Mẹo và Thủ thuật Lắp ráp

Sau khi bạn đã hoàn thiện thiết kế PCB của mình trong Altium và các PCB đã được giao, đã đến lúc nghĩ về cách lắp ráp các bảng mạch để kiểm tra. Dù cho mục đích sản xuất hàng loạt hay chế tạo mẫu thử, một nhà thiết kế cần phải biết đến các kỹ thuật lắp ráp. Điều này nên được xem xét trong quá trình đánh giá thiết kế để đảm bảo rằng bảng mạch đã được kiểm tra với các vấn đề về Thiết kế cho Lắp ráp (DFA). Bài viết này sẽ tập trung chính vào lắp ráp thủ công, vì vậy tôi sẽ chia sẻ các mẹo và thủ thuật từ kinh nghiệm của mình, như lựa chọn khuôn và keo hàn, thách thức về độ chênh lệch nhiệt độ, hàn linh kiện, v.v.

Tạo Khuôn Keo Hàn

Trước hết và quan trọng nhất, sử dụng khuôn để phân phối keo hàn là một cách tiết kiệm thời gian lớn so với việc sử dụng ống tiêm. Hầu hết các xưởng sản xuất mạch in mẫu trên toàn thế giới đều cung cấp khuôn không khung với giá cực rẻ, hoặc một số công ty cung cấp dịch vụ độc lập để sản xuất mẫu thử giá rẻ. Điều đó nói lên rằng, việc không phải hàn thủ công từng linh kiện gắn mặt là rất đáng giá, và cùng lúc đó cũng dễ dàng hơn nhiều.

Mặc dù có các quy trình hoặc vật liệu khác nhau để sản xuất khuôn, nhưng đơn giản chỉ là việc có các lỗ đặt keo hàn trên một tấm kim loại mỏng, thường là thép không gỉ. Tùy thuộc vào kích thước bước tối thiểu trong bản vẽ, khuôn được ăn mòn hóa học hoặc cắt bằng laser có thể được sử dụng. Ăn mòn hóa học là tối ưu nếu thiết kế của bạn có các linh kiện với bước chân rất nhỏ. Kích thước pad nhỏ nhất cũng quyết định độ dày của tấm kim loại sao cho tỷ lệ khía cạnh có thể được bảo toàn cho lượng keo hàn đúng cách. Chế tạo mẫu thử và sản xuất lô nhỏ thường không yêu cầu khung xung quanh khuôn trừ khi bạn dự định sử dụng máy lắp ráp, vì vậy việc chọn khuôn không khung sẽ giảm chi phí. Từ một góc độ khác, nếu bạn thích tự làm và có quyền truy cập vào máy cắt laser, bạn thậm chí có thể sản xuất khuôn từ các tấm màng trong của máy in laser. Bạn có thể đã thử cắt một tấm bằng laser. Có thể nó không diễn ra tốt lắm, dẫn đến một đống hỗn độn chảy ra. Tuy nhiên, đây là nơi mà các tấm màng trong của máy in laser phát huy tác dụng, nơi mà các tấm acetate có thể chịu được nhiệt độ cao hơn và có độ dày vừa phải. Tất cả đều về quản lý nhiệt, và có một số mẹo để cải thiện quá trình cắt laser của một khuôn. Đầu tiên, vì các tấm acetate nhẹ, bạn không muốn cắt trực tiếp trên giường laser vì chúng có thể dễ dàng di chuyển trong quá trình đó. Giải pháp ưa thích của tôi là sử dụng một phần bìa cứng phẳng ngâm trong nước cho lớp đầu tiên, được phủ lên trên bởi một tờ giấy photocopy cũng ngâm trong nước. Trên đó thêm vào tấm màng trong và một tờ giấy photocopy ngâm nước khác. Có thể bạn nghĩ rằng đó là quá nhiều nước để ngâm, nhưng tia laser không gặp vấn đề gì với nước; ngược lại, nó giữ cho mọi thứ mát mẻ để khuôn không bị chảy. Bạn có thể giảm hỗ trợ không khí xuống mức tối thiểu mà không làm khô giấy và giữ cho ống kính sạch.

Hãy giữ tốc độ di chuyển thấp trừ khi bạn có máy cao cấp như Trotec hoặc Epilog. Một số laser có thể bị nảy từ dây đai, dẫn đến góc không chính xác và làm hỏng những mảnh nhỏ giữa các pad linh kiện có khoảng cách nhỏ. Là cài đặt cuối cùng, mức công suất nên được đặt để cắt lớp bìa cứng đầu tiên nhưng không hoàn toàn xuyên qua, đảm bảo bạn có đủ công suất để cắt sạch mà không cần nhiệt độ không cần thiết.

Cố định và Ứng dụng Hàn

Sau khi bạn có khuôn mẫu, việc căn chỉnh chính xác nó trên bảng mạch là rất quan trọng. Sử dụng thêm bảng mạch từ các dự án cũ trên bàn làm việc của tôi để tạo thành một khung là giải pháp tôi thường dùng cho đến khi gần đây tôi cắt laser một tấm acrylic để làm khuôn mẫu. Không nhất thiết phải là một bề mặt cắt laser, nhưng bất cứ thứ gì cứng và phẳng, như bảng kẹp hoặc thớt, cũng nên làm được công việc tương tự.

Thay vì sử dụng PCB cũ để giữ bảng mạch trên tấm acrylic của tôi, tôi cũng đã in 3D các viền bảng mạch với mép đảm bảo khuôn mẫu không đặt trên bất cứ thứ gì cao hơn bề mặt bảng mạch. Việc khuôn mẫu nhẹ nhàng đặt trên bề mặt trên cùng của bảng mạch sẽ giúp giảm hiệu ứng lem màu bằng cách giữ cho bảng mạch tiếp xúc với bảng mạch trong suốt quá trình. Tôi cũng thấy rằng việc dùng băng dính cố định khuôn mẫu với một giá đỡ nhựa khác hoạt động như một bản lề, cho phép chúng tôi nâng nó một cách sạch sẽ. Đừng ngần ngại sử dụng thêm băng dính ở cạnh đối diện của khuôn mẫu để ngăn bất cứ thứ gì di chuyển, vì việc căn chỉnh trong quá trình ứng dụng là rất quan trọng. Có rất nhiều cách để có được sự căn chỉnh DIY chính xác, đặc biệt sau cuộc cách mạng in 3D, và đây chỉ là một trong số đó.

Bước tiếp theo là ứng dụng hàn, nhưng bạn cần phải có hàn chất lượng. Tôi thích sử dụng loạt GC10 của Henkel Loctite với kích thước lưới T4 hoặc T5, nơi càng mịn lưới thì càng tốt cho việc ứng dụng trên các pad nhỏ. Hàn này hoàn hảo cho việc chế tạo mẫu vì một số lý do. Đầu tiên, bạn sẽ có hơn 8 giờ thời gian lắp ráp trước khi hàn xấu đi. Ngoài ra, để nó ổn định ở nhiệt độ phòng, không nhất thiết phải được bảo quản trong tủ lạnh. Mặc dù hàn chất lượng tốt có giá cao, nhưng một hũ hàn sẽ phục vụ bạn tốt hơn cả sau khi hết hạn sử dụng. Đừng lo lắng nếu hàn đã hết hạn - như một mẹo cứu mạng, thay vì vứt bỏ hàn hết hạn khó để khuôn, bạn chỉ cần thêm một ít gel flux vào hàn. SMD291 của CHIPQUICK là lựa chọn tốt nhất của tôi so với bất kỳ gel flux nào khác, và tôi không thể nghĩ đến một cặp đôi tốt hơn ngoài hàn hết hạn được trộn với flux hết hạn.

Bây giờ bạn đã phủ keo lên tất cả các pad, đã đến lúc đặt linh kiện. Kẹp nhọn cong là sự lựa chọn yêu thích của tôi vì chúng cung cấp tầm nhìn và độ chính xác tốt hơn khi đặt linh kiện. Tuy nhiên, tôi khuyên bạn nên tránh xa các loại kẹp giá rẻ bán theo bộ vì chúng không đáng giá. Bạn nên tìm kiếm loại làm từ thép không gỉ hoặc gốm ESD theo mẫu 7SA. Tôi cũng thích sử dụng những cái có đệm cầm, vì chúng thoải mái hơn nhiều trong những phiên lắp ráp dài.

Theo Dõi Linh Kiện Với Trợ Lý Lắp Ráp

In bản vẽ lắp ráp là một lựa chọn để theo dõi linh kiện nào đi đến đâu. Gần đây tôi đã thử Altium 365 Assembly Assistant, thực sự tiện lợi hơn nhiều so với việc in ấn. Việc theo dõi tiến độ lắp ráp thông qua việc dân dụng bảng mạch ảo và chức năng tìm kiếm với phản hồi hình ảnh tốt là rất dễ dàng. Nhấn vào liên kết nếu bạn muốn thử; bạn có thể sẽ không muốn quay lại với việc in ấn nữa.

Khi bạn tái chế tạo bảng mạch, bạn sẽ nhận được sự giúp đỡ từ lực căng bề mặt, điều này mang lại cho bạn một số tự do trong độ chính xác khi đặt linh kiện. Miễn là chân linh kiện chạm vào keo, linh kiện sẽ tự chỉnh lại trong quá trình tái chế tạo, làm cho việc đặt các linh kiện nhỏ như gói 0201 trở nên dễ dàng hơn. Khi đến việc đặt IC, chỉ cần đảm bảo chân linh kiện được xếp đúng với keo và không chạm vào pad kế bên, sau đó để lực căng bề mặt làm phần còn lại. Nếu nó không được đặt đúng trong quá trình tái chế tạo, bạn không cần phải lo lắng; nếu bạn không chắc chắn, hãy nhẹ nhàng đẩy IC khi hàn vẫn còn lỏng và nó sẽ nhảy về vị trí của mình hoặc bị lệch ra khỏi hàng. Nếu nó bị lệch, bạn có thể nhấc nó lên và đặt lại.

Một trạm làm nóng kiểm soát nhiệt độ đơn giản thường phù hợp để tái chế tạo hầu hết các bảng mạch. Trạm làm việc kiểu 858D đã phục vụ tốt mục đích này trong hơn một thập kỷ tại phòng thí nghiệm của tôi; nó rẻ và làm việc đủ tốt. Chỉ cần lưu ý rằng bàn làm việc và thảm ESD của bạn có thể bị chảy trong quá trình tái chế tạo. Tôi sử dụng tấm lót silicone hình kim tự tháp để giữ ấm bảng mạch và cách ly bàn làm việc. Bạn không cần phải chi tiêu cho một lò nướng kiểu toaster cho việc tái chế tạo; tuy nhiên, nếu bạn chọn, hãy thử picoReflow, đó là một dự án mã nguồn mở kiểm soát lò nướng của bạn.

Quá trình tái hợp có thể trở nên phức tạp một chút nếu bạn có một tấm mạch với khối lượng nhiệt lớn, như lõi kim loại hoặc nhiều lớp đồng nặng. Việc đưa đủ nhiệt vào tấm mạch có thể mất thời gian lâu hơn, khiến chất chảy của bạn bay hơi trước khi hàn được tái hợp hoàn toàn. Bạn có thể cần xem xét việc sử dụng một máy sưởi trước vì trạm tái hợp một mình sẽ không đủ. Nếu bạn chấp nhận chi phí, JBC sản xuất một số máy sưởi trước chuyên nghiệp tốt nhất. Tôi đang sử dụng phương án thay thế có giá cả phải chăng Quick 854, có diện tích nóng hạn chế và kiểm soát. Một phương án thay thế rẻ tiền khác là sử dụng chảo điện giá rẻ hoặc bếp nướng Teppanyaki là một lựa chọn thay thế cho máy sưởi trước chuyên nghiệp; tuy nhiên, chúng có kiểm soát nhiệt kém, luân phiên giữa quá nóng hoặc không cung cấp đủ nhiệt.

Nếu phòng thí nghiệm của bạn có máy sưởi trước, bạn có thể nghĩ đến việc sử dụng nó cho toàn bộ quá trình tái hợp. Mặc dù chúng có khả năng, tôi không ưa thích sử dụng chúng cho tái hợp. Thay vào đó, tôi muốn sử dụng chúng để làm nóng tấm mạch lên nhiệt độ ngâm của keo hàn, sau đó sử dụng trạm hơi nóng của mình để làm nóng tấm mạch một cách chọn lọc - từng khu vực một lần, điều này cho phép tôi theo dõi sự tan chảy của hàn. Làm như vậy cũng giảm thời gian sửa chữa của tôi cho các vấn đề lắp ráp vì tôi có thể sửa chữa bất kỳ vấn đề nào ngay lập tức. Đó không phải là sự thay thế hoàn toàn cho lò tái hợp công nghiệp nhiều khu vực. Tuy nhiên, chỉ một tỷ lệ nhỏ tấm mạch của tôi gặp phải vấn đề như đá mồ côi hoặc đặt không đúng vị trí.

Các bộ phận xuyên lỗ là cuối cùng trong quá trình lắp ráp. Bạn nên bắt đầu lắp ráp xuyên lỗ ngay khi tấm mạch đã nguội đủ để xử lý, đặc biệt nếu tấm mạch của bạn có nhiều khối lượng nhiệt. Làm việc với tấm mạch ấm sẽ giảm độ chênh lệch nhiệt độ và làm cho công việc hàn của bạn dễ dàng hơn. Đáng chú ý là một trạm hàn chất lượng tốt sẽ giúp bạn rất nhiều, ngoài việc chọn hình dạng đầu hàn phù hợp. Tôi ưa thích đầu hàn dạng đục hơn là dạng nón, thường gây đau đớn hơn là đáng giá. Nếu bạn có các thành phần xuyên lỗ với nhiều khối lượng nhiệt (như khối đấu nối), việc làm nóng chân linh kiện sẽ khó khăn hơn là làm nóng tấm mạch. Cân nhắc sử dụng một đầu hàn chuyên biệt với một phần lõm để xử lý những cái đó. Không quan trọng nếu đầu hàn lớn hơn linh kiện hoặc chân linh kiện; sức căng bề mặt sẽ giúp bạn rất nhiều. Tôi vui vẻ sử dụng một đầu hàn rộng 3mm để sửa chữa các bộ phận 0402.

Với tất cả các mẹo và thủ thuật, việc tạo mẫu với các thành phần gắn bề mặt sẽ dễ dàng và nhanh chóng hơn nhiều so với việc tạo mẫu với các bộ phận xuyên lỗ. Hãy thử tạo mẫu tại nhà; nó không mất nhiều thời gian miễn là bạn tự giữ số lượng linh kiện trong giới hạn có thể quản lý. Đó cũng giống như một phương pháp thiền, và tôi thấy nó khá thư giãn. Theo dõi để biết thêm nhiều mẹo lắp ráp cho số lượng lớn linh kiện, lắp ráp chọn lọc, và vân vân.

Dù bạn cần xây dựng điện tử công suất đáng tin cậy hay hệ thống số tiên tiến, hãy sử dụng bộ tính năng thiết kế PCB đầy đủ và các công cụ CAD hàng đầu thế giới trong Altium Designer®. Để thực hiện sự hợp tác trong môi trường đa ngành nghề ngày nay, các công ty đổi mới đang sử dụng nền tảng Altium 365™ để dễ dàng chia sẻ dữ liệu thiết kế và đưa dự án vào sản xuất.

Chúng ta mới chỉ khám phá bề mặt của những gì có thể thực hiện với Altium Designer trên Altium 365. Bắt đầu dùng thử miễn phí Altium Designer + Altium 365 ngay hôm nay.