng PCB; Mặt khác, dung môi trong dán hàn bay hơi quá nhanh. Các bộ phận kim loại có thể dễ dàng tràn ra và tạo ra một quả bóng hàn. Nhiệt độ đỉnh thường được đặt ở 20 độ C~40 độ C cao hơn nhiệt độ nóng chảy của dán hàn (ví dụ: điểm nóng chảy của dán Sn63/Pb37 là 183 độ C, nhiệt độ đỉnh nên được đặt ở 205 độ C~230 độ C), Thời gian hồi lưu là 10~60 giây. Nhiệt độ đỉnh thấp hoặc thời gian hồi lưu ngắn, nghiêm trọng có thể dẫn đến hàn dán không đủ và không tan chảy; Nhiệt độ đỉnh quá cao hoặc trở lại (RE) quá lâu có thể dẫn đến quá trình oxy hóa bột kim loại, ảnh hưởng đến chất lượng hàn và thậm chí làm hỏng các bộ phận và PCB.

Cơ sở để thiết lập đường cong nhiệt độ hàn trở lại: theo vật liệu, độ dày, tấm nhiều lớp và kích thước của PCB, đường cong nhiệt độ của dán hàn được sử dụng; Mật độ và kích thước của các thành phần được mang trên bảng lắp ráp bề mặt và liệu có các thành phần đặc biệt như BGA, CSP hay không; Các điều kiện cụ thể của thiết bị, chẳng hạn như chiều dài của khu vực sưởi ấm, vật liệu của nguồn sưởi ấm, cấu trúc của lò phản hồi và chế độ dẫn nhiệt.

Trong sản xuất thực tế của một số loại tấm in, do thiết bị thiết lập các khu vực nhiệt độ là: khu vực sưởi ấm, khu vực cách nhiệt, khu vực sưởi ấm nhanh và khu vực trở lại. Dán hàn là dán hàn sn63pb37 với điểm nóng chảy 183 độ C. Hàn sử dụng một số loại lò hàn hồi lưu. Mỗi thành phần tấm in phải được thiết kế với các thông số hàn thích hợp để có được đường cong nhiệt độ cho mỗi tấm in. Hình 4 cho thấy đường cong nhiệt độ hàn reflow tiêu chuẩn và Hình 5 cho thấy nhiệt độ hàn reflow thực tế của bảng in.

Đây là một lò hàn chảy ngược trong 9 vùng nhiệt độ. Kiểm tra nhiệt độ thực tế có 3 điểm kiểm tra, trong đó Hình 5 là đường cong nhiệt độ thực tế. Cài đặt thông số của vùng nhiệt độ phải đáp ứng các yêu cầu sau: 1) vùng tăng nhiệt độ: tốc độ tăng nhiệt độ từ nhiệt độ phòng đến 100 độ C không được vượt quá 2 độ C/S; 2) Khu vực cách nhiệt: từ 100 độ C đến 150 độ C trong 70~120 giây; 3) Khu vực sưởi ấm nhanh: thời gian giữ ấm 150 độ C~183 độ C không quá 30 giây, tốc độ sưởi ấm là 2~3 độ C/s: 4) Khu vực hồi lưu: nhiệt độ là 205 độ C~230 độ C, thời gian trên đường pha lỏng là 40~60 giây; 5) Khu vực làm mát: Tốc độ làm mát là 2~4 độ C/giây. Bằng cách so sánh đường cong nhiệt độ PCB lý thuyết và thực tế trong Hình 4 và Hình 5, khu vực nhiệt độ hồi lưu thực tế nằm trong phạm vi nhiệt độ tiêu chuẩn, do đó kết luận rằng việc hàn các thiết bị gắn trên bề mặt PCB đáp ứng các yêu cầu và đảm bảo tính chất điện của các thiết bị gắn trên bề mặt. Đặc biệt chú ý: lò hàn reflow phải được kiểm tra mỗi tuần một lần. Đường cong nhiệt độ thử nghiệm được so sánh với đường cong nhiệt độ tiêu chuẩn để xác định xem chúng có hoàn toàn phù hợp hay không. Các thông số kiểm tra chính bao gồm: tốc độ sưởi ấm trong khu vực sưởi ấm, thời gian giữ trong khu vực giữ, tốc độ sưởi ấm trong khu vực sưởi ấm nhanh và khu vực hồi lưu, nhiệt độ đỉnh, thời gian trên đường pha lỏng, tốc độ làm mát trong khu vực làm mát và liệu đường cong có dao động bất thường hay không.

5 Kết luận

Công nghệ gắn bề mặt thâm nhập vào các lĩnh vực khác nhau và ảnh hưởng trực tiếp đến mức độ hàn của các sản phẩm điện tử, cũng như hiệu suất và chất lượng của các sản phẩm điện tử. Toàn bộ quá trình của công nghệ gắn trên bề mặt đã được giới thiệu, giải thích nguyên tắc và đường cong nhiệt độ của hàn hồi lưu trong quá trình hàn. So sánh đường cong nhiệt độ hàn hồi lưu tiêu chuẩn của tấm in trong quá trình sản xuất thực tế với đường nhiệt độ hàn hồi lưu thực tế, miễn là khu vực nhiệt độ của hàn hồi lưu thực tế nằm trong phạm vi nhiệt độ tiêu chuẩn, các chỉ số hiệu suất của phần tử lắp đặt có thể được đáp ứng.