Kiến thức cơ bản HÀN MẠCH ĐIỆN TỬ Vật liệu hàn mạch - Quy trình hàn mạch - Thiết bị hàn mạch.

Hiểu được các loại vật liệu sử dụng và quy trình hàn mạch hiện đại sẽ giúp bạn trở thành một kỹ sư điện tử, thiết kế xuất sắc, giải quyết được các vấn đề từ gốc trong các trường hợp khẩn

Kiến thức cơ bản

Vật liệu hàn mạch Quy trình hàn mạch Thiết bị hàn mạch

HÀN MẠCH ĐIỆN TỬ

LỜI MỞ ĐẦU

Để trở thành một kỹ sư điện tử, việc hiểu biết các kiến thức liên quan đến

mạch điện tử đặc biệt là công đoạn lắp ráp – hàn mạch là một yếu tố không

thể thiếu Ở giảng đường đại học, các kiến thức này cũng đã được giảng dạy

tuy nhiên thiếu tính cập nhật E-book này sẽ mang đến cho kỹ sư điện tử

những kiến thức cập nhật và cơ bản nhất trong công đoạn hàn mạch điện tử

bằng các công nghệ mới nhất Khi các nhà sản xuất thiết bị điện tử hoặc các

công ty OEM thực hiện công đoạn lắp ráp hàng trăm, hàng nghìn mạch PCB

mỗi ngày, việc sử dụng các công nghệ sản xuất hàng loạt như SMT trong dây

chuyền reflow và hàn song wave soldering là không thể tránh khỏi, thay vì để

công nhân ngồi hàn tay từng mạch

Hiểu được các loại vật liệu sử dụng và quy trình hàn mạch hiện đại sẽ giúp

bạn trở thành một kỹ sư điện tử, thiết kế xuất sắc, giải quyết được các vấn đề

từ gốc trong các trường hợp khẩn cấp

II Các phương diện của hàn mạch

1 Vật liệu hàn mạch

2 Quy trình hàn mạch và thiết bị

3 Lựa chọn vật liệu hàn phù hợp

04 04 07 11

I HÀN MẠCH LÀ GÌ?

Hàn là một quy trình kết nối hai vật liệu

bằng kim loại với nhau bằng việc làm

nóng chảy một vật liệu khác – vật liệu

hàn Quy trình hàn mạch khác với một

quy trình khác cũng được gọi là hàn

(weld) mà không sử dụng vật liệu thứ 3,

trực tiếp làm nóng chảy bề mặt một

trong hai hoặc cả hai kim loại để nối

chúng lại nhưng vẫn giữ đúng hình dạng

ban đầu, không biến đổi quá nhiều

Không giống với hàn kim loại (weld), hàn mạch không làm nóng chảy bề mặt hàn Trong phương pháp hàn cứng (braze), phần bề mặt kim loại mặc dù cũng không bị nóng chảy nhưng vật liệu lại nóng chảy ở nhiệt độ cao hơn nhiều so với hàn mạch

Đối với bảng mạch in điện tử (PCB), hàn được sử dụng để lắp ráp các linh kiện điện tử lên bề mặt, đảm bảo tính chắc chắn vật lý và khả năng dẫn điện/ tin hiệu giữa chân của các linh kiện với vị trí được đánh dấu trên PCB Để đạt được những quy chuẩn này, việc lựa chọn loại vật liệu

có hợp chất kim loại phù hợp là quan trọng

Sau khi sử dụng vật liệu hàn để lắp ráp,

để bảo vệ được mối hàn khỏi hiện tượng

oxi hóa, khu vực xung quanh mối hàn đó

sẽ được bảo vệ bằng cách nhúng xuống

một bể hàn với không khí nóng hoặc

được mạ một lớp niken hoặc palladium

lên phía trên

Bên cạnh đó, trước khi bắt đầu hàn

mạch, bề mặt của bảng mạch cũng sẽ

được làm sạch trước để loại bỏ vết bẩn,

vết oxi hóa bằng chất trợ hàn (flux) giúp vật liệu hàn sau đó dễ bám và thẩm thấu lại trên bề mặt hơn

Để có thể nắm được quy trình hàn mạch điện tử PCB, cần tìm hiểu trên các phương diện:

Vật liệu hàn mạch Quy trình hàn mạch Thiết bị hàn mạch

Chú ý:

II CÁC PHƯƠNG DIỆN CỦA HÀN MẠCH

Trong quy trình lắp ráp PCB, loại hợp kim

được sử dụng phổ biến nhất là sự kết hợp

của Thiếc (Sn) và Chì (Pb) với tỷ lệ 63/37,

nóng chảy ở nhiệt độ 183 °C (361 °F),

thường được ký hiệu: Sn63 - Pb37

Tuy nhiên, khi nhu cầu về một mối hàn

chắc chắn hơn để đảm bảo về sự kết dính

về mặt cơ khí và điện (khả năng dẫn điện,

kháng lực kéo, và hàn linh kiện nhỏ) và

nhân

Đó là nguyên nhân chính dẫn đến sự ra đời của vật liệu hàn không chì Thời kỳ đầu, việc loại bỏ chì và thay bằng kim loại khác khiến nhiệt độ nóng chảy của hợp kim lên đến 250 °C (482 °F), gây khó khăn cho sản xuất Tuy nhiên, hiện nay cùng với sự phát triển của công nghệ, các vật liệu hàn không chì đã được cải tiến với nhiệt độ nóng chảy thấp hơn, thấp hơn

cả so với hợp kim chì có thể kể đến như Sn65-Bi58 (ở 139°C) hoặc Sn-57.6Bi-0.4Ag

tuổi thọ của thiết bị, bạc (Ag) đã được sử dụng như một thành phần mới, tuy chỉ chiếm một lượng bé nhưng quan trọng Một số các hợp kim chứa bạc thường gặp có thể kể đến như: Sn62-Ag2.0-Pb36; Sn-0.4 Ag-36.8Pb; Sn-3.0 Ag-0.5 Sb-34.5Pb; …

Ngày nay, vật liệu hàn mạch có ở nhiều dạng và hình thành bằng nhiều hỗn hợp kim loại tùy vào ứng dụng, yêu cầu kỹ thuật Về cơ bản, chúng được phân chia dựa trên thành phần hợp kim và dạng chất

1 Vật liệu hàn mạch

1.1 Hợp kim

a Silver solder

b Vật liệu hàn không chì

Vì lý do môi trường (và việc thi hành quy

định về giới hạn một số kim loại nặng gây

hại cho môi trường trong sản phẩm điện

tử - RoHS), vật liệu hàn cũng dần dần loại

bỏ chì Pb ra khỏi thành phần của mình

Những ảnh hưởng tiêu cực của vật liệu

hàn chứa chì có thể kể đến như:

Lượng chì có trong thiết bị điện tử rất

bé – khó tái sử dụng – tăng độc hại cho

môi trường

Trong nhà máy sản xuất, áp suất hơi

của Pb cao hơn nhiều so với kim loại

khác, tạo khí độc ảnh hưởng đến công

Dây hàn là một loại vật liệu hàn rộng rãi,

chủ yếu trong dân dụng hoặc sửa chữa

mối hàn hỏng trên bảng mạch Vì được

sử dụng nhiều nên nhiều khi có sự đánh

đồng giữa dây hàn và thiếc hàn Không

phải các loại dây hàn đều giống nhau, nó

khác nhau từ cấu tạo đến kích thước phù

hợp với từng ứng dụng

Thường thì dây hàn có nhiệt độ nóng

chảy thấp nên có thể dễ dàng sử dụng

bằng máy hàn xung hoặc trạm hàn bằng

tay Một số loại dây hàn có lõi là chất trợ

hàn (flux) giúp làm sạch bề mặt và đảm

Căn cứ theo hình thức của vật liệu hàn, có thể chia thành các loại chính được sử dụng rộng rãi như sau:

1.2 Dạng vật liệu hàn

a Dây hàn

Thanh hàn là loại vật liệu như cái tên của nó, được đúc thành các thanh, thỏi kim loại dài

và nặng Thanh hàn thường được làm nóng chảy trong các bể hàn và tiếp đó sử dụng cho quy trình hàn sóng – lắp ráp bảng mạch với số lượng lớn

b Thanh (thiếc) hàn

bảo độ bám dính của hợp kim trên bề mặt hàn

Bên cạnh các vật liệu hàn thường gặp,

còn một loại vật liệu khác đóng vai trò

không thể thiếu – chất trợ hàn flux

Chất trợ hàn này là hóa chất thuộc dòng

tẩy rửa được sử dụng trước và trong quá

trình hàn linh kiện lên bảng mạch in

Chất trợ hàn được sử dụng trong cả quy

trinh hàn tay và trong hệ thống máy móc

tự động hóa hiện đại ở một đóng gói

cách biệt hoặc được tích hợp trở thành

một bộ phận của vật liệu hàn (ví dụ như

lõi của dây hàn có chứa flux)

Tuy nhiên cũng phải chú ý đến vấn đề tẩy

rửa chất trợ hàn sau khi hoàn thành công

đoạn hàn mạch Một số loại flux có thể gây ra hiện tượng ăn mòn trên bề mặt và

để lại chất bẩn trên đó, ảnh hưởng đến tuổi thọ của bo mạch

TÁC DỤNG:

Xử lý bề mặt bo mạch trước khi hàn mạch bằng việc tẩy rửa và loại bỏ các lớp oxi hóa, bụi bẩn, dung môi sót lại ở các quy trình trước.

Bảo vệ bề mặt khỏi tình trạng oxi hóa trong quá trình hàn mạch.

Tăng năng lượng bề mặt của PCB giúp vật liệu hàn bám dính tốt hơn.

1.3 Chất trợ hàn (Flux)

làm hợp kim nóng chảy tạo thành mối nối điện gắn kết chặt chẽ các chân linh kiện lên bảng mạch Loại vật liệu này được sử dụng bằng các hệ thống máy bơm vật liệu tự động như in phun không chạm (jet print), in theo khuôn có sẵn đục trước các vị trí để hợp kim kim loại

có thể lọt qua (stencil print) hoặc sử dụng đóng gói dạng xi-lanh và bơm vào từng vị trí

Kem hàn là loại vật liệu hàn ở dạng lỏng

có độ nhớt cao, được sử dụng nhiều

trong công nghệ hàn dán bề mặt SMT

Tuy nhiên, kem hàn cũng có thể sử dụng

trong hàn xuyên hỗ bằng việc in (print/

screen print) kem hàn vào trong các vị trí

đặt linh kiện đã được xác định trước đó

Lớp kem hàn dính và giữ tạm thời các

linh kiện đúng vị trí được đánh dấu Sau

đó toàn bộ mạch sẽ được sấy bằng nhiệt

- 6

c Kem hàn

W www.prostech.vn

Trước khi bắt đầu tiến hành hàn mạch,

sửa chữa mạch việc đầu tiên cần phải

làm nóng bề mặt bằng khí/ đèn chiếu

hoặc lò sấy Trong trường hợp này, vật liệu

hàn được sử dụng là kem hàn hoặc các

hợp kim chưa thành hình Khi đó, bề mặt

đã được làm nóng từ trước sẽ giúp hợp

Xung hàn là thiết bị hàn mạch bằng tay

Ở dạng cơ bản, thiết bị này bao gồm các

bộ phận là:

Đây là thiết bị cao cấp hơn so với xung hàn thông thường Trong trường hợp người dung cần hàn nhiều, việc sử dụng trạm hàn sẽ là một lựa chọn tối ưu hơn nhiều bởi tính linh hoạt và dễ điều chỉnh của nó

Ưu điểm chính của thiết bị này đó là khả năng tạo ra nhiệt độ chính xác và thay đổi được cho mũi hàn, vì vậy mà có thể sử dụng được trong nhiều trường hợp Bên cạnh đó, trạm hàn cũng tạo ra một khu vực làm việc an toàn hơn vì trên thiết bị này có chứa các cảm biến báo hiệu về nhiệt độ vượt quá và mật khẩu để bảo vệ thông tin

kim nóng chảy và hình thành liên kết Tuy nhiên, trong nhiều trường hợp, việc hàn thủ công này được thực hiện bằng xung hàn hoặc trạm hàn sẽ dễ dàng và đơn giản hơn Vật liệu chủ yếu ở đây là dây hàn

Quy trình hàn mạch có phức tạp hoặc khó khăn hay không phụ thuộc vào độ phức tạp của mối hàn và việc lựa chọn vật liệu hàn Có thể chia ra làm 2 cách hàn mạch: hàn mạch thủ công hoặc hàn mạch bằng hệ thống máy móc tự động

2 Quy trình hàn mạch và thiết bị

2.1 Hàn mạch thủ công:

a Quy trình

b Công cụ hàn thủ công

Xung hàn

Trạm hàn

Mũi hàn kim loại

Bộ phận đảm nhiệm cung cấp nhiệt

cho mũi hàn

Tay cầm cách điện

Dây nối với nguồn điện hoặc trạm hàn

Mũi hàn kim loại được sử dụng để truyền

nhiệt từ bộ tạo nhiệt đến bề mặt bảng

mạch Phía trong được cấu tạo bởi đồng

– đóng vai trò là vật dẫn nhiệt hiệu quả

Mũi hàn còn được mạ một lớp sắt để bảo

vệ phần bằng đồng mềm phía trong,

tránh hiện tượng bị bào mòn bởi chất trợ

hàn và vật liệu hàn, và được mạ tiếp một

lớp crom-niken để tránh chất trợ hàn

bám vào đầu mũi hàn

Hiện nay có rất nhiều loại mũi hàn thiết

kế theo nhiều kích thước và hình dạng

khác nhau Mỗi một loại được sử dụng

cho một mục đích cụ thể và đem đến các

ưu điểm khác nhau Loại mũi hàn được

sử dụng nhiều nhất trong các ứng dụng

điện tử đến là loại mũi dạng nón (đầu

nhọn) và dẹt

Hàn đối lưu thường được sử dụng

cùng với combo vật liệu và máy

móc bao gồm kem hàn, bơm hàn,

bi hàn, vv Các vật liệu hàn này sẽ

được hiệu chỉnh với một quy trình

gia nhiệt riêng bao gồm nhiệt độ

tăng lên, nhiệt độ đạt ngưỡng và

hạ nhiệt

Khi nhiệt độ tăng lên đến khoảng giữa so với nhiệt độ cần đạt được để giữ chất trợ hàn hoạt động trong một khoảng thời gian nhất định trong bước đầu tiên Mục đích của việc hoạt hóa chất trợ hàn là để làm sạch bề mặt hàn và tăng năng lượng bề mặt trước khi tiến hành công đoạn chính

2.2 Hàn mạch tự động

a Mass reflow process

Mũi hàn

- 8

W www.prostech.vn

(1) Mũi hàn với đầu nhọn – được sử dụng khi yêu cầu độ chính xác cao trong từng mối hàn Tận dụng được đầu hàn nhỏ và nhọn nó có thể hàn được những khu vực nhỏ mà không làm ảnh hưởng đến các vị trí xung quanh

(2) Mũi hàn với đầu dạng dẹt – Được sử dụng cùng với dây hàn ở những khu vực

có diện tích cần hàn lớn hơn, đầu dẹt này giúp diện tích tiếp xúc với bề mặt cũng lớn hơn vì vậy nhanh hơn

(1)

(2)

Phương pháp hàn mạch thủ công chỉ phù hợp với các ứng dụng với sản lượng nhỏ hoặc yêu cầu độ tỉ mỉ, cá nhân hóa ca, không thể áp dụng cho công nghiệp với sản lượng lên đến hàng nghìn mạch một ngày Khi đó, kỹ sư sẽ phải tìm đến các giải pháp khác ưu việt hơn – đó là các quy trình hàn đối lưu (reflow) và hàn sóng (wave) tự động

Quy trình lắp mạch điện tử 2 lớp

In Kem hàn

In Kem hàn

Hàn đối lưu Sấy nhiệt

Lật mặt mạch Lật mặt mạch

Làm sạch Hàn sóng

Hàn xuyên lỗ Mặt A:

Mặt B:

Hàn được mạch điện tử với mật độ linh kiện điện tử dày, trong một không gian hạn chế

Độ chính xác và tin tưởng cao hơn Giảm chi phí

Vì những đặc điểm này mà hiện tại, hàn dán bề mặt SMT là một quy trình hàn mạch chi phí thấp, sản lượng cao được

sử dụng nhiều nhất trong lắp ráp điện tử

Hàn dán bề mặt SMT về cơ bản là một

công nghệ lắp ráp linh kiện điện tử mà

các linh kiện này chỉ năng ở phía trên bề

mặt của bảng mạch (khác với phương

pháp truyền thống là xuyên lỗ, linh kiện

xuất hiện ở cả hai mặt của bảng mạch)

Công nghệ này có sử dụng phương

pháp hàn đối lưu

Ưu điểm của SMT so với phương pháp

hàn mạch truyền thống:

suất cao Việc hàn chọn lọc này giúp nhà sản xuất có thể đạt được sản lượng hàng tram hoặc hàng ngìn mối hàn chỉ trong một bước và vì vậy mà tăng năng xuất Bên cạnh đó, nhiệt độ hàn khá thấp phù hợp với đại đa số các mô-đun linh kiện nhạy cảm trên mạch điện tử

Điều đặc biệt khiến hàn đối lưu được

sử dụng nhiều trong quá trình lắp ráp

mạch điện tử đó chính là chất lượng của

mối hàn cao – thể hiện ở cả độ bám dính,

độ bền của mối hàn Theo đó, bảng

mạch sẽ được đánh dấu và bảo vệ bởi

một lớp phủ (mask) sau đó đưa vào dây

chuyền hàn đối lưu chọn lọc với hiệu

Công nghệ hàn dán bề mặt SMT

Sau đó, nhiệt độ sẽ được tăng lên đến đỉnh và được giữ trong một khoảng thời gian nhất định (thường là khoảng vài phút) Nhiệt độ này thường cao hơn 30 đến 50 độ so với nhiệt

độ nóng chảy hợp kim giúp chúng ở dạng lỏng trong suốt khoảng thời gian đó

Lò hàn đối lưu

Máy kiểm tra lỗi hàn

Máy loại bỏ lỗi hàn

Đặt bảng mạch vào vị trí hàn mạch

In kem hàn

Hàn song là quy trình được sử dụng cho

hàn xuyên lỗ Một ví dụ điển hình của

mạch sử dụng phương pháp xuyên lỗ

này đó là mô-đun PDIP (linh kiện nhựa

được đóng gói với 2 hàng chân song

song), SIP (linh kiện được đóng gói 1

hàng chân) và các linh kiện thụ động có

chân khác

Mạch hàn xuyên lỗ này sẽ được đưa vào

dây chuyền tự động, chạy qua một băng

chuyền để làm sạch bề mặt trước bằng

sóng hàn – sóng này được tạo ra bởi việc

tác động vào chất lỏng

Sau đó mạch và linh kiện sẽ được chuyển

đến giai đoạn lắp ráp Trước đó, chân linh

kiện có thể đã được phủ trước chất trợ hàn và được phủ tiếp vật liệu hàn lên phía trên, đưa vào vị trí phù hợp trên bảng mạch Mạch được làm nóng để vật liệu hàn nóng chảy, tạo liên kết giữa chân linh kiện với mạch

Trong quá trình đó, cần phải chú ý điều chỉnh dòng chảy của vật liệu hàn đã được nóng chảy Độ nhớt của chúng không phụ thuộc vào nhiệt độ Vì vậy mà hàn song nhìn chung được thực hiện ở nhiệt độ cao hơn so với hàn đối lưu Đây cũng là một yếu điểm của hàn song so với các công nghệ hàn mạch được phát triển hiện nay

b Hàn sóng

- 10

W www.prostech.vn

Bước 01: Phun chất trợ hàn trước khi làm nóng mạch

Bước 02: Làm nóng bề mặt bảng mạch trước khi chuyển đến bước hàn sóng

Bộ lọc hút dung môi

Mạch điện tử

được chuyển vào

dây chuyền

Bể chứa Flux và thiết bị phun flux Sử dụng áp suất khí: làm sạch chất trợ hàn trên bề mặt

Mạch được đưa đến công đoạn làm nóng trước bề mặt

Băng chuyền PCB

Làm nóng Quạt làm nóng

Bảng mạch được

đưa vào từ bước phun flux

Khí nóng

Đưa đến bước hàn sóng

Bước 03: Hàn xuyên lỗ THT

Vật liệu hàn bao phủ

và giữ linh kiện Linh kiện được đặt vào

vị trí hàn trên bảng mạch

Chất trợ hàn ngấm vào

mối hàn

hướng dịch chuyển PCB

Miếng

sóng

Điểm bóc lại hàn sóng