Công dụng thực tế của SPC trong việc định hình quy cách đối với độ dày in kem hàn

 

Tôi nhận thấy rằng có rất nhiều kỹ sư SMT không hiểu rõ về cách xác định các thông số kiểm soát của SPI, đặc biệt là cách xác định giá trị trung tâm của độ dày kem hàn và dung sai của giới hạn trên và dưới.

Phần lớn các kỹ sư SMT thường sử dụng khuyến nghị của nhà cung cấp SPI. Một số nhà cung cấp uy tín có thể đề nghị lấy độ dày của tấm thép làm giá trị trung tâm, với giới hạn dưới là 80% và giới hạn trên là 160%. Một số thậm chí còn đề xuất dung sai từ 60% đến 200%, điều này sẽ làm bạn ngạc nhiên khi nhận thấy SPI hầu như không bao giờ báo lỗi và quy trình trở nên mượt mà hơn. Trong điều kiện này, SPI chỉ phát hiện ra những lỗi nghiêm trọng như bị tắc nặng hoặc thiếu kem hàn nghiêm trọng. Đây có thực sự là điều bạn mong muốn không?

Bạn đã từng nghĩ về mục đích thực sự của việc thiết lập SPI là gì chưa? SPI là thiết bị mà chúng ta đã đầu tư rất nhiều tiền, liệu nó chỉ nên dùng để phát hiện những lỗi nghiêm trọng này không? Với các linh kiện nhỏ hơn (như linh kiện dưới 0201) hoặc linh kiện nhạy cảm với lượng kem hàn (như BGA), việc tuân theo cùng một tiêu chuẩn dung sai có thực sự sẽ không gây ra vấn đề trong hàn thiếc không?

Cần phải đánh giá chất lượng hàn sau khi nấu chảy để xác định xem lượng kem hàn in có phù hợp không.

Để làm rõ vấn đề này, hãy bắt đầu với một số câu hỏi:

Câu hỏi 1: Mục đích thực sự của việc thiết lập SPI là gì?
Trả lời: Để phát hiện và sàng lọc sớm các lỗi in kem hàn không đạt yêu cầu.

Câu hỏi 2: Thế nào là in kem hàn không đạt?
Trả lời: Đó là khi lượng kem hàn in ra quá nhiều hoặc quá ít.

Câu hỏi 3: Lượng kem hàn in quá nhiều hoặc quá ít sẽ gây ra vấn đề gì?
Trả lời: In quá nhiều kem hàn có thể gây ngắn mạch, in quá ít có thể gây thiếu kem thiếc.

Vì vậy, cuối cùng, chúng ta nên đánh giá lượng kem hàn in có phù hợp hay không dựa vào chất lượng hàn sau khi nấu chảy, có gây ngắn mạch hoặc hàn không đủ hay không.

Các điểm hàn khác nhau có yêu cầu độ chính xác của lượng kem hàn khác nhau

Điều này sẽ dẫn đến một vấn đề khác: "Độ chính xác của lượng kem hàn của mỗi điểm hàn sẽ có yêu cầu khác nhau?", ví dụ như lượng kem hàn in cho linh kiện 0201 cần chính xác hơn so với 0805, điều này có nghĩa là dung sai lượng kem hàn của các điểm hàn nhỏ hơn nên nhỏ hơn. Vì vậy, trên cùng một bảng mạch sẽ có nhu cầu dung sai khác nhau cho các điểm hàn khác nhau? Đúng vậy, điều này cũng khá đau đầu.

Tuy nhiên, nếu bạn muốn sử dụng một dung sai duy nhất để kiểm soát tất cả các điểm hàn trên cùng một bảng, bạn có thể chọn điểm hàn có yêu cầu khắt khe nhất về lượng kem hàn để kiểm soát dung sai của toàn bộ bảng. Cách thực hiện thực tế cũng là như vậy. Chỉ cần kiểm tra các điểm báo lỗi thường xuyên xem đó có phải là điểm hàn lớn hơn hay không và có thể điều chỉnh dung sai cho từng điểm hàn để giải quyết vấn đề cảnh báo sai hoặc bỏ sót lỗi in.

Sử dụng SPC và khả năng của máy in để xác định giới hạn trên và dưới của độ dày kem hàn

Ngoài phương pháp thử nghiệm và sai lầm nêu trên, Tôi khuyến nghị bạn nên sử dụng phương pháp thống kê SPC và dựa vào khả năng của máy in để xác định tiêu chuẩn kiểm soát giới hạn trên và dưới của độ dày kem hàn.

Bạn có thể chọn từ 1 đến 5 điểm hàn đại diện cho bảng và sử dụng phương pháp SPC để thu thập mẫu và tính toán độ lệch chuẩn (σ, sigma) của độ dày kem hàn trung bình. Những điểm hàn này bao gồm các điểm FBGA (Fine-Pitch BGA) hoặc linh kiện có chân hàn với khoảng cách hẹp, yêu cầu độ chính xác cao về lượng kem hàn, cũng như các điểm hàn lớn có yêu cầu độ chính xác thấp hơn.

Giá trị trung tâm của tiêu chuẩn:

Khuyến nghị sử dụng độ dày của tấm thép làm giá trị trung tâm cho in kem hàn. Độ dày của tấm thép là thông số vật liệu mà chúng ta có thể tự  kiểm soát, và nó cũng là mục tiêu chúng ta hướng tới khi thực hiện in kem hàn.

Giới hạn trên và dưới của tiêu chuẩn:

Thông thường, bạn nên sử dụng ±3σ làm giới hạn trên và dưới của tiêu chuẩn, sau đó dần loại bỏ các yếu tố biến đổi trong quy trình. Tuy nhiên, trong thực tế, độ dày kem hàn in ra thường dày hơn độ dày của tấm thép do PCB thường có "lớp bảo vệ (solder mask)" và "mực in trắng (silkscreen)" làm dày thêm, cộng với áp lực, tốc độ, và góc của dao gạt đều có thể ảnh hưởng đến lượng kem hàn. Một biến thể quan trọng khác là độ cong của tấm thép mà nhiều người có thể không nhận ra.

Trung bình độ dày kem hàn in thực tế có độ lệch  tăng lên khoảng 1.0σ, bạn có thể đặt giới hạn trên và dưới là ±4σ. Với giới hạn này, chỉ số Cpk ban đầu sẽ khoảng 1.0.
Cp=8σ/6σ, Ck=1σ/4σ, Cpk=(1-Ck)xCp=(1-1/4)x4/3=1.0

Nếu trung bình độ dày kem hàn lệch lên khoảng 1.5σ, bạn có thể đặt giới hạn ±4.5σ, khi đó chỉ số Cpk ban đầu vẫn ở mức 1.0.
Cp=9σ/6σ, Ck=1.5σ/4.5σ, Cpk=(1-Ck)xCp=(1-1/3)x3/2=1.0

Không khuyến nghị sử dụng dữ liệu với độ lệch trung tâm lớn hơn 1.5σ; thay vào đó, hãy xem xét kỹ tại sao độ dày in kem hàn lại lệch trung tâm quá nhiều, loại bỏ dữ liệu không hợp lý và sau đó áp dụng SPC.

Không khuyến nghị di chuyển giá trị trung tâm của tiêu chuẩn, vì mục tiêu của chúng ta vẫn là độ dày của tấm thép; việc di chuyển trung tâm sẽ làm mục tiêu của chúng ta mất chính xác.

Lưu ý:

SPI không chỉ có thể kiểm soát độ dày và lượng kem hàn mà còn có thể kiểm soát độ lệch trong in. Tuy nhiên, độ lệch trong in kem hàn cũng bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố, ngoài độ chính xác của tấm thép và máy in, yếu tố lớn nhất là độ co giãn do nhiệt của tấm và sự lắp ghép của bảng mạch. Chất lượng tấm chắc chắn có tương quan với giá trị của nó.

Ứng dụng 

Kiểm soát độ dày của kem hàn

Bối cảnh

Giả sử bạn làm việc tại một công ty sản xuất sản phẩm điện tử, phụ trách dây chuyền sản xuất SMT (Công nghệ lắp ráp bề mặt). Bạn cần đảm bảo rằng độ dày của kem hàn nằm trong phạm vi thích hợp để đảm bảo chất lượng hàn.

Thu thập dữ liệu

Sau một thời gian sản xuất, bạn đã thu thập được dữ liệu về độ dày kem hàn của 100 điểm hàn (đơn vị: mm):

0.15, 0.16, 0.14, 0.15, 0.17, 0.15, 0.16, 0.15, 0.14, 0.15,
0.16, 0.15, 0.15, 0.17, 0.16, 0.15, 0.16, 0.15, 0.14, 0.15,
...

Tính toán giá trị trung bình và độ lệch chuẩn

1. Tính giá trị trung bình (μ):

   • Độ dày trung bình (μ) = Tổng độ dày / Số lượng điểm hàn
   • Giả sử tính toán được: μ = 0.15 mm

2. Tính độ lệch chuẩn (σ):

   
   
   
   • Sử dụng công thức độ lệch chuẩn, giả sử tính toán được σ = 0.01 mm

Thiết lập giới hạn trên, dưới của thông số kỹ thuật

1. Xác định giá trị trung tâm:

   • Sử dụng độ dày của tấm thép làm giá trị trung tâm, độ dày tấm thép là 0.15 mm.

2. Thiết lập giới hạn thông số kỹ thuật ban đầu:

   • Theo nguyên tắc +/-3σ:
     • Giới hạn trên = μ + 3σ = 0.15 + (3 * 0.01) = 0.18 mm
     • Giới hạn dưới = μ - 3σ = 0.15 - (3 * 0.01) = 0.12 mm

3. Điều chỉnh giới hạn thông số kỹ thuật:

   • Nếu độ dày kem hàn thực tế thường dày hơn, giả sử qua kiểm tra phát hiện độ dày trung bình đã bị lệch lên 1.0σ (tức là 0.16 mm):
     • Khi đó, nên điều chỉnh giới hạn trên, dưới thành +/-4σ:
     • Giới hạn trên mới = 0.16 + (4 * 0.01) = 0.20 mm
     • Giới hạn dưới mới = 0.16 - (4 * 0.01) = 0.12 mm

Tính toán Cpk

Dữ liệu đã biết:

• Giá trị mục tiêu $M$: 0.15 mm
• Giá trị trung bình thực tế $X$: 0.16 mm
• Giới hạn trên (USL): 0.20 mm
• Giới hạn dưới (LSL): 0.12 mm
• Độ lệch chuẩn $\sigma$: 0.01 mm

1. Tính $T$ (Phạm vi quy định)

$$T = USL - LSL = 0.20 - 0.12 = 0.08 \text{ mm}$$

2. Tính $C_k$

Sử dụng công thức:

$$C_k = \frac{|M - X|}{T/2}$$

Thay thế giá trị vào:

$$C_k = \frac{|0.15 - 0.16|}{0.08/2} = \frac{0.01}{0.04} = 0.25$$

3. Tính $C_p$

Sử dụng công thức:

$$C_p = \frac{USL - LSL}{6\sigma}$$

Thay thế giá trị vào:

$$C_p = \frac{0.20 - 0.12}{6 \times 0.01} = \frac{0.08}{0.06} \approx 1.33$$

4. Tính $C_{pk}$

Theo công thức bạn đã cung cấp:

$$C_{pk}=(1-C_k)\times C_{\mathrm{p}}$$

Thay thế giá trị vào:

$$C_{pk}=(1-0.25)\times 1.33=0.75\times 1.33\approx 0.9975$$

Kết quả

• Cpk​:  0.998

Đánh giá và điều chỉnh

• Trong trường hợp này, giá trị $C_k$ là 0.25, cho thấy độ chuẩn xác thấp
• Dựa vào giá trị Cp đã tính toán (1.33), cho thấy độ chính xác tốt
• Dựa vào giá trị Cpk đã tính toán (0.998), cho thấy phải dừng chuyền ngay lập tức để tìm nguyên nhân tránh ảnh hưởng đến chất lượng và sản lượng

Khi chúng ta sử dụng độ lệch chuẩn (σ) để xác định giới hạn trên và dưới của độ dày kem hàn, cần phải quay lại để xác nhận và so sánh. Khi độ dày kem hàn nằm đúng ở giới hạn trên và dưới, chất lượng hàn sau khi nướng lại vẫn phải đáp ứng yêu cầu về chất lượng hàn. Sau đó, hãy thử áp dụng chu trình PDCA để cải thiện và nâng cao chỉ số Cpk.

Dưới đây là một vài phương pháp dành cho những ai muốn cải thiện Cpk của quá trình in kem hàn:

• Sử dụng sơ đồ xương cá để liệt kê tất cả các yếu tố có thể ảnh hưởng đến việc in kem hàn, sau đó loại bỏ các "biến thể cơ hội" và "biến thể không cơ hội" có thể phát sinh trong sản xuất.

• Điều chỉnh các tham số thiết lập của dao gạt trong máy in kem hàn (áp lực, tốc độ, góc)..

• Nâng cao chất lượng tấm thép. Ví dụ, sử dụng tấm thép laser, lớp phủ nano hoặc tấm thép điện hóa để ổn định lượng kem hàn.

• Sử dụng kem hàn có số lớn hơn để tăng lượng kem hàn. Số lượng kem hàn càng cao, hạt thiếc trong kem hàn càng nhỏ, dễ chảy hơn.

  Tìm cách điều chỉnh giá trị trung tâm của độ dày kem hàn để gần với độ dày của tấm thép. Khi Cpk lớn hơn 1.5, nên tính toán lại độ lệch chuẩn (σ) để thu hẹp giới hạn trên và dưới của tiêu chuẩn ban đầu, từ đó tạo thành chu trình cải tiến chất lượng liên tục.