SMT (Surface-mount technology) [1] là cụng nghệ hàn linh kiện bề mặt là phương phỏp gắn cỏc linh kiện điện tử trực tiếp lờn trờn bề mặt của bo mạch (PCB). Trong cụng nghiệp điện tử, SMT đó thay thế phần lớn cụng nghệ đúng gúi linh kiện trờn tấm PCB xuyờn lỗ theo đú linh kiện điện tử được cố định trờn bề mặt PCB bằng phương phỏp xuyờn lỗ và hàn qua cỏc bể chỡ núng.
Lắp rỏp linh kiện trờn PCB theo cụng nghệ xuyờn lỗ Theo cụng nghệ SMT Hỡnh 2.2. So sỏnh bản mạch gắn theo cụng nghệ xuyờn lỗ và SMT.
Cụng nghệ SMT được phỏt triển vào những năm 1960 và được ỏp dụng một cỏch rộng rói vào cuối những năm 1980. Tập đoàn IBM của Hoa kỳ cú thể được coi là người đi tiờn phong trong việc ứng dụng cụng nghệ này. Lỳc đú linh kiện điện tử phải được gia cụng cơ khớ để đớnh thờm một mẩu kim loại vào hai đầu sao cho cú thể hàn trực tiếp chỳng lờn trờn bề mặt mạch in. Kớch thước linh kiện được giảm xuống khỏ nhiều và việc gắn linh kiện lờn trờn cả hai mặt của PCB làm cho cụng nghệ SMT trở lờn thụng dụng hơn là cụng nghệ gắn linh kiện bằng phương phỏp xuyờn lỗ, cho phộp làm tăng mật độ linh kiện. Thụng thường, mỗi linh kiện được cố định trờn bề mặt mạch in bằng một diện tớch phủ chỡ rất nhỏ, và ở mặt kia của tấm PCB linh kiện cũng chỉ được cố định bằng một chấm kem hàn tương tự. Vỡ lý do này, kớch thước vật lý của linh kiện ngày càng giảm. Cụng nghệ SMT cú mức độ tự động húa cao, khụng đũi hỏi nhiều nhõn cụng, và đặc biệt làm tăng cụng suất sản xuất. 2.2.1. Lợi điểm khi sử dụng cụng nghệ SMT
Quỏ trỡnh lắp rỏp đơn giản hơn, cần phải tạo ra rất ớt lỗ trong quỏ trỡnh chế tạo PCB, linh kiện nhỏ hơn, linh kiện cú thể gắn lờn trờn hai mặt của bo mạch.
Những lỗi nhỏ gặp phải trong quỏ trỡnh đúng gúi được căn chỉnh tự động (sức căng bề mặt của kem hàn núng chảy làm lệch vị trớ của linh kiện ra khỏi vị trớ của chõn hàn trờn bo mạch).
Làm giảm trở và khỏng của lớp chỡ tiếp xỳc (làm tăng hiệu năng của cỏc linh kiện cao tần).
Giỏ linh kiện cho cụng nghệ SMT thường rẻ hơn giỏ linh kiện cho cụng nghệ xuyờn lỗ.
Cỏc hiệu ứng cao tần (RF) khụng mong muốn ớt xảy ra hơn khi sử dụng cụng nghệ SMT so với cỏc linh kiện cho dựng cụng nghệ hàn chỡ, tạo điều kiện thuận lợi cho việc dự đoỏn cỏc đặc tuyến của linh kiện.
Thiết kế được bản mạch phức tạp hơn rất nhiều, tận dụng cụng nghệ đa lớp giảm nhẹ khụng gian thiết kế.
Cụng nghệ SMT ra đời, thay thế dần dần cụng nghệ đúng gúi xuyờn lỗ, điều này khụng cú nghĩa là SMT hoàn toàn lý tưởng. Những điểm cần phải khắc phục ở cụng nghệ này là quỏ trỡnh cụng nghệ chế tạo SMT cụng phu hơn nhiều so với việc sử dụng cụng nghệ đúng gúi xuyờn lỗ, đầu tư ban đầu tương đối lớn và tốn thời gian trong việc lắp đặt hệ thống.
Do kớch thước linh kiện rất nhỏ, độ phõn giải của cỏc linh kiện trờn bo là rất cao nờn việc nghiờn cứu, triển khai cụng nghệ này một cỏch thủ cụng sẽ làm cho tỷ lệ sai hỏng tương đối lớn và tốn kộm.
Hiện nay cỏc sản phẩm SMT tương đối đa dạng đỏp ứng đủ cỏc nhu cầu từ thủ cụng tới tự động húa hoàn toàn. Hầu như cỏc hóng sản xuất thiết bị SMT hàng đầu thế giới đều tham gia triển lóm 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 cú nền cụng nghiệp điện tử phỏt triển trong khu vực và trờn thế giới trong tương lai khụng xa.
2.2.2. Mụ tả kỹ thuật gắn chip SMT
Kỹ thuật gắn chớp - cỏc hóng khỏc nhau sở hữu những bớ quyết và độc quyền cụng nghệ khỏc nhau khi chế tạo cỏc loại mỏy gắn chớp trờn dõy truyền SMT. Tuy vậy, những cụng đoạn từ lỳc nạp liệu cho tới lỳc thành phẩm (bo được gắn chớp) thỡ tương đối giống nhau. Cỏc cụng đoạn đú bao gồm: 1) quột hợp kim hàn (kem hàn) lờn trờn bo mạch trần vào cỏc vị trớ trờn đú cú mạ sẵn chõn hàn bằng vàng, thiếc-chỡ, bạc…2) gắn chớp, gắn IC 3) gia nhiệt – làm mỏt 4 ) kiểm tra và sửa lỗi.
Trờn bề mặt mạch in khụng đục lỗ, ở những nơi linh kiện được gắn vào, người ta đó mạ sẵn cỏc lớp vật liệu dẫn điện như thiếc-chỡ, bạc hoặc vàng – những chi tiết này được gọi là chõn hàn (hay lớp đệm hàn). Sau đú, kem hàn, thường thấy dưới dạng bột nhóo là hỗn hợp của hợp kim hàn (cú thành phần khỏc nhau, tựy vào cụng nghệ và đối tượng hàn) và cỏc hạt vật liệu hàn, được quột lờn trờn bề mặt của mạch in. Để trỏnh kem hàn dớnh lờn trờn những nơi khụng 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 thộp khụng gỉ trờn đú người ta gia cụng, đục thủng ở những vị trớ tương ứng với nơi đặt chớp trờn bo mạch-bằng cỏch này, kem hàn sẽ được quột vào cỏc vị trớ mong muốn. Nếu cần phải gắn linh kiện lờn mặt cũn lại của bo mạch, người ta phải sử dụng một thiết bị điều khiển số để đặt cỏc chấm vật liệu cú tớnh bỏm dớnh cao vào cỏc vị trớ đặt linh kiện. Sau khi kem hàn được phủ lờn trờn bề mặt, bo mạch sẽ được chuyển sang mỏy đặt chớp (pick-and-place machine).
Hỡnh 2.3. Mặt nạ kim loại (Meta Mask).
Một số kỹ thuật hàn chớp:
* Kỹ thuật hàn dựng chất keo dớnh:Ở kỹ thuật này người ta hay sử dụng cỏc hợp chất cú tớnh chất bỏm dớnh tốt như polyimide, epoxy hoặc keo bạc làm vật liệu hàn khi gắn chớp lờn leadframe. Sau khi xỏc định được vị trớ tương thớch giữa die và cấu hỡnh trờn leadframe, die sẽ được đẩy ra khỏi bỳt
chõn khụng, nộn lờn trờn bề mặt của epoxy và quỏ trỡnh hàn kết thỳc.Kỹ thuật hàn eutectic, thường được ứng dụng trong đúng gúi kớn, sử dụng hợp kim cựng tinh để gắp die lờn trờn leadframe. Kỹ thuật hàn tiờn tiến này dựa trờn việc sử dụng vật liệu hàn tạo ra hợp kim cựng tinh ở một điều nhiệt độ đặc biệt nào đú, và điểm núng chảy của hợp kim thường thấp hơn khi nú ở dạng kim loại đơn lẻ. Hợp kim Au-Si, Au-Sn hoặc Pd-Si thường được sử dụng rộng rói trong kỹ thuật này. Để gắn được chõn lờn mặt phủ đồng trờn PCB đầu tiờn người ta phủ một lớp vàng với độ dầy phự hợp lờn trờn bề mặt đồng hoặc chõn).
* Kỹ thuật hàn dõy (wire bonding):
Khụng giống như hàn dõy thiếc trờn cỏc linh kiện điện tử vậy, hàn dõy chớp là một việc làm đũi hỏi tớnh kiờn nhẫn và sự hiểu biết về cấu trỳc IC. Vật liệu hàn ở đõy thường là hợp kim Au hoặc Al cú đường kớnh mặt cắt ngang tiờu chuẩn cỡ 25 micromột, Cú hai phương phỏp gắn sợi dõy lờn những mối hàn vụ cựng nhỏ bộ đú là: phương phỏp hàn ộp nhiệt (thermocompression bonding - TC) và phương phỏp hàn dựng siờu õm (ultrasonic bonding- US). Phương phỏp TC được phỏt triển tại phũng thớ nghiệm Bell (Hoa Kỳ) phục vụ cho ngành vi điện tử từ 1957, và đến những năm 1960 mới được thay thế bằng phương phỏp hàn dựng siờu õm. Phương phỏp hàn TC dựng lực nộn khi hàn, nhiệt độ cao trong điều kiện chõn khụng hoặc khớ trơ (N2, hoặc Ar) để tạo ra mối hàn.
* Kỹ thuật hàn dựng siờu õm (Ultrasonic Technique):
Mối hàn, trong phương phỏp này, nhận được nhờ tương tỏc của cỏc yếu tố: lực chõn khụng, ỏp suất, nhiệt độ và thời gian. Sự trợ giỳp của camera và màn hỡnh tạo thuận lợi rất nhiều cho người kỹ sư. Khi hàn, dõy hàn được đặt lờn trờn mối hàn (bonding pad). Tần số siờu õm cộng, lực nộn cộng với sự cọ sỏt ở điểm đầu hàn tiếp xỳc với mối hàn đầu tiờn làm sạch điểm tiếp xỳc giữa hai vật liệu cần hàn (tẩy bỏ lớp oxớt bề mặt) sau là làm tăng nhiệt độ ở khu vực đú dẫn đến cú sự khuếch tỏn vào nhau giữa cỏc vật liệu. Vớ dụ: mỏy hàn của cụng ty Westbond sử dụng một bộ phỏt siờu õm kờnh đụi, hoạt động ở tần số 63 KHz được điều khiển bởi vi xử lý Motorola 68000, thời gian phỏt xung và cụng suất xung cú thể thay đổi một cỏch đơn giản, biờn độ dao động ở chế độ cọ sỏt (scrubs mode) cỡ vài chục micromet xung quanh vị trớ cần hàn.
Trong kỹ thuật hàn dựng siờu õm, hỡnh dạng mối hàn sẽ quy định cấu hỡnh của đầu hàn – đú là cỏc phộp hàn trũn (ball bonding – mối hàn cú dạng
cầu) và phộp hàn dẹt (wedge bonding – mốt hàn cú dạng dẹt). Dưới tỏc dụng của xung siờu õm và lực nộn, dõy hàn bị nộn Dẹt và dớnh vào điểm hàn.
* Gắn chớp, gắn IC
Cỏc linh kiện SMDs, kớch thước nhỏ, thường được chuyển tải tới dõy truyền trờn băng chứa (bằng giấy hoặc nhựa) xoay quanh một trục nào đú. Trong khi đú IC lại thường được chứa trong cỏc khay đựng riờng. Mỏy gắp chip được điều khiển số sẽ gỡ cỏc chip trờn khay chứa và đặt chỳng lờn trờn bề mặt PCB ở nơi được quột kem hàn. Cỏc linh kiện ở mặt dưới của bo mạch được gắn lờn trước, và cỏc chấm keo được sấy khụ nhanh bằng nhiệt hoặc bằng bức xạ UV. Sau đú bo mạch được lật lại và mỏy gắn linh kiện thực hiện nốt cỏc phần cũn lại trờn bề mặt bo.
Hỡnh 2.4. Mỏy gắn chớp đang hoạt động.
* Gia nhiệt – làm mỏt
Sau khi quỏ trỡnh gắp, gắn linh kiện hoàn tất, bo mạch được chuyển tới lũ sấy. Đầu tiờn cỏc bo tiến vào vựng sấy sơ bộ nơi mà ở đú nhiệt độ của bo và mọi linh kiện tương đối đồng đều và được nõng lờn một cỏch từ từ. Việc này làm giảm thiểu ứng suất nhiệt khi khi quỏ trỡnh lắp rỏp kết thỳc sau khi hàn. Bo mạch sau đú tiến vào vựng với nhiệt độ đủ lớn để cú thể làm núng chảy cỏc hạt vật liệu hàn trong kem hàn, hàn cỏc đầu linh kiện lờn trờn bo mạch. Sức căng bề mặt của kem hàn núng chảy giỳp cho linh kiện khụng lệch vị trớ, và nếu như bề mặt địa lý của chõn hàn được chế tạo như thiết kế, sức căng bề mặt sẽ tự động điều chỉnh linh kiện về đỳng vị trớ của nú.
Cú nhiều kỹ thuật dựng cho việc gia nhiệt, ủ bo mạch sau quỏ trỡnh gắp, gắn. Những kỹ thuật mà ta thường gặp sử dụng đốn hồng ngoại, khớ núng. Trường hợp đặc biệt người ta cú thể sử dụng chất lỏng CF4 với nhiệt độ sối lớn. kỹ thuật này được gọi là gia. Phương phỏp này đó khụng cũn là ưu tiờn số một khi xõy dựng cỏc nhà mỏy. Hiện nay người ta sử dụng nhiều khớ nitơ cho (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
hoặc khớ nộn giầu ni-tơ trong cỏc lũ ủ đối lưu. Dĩ nhiờn, mỗi phương phỏp cú những ưu điểm và nhược điểm riờng. Với phương phỏp ủ dựng IR, kỹ sư thiết kế phải bố trớ linh kiện trờn bo sao cho những linh kiện thấp hơn khụng rơi vào vựng của cỏc linh kiện cao hơn. Nếu người thiết kế biết trước được cỏc chu trỡnh nhiệt hoặc quỏ trỡnh hàn đối lưu thỡ anh ta sẽ dễ dàng hơn trong việc bố trớ cỏc linh kiện gắn trờn bo. Với một số thiết kế, người ta phải hàn thủ cụng hoặc lắp thờm cỏc linh kiện đặc biệt, hoặc là tự động húa bằng cỏch sử dụng cỏc thiết bị hồng ngoại tập trung. Sau quỏ trỡnh hàn cỏc bo mạch phải được “rửa” để gỡ bỏ những phần vật liệu hàn cũn dớnh trờn đú vỡ bất kỳ một viờn vật liệu hàn nào trờn bề mặt bo cũng cú thể làm ngắn mạch của hệ thống. Cỏc vật liệu hàn khỏc nhau được rửa bằng cỏc húa chất khỏc nhau được tẩy rửa bằng cỏc dung mụi khỏc nhau. Phần cũn lại là dung mụi hũa tan được rửa bằng nước sạch và làm khụ nhanh bằng khụng khớ nộn. Nếu khụng chỳ trọng tới hỡnh thức và vật liệu hàn khụng gõy hiện tượng ngắn mạch hoặc ăn mũn, bước làm sạch này cú thể là khụng cần thiết, tiết kiệm chi phớ và giảm thiểu ụ nhiễm chất thải.
* Kiểm tra và sửa lỗi
Cuối cựng bo mạch được đưa sang bộ phận kiểm tra quang học để phỏt hiện lỗi bỏ sút linh kiện hoặc sửa cỏc lỗivị trớ của linh kện. Trong trường hợp cần thiết, chỳng ta cú thể lắp đặt thờm một số trạm kiểm tra quang học cho dõy truyền cụng nghệ sao cho cú thể phỏt hiện lỗi sau từng mỗi cụng đoạn..
Hỡnh 2.5. Sản phẩm sau quỏ trỡnh hàn nhiệt bằng X-ray.
Ở cụng đoạn này chỳng ta cú thể sử dụng cỏc mỏy AOI (Automated Optical Inspection) quang học hoặc sử dụng X-ray. Cỏc thiết bị này cho phộp phỏt hiện cỏc lỗi vị trớ, lỗi tiếp xỳc của cỏc linh kiện và kem hàn trờn bề mặt của mạch in.