Công nghệ đóng gói bề mặt (SMT)

Đầu tháng 5/2008, tại Hà Nội sẽ diễn ra hội chợ triển lãm về công nghiệp điện tử. Khách tham quan triển lãm sẽ có cơ hội diện kiến những cỗ máy, những công nghệ đang ngày đêm góp phần vào sự phát triển của nền công nghiệp điện tử toàn cầu. Theo thông tin do TĐH nhận được, các hãng sãn xuất thiết bị cho nền công nghiệp điện tử sẽ tập trung vào giới thiệu các dây truyền hàn linh kiện bề mặt. Nhân sự kiện này chúng tôi xin gửi tới quý độc giả một số khái niệm về công nghệ tiên tiến này với mong muốn rằng chúng ta sẽ có những khái niệm cơ bản khi tiếp xúc với các cỗ máy làm nên sự thành công cho bao tập đoàn điện tử hàng đầu thế giới.

Khái niệm về công nghệ hàn linh kiện bề mặt (SMT)

Công nghệ hàn linh kiện bề mặt là phương pháp gắn các linh kiện điện tử trực tiếp lên trên bề mặt của bo mạch (PCB). Các linh kiện điện tử dành riêng cho công nghệ này có tên viết tắt là SMD. Trong công nghiệp điện tử, SMT đã thay thế phần lớn công nghệ đóng gói linh kiện trên tấm PCB xuyên lỗ theo đó linh kiện điện tử được cố định trên bề mặt PCB bằng phương pháp xuyên lỗ và hàn qua các bể chì nóng.

Lắp ráp linh kiện trên PCB theo công nghệ xuyên lỗ	Theo công nghệ SMT

Công nghệ SMT được phát triển vào những năm 1960 và được áp dụng một cách rộng rãi vào cuối những năm 1980. Tập đoàn IBM của Hoa kỳ có thể được coi là người đi tiên phong trong việc ứng dụng công nghệ này. Lúc đó linh kiện điện tử phải được gia công cơ khí để đính thêm một mẩu kim loại vào hai đầu sao cho có thể hàn trực tiếp chúng lên trên bề mặt mạch in. Kích thước linh kiện được giảm xuống khá nhiều và việc gắn linh kiện lên trên cả hai mặt của PCB làm cho công nghệ SMT trở lên thông dụng hơn là công nghệ gắn linh kiện bằng phương pháp xuyên lỗ, cho phép làm tăng mật độ linh kiện. Thông thường, mỗi linh kiện được cố định trên bề mặt mạch in bằng một diện tích phủ chì rất nhỏ, và ở mặt kia của tấm PCB linh kiện cũng chỉ được cố định bằng một chấm kem hàn tương tự. Vì lý do này, kích thước vật lý của linh kiện ngày càng giảm. Công nghệ SMT có mức độ tự động hóa cao, không đòi hỏi nhiều nhân công, và đặc biệt làm tăng công suất sản xuất.

Kỹ thuật gắn chíp - Các hãng khác nhau sở hữu những bí quyết và độc quyền công nghệ khác nhau khi chế tạo các loại máy gắn chíp trên dây truyền SMT. Tuy vậy, những công đoạn từ lúc nạp liệu cho tới lúc thành phẩm (bo được gắn chíp) thì tương đối giống nhau. Các công đoạn đó bao gồm: 1) quét hợp kim hàn (kem hàn) lên trên bo mạch trần vào các vị trí trên đó có mạ sẵn chân hàn bằng vàng, thiếc-chì, bạc…2) gắn chíp, gắn IC 3) gia nhiệt – làm mát 4 ) kiểm tra và sửa lỗi.

Quét hợp kim hàn

Trên bề mặt mạch in không đục lỗ, ở những nơi linh kiện được gắn vào, người ta đã mạ sẵn các lớp vật liệu dẫn điện như thiếc-chì, bạc hoặc vàng – những chi tiết này được gọi là chân hàn (hay lớp đệm hàn). Sau đó, kem hàn, thường thấy dưới dạng bột nhão là hỗn hợp của hợp kim hàn (có thành phần khác nhau, tùy vào công nghệ và đối tượng hàn) và các hạt vật liệu hàn, được quét lên trên bề mặt của mạch in. Để tránh kem hàn dính lên trên những nơi không mong muốn người ta phải sử dụng một dụng cụ đặc biệt gọi mà mặt nạ kim loại (metal mask – hoặc stencil) làm bằng màng mỏng thép không gỉ trên đó người ta gia công, đục thủng ở những vị trí tương ứng với nơi đặt chíp trên bo mạch-bằng cách này, kem hàn sẽ được quét vào các vị trí mong muốn. Nếu cần phải gắn linh kiện lên mặt còn lại của bo mạch, người ta phải sử dụng một thiết bị điều khiển số để đặt các chấm vật liệu có tính bám dính cao vào các vị trí đặt linh kiện. Sau khi kem hàn được phủ lên trên bề mặt, bo mạch sẽ được chuyển sang máy đặt chíp (pick-and-place machine).

(mẫu mặt nạ kim loại)

Gắn chíp, gắn IC

Các linh kiện SMDs, kích thước nhỏ, thường được chuyển tải tới dây truyền trên băng chứa (bằng giấy hoặc nhựa) xoay quanh một trục nào đó. Trong khi đó IC lại thường được chứa trong các khay đựng riêng. Máy gắp chip được điều khiển số sẽ gỡ các chip trên khay chứa và đặt chúng lên trên bề mặt PCB ở nơi được quét kem hàn. Các linh kiện ở mặt dưới của bo mạch được gắn lên trước, và các chấm keo được sấy khô nhanh bằng nhiệt hoặc bằng bức xạ UV. Sau đó bo mạch được lật lại và máy gắn linh kiện thực hiện nốt các phần còn lại trên bề mặt bo.

Gia nhiệt – làm mát

Sau khi quá trình gắp, gắn linh kiện hoàn tất, bo mạch được chuyển tới lò sấy. Đầu tiên các bo tiến vào vùng sấy sơ bộ nơi mà ở đó nhiệt độ của bo và mọi linh kiện tương đối đồng đều và được nâng lên một cách từ từ. Việc này làm giảm thiểu ứng suất nhiệt khi khi quá trình lắp ráp kết thúc sau khi hàn. Bo mạch sau đó tiến vào vùng với nhiệt độ đủ lớn để có thể làm nóng chảy các hạt vật liệu hàn trong kem hàn, hàn các đầu linh kiện lên trên bo mạch. Sức căng bề mặt của kem hàn nóng chảy giúp cho linh kiện không lệch vị trí, và nếu như bề mặt địa lý của chân hàn được chế tạo như thiết kế, sức căng bề mặt sẽ tự động điều chỉnh linh kiện về đúng vị trí của nó. .

(thiết bị gắn chíp SM421 của Samsung)

Có nhiều kỹ thuật dùng cho việc gia nhiệt, ủ bo mạch sau quá trình gắp, gắn. Những kỹ thuật mà ta thường gặp sử dụng đèn hồng ngoại, khí nóng. Trường hợp đặc biệt người ta có thể sử dụng chất lỏng CF4 với nhiệt độ sối lớn. kỹ thuật này được gọi là gia. Phương pháp này đã không còn là ưu tiên số một khi xây dựng các nhà máy. Hiện nay người ta sử dụng nhiều khí nitơ cho hoặc khí nén giầu ni-tơ trong các lò ủ đối lưu. Dĩ nhiên, mỗi phương pháp có những ưu điểm và nhược điểm riêng. Với phương pháp ủ dùng IR, kỹ sư thiết kế phải bố trí linh kiện trên bo sao cho những linh kiện thấp hơn không rơi vào vùng của các linh kiện cao hơn. Nếu người thiết kế biết trước được các chu trình nhiệt hoặc quá trình hàn đối lưu thì anh ta sẽ dễ dàng hơn trong việc bố trí các linh kiện gắn trên bo. Với một số thiết kế, người ta phải hàn thủ công hoặc lắp thêm các linh kiện đặc biệt, hoặc là tự động hóa bằng cách sử dụng các thiết bị hồng ngoại tập trung. Sau quá trình hàn các bo mạch phải được “rửa” để gỡ bỏ những phần vật liệu hàn còn dính trên đó vì bất kỳ một viên vật liệu hàn nào trên bề mặt bo cũng có thể làm ngắn mạch của hệ thống. Các vật liệu hàn khác nhau được rửa bằng các hóa chất khác nhau được tẩy rửa bằng các dung môi khác nhau. Phần còn lại là dung môi hòa tan được rửa bằng nước sạch và làm khô nhanh bằng không khí nén. Nếu không chú trọng tới hình thức và vật liệu hàn không gây hiện tượng ngắn mạch hoặc ăn mòn, bước làm sạch này có thể là không cần thiết, tiết kiệm chi phí và giảm thiểu ô nhiễm chất thải.

Kiểm tra và sửa lỗi

Cuối cùng bo mạch được đưa sang bộ phận kiểm tra quang học để phát hiện lỗi bỏ sót linh kiện hoặc sửa các lỗivị trí của linh kện. Trong trường hợp cần thiết, chúng ta có thể lắp đặt thêm một số trạm kiểm tra quang học cho dây truyền công nghệ sao cho có thể phát hiện lỗi sau từng mỗi công đoạn..

(hình ảnh kiểm tra sản phẩm sau quá trình hàn nhiệt bằng X-ray)

Ở công đoạn này chúng ta có thể sử dụng các máy AOI (automated Optical Inspection) quang học hoặc sử dụng X-ray. Các thiết bị này cho phép phát hiện các lỗi vị trí, lỗi tiếp xúc của các linh kiện và kem hàn trên bề mặt của mạch in.

Lợi điểm khi sử dụng công nghệ SMT

• Linh kiện nhỏ hơn
• Cần phải tạo ra rất ít lỗ trong quá trình chế tạo PCB
• Quá trình lắp ráp đơn giản hơn
• Những lỗi nhỏ gặp phải trong quá trình đóng gói được hiệu chỉnh tự động (sức căng bề mặt của kem hàn nóng chảy làm lệch vị trí của linh kiện ra khỏi vị trí của chân hàn trên bo mạch)
• Có thể gắn linh kiện lên trên hai mặt của bo mạch
• Làm giảm trở và kháng của lớp chì tiếp xúc (làm tăng hiệu năng của các linh kiện cao tần)
• Tinh năng chịu bền bỉ hơn trong điều kiện bị va đập và rung lắc
• Giá linh kiện cho công nghệ SMT thường rẻ hơn giá linh kiện cho công nghệ xuyên lỗ
• Các hiệu ứng cao tần (RF) không mong muốn ít xảy ra hơn khi sử dụng công nghệ SMT so với các linh kiện cho dùng công nghệ hàn chì, tạo điều kiện thuận lợi cho việc dự đoán các đặc tuyến của linh kiện.

Công nghệ SMT ra đời, thay thế dần dần công nghệ đóng gói xuyên lỗ, điều này không có nghĩa là SMT hoàn toàn lý tưởng. Những điểm cần phải khắc phục ở công nghệ này là quá trình công nghệ chế tạo SMT công phu hơn nhiều so với việc sử dụng công nghệ đóng gói xuyên lỗ, đầu tư ban đầu tương đối lớn và tốn thời gian trong việc lắp đặt hệ thống.

Do kích thước linh kiện rất nhỏ, độ phân giải của các linh kiện trên bo là rất cao nên việc nghiên cứu, triển khai công nghệ này một cách thủ công sẽ làm cho tỷ lệ sai hỏng tương đối lớn và tốn kém.

Hiện nay các sản phẩm SMT tương đối đa dạng đáp ứng đủ các nhu cầu từ thủ công tới tự động hóa hoàn toàn. Hầu như các hãng sản xuất thiết bị SMT hàng đầu thế giới đều tham gia triển lãm lần này như Samsung-SMT, Speedline (Mỹ) hay Juki (Nhật bản). Với sự xuất hiện của sản phẩm SMT, với xu hướng dịch chuyển đầu tư, Việt Nam chắc chắn sẽ trở thành những quốc gia có nền công nghiệp điện tử phát triển trong khu vực và trên thế giới trong tương lai không xa.

ACROSEMI