Các Loại Hàn PCB và Quy Trình Lắp Ráp

Tôi nhớ khi mới bắt đầu làm việc trong phòng thí nghiệm và đôi khi phải hàn dây dẫn vào các tiếp điểm kim loại. Chúng tôi làm việc với các vật liệu bán dẫn, nhưng cùng một loại vật liệu có thể được sử dụng trong hàn PCB, tất cả chỉ là vấn đề chọn lựa hợp chất phù hợp để nhập vào quy trình sản xuất PCB.

Quy trình sản xuất PCB bao gồm nhiều bước, từ việc chế tạo bảng mạch trống đến lắp ráp và đóng gói. Như một phần của quá trình lắp ráp PCB, có nhiều loại hàn PCB khác nhau được sử dụng để gắn kết linh kiện. Các loại hàn khác nhau có các đặc tính cơ học khác nhau, các yếu tố an toàn và những lo ngại về việc xử lý chất thải mà cần được xem xét khi lên kế hoạch cho việc lắp ráp. Sự chuyển đổi sang điện tử không chì đang đẩy việc sử dụng hàn chì ra khỏi lề.

Tôi sẽ không bàn luận về vấn đề hàn chì so với không chì ngay bây giờ vì internet đã có rất nhiều thông tin về điều này. Bây giờ, hãy cùng xem xét các loại hàn PCB khác nhau, cụ thể là các vật liệu và quy trình khác nhau.

Vật Liệu Hàn PCB

Có nhiềng loại hàn khác nhau trên thị trường, và việc chọn loại hàn tốt nhất có vẻ như là một nhiệm vụ đáng sợ đối với những người thiết kế hoặc lắp ráp mới. Hàn được sử dụng để tạo ra các kết nối điện giữa các tiếp điểm kim loại bằng cách cho phép hàn nóng chảy (là một hợp kim mềm) hình thành một hợp chất eutectic nóng chảy và đông cứng lại khi nguội. Hỗn hợp kim loại tạo nên một PCB đã hàn sẽ xác định độ bền cơ học sau khi đông cứng, nhiệt độ nóng chảy cần thiết, và bất kỳ khí thải nào phát ra trong quá trình hàn. Chúng ta có thể phân biệt các loại vật liệu hàn PCB bằng cách xem xét vật liệu lõi, thành phần kim loại, và các loại chất lưu hàn.

Thành Phần Kim Loại

Các hỗn hợp hàn chì được biết đến là hàn mềm và chúng đã khởi đầu cho ngành công nghiệp điện tử. Chúng có điểm nóng chảy khoảng 180-190 °C và thời hạn sử dụng khoảng 2 năm. Các hợp kim hàn dựa trên chì phổ biến bao gồm:

• 60/40 Sn/Pb
• 63/37 Sn/Pb
• 62/36/2 Sn/Pb/Ag

Các tỷ lệ Sn/Pb khác bao gồm 50/50, 30/70 và 10/90. Thiếc chủ yếu được sử dụng làm kim loại cơ bản vì nó giúp hợp kim có điểm nóng chảy thấp hơn, và chì ngăn chặn sự phát triển của râu thiếc. Nồng độ thiếc cao hơn đảm bảo mối hàn có độ bền cắt và độ bền kéo cao hơn. Thành phần bạc trong 62/36/2 Sn/Pb/Ag cung cấp điện trở tiếp xúc thấp hơn và khả năng chống ăn mòn. Lưu ý rằng có các loại hàn khác (indium, hợp kim kẽm, v.v.), nhưng chúng không được sử dụng trên PCB vì chúng không tương thích với quy trình sản xuất PCB.

Hàn không chì ngày càng trở nên phổ biến kể từ khi Liên minh Châu Âu (EU) thông qua Chỉ thị về Hạn chế các Chất độc hại (RoHS), hạn chế sử dụng chì trong điện tử. Một vấn đề với hàn không chì là chúng có khả năng cao hình thành râu thiếc. Lớp phủ tuân thủ thường được sử dụng để ngăn chặn việc hình thành râu thiếc này và cung cấp bảo vệ khỏi độ ẩm và ăn mòn.

Thiếc hàn lõi chảy được bán dưới dạng một cuộn đơn và chứa chất giảm trong lõi. Chất giảm này (tôi sẽ thảo luận bên dưới) loại bỏ mọi lớp phim oxit trên các tiếp điểm kim loại để đảm bảo tiếp xúc điện với độ dẫn điện cao. Loại vật liệu chứa trong lõi là một điểm khác cần xem xét nếu bạn đang hàn bằng tay.

Vật liệu lõi thiếc hàn và Chất chảy

Cuộn thiếc hàn hoặc kem hàn sẽ chứa một trong những loại vật liệu này để làm chảy các tiếp điểm kim loại trong quá trình hàn:

• Dung môi axit hữu cơ: Một loại dung môi dựa trên axit đảm bảo khả năng loại bỏ mạnh mẽ các oxit từ các tiếp điểm kim loại khi chúng được hàn. Dung môi này có thể tan trong nước và yêu cầu phải được làm sạch sau khi hàn để ngăn chặn sự ăn mòn.
• Dung môi nhựa thông: Nhựa thông là dạng rắn của nhựa được chiết xuất từ cây họ thông. Cặn dung môi nhựa thông không gây ra ăn mòn, vì vậy nó được sử dụng khi việc loại bỏ cặn từ dung môi axit hữu cơ có thể khó khăn hơn.
• Dung môi không cần làm sạch dựa trên cồn: Các loại dung môi này có thể có mặt trong keo hàn và có thể được trộn với nhựa thông. Chúng cũng bay hơi nhanh khi nung nóng và ít có khả năng bắn tung tóe.
• Hàn lõi rắn: Một số dây hàn có lõi rắn và không chứa dung môi nào, vì vậy dung môi cần được áp dụng bằng tay. Loại hàn này hữu ích cho việc hàn tay miễn là có dung môi.

Sau khi hàn xong, chất lưu hàn được sử dụng trong quá trình hàn sẽ để lại một số chất cặn trên bề mặt PCB có thể có vẻ dính. Những chất cặn này có thể dẫn điện nhẹ và chứa muối, vì vậy chúng thường được làm sạch sau khi lắp ráp. Người ta thường cho rằng chất cặn từ chất lưu hàn không cần làm sạch có thể được để lại trên PCB sau khi lắp ráp, nhưng điều này không phải lúc nào cũng đúng. Chất lưu hàn không cần làm sạch thực sự nên được làm sạch bằng dung dịch cồn hoặc bình xịt làm sạch.

Chất cặn từ chất lưu hàn không cần làm sạch cần được loại bỏ khỏi PCBA vì nhiều lý do. Lý do quan trọng nhất là chất cặn chất lưu hàn rất hút ẩm, có thể tan trong nước và chứa muối. Nếu nước hấp thụ vào chất cặn, dòng rò qua chất cặn có thể gây ăn mòn trên các dẫn điện tiếp xúc. Một quy trình làm sạch đơn giản sau khi lắp ráp có thể ngăn chặn điều này.

Quy Trình Hàn PCB

Ngày nay, loại hàn phổ biến nhất trong PCB là hàn không chì (Sn-Cu) có lõi colophane. Trừ khi nhà lắp ráp của bạn đang làm một bảng mạch duy nhất hoặc bạn tự lắp ráp bảng mạch của mình, thì PCBA sẽ không được hàn bằng tay. Thay vào đó, nó sẽ trải qua một quy trình tự động:

• Hàn sóng: Dùng cho linh kiện xuyên lỗ
• Hàn tái nấu: Dùng cho linh kiện SMT trong lò tái nấu
• Hàn chọn lọc: Dùng khi một linh kiện xuyên lỗ có thể bị hỏng do nhiệt độ cao hoặc không phù hợp với quy trình hàn sóng và tái nấu
• Hàn xâm nhập: Dùng để áp dụng kem hàn cho linh kiện xuyên lỗ, và mối hàn được hình thành trong lỗ xuyên trong quá trình tái nấu

Flux/paste đầu tiên được áp dụng lên các tiếp điểm kim loại trên bảng mạch để giảm oxy hóa và làm đều dòng chảy của hàn nóng chảy, điều này tăng cường độ bền của mối hàn hoàn thiện trên một PCB. Hầu hết các nhà thiết kế có lẽ sẽ giả định rằng bạn cần phải lắp ráp các bộ phận với chân dẫn không chì bằng cách sử dụng kem hàn không chì, nhưng đây không phải là một yêu cầu nghiêm ngặt. Theo một nhóm chuyên gia về hàn, không phải là hiếm khi trộn lẫn các vật liệu này, mặc dù hãy lưu ý rằng hợp kim cuối cùng bạn tạo ra có thể có các tính chất cơ học nằm giữa hợp kim dựa trên Pb và hợp kim không chì. 

Một loại hàn khác liên quan đến quá trình tái lưu là hàn xâm nhập. Trong quá trình này, kem hàn được áp dụng lên các linh kiện xuyên lỗ, và bộ phận được tái lưu hoặc hàn chọn lọc bằng mỏ hàn. Khi cần đến sự thông qua cao, bảng mạch thường được đưa qua lò để tạo ra mối hàn.

Trong quá trình hàn xâm nhập, kem hàn được áp dụng sẽ xâm nhập vào lỗ và liên kết với chân linh kiện. Quá trình liên quan khá đơn giản:

1. Kem hàn được áp dụng vào các lỗ bằng cách sử dụng máy phân phối kem tự động hoặc qua một khuôn
2. Bảng mạch được đưa vào tái lưu và mối hàn được hình thành trong một quá trình tiêu chuẩn
3. Các chất cặn flux từ kem hàn được làm sạch và loại bỏ khỏi bề mặt

Nếu một linh kiện through-hole sẽ được hàn xâm nhập, thì bản in PCB sẽ cần có một lỗ mở mặt nạ hàn xung quanh lỗ through-hole. Tùy thuộc vào kích thước của chân linh kiện và khu vực hàn, lỗ mở mặt nạ cần thiết có thể khá lớn. Nếu hàn xâm nhập được yêu cầu cho quy trình lắp ráp của bạn, nhà lắp ráp của bạn có thể đề xuất các lỗ mở mặt nạ hàn, hoặc họ có thể áp dụng các lỗ mở cần thiết trong tệp Gerber của bạn. Bất cứ khi nào có câu hỏi về quy trình hàn, hãy chắc chắn liên hệ với nhà lắp ráp của bạn để được hướng dẫn.

Khi bạn cần tạo các tài liệu giao hàng sản xuất cho bảng mạch của mình, bao gồm bất kỳ bước lắp ráp nào cần thiết và tuân thủ các quy định, hãy sử dụng bộ đầy đủ các tính năng thiết kế và sản xuất PCB trong Altium Designer®. Một khi bạn tạo ra các tệp Gerber và các tệp chế tạo khác, bạn có thể nhanh chóng tạo ra bản vẽ lắp ráp và thêm chú thích để chỉ định yêu cầu lắp ráp của mình. Rất dễ dàng để chỉ định các loại vật liệu hàn PCB khác nhau mà bạn có thể muốn sử dụng trong PCBA tiếp theo của mình.

Khi bạn đã hoàn thành thiết kế và muốn gửi các tệp cho nhà sản xuất của mình, nền tảng Altium 365™ giúp việc hợp tác và chia sẻ dự án của bạn trở nên dễ dàng. Chúng tôi mới chỉ khám phá bề mặt của những gì có thể thực hiện với Altium Designer trên Altium 365. Bạn có thể kiểm tra trang sản phẩm để biết mô tả tính năng sâu hơn hoặc một trong những Webinar Theo Yêu Cầu.