Kỹ thuật hàn tái lưu (Reflow)
Ngành công nghiệp điện tử phát triển mạnh mẽ phần lớn là nhờ vào sự phát minh và cải tiến của công nghệ dán bề mặt (SMT - Surface Mount Technology). Trong đó, kỹ thuật hàn tái lưu (Reflow) là một trong những kỹ thuật quan trọng nhất trong công nghệ này. Sau đây, chúng ta sẽ tìm hiểu một số kỹ thuật và cài đặt nhiệt độ của hàn tái lưu.
Đường cong nhiệt độ hàn tái lưu kiểu yên ngựa RSS (Ramp-Soak-Spike)
- Ramp-Soak-Spike (RSS): Đồ thị nhiệt độ hàn tái lưu kiểu yên ngựa.
- Ramp-To-Spike (RTS): Đồ thị nhiệt độ hàn tái lưu dạng nghiêng.
Đồ thị nhiệt độ hàn tái lưu cho mạch in PCBA bao gồm bốn giai đoạn chính: tiền nhiệt (pre-heat), hấp thụ nhiệt (soak), hàn tái lưu (reflow) và làm nguội (cooling). Nội dung này dựa trên kinh nghiệm cá nhân, nếu có sai sót mong các chuyên gia chỉ giáo.
Ngoài ra, với sự phát triển của công nghệ, công thức của kem hàn và chất trợ hàn không ngừng cải tiến. Khuyến khích bạn tham khảo các yêu cầu về profile từ nhà sản xuất kem hàn.
Khu vực tiền nhiệt (Pre-heat zone)
Khu vực tiền nhiệt là khu vực tăng nhiệt độ của PCBA từ nhiệt độ môi trường lên khoảng 150-170°C. Nhiệt độ cần tăng chậm để dung môi và hơi nước trong kem hàn có thể bốc hơi kịp thời, tránh ảnh hưởng đến chất lượng hàn sau đó. Nhiệt độ tăng quá nhanh có thể gây ra sự khác biệt nhiệt độ giữa các phần của linh kiện, dẫn đến biến dạng hoặc các vấn đề nhiệt ứng suất trên PCB. Tốc độ tăng nhiệt thường được kiểm soát trong khoảng 1.5°C-3°C/s, đối với kem hàn không chì có thể lên đến 5°C/s.
Khu vực gia nhiệt ban đầu thường là khu vực tăng nhiệt độ của PCBA từ nhiệt độ phòng lên khoảng 150–170°C. Trong khu vực này, nhiệt độ nên tăng dần (còn gọi là gia nhiệt lần một) để các dung môi và hơi nước trong kem hàn có thể bay hơi kịp thời, tránh bắn tung tóe ảnh hưởng đến chất lượng hàn sau này, bởi vì hầu hết các chất hoạt hóa trong chất trợ hàn bắt đầu hoạt động ở khoảng 150°C.
Các linh kiện điện tử đã được dán lên PCB (đặc biệt là BGA và các linh kiện IO lớn) cũng cần được gia nhiệt chậm để chuẩn bị cho nhiệt độ cao ở khu vực sau. Nếu tốc độ gia nhiệt trong khu vực này quá nhanh, sự chênh lệch nhiệt độ giữa bên trong và bên ngoài linh kiện hoặc sự khác biệt về hệ số giãn nở nhiệt (CTE) giữa các vật liệu khác nhau có thể gây ra biến dạng linh kiện. Ngoài ra, PCB cũng thường không có sự phân bố đồng đều của lớp đồng do yêu cầu thiết kế mạch, và tốc độ gia nhiệt quá nhanh có thể làm trầm trọng thêm sự chênh lệch tốc độ hấp thụ nhiệt ở các khu vực khác nhau của bảng, gây ra ứng suất nhiệt khác nhau, dẫn đến PCB bị biến dạng. Vì vậy, tốc độ gia nhiệt trong khu vực gia nhiệt ban đầu thường được kiểm soát ở mức 1.5–3°C/giây; một số trường hợp với kem hàn không chì, tốc độ gia nhiệt có thể điều chỉnh lên đến 5°C/giây.
Mặc dù gia nhiệt nhanh có thể giúp chất trợ hàn đạt nhiệt độ làm mềm nhanh chóng và cho phép chất trợ hàn phân tán nhanh chóng, bao phủ diện tích lớn của điểm hàn, cũng như để một số chất hoạt hóa hòa tan vào hợp kim lỏng, nhưng nếu nhiệt độ tăng quá nhanh, ứng suất nhiệt có thể gây ra các vết nứt nhỏ trong tụ điện gốm, biến dạng PCB, lỗ hổng, hoặc hư hỏng vi mạch IC. Đồng thời, dung môi trong kem hàn bay hơi quá nhanh cũng có thể dẫn đến hiện tượng sụp đổ của kem hàn.
Khi gia nhiệt chậm hơn, nhiều dung môi hoặc khí có thể bay hơi hoặc thoát ra, và chất trợ hàn cũng có thể tiến gần hơn đến các điểm hàn, giảm khả năng phân tán hoặc sụp đổ. Tuy nhiên, gia nhiệt quá chậm có thể dẫn đến sự oxy hóa quá mức của kem hàn, làm giảm hoạt tính của chất trợ hàn.
Chủ đề tương lai nên đọc thêm : Giới thiệu kiến thức cơ bản về kem hàn (solder paste)
Tóm tắt: Trong giai đoạn này, ứng suất nhiệt bắt đầu tác động và hơi nước bắt đầu bay hơi. Nếu nhiệt độ tăng quá nhanh:
- Sẽ gây ra hiện tượng nổ bảng và phân lớp.
- Linh kiện có sự khác biệt lớn về CTE sẽ bị biến dạng.
- Các khu vực đồng khác nhau trên PCB có thể xuất hiện sự chênh lệch nhiệt độ quá lớn gây biến dạng.
- Chất trợ hàn bay hơi quá nhanh gây bắn thiếc.
Nếu tốc độ gia nhiệt quá chậm:
- Kem hàn bị oxy hóa quá mức.
- Chất trợ hàn bay hơi quá nhiều.
- Kem hàn sụp đổ.
Khu vực gia nhiệt ban đầu của lò hàn thường chiếm khoảng 1/4 đến 1/3 chiều dài của kênh gia nhiệt, thời gian lưu lại được tính như sau: giả sử nhiệt độ môi trường là 25°C, nếu tốc độ gia nhiệt là 3°C/giây, [(150-25)/3] sẽ là 42 giây; nếu tốc độ gia nhiệt là 1.5°C/giây, [(150-25)/1.5] sẽ là 85 giây. Thông thường, thời gian được điều chỉnh theo kích thước của các linh kiện để điều chỉnh tốc độ gia nhiệt dưới 2°C/giây là tối ưu.
Ngoài ra, một số hiện tượng không mong muốn có liên quan đến tốc độ gia nhiệt trong khu vực này, dưới đây là một số trường hợp cụ thể:
Hiện tượng sụp đổ: Hiện tượng sụp đổ của kem hàn chủ yếu xảy ra trong giai đoạn kem hàn ở dạng bột trước khi nóng chảy. Độ nhớt của kem hàn giảm dần khi nhiệt độ tăng lên do sự rung động mạnh của các phân tử vật liệu khi chịu tác động của nhiệt. Ngoài ra, nhiệt độ tăng quá nhanh khiến dung môi không kịp bay hơi đúng cách, làm độ nhớt giảm nhanh hơn. Gia nhiệt chậm sẽ làm cho độ nhớt của kem hàn cao hơn so với gia nhiệt nhanh, giúp giảm thiểu hiện tượng sụp đổ.
Hạt thiếc: Khi chất trợ hàn bay hơi quá nhanh, các khí phát sinh sẽ thoát ra ngoài và kéo theo kem hàn ra ngoài, tạo ra các hạt thiếc ở dưới linh kiện chip nhỏ. Khi hàn, do không có pad hàn để hút kem hàn nóng chảy, cộng với trọng lượng của linh kiện ép xuống, kem hàn bị tách ra sẽ tạo thành các hạt thiếc nhỏ xung quanh cạnh linh kiện.
Viên thiếc: Viên thiếc tương tự như hạt thiếc nhưng nằm bên cạnh chân và cạnh linh kiện. Khi tốc độ gia nhiệt quá nhanh, các dung môi khí sẽ bay hơi nhanh chóng và bắn ra khỏi kem hàn, gây ra các viên thiếc trên bề mặt PCB. Giảm tốc độ gia nhiệt có thể kiểm soát được hiện tượng này.
Hiện tượng mao dẫn ngược của hàn (Solder Wicking Effect): Hiện tượng này xảy ra khi hàn leo lên theo chân linh kiện, gây thiếu hàn ở điểm hàn. Nguyên nhân có thể do nhiệt độ chân linh kiện cao hơn nhiệt độ của pad PCB. Có thể cải thiện bằng cách tăng nhiệt độ dưới lò hoặc kéo dài thời gian trước khi đạt nhiệt độ nóng chảy để cân bằng nhiệt độ giữa chân linh kiện và pad.
Hiện tượng không thấm ướt (Poor Wetting): Ngoài tình trạng oxy hóa pad hoặc chân linh kiện, sự không thấm ướt có thể do quá trình hàn bị oxy hóa quá mức. Để cải thiện, có thể giảm nhiệt lượng hấp thụ của kem hàn trong giai đoạn gia nhiệt.
Hàn giả hoặc hiện tượng gối đầu (Head-In-Pillow): Nguyên nhân chính của hàn giả là hiện tượng mao dẫn hoặc không thấm ướt. Hiện tượng này xảy ra khi BGA đã được nhúng vào hàn nhưng không tạo ra hợp chất kim loại (IMC) hoặc không thấm ướt. Giảm oxy hóa có thể cải thiện vấn đề.
Hiện tượng "tombstoning" hoặc nghiêng: Hiện tượng này xảy ra khi một đầu của linh kiện nóng chảy trước đầu còn lại do sự chênh lệch nhiệt độ, gây ra lực kéo đứng hoặc nghiêng linh kiện. Kéo dài thời gian trước khi nóng chảy và giảm tốc độ gia nhiệt có thể giúp giải quyết vấn đề này.
- Hiện tượng lỗ khí (Voids): Hiện tượng này xảy ra khi dung môi hoặc nước trong chất trợ hàn bị bay hơi nhanh trước khi hàn đông đặc, gây ra lỗ khí bên trong hàn.
Khu vực hấp thụ nhiệt (Soak zone)
Thường gọi là "khu vực hấp thụ nhiệt", ở nhiệt độ duy trì khoảng 150±10°C, đối với kem hàn không chì duy trì ở khoảng 170±10°C. Mục tiêu của khu vực này là đồng nhất nhiệt độ của các linh kiện khác nhau trước khi đi vào khu vực hàn tái lưu để giảm thiểu chênh lệch nhiệt độ.
Khu vực này thường được dịch là "khu vực thấm ướt," nhưng theo lời khuyên của Thầy Bạch, tên chính xác nên gọi là "khu vực hấp thụ nhiệt," còn được gọi là "khu vực ổn nhiệt" hoặc "khu vực hoạt tính." Nhiệt độ ở vùng gần như ổn định này thường duy trì ở khoảng 150±10°C, còn nhiệt độ của thiếc không chì thì khoảng 170°C±10°C. Nhiệt độ tăng dần thường nằm trong khoảng 150–190°C. Vùng nhiệt này là giai đoạn trước khi thiếc bắt đầu nóng chảy, giúp loại bỏ thêm các chất bay hơi trong thiếc và kích hoạt chất hoạt hóa để loại bỏ hiệu quả các oxit trên bề mặt hàn. Mục đích chính của khu vực này là để các linh kiện có kích thước và chất liệu khác nhau đạt đến nhiệt độ đồng nhất trước khi vào khu vực tái chảy, giúp giảm thiểu độ chênh lệch nhiệt độ △T trên bề mặt bảng. Nếu ví khu vực tái chảy như đỉnh núi, thì khu vực hấp thụ nhiệt là nơi tập hợp quân trước khi xông vào chiếm đỉnh núi.
(Nếu PCB chỉ có những linh kiện đơn giản mà không có quá nhiều linh kiện phức tạp, chẳng hạn như không có BGA lớn hay các linh kiện lớn khác khó hấp thụ nhiệt, nghĩa là nhiệt độ giữa các linh kiện dễ dàng đạt đến đồng nhất, thì nên áp dụng "đường cong tăng nhiệt dần". Nhờ vào sự tiến bộ của công nghệ hiện đại, nếu hiệu suất của lò tái chảy đủ tốt, có thể nhanh chóng giúp nhiệt độ của tất cả các linh kiện trên PCBA đạt đồng đều, cũng có thể cân nhắc sử dụng "đường cong tăng nhiệt dần". Ưu điểm của "đường cong tăng nhiệt dần" là đảm bảo rằng tất cả các điểm hàn đồng loạt nóng chảy khi thiếc tan chảy, để đạt hiệu quả hàn tốt nhất.)
Bài viết tương lai nên tham khảo : Nên sử dụng đường cong nhiệt độ RSS hay RTS cho lò hàn hồi lưu?
Đường cong nhiệt độ ở vùng này có dạng gần như phẳng và là một tiêu chí để đánh giá công nghệ của lò hàn hồi lưu. Chọn lò có khả năng duy trì đường cong nhiệt độ ổn định sẽ cải thiện hiệu quả hàn, đặc biệt là ngăn ngừa lỗi "tombstone" (hiện tượng một đầu linh kiện bị nhấc lên), vì thời gian nóng chảy sẽ ít bị lệch và giảm căng thẳng khác nhau giữa hai đầu của linh kiện.
Vùng ổn nhiệt thường nằm ở khu vực 2 hoặc 3 của lò và kéo dài khoảng 60–120 giây. Nếu thời gian kéo dài quá lâu, nhựa thông có thể bay hơi quá mức, gây ra quá trình oxy hóa thiếc, làm mất tính hoạt động và chức năng bảo vệ khi hàn, dẫn đến các vấn đề như hàn giả, vết hàn bị đen, và điểm hàn không sáng bóng sau khi hàn.
Nếu nhiệt độ trong khu vực này tăng quá nhanh, nhựa thông (chất trợ hàn) trong thiếc sẽ nhanh chóng giãn nở và bay hơi. Trong điều kiện bình thường, nhựa thông sẽ từ từ thoát ra qua các khe hở của thiếc. Tuy nhiên, khi tốc độ bay hơi quá nhanh, các vấn đề như lỗ khí, bắn thiếc và bi thiếc sẽ xuất hiện, ảnh hưởng đến chất lượng.
Khu vực hàn tái lưu (Reflow zone)
Khu vực hàn tái lưu là khu vực có nhiệt độ cao nhất, nơi kim loại trong kem hàn tạo thành hợp chất liên kim với đồng hoặc niken. Độ dày của hợp chất liên kim IMC được khuyến nghị trong khoảng 1-3μm. Nhiệt độ tối đa cần kiểm soát để không vượt quá giới hạn chịu đựng của các linh kiện nhạy cảm trên PCB, như tụ tantalum thường chỉ chịu được đến 260°C trong tối đa 10 giây.
Khu vực tái chảy là khu vực có nhiệt độ cao nhất trong toàn bộ quá trình tái chảy, thường được gọi là "Thời gian duy trì trạng thái lỏng" (TAL - time above liquids). Trong giai đoạn này, thiếc trong hàn sẽ phản ứng với đồng (Cu) hoặc niken (Ni) trên pad và hình thành hợp chất liên kim loại như Cu₅Sn₆ hoặc Ni₃Sn₄. Ví dụ với lớp bảo vệ bề mặt OSP (phủ bảo vệ hữu cơ), khi kem hàn tan chảy, nó nhanh chóng ướt lớp đồng, cho phép các nguyên tử thiếc và đồng khuếch tán tại giao diện của chúng. Ban đầu, hợp kim Sn-Cu hình thành hợp chất liên kim loại Cu₆Sn₅ bền, đánh dấu giai đoạn quan trọng trong lò tái chảy, vì cần phải đảm bảo chênh lệch nhiệt độ trong quá trình lắp ráp là tối thiểu.
Độ dày của IMC từ 1-5μm là chấp nhận được; tuy nhiên, nếu quá dày, nó có thể gây ra vấn đề, và lý tưởng là nên kiểm soát trong phạm vi 1-3μm. TAL phải được duy trì trong các thông số do nhà sản xuất kem hàn quy định. Sản phẩm đạt nhiệt độ đỉnh trong giai đoạn này, khi lắp ráp đạt đến nhiệt độ cao nhất của lò. Nếu thời gian này kéo dài, IMC có thể dày lên và trở nên giòn và các lớp đồng cơ bản có thể tiếp tục hình thành IMC không mong muốn Cu₃
Khu vực làm nguội (Cooling zone)
Sau khu vực hàn tái lưu là khu vực làm nguội, quá trình này giúp làm cứng điểm hàn và chuẩn bị cho các bước lắp ráp tiếp theo. Tốc độ làm nguội quá nhanh có thể gây hư hỏng trong khi quá chậm có thể tạo thành hợp chất liên kim không mong muốn, gây yếu điểm trong điểm hàn. Tốc độ làm nguội thường được khuyến nghị trong khoảng 2~5°C/s.
Sau khu vực tái chảy, sản phẩm được làm nguội và điểm hàn được làm cứng, chuẩn bị cho các công đoạn lắp ráp tiếp theo. Việc kiểm soát tốc độ làm nguội cũng rất quan trọng, làm nguội quá nhanh có thể làm hỏng lắp ráp, trong khi làm nguội quá chậm sẽ kéo dài TAL và có thể tạo ra các điểm hàn dễ gãy.
Khu vực làm nguội thường được cho là cần giảm nhiệt độ nhanh chóng để hàn đông cứng. Làm nguội nhanh cũng tạo ra cấu trúc tinh thể mịn hơn, tăng cường độ của điểm hàn, giúp điểm hàn sáng bóng, bề mặt liên tục và có hình dạng như hình trăng lưỡi liềm. Tuy nhiên, nhược điểm là dễ hình thành các lỗ nhỏ, do một số khí không kịp thoát ra ngoài.
Ngược lại, khi làm nguội chậm trên nhiệt độ nóng chảy, dễ dẫn đến sự hình thành quá mức của hợp chất liên kim loại (IMC) và các tinh thể lớn, làm giảm khả năng chịu lực mỏi. Sử dụng tốc độ làm nguội nhanh hơn có thể hạn chế việc hình thành hợp chất liên kim loại hiệu quả.
Khi tăng tốc độ làm nguội, cần chú ý đến khả năng chịu va đập của linh kiện. Tốc độ làm nguội tối đa mà một số loại tụ điện cho phép là khoảng 4°C/giây. Tốc độ làm nguội quá nhanh có thể gây ra ứng suất dẫn đến nứt vỡ, và có thể gây bong lớp hàn với PCB hoặc giữa lớp hàn với điểm hàn, do sự khác biệt về hệ số giãn nở nhiệt và tỷ lệ co ngót giữa linh kiện, hàn, và điểm hàn. Tốc độ làm nguội khuyến nghị thường là từ 2-5°C/giây.
