Công nghệ gắn kết bề mặt (SMT) xây dựng bảng mạch in bằng cách đặt các bộ phận trên các miếng đệm phẳng và hàn chúng trong lò nướng nóng chảy. Nó cho phép các bộ phận nhỏ nằm gần nhau và hỗ trợ lắp ráp tự động. Bài viết này so sánh SMT với lỗ xuyên qua, xem xét các loại bao bì phổ biến và giải thích toàn bộ dòng: in, SPI, chọn và đặt, nóng chảy lại và kiểm tra.
Khái niệm cơ bản về công nghệ gắn kết bề mặt
Lắp ráp mạch nhỏ gọn với các bộ phận gắn trên bề mặt
Công nghệ gắn bề mặt (SMT) là một phương pháp xây dựng bảng mạch in trong đó các linh kiện điện tử được gắn trực tiếp vào các miếng kim loại phẳng trên bề mặt, thay vì thông qua các lỗ trên bo mạch. Các bộ phận này được gọi là thiết bị gắn trên bề mặt (SMD). Sau khi các bộ phận được đặt trên các miếng đệm bằng keo hàn, bo mạch trải qua một bước gia nhiệt, thường là trong lò nung lại, để làm tan chảy chất hàn và tạo thành các kết nối điện và cơ chắc chắn.
Bởi vì các bộ phận có thể rất nhỏ và được đặt gần nhau, SMT cho phép nhiều thành phần hơn phù hợp với một bảng duy nhất và giúp làm cho sản phẩm nhỏ hơn và nhẹ hơn. Quy trình này cũng hoạt động tốt với máy móc tự động, giúp duy trì tính nhất quán về chất lượng và giúp sản xuất số lượng lớn dễ dàng hơn với chi phí được kiểm soát.
So sánh SMT và Through-Hole
| Yếu tố | SMT | Xuyên lỗ |
|---|---|---|
| Phương pháp lắp đặt | Được hàn vào các miếng đệm trên bề mặt PCB | Dây dẫn đi qua các lỗ khoan |
| Tự động hóa | Tự động hóa cao | Thường chậm hơn và thủ công hơn |
| Mật độ bảng | Rất cao | Thấp hơn |
| Độ bền cơ học | Tốt, nhưng giới hạn ở độ bám dính của miếng đệm | Mạnh hơn cho các thành phần nặng hoặc lớn |
| Sử dụng phổ biến | Lắp ráp điện tử hiện đại nhất | Đầu nối, bộ phận nguồn, khu vực ứng suất cao |
Các loại gói gắn trên bề mặt phổ biến
• Chip thụ động (điện trở / tụ điện) - Các bộ phận hình chữ nhật nhỏ với các miếng đệm nhỏ trên PCB. Chúng nhạy cảm với lượng kem hàn và sự cân bằng của quá trình sưởi ấm, vì hàn không đều có thể dẫn đến các mối nối bị nghiêng hoặc yếu.
• Gói khung dẫn (QFP, QFN) - Mạch tích hợp với dây dẫn mỏng hoặc miếng đệm lộ ra ngoài lớn. Chúng có thể có cầu nối hàn giữa các chân, các vấn đề nếu dây dẫn không nằm phẳng và phải cung cấp luồng nhiệt tốt qua các miếng đệm của chúng.
• Gói mảng (loại BGA) - Các bộ phận có bóng hàn được sắp xếp trong một lưới dưới gói. Các mối hàn được ẩn sau khi lắp ráp, vì vậy kiểm tra bằng tia X thường được sử dụng để xác nhận rằng các quả bóng đã nóng chảy và kết nối đúng cách.
• Điốt và bóng bán dẫn (họ SOD / SOT) - Các gói nhỏ có cực hoặc chân 1 được đánh dấu. Chúng cần định hướng chính xác trên PCB và vị trí chính xác để các kết nối của chúng phù hợp với bố cục mạch.
Công nghệ gắn bề mặt trong lắp ráp PCB
Dây chuyền lắp ráp SMT
• In dán hàn - Dán hàn được đẩy qua giấy nến để nó rơi vào mỗi miếng đệm của PCB trần.
• Kiểm tra dán hàn (SPI) - Miếng dán in được kiểm tra để xác nhận số lượng và vị trí phù hợp trên mỗi miếng đệm.
• Lắp linh kiện chọn và đặt - Máy đặt các bộ phận SMD lên miếng dán hàn ướt tại mỗi vị trí đệm.
• Hàn nóng chảy lại - Bảng đi qua lò nướng được làm nóng để hỗn hợp tan chảy, làm ướt các miếng đệm và dây dẫn, sau đó nguội đi để tạo thành các mối nối rắn.
• Kiểm tra quang học tự động (AOI) - Máy ảnh quét bo mạch để tìm các bộ phận bị thiếu, bộ phận sai, sai lệch và các khuyết tật hàn có thể nhìn thấy được.
• (Tùy chọn) Chụp X-quang, làm sạch, làm lại và kiểm tra chức năng - Các bước bổ sung có thể được sử dụng để kiểm tra các mối nối ẩn, loại bỏ cặn, sửa chữa các khuyết tật và xác nhận rằng bảng đã lắp ráp hoạt động.
In dán hàn
• Khẩu độ giấy nến kiểm soát lượng bột nhão được giải phóng trên mỗi miếng đệm, điều này ảnh hưởng đến kích thước và hình dạng khớp.
• Căn chỉnh in đảm bảo miếng dán nằm trên miếng đệm thay vì trên mặt nạ hàn hoặc đồng gần đó.
• Bản in kém thường tạo ra các lỗi mà các bước sau không thể sửa chữa hoàn toàn.
Kiểm tra dán hàn (SPI)
Kiểm tra dán hàn (SPI) kiểm tra cặn hàn ngay sau khi in và trước khi đặt các bộ phận. Nó đo chiều cao, khối lượng và diện tích của dán, đồng thời xác nhận rằng mỗi khoản tiền gửi nằm trong giới hạn đã đặt và được đặt chính xác trên miếng đệm của nó. Khi các vấn đề được tìm thấy ở giai đoạn này, sự cố có thể được khắc phục trước khi nhiều bảng được xây dựng với cùng một lỗi in. Điều này làm giảm việc làm lại và phế liệu, đồng thời giúp giữ cho toàn bộ quy trình SMT ổn định bằng cách cung cấp phản hồi nhanh chóng về tình trạng giấy nến, xử lý dán và thiết lập máy in.
Chọn và đặt
• Tình trạng bộ nạp ảnh hưởng đến độ tin cậy của các bộ phận được chọn và giúp tránh các bộ phận bị thiếu, rơi hoặc gấp đôi.
• Căn chỉnh tầm nhìn phát hiện các lỗi vị trí và xoay nhỏ và sửa chúng trước khi bộ phận được đặt trên miếng đệm.
• Kiểm soát phân cực và hướng giữ cho điốt, IC và tụ điện phân cực thẳng hàng với các dấu hiệu của chúng trên PCB.
Hàn nóng chảy lại
• Quá lạnh - Mối nối ướt kém, xỉn màu hoặc sần sùi, kết nối hở và liên kết hàn yếu.
• Quá nóng - Hư hỏng các bộ phận, miếng đệm nâng và tỷ lệ lỗi cao hơn do ứng suất nhiệt tăng thêm trên bo mạch.
• Sưởi ấm không đồng đều - Các thụ động nhỏ, các thành phần bị lệch và các khớp trông khác nhau trên cùng một bảng.
Công nghệ gắn trên bề mặt: Kiểm tra và kiểm soát quy trình
AOI và X-quang: chọn phương pháp kiểm tra phù hợp
| Phương pháp | Tốt nhất cho | Giới hạn |
|---|---|---|
| AOI | Các mối hàn có thể nhìn thấy, phân cực, các bộ phận bị thiếu hoặc lệch | Không thể nhìn thấy các khớp ẩn dưới thân gói |
| Chụp X-quang | Các khớp ẩn, chẳng hạn như mảng bóng BGA và đầu cuối bên trong | Chậm hơn, chi phí cao hơn và cần thiết lập và phiên dịch nhiều hơn |
Khái niệm cơ bản về SMT DFM
Thiết kế cho khả năng sản xuất (DFM) trong SMT tập trung vào bố cục bo mạch in, đặt và kiểm tra rõ ràng. Bố cục tuân theo thực hành DFM tốt giúp quy trình ổn định, hỗ trợ các mối hàn có thể lặp lại và giúp kiểm soát các khuyết tật dễ dàng hơn trước khi chúng lan rộng trên nhiều bảng. Các phương pháp DFM hữu ích:
• Sử dụng các mẫu đất chính xác cho từng loại gói hàng, dựa trên các tiêu chuẩn dấu chân được công nhận.
• Giữ khoảng cách miếng đệm và dấu vết cho phép nhả keo sạch và giảm khả năng bắc cầu hàn.
• Thêm các dấu phân cực rõ ràng và chỉ báo chân-1 cho điốt, đèn LED và IC.
• Cung cấp cơ sở địa phương và cơ sở bảng điều khiển để máy có thể căn chỉnh bo mạch một cách chính xác.
• Tránh các khu vực ngăn chặn chật hẹp chặn các vòi phun vị trí hoặc camera kiểm tra views.
• Lập kế hoạch bảng điều khiển và các tính năng ly khai để bảng ổn định khi chúng di chuyển qua dòng.
SMT không chì so với chì
SMT không chì có cửa sổ quy trình chặt chẽ hơn so với SMT có chì vì nó chạy ở nhiệt độ cao hơn và có thể làm ướt miếng đệm theo cách khác nhau, làm cho việc kiểm soát nhiệt và độ ổn định của quá trình trở nên quan trọng hơn đối với các mối nối đáng tin cậy. Cấu hình nóng chảy lại phải làm nóng tất cả các mối nối một cách chính xác mà không gây căng thẳng quá mức cho các bộ phận hoặc PCB, đồng thời các thụ động nhỏ và bố cục dày đặc trở nên dễ bị nứt mộ, xiên và các khớp yếu. Để giữ cho các khuyết tật thấp và độ tin cậy cao, quy trình này cần in hàn nhất quán, lựa chọn dán phù hợp, cấu hình nóng chảy lại ổn định và kiểm tra hiệu quả.
Công nghệ gắn kết bề mặt: Khiếm khuyết và làm lại
Các khuyết tật SMT phổ biến
| Nhược điểm | Nó trông như thế nào | Nguyên nhân phổ biến |
|---|---|---|
| Cầu nối | Ngắn hàn không mong muốn giữa các miếng đệm hoặc chân | Quá nhiều dán, miếng đệm quá gần nhau, dán in sai |
| Đá mộ | Một đầu của thang máy thụ động nhỏ được nâng lên không trung | Nhiệt không đều, lượng dán không đều trên hai miếng đệm |
| Khớp mở | Không có kết nối điện tại miếng đệm | Quá ít bột nhão, làm ướt kém hoặc sai lệch bộ phận |
| Bóng hàn | Hạt hàn lỏng lẻo nhỏ gần khớp nối | Sự cố dán, nhiễm bẩn hoặc hồ sơ dàn lại không khớp |
Làm lại và sửa chữa
• Sử dụng nhiệt được kiểm soát để tránh nâng miếng đệm hoặc làm hỏng vật liệu PCB.
• Áp dụng chất trợ dung đúng cách để giúp hàn các miếng đệm và dây dẫn và giảm khả năng xảy ra các khuyết tật mới.
• Kiểm tra lại sau khi làm lại bằng cách sử dụng AOI hoặc X-quang khi cần thiết để xác nhận rằng khớp đã sửa chữa và các khớp gần đó có thể chấp nhận được.
• Theo dõi các lỗi lặp đi lặp lại và làm lại các mẫu để quy trình có thể được sửa chữa tại nguồn thay vì khắc phục cùng một vấn đề nhiều lần.
Kết luận
Kết quả SMT tốt đến từ việc kiểm soát từng bước: in dán sạch, kiểm tra SPI rõ ràng, vị trí chính xác và cấu hình nóng chảy lại làm nóng các mối nối đồng đều mà không làm quá nóng các bộ phận. AOI tìm thấy các vấn đề có thể nhìn thấy được, trong khi X-quang kiểm tra các khớp ẩn, chẳng hạn như BGA. Các lựa chọn DFM mạnh mẽ cũng hữu ích, chẳng hạn như dấu chân chính xác, khoảng cách an toàn, dấu phân cực rõ ràng, cơ sở và bảng điều khiển ổn định. Không chì chạy nóng hơn, vì vậy cửa sổ chặt chẽ hơn.
Câu hỏi thường gặp [FAQ]
Kem hàn được làm bằng gì?
Kem hàn là hỗn hợp của bột hàn và chất trợ dung.
Tại sao bề mặt PCB lại quan trọng trong SMT?
Nó ảnh hưởng đến mức độ hàn làm ướt miếng đệm và độ tin cậy của các mối nối.
Tại sao các bộ phận SMT cần kiểm soát độ ẩm?
Độ ẩm có thể nở ra trong quá trình nóng chảy, khiến gói bị nứt.
Thiết kế giấy nến kiểm soát những gì?
Nó kiểm soát lượng kem hàn được in trên mỗi miếng đệm.
Tại sao nhiệt độ và độ ẩm lại quan trọng trong SMT?
Chúng thay đổi hành vi dán và làm tăng rủi ro như nhiễm bẩn hoặc hư hỏng ESD.
Độ tin cậy lâu dài của SMT được kiểm tra như thế nào?
Nó được kiểm tra bằng các bài kiểm tra căng thẳng như kiểm tra chu kỳ nhiệt, độ rung và độ ẩm.
