Dây chuyền lắp ráp bảng mạch (PCBA)-Phần 1

Tìm hiểu về bảng mạch PCB

Các thiết bị điện tử là một phần không thể thiếu trong cuộc sống hàng ngày của chúng ta, nhất là trong cuộc sống hiện đại với nhu cầu ăn, ở, sinh hoạt và đi lại ngày một cao. Mọi thứ từ điện thoại thông minh đến ô tô của chúng ta đều bao gồm các linh kiện điện tử. Và không quá khi nói rằng đầu não của các thiết bị điện tử này là bảng mạch điều khiển, hay còn được gọi là PCB.

Hầu hết mọi người nhận ra bảng mạch in khi họ nhìn thấy chúng. Đó là những tấm mạch nhỏ, thường màu xanh lá được bao phủ trong các đường nét và các bộ phận bằng đồng mà bạn sẽ tìm thấy ở bên trong các thiết bị điện tử bị rút ruột hoặc tháo tung ra để sửa chữa tại các cửa hàng sửa chữa điện tử. Được làm bằng sợi thủy tinh, dây đồng và các chi tiết kim loại khác, các bảng mạch này được cố định với nhau bằng epoxy và cách nhiệt bằng mặt lớp hàn. Lớp hàn này là nơi bắt nguồn của màu xanh lá cây đặc trưng đó.

Tuy nhiên, bạn đã bao giờ quan sát những bảng mạch với các linh kiện được gắn chặt vào nhau chưa? Đừng bao giờ coi chúng chỉ là đồ trang trí của bảng mạch PCB. Một bảng mạch tiên tiến sẽ không thể cung cấp chức năng của nó cho đến khi các linh kiện được gắn trên đó. PCB với các linh kiện gắn trên là kết quả của quá trình sản xuất được gọi là lắp ráp bảng mạch điện tử PCB hoặc viết tắt là PCBA.

Các đường đồng trên bo mạch trần, được gọi là traces, liên kết điện từ các đầu nối và thành phần với nhau. Chúng chạy tín hiệu giữa các tính năng này, cho phép bảng mạch hoạt động theo cách được thiết kế đặc biệt. Các chức năng này từ đơn giản đến phức tạp, tuy nhiên kích thước của PCB có thể nhỏ hơn một hình thu nhỏ dưới đây.

Vậy chính xác thì những thiết bị này được tạo ra như thế nào? Quá trình lắp ráp PCB gồm nhiều bước tự động, bán tự động và thủ công. Nếu bạn là người đang có nhu cầu đặt hàng dây chuyền lắp ráp điện tử PCB thì với mỗi bước của quy trình, nhà sản xuất bảng có cả tùy chọn thủ công và tự động để bạn lựa chọn. Để giúp bạn hiểu rõ hơn về quy trình PCBA từ đầu đến cuối, chúng tôi đã giải thích chi tiết từng bước bên dưới.

Kiến thức cơ bản về thiết kế PCB

Quá trình PCBA luôn bắt đầu với đơn vị cơ bản nhất của PCB: phần đế, bao gồm nhiều lớp và mỗi lớp đóng một vai trò quan trọng trong chức năng của PCB hoàn thiện. Các lớp xen kẽ này bao gồm:
• Lớp nền : Đây là vật liệu cơ bản của PCB. Nó tạo ra cho PCB độ cứng.
• Đồng : Một lớp mỏng lá đồng dẫn điện được thêm vào mỗi mặt chức năng của PCB – ở một mặt nếu là PCB 1 mặt và trên cả hai mặt nếu là PCB 2 mặt. Đây là lớp của traces đồng.
• Lớp Hàn: Trên cùng của lớp đồng là lớp che phủ hàn, tạo cho mỗi PCB có màu xanh đặc trưng. Nó cách ly các vết đồng khỏi việc vô tình tiếp xúc với các vật liệu dẫn điện khác, điều này có thể dẫn đến sự cố. Các lỗ trong lớp hàn là nơi chất hàn được thêm để gắn các thành phần vào bo mạch. Lớp mặt nạ hàn là một bước quan trọng để sản xuất PCBA trơn tru vì nó ngăn không cho quá trình hàn diễn ra trên các bộ phận không mong muốn.
• Lớp lụa: Lớp lụa màu trắng là lớp cuối cùng trên bảng mạch PCB. Lớp này thêm nhãn cho PCB dưới dạng ký tự và ký hiệu. Điều này giúp chỉ ra chức năng của từng thành phần trên bo mạch.

Các vật liệu và thành phần này phần lớn vẫn giống nhau trên tất cả các PCB, ngoại trừ chất nền. Vật liệu nền của PCB thay đổi theo các chất lượng cụ thể – chẳng hạn như giá thành và khả năng uốn cong.

Ba loại bảng mạch PCB chính bao gồm:

• Bảng mạch PCB cứng: Loại đế PCB phổ biến nhất là loại cứng, chiếm phần lớn PCBA. Lõi rắn của một PCB cứng cáp mang lại độ cứng và độ dày cho bảng mạch. Các nền PCB không linh hoạt này bao gồm một vài vật liệu khác nhau. Phổ biến nhất là sợi thủy tinh epoxy, ký hiệu FR4. PCB ít tốn kém hơn được làm bằng các vật liệu như epoxit hoặc phenolic, mặc dù chúng kém bền hơn FR4.
  • PCB linh hoạt: PCB linh hoạt cung cấp độ mềm dẻo hơn một chút so với các đối tác cứng hơn của chúng. Vật liệu của các PCB này có xu hướng là một loại nhựa có thể uốn cong, chịu nhiệt độ cao như Kapton.
  • PCB lõi kim loại: Những bảng này là một thay thế khác cho bảng FR4 điển hình. Được làm bằng lõi kim loại, những bảng này có xu hướng truyền nhiệt hiệu quả hơn những bảng khác. Điều này giúp tản nhiệt và bảo vệ các thành phần bo mạch nhạy nhiệt hơn.

Có hai loại công nghệ gắn kết đang thịnh hành trong ngành PCBA hiện đại:
Công nghệ gắn kết bề mặt : Các thành phần nhạy cảm, một số rất nhỏ, chẳng hạn như điện trở hoặc điốt được đặt tự động lên bề mặt của bo mạch. Đây được gọi là lắp ráp SMD, dành cho thiết bị gắn kết bề mặt. Công nghệ gắn kết bề mặt có thể được áp dụng trên các linh kiện kích thước nhỏ và mạch tích hợp (IC). Ví dụ, máy gắn chip hiện đại có thể gắn linh kiện nhỏ tới cỡ 01005, thậm chí còn nhỏ hơn kích thước của một đầu bút chì.
Công nghệ Thru-Hole: hoạt động tốt trên các thành phần có dây dẫn hoặc dây dẫn phải được gắn trên bo mạch bằng cách cắm chúng qua các lỗ trên bo mạch. Phần chì thừa phải được hàn ở mặt bên kia của bảng. Công nghệ này được áp dụng trên các cụm PCB chứa các thành phần lớn như tụ điện, cuộn dây cần lắp ráp.

Trước quy trình lắp ráp PCB

Một vài bước chuẩn bị phải được thực hiện trước khi quá trình PCBA thực sự bắt đầu. Điều này giúp các nhà sản xuất PCB đánh giá chức năng của thiết kế PCB và chủ yếu bao gồm kiểm tra DFM.

Hầu hết các công ty chuyên về lắp ráp PCB cần hồ sơ thiết kế của PCB để bắt đầu, cùng với bất kỳ ghi chú thiết kế nào khác và các yêu cầu cụ thể. Điều này là do công ty lắp ráp PCB có thể kiểm tra tệp PCB để tìm bất kỳ vấn đề nào có thể ảnh hưởng đến chức năng hoặc khả năng sản xuất của PCB. Đây là một thiết kế để kiểm tra khả năng sản xuất, gọi tắt là kiểm tra DFM.
Các DFM kiểm tra ngoại quan ở tất cả các thông số kỹ thuật thiết kế của một PCB. Cụ thể, kiểm tra này tìm kiếm bất kỳ tính năng nào bị thiếu, thừa hoặc có thể có vấn đề. Bất kỳ vấn đề nào trong số này có thể ảnh hưởng nghiêm trọng và tiêu cực đến chức năng của dự án cuối cùng. Ví dụ, một lỗi thiết kế PCB phổ biến là để lại quá ít khoảng cách giữa các thành phần PCB. Điều này có thể dẫn đến shorts và các trục trặc khác.

Bằng cách xác định các vấn đề tiềm ẩn trước khi bắt đầu sản xuất, việc kiểm tra DFM có thể cắt giảm chi phí sản xuất và loại bỏ các chi phí không lường trước được. Điều này là do các cuộc kiểm tra này cắt giảm số lượng bảng bị loại bỏ. Là một phần trong cam kết của các nhà sản xuất mạch PCB về chất lượng với chi phí thấp, kiểm tra DFM là bước tiêu chuẩn trước mỗi đơn gia công PCBA.

Các bước trong quy trình PCBA thực tế.

Bước 1: Hàn dán Stenciling

Bước đầu tiên của quá trình lắp ráp PCB là thêm một chất hàn vào bo mạch. Quá trình này giống như in lụa một chiếc áo sơ mi, ngoại trừ thay vì lớp mặt nạ, một tấm giấy nến mỏng, bằng thép không gỉ được đặt trên PCB. Điều này cho phép các công nhân lắp ráp chỉ thêm chất hàn vào một số phần nhất định của PCB. Các bộ phận này là nơi các thành phần sẽ nằm trong PCB hoàn thiện.

Bản thân thuốc hàn là một chất màu xám bao gồm các viên kim loại nhỏ. Thành phần của những quả bóng kim loại nhỏ bé này là 96,5% thiếc, 3% bạc và 0,5% đồng. Thuốc hàn trộn hỗn hợp chất hàn với chất trợ dung, đây là một chất hóa học được thiết kế để giúp chất hàn nóng chảy và kết dính với bề mặt. Keo hàn xuất hiện dưới dạng bột nhão màu xám và phải được dán lên bảng ở những vị trí thích hợp và chính xác với lượng phù hợp.

Trong dây chuyền lắp ráp PCBA chuyên nghiệp, một bộ cố định cơ khí giữ PCB và bút hàn đúng vị trí. Sau đó, một dụng cụ bôi thuốc hàn lên các khu vực đã định với một lượng chính xác. Sau đó, máy sẽ phết hỗn hợp lên giấy nến, thoa đều lên mọi vùng hở. Sau khi loại bỏ lớp giấy nến, thuốc hàn vẫn còn ở các vị trí đã định.

Bước 2: Pick and Place

Sau khi dán chất hàn vào bảng mạch PCB, quy trình PCBA chuyển sang máy pick and place, một thiết bị robot sẽ đặt các linh kiện gắn kết bề mặt, hoặc SMD, trên một PCB đã chuẩn bị. SMD chiếm hầu hết các thành phần không kết nối trên PCB ngày nay. Các SMD này sau đó được hàn vào bề mặt của bo mạch trong bước tiếp theo của quy trình PCBA.

Theo truyền thống, đây là một quy trình thủ công được thực hiện với một cặp nhíp, trong đó các nhà lắp ráp phải chọn và đặt các thành phần bằng tay. Ngày nay, rất may, bước này là một quy trình tự động giữa các nhà sản xuất PCB. Sự thay đổi này chủ yếu xảy ra bởi vì máy móc có xu hướng chính xác hơn và nhất quán hơn con người. Mặc dù con người có thể làm việc nhanh chóng, nhưng sự mệt mỏi và mỏi mắt có xu hướng bắt đầu sau vài giờ làm việc với các thành phần nhỏ như vậy. Máy móc hoạt động suốt ngày đêm mà không hề mệt mỏi.

Thiết bị bắt đầu quá trình chọn và đặt bằng cách nhấc bảng PCB có kẹp chân không và di chuyển nó đến trạm nhận và đặt. Sau đó, robot định hướng PCB tại trạm và bắt đầu áp dụng các SMT lên bề mặt PCB. Các thành phần này được đặt lên trên lớp keo hàn ở những vị trí đã được lập trình trước.

Bước 3: Hàn reflow

Khi tất cả các thành phần dán và gắn kết bề mặt đã được hàn vào đúng vị trí, chúng cần phải ở đó. Điều này có nghĩa là keo hàn cần đông đặc, kết dính các thành phần vào bo mạch. Việc lắp ráp PCB hoàn thành điều này thông qua quá trình hàn nóng chảy lại (reflow).

Sau khi quá trình chọn và đặt kết thúc, bảng PCB được chuyển đến băng chuyền. Băng chuyền này di chuyển qua một lò sấy tái tạo lớn, giống như một lò nướng bánh pizza. Buồng sấy này bao gồm một loạt các lò sưởi làm nóng dần bo mạch đến nhiệt độ khoảng 250 độ C hoặc 480 độ F. Nhiệt độ này đủ nóng để làm chảy chất hàn trong keo hàn.

Khi chất hàn nóng chảy, PCB tiếp tục di chuyển qua lò. Nó đi qua một loạt bộ gia nhiệt làm mát, cho phép chất hàn nóng chảy nguội và đông đặc một cách có kiểm soát. Điều này tạo ra một mối hàn vĩnh viễn để kết nối các SMD với PCB.

Nhiều PCBA yêu cầu xem xét đặc biệt trong quá trình reflow, đặc biệt là đối với Lắp ráp PCB hai mặt. Lắp ráp PCB hai mặt cần in kem hàn và reflow từng mặt riêng biệt. Đầu tiên, mặt có ít linh kiện hơn và nhỏ hơn được in kem hàn, gắn linh kiện và reflow, tiếp theo là mặt còn lại.

Bước 4: Kiểm tra và Kiểm soát chất lượng

Khi các thành phần gắn kết bề mặt được hàn vào đúng vị trí sau quá trình reflow, quá trình này không có nghĩa là hoàn thành PCBA và bo mạch đã lắp ráp cần được kiểm tra chức năng. Thông thường, chuyển động trong quá trình reflow sẽ dẫn đến chất lượng kết nối kém hoặc thiếu hoàn toàn kết nối. Chập mạch cũng là lỗi thường gặp do linh kiện xê dịch, vì các linh kiện đặt sai vị trí đôi khi có thể kết nối các phần của mạch không nên kết nối.

Việc kiểm tra các lỗi và sai lệch này có thể liên quan đến một trong một số phương pháp kiểm tra khác nhau. Các phương pháp kiểm tra phổ biến nhất bao gồm:
• Kiểm tra thủ công : Mặc dù xu hướng phát triển sắp tới là sản xuất tự động và thông minh, kiểm tra thủ công vẫn được dựa vào quy trình lắp ráp PCB. Đối với các lô nhỏ hơn, một nhà thiết kế kiểm tra trực quan bằng mắt thường là một phương pháp hiệu quả để đảm bảo chất lượng của PCB sau quá trình hàn lại. Tuy nhiên, phương pháp này ngày càng trở nên không thực tế và không chính xác khi số lượng bo mạch cần kiểm tra tăng lên. Nhìn vào các thành phần nhỏ như vậy trong hơn một giờ có thể dẫn đến mỏi mắt, dẫn đến việc kiểm tra kém chính xác hơn.
• Kiểm tra quang học tự động: Kiểm tra quang học tự động là một phương pháp kiểm tra thích hợp hơn cho các lô PCBA lớn hơn. Máy kiểm tra quang học tự động, còn được gọi là máy AOI, sử dụng một loạt máy ảnh công suất cao để “nhìn” PCB. Các camera này được bố trí ở các góc khác nhau để kiểm tra bằng hình ảnh các kết nối hàn. Các kết nối chất lượng hàn khác nhau phản chiếu ánh sáng theo những cách khác nhau, cho phép AOI nhận ra vật hàn chất lượng thấp hơn. AOI thực hiện điều này với tốc độ rất cao, cho phép nó xử lý một lượng lớn PCB trong một thời gian tương đối ngắn.
• Kiểm tra bằng tia X: Tuy nhiên, một phương pháp kiểm tra khác liên quan đến chụp X-quang. Đây là một phương pháp kiểm tra ít phổ biến hơn – nó được sử dụng thường xuyên nhất cho các PCB phức tạp hơn hoặc nhiều lớp. Tia X cho phép người xem nhìn xuyên qua các lớp và hình dung các lớp thấp hơn để xác định bất kỳ vấn đề tiềm ẩn nào.

Số phận của một bo mạch bị trục trặc phụ thuộc vào tiêu chuẩn của công ty PCBA, chúng sẽ được gửi trở lại để xóa và làm lại, hoặc loại bỏ.

Cho dù việc kiểm tra có phát hiện ra một trong những lỗi này hay không, thì bước tiếp theo của quy trình là kiểm tra linh kiện để đảm bảo linh kiện đó thực hiện đúng những gì nó phải làm. Điều này liên quan đến việc kiểm tra chất lượng các kết nối PCB. Các bo mạch yêu cầu lập trình hoặc hiệu chuẩn đòi hỏi nhiều bước hơn nữa để kiểm tra chức năng thích hợp.

Việc kiểm tra như vậy có thể diễn ra thường xuyên sau quá trình chỉnh sửa để xác định bất kỳ vấn đề tiềm ẩn nào. Việc kiểm tra thường xuyên này có thể đảm bảo rằng các lỗi được tìm thấy và khắc phục càng sớm càng tốt, giúp cả nhà sản xuất và nhà thiết kế tiết kiệm thời gian, nhân công và vật liệu.

Bước 5: Chèn linh kiện xuyên lỗ

Tùy thuộc vào loại bo mạch trong PCBA, bo mạch có thể bao gồm nhiều thành phần khác nhau ngoài các SMD thông thường. Chúng bao gồm các thành phần mạ xuyên lỗ, hoặc các thành phần PTH.

Lỗ xuyên qua được mạ là một lỗ trên PCB được mạ xuyên suốt bảng. Trong trường hợp này, keo hàn sẽ không hoạt động tốt, vì keo sẽ chạy thẳng qua lỗ mà không có cơ hội kết dính.

Thay vì hàn dán, các thành phần PTH yêu cầu một loại phương pháp hàn chuyên biệt hơn trong quy trình lắp ráp PCB sau này:
• Hàn thủ công : Chèn qua lỗ thủ công là một quá trình đơn giản. Thông thường, một người tại một trạm sẽ được giao nhiệm vụ chèn một linh kiện vào một PTH được chỉ định. Sau khi hoàn thành, bảng được chuyển đến trạm tiếp theo, nơi một người khác đang làm việc để chèn một thành phần khác. Chu kỳ tiếp tục cho mỗi PTH cần được trang bị. Đây có thể là một quá trình kéo dài, tùy thuộc vào số lượng thành phần PTH cần được chèn vào trong một chu kỳ của PCBA. Hầu hết các công ty đặc biệt cố gắng tránh thiết kế với các thành phần PTH cho mục đích này, nhưng các thành phần PTH vẫn phổ biến trong các thiết kế PCB.
• Hàn sóng: Hàn sóng là phiên bản tự động của hàn thủ công, nhưng bao gồm một quy trình rất khác. Khi thành phần PTH được đặt vào vị trí, bảng được đưa lên một băng chuyền khác. Lần này, băng chuyền chạy qua máy hàn sóng, nơi có một làn sóng thiếc nóng chảy rửa qua mặt dưới của bảng. Thao tác này sẽ hàn tất cả các chân ở dưới cùng của bảng cùng một lúc. Với PCB hai mặt có linh kiện dán ở mặt dưới, cần đồ gá che chắn hoặc hàn sóng chọn lọc để không làm hỏng các linh kiện này.

Sau khi quá trình hàn này kết thúc, PCB có thể chuyển sang bước kiểm tra cuối cùng hoặc nó có thể chạy qua các bước trước đó nếu PCB cần thêm các bộ phận bổ sung hoặc lắp ráp một mặt khác.

Bước 6: Kiểm tra lần cuối và Kiểm tra chức năng

Sau khi bước hàn của quy trình lắp ráp PCBA kết thúc, việc kiểm tra lần cuối sẽ kiểm tra PCB về chức năng của nó. Việc kiểm tra này được gọi là “kiểm tra chức năng”. Thử nghiệm đưa PCB đi qua các bước của nó, mô phỏng các trường hợp bình thường trong đó PCB sẽ hoạt động. Nguồn và các tín hiệu mô phỏng chạy qua PCB trong thử nghiệm này trong khi người thử nghiệm theo dõi các đặc tính điện của PCB.

Nếu bất kỳ đặc điểm nào trong số này, bao gồm điện áp, dòng điện hoặc đầu ra tín hiệu, cho thấy sự dao động không thể chấp nhận được hoặc đạt các đỉnh nằm ngoài phạm vi xác định trước, thì PCB không đạt yêu cầu của bài kiểm tra. PCB hỏng sau đó có thể được tái chế hoặc loại bỏ, tùy thuộc vào tiêu chuẩn của công ty.

Kiểm tra là bước cuối cùng và quan trọng nhất trong quy trình lắp ráp PCB, vì nó quyết định sự thành bại của quy trình. Việc kiểm tra này cũng là lý do tại sao việc kiểm tra và kiểm tra thường xuyên trong suốt quá trình lắp ráp là rất quan trọng.

Chỉ cần nói rằng, quá trình lắp ráp PCB có thể là một quá trình bẩn thỉu. Keo hàn để lại một lượng chất trợ dung, trong khi thao tác của con người có thể truyền dầu và bụi bẩn từ ngón tay và quần áo sang bề mặt PCB. Sau khi tất cả được thực hiện, kết quả có thể trông hơi buồn tẻ, điều này vừa mang tính thẩm mỹ vừa là một vấn đề thực tế.

Sau nhiều tháng tồn tại trên PCB, cặn chất trợ hàn (flux) bắt đầu có mùi và cảm giác dính. Nó cũng trở nên hơi có tính axit, có thể làm hỏng các khớp hàn theo thời gian. Ngoài ra, sự hài lòng của khách hàng có xu hướng bị ảnh hưởng khi các lô hàng PCB mới bị bám đầy cặn và dấu vân tay. Vì những lý do này, việc rửa sản phẩm sau khi hoàn thành tất cả các bước hàn là rất quan trọng.

Thiết bị rửa bằng thép không gỉ, áp suất cao sử dụng nước khử ion là phương pháp phổ biến để loại bỏ cặn trên PCB. Rửa PCB trong nước khử ion không gây nguy hiểm cho thiết bị. Điều này là do các ion trong nước thông thường gây hại cho mạch điện chứ không phải bản thân nước. Do đó, nước khử ion vô hại đối với PCB khi chúng trải qua một chu trình rửa.

Sau khi rửa, một chu trình làm khô nhanh chóng bằng khí nén để các PCB đã hoàn thiện sẵn sàng cho việc đóng gói và vận chuyển.