Cách in kem hàn lên bảng mạch và các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng in kem hàn

 In kem hàn (solder paste) lên bảng mạch sau đó đưa qua lò hàn hồi nhiệt (reflow oven) để hàn các linh kiện điện tử lên bảng mạch là phương pháp phổ biến nhất trong ngành sản xuất lắp ráp điện tử hiện nay.

Việc in kem hàn thực tế khá giống với việc sơn tường, tuy nhiên, để in chính xác kem hàn lên đúng vị trí trên bảng mạch và kiểm soát lượng kem hàn, người ta sử dụng một tấm gọi là "stencil" để kiểm soát lượng và vị trí của kem hàn.

Nếu kem hàn bị in lệch quá nhiều sẽ không đạt được mục tiêu hàn các linh kiện, và thậm chí có thể gây ra các vấn đề về chất lượng không mong muốn, ví dụ như nếu in quá nhiều kem hàn có thể gây ngắn mạch (short), hoặc nếu in quá ít có thể dẫn đến hàn không tốt (non-wetting).

Trước khi in kem hàn. Bề mặt bảng mạch chỉ có lớp mạ vàng. ▼ Sau khi in kem hàn. Kem hàn được thiết kế theo dạng hình "chữ điền" để tránh việc kem hàn tan chảy quá tập trung vào giữa. PCB không có kem hàn | PCB có kem hàn

"Kem hàn" chủ yếu bao gồm hai thành phần chính: chất trợ hàn (flux) và bột thiếc (powder), được trộn đều hoàn toàn với nhau. Tên gọi "kem" xuất phát từ dạng vật lý của nó, tương tự như kem đánh răng mà chúng ta sử dụng hàng ngày, là một chất nhão có độ nhớt và có thể in được lên bảng mạch. Ở nhiệt độ phòng, kem hàn không bị biến dạng quá nhiều, và nó còn giúp dính các linh kiện điện tử trên bề mặt bảng mạch để khi bảng mạch di chuyển qua dây chuyền SMT, linh kiện không bị lệch hoặc rơi. Chức năng quan trọng nhất của kem hàn là khi đi qua lò hồi nhiệt ở nhiệt độ cao, kem hàn sẽ tan chảy thành dạng lỏng, bao bọc chân linh kiện. Sau đó, khi nhiệt độ giảm xuống, kem hàn đông lại và cố định linh kiện vào bảng mạch, giúp đảm bảo kết nối tín hiệu điện tử.

Quy trình in kem hàn (Solder paste printing process)

Để tìm hiểu thêm về kem hàn, bạn có thể tham khảo bài viết: "[Giới thiệu và kiến thức cơ bản về kem hàn (solder paste)]".

Các loại máy in kem hàn:

Có ba loại quy trình in kem hàn:

  1. Máy in kem hàn hoàn toàn tự động (Automatic solder paste screen printer)
    Trong các dây chuyền SMT sản xuất hàng loạt, luôn sử dụng máy in kem hàn tự động. Sau khi cài đặt các thông số liên quan, máy sẽ tự động đưa bảng mạch vào (loading), căn chỉnh stencil, in kem hàn (screen printing) và đưa bảng mạch ra (unloading), chuyển đến trạm gắp và đặt linh kiện (pick & placement).

  2. Máy in kem hàn bán tự động (Semi-auto solder paste screen printer)
    Quy trình in kem hàn bán tự động thường xuất hiện trong giai đoạn thử nghiệm sản phẩm hoặc sản xuất các sản phẩm ít nhưng đa dạng. Việc đưa, rút bảng mạch và căn chỉnh stencil thường là thao tác thủ công, chỉ có in kem hàn là tự động. Để vận hành loại máy này đòi hỏi người có kinh nghiệm vì dễ dẫn đến lỗi nếu không thành thạo.

  3. Máy in kem hàn thủ công (Manual solder paste screen printer)
    Quy trình này thường thấy ở các khu vực có chi phí lao động thấp hoặc với các nhà chế tạo nghiệp dư (Makers). Toàn bộ quy trình đều được thao tác bằng tay, chỉ cần stencil, dao gạt và kem hàn. Tuy nhiên, không khuyến khích dùng quy trình này cho các bảng mạch có chân linh kiện nhỏ trừ khi người vận hành có kỹ năng rất tốt.

Các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng in kem hàn và những lưu ý:

In kem hàn là nền tảng cho quá trình hàn thiếc, trong đó vị trí và lượng kem hàn là những yếu tố then chốt. Nếu in kem hàn không tốt, có thể dẫn đến các vấn đề như ngắn mạch (solder short) hoặc hàn không đầy đủ (solder empty). Để in kem hàn tốt, cần phải xem xét các yếu tố sau:

  • Loại dao gạt (Squeegee): Dao gạt nên được chọn dựa trên đặc tính của kem hàn hoặc keo đỏ. Hầu hết dao gạt hiện nay đều được làm bằng thép không gỉ.
  • Góc dao gạt: Góc dao gạt khi in kem hàn thường từ 45° đến 60°.
  • Áp lực của dao gạt: Áp lực của dao gạt ảnh hưởng đến lượng kem hàn. Nếu các yếu tố khác không thay đổi, áp lực càng lớn thì lượng kem hàn càng ít vì khoảng cách giữa stencil và bảng mạch bị ép chặt lại.
  • Tốc độ dao gạt: Tốc độ dao gạt ảnh hưởng trực tiếp đến hình dạng và lượng kem hàn. Thông thường, tốc độ dao gạt được đặt trong khoảng từ 20 đến 80mm/s. Kem hàn có độ nhớt cao thì tốc độ dao gạt nên nhanh hơn để tránh bị tràn.
  • Tốc độ tách stencil: Nếu tốc độ tách quá nhanh, dễ gây ra hiện tượng kéo sợi hoặc kéo dài kem hàn, ảnh hưởng đến việc đặt linh kiện.
  • Sử dụng đế hút chân không (vacuum block): Đế hút chân không giúp bảng mạch phẳng và ổn định, tăng độ chính xác trong việc căn chỉnh stencil và bảng mạch.
  • Bảng mạch có bị biến dạng không (warpage)? Bảng mạch bị biến dạng sẽ làm kem hàn in ra không đều, gây ra ngắn mạch.
  • Kích thước lỗ stencil (stencil aperture): Kích thước lỗ trên stencil ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng in kem hàn.
  • Vệ sinh stencil: Stencil cần được vệ sinh sạch sẽ để tránh kem hàn dư thừa làm bẩn các vị trí trên bảng mạch không cần hàn.