CHƯƠNG 5: QUY TRÌNH SẢN XUẤT BO MẠCH – Tài liệu text

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản vừa đủ của tài liệu tại đây ( 8.53 MB, 204 trang )

CHƯƠNG 5:

QUY TRÌNH SẢN XUẤT BO MẠCH

5.1 Quy trình lắp ráp linh kiện

Bo mạch in sau khi gia công có thể được lắp ráp linh kiện thủ công hoặc lắp ráp tự

động bằng máy. Cách thức lắp ráp phụ thuộc vào phân lớp công nghệ linh kiện (gồm các

lớp từ A-Z như đã trình bày trong chương 4) và số lượng bo lắp ráp linh kiện cùng một thời

điểm. Một số công ty thực hiện cả việc sản xuất bo mạch in và lắp ráp linh kiện nhưng số

khác chỉ thực hiện một trong hai công việc trên. Cách thức lắp ráp linh kiện đóng vai trò

quan trọng trong việc sắp xếp linh kiện trên PCB bởi vì việc sắp xếp này ảnh hưởng đến

khoảng cách và hướng của các linh kiện trong quá trình hàn.

Lắp ráp linh kiện thủ công

Việc lắp ráp linh kiện thủ công thường được sử dụng cho các bo mạch chế tạo thử

nghiệm với số lượng ít hoặc lắp ráp trước các linh kiện đặc biệt chuẩn bị cho công đoạn lắp

ráp tự động. Cách thức lắp ráp linh kiện thủ công có thể được sử dụng cho cả công nghệ

linh kiện dán (SMT: surface-mount technology) và linh kiện dạng xuyên lỗ (THT: throughhole technology). Đối với các bo mạch có số lượng ít thì một dây chuyền có thể có nhiều

công nhân lắp ráp, trong đó mỗi người sẽ chuyên lắp ráp một loại linh kiện. Công đoạn lắp

ráp linh kiện có thể được gián đoạn nhiều lần để thực hiện việc kiểm tra. Có thể kết hợp

công đoạn lắp ráp và hàn linh kiện thủ công hoặc hàn tự động.

Việc lắp ráp linh kiện thủ công có thể là một công việc nhàm chán. Hướng và vị trí

đặt linh kiện thống nhất sẽ giúp cho công việc lắp ráp trở nên dễ dàng hơn. Ví dụ như hướng

cực tính của linh kiện (diode, tụ điện…) cùng chiều nhau hoặc vị trí chân số 1 của tất cả IC

(integrated circuits) được đặt theo cùng một hướng có thể làm giảm sai sót và tăng hiệu

xuất lắp ráp.

Lắp ráp linh kiện tự động

Việc lắp ráp tự động hiện nay được sử dụng cho cả linh kiện dán và linh kiện xuyên

lỗ. Máy ráp linh kiện được lập trình để tự động lấy linh kiện từ trong cuộn hoặc thùng chứa

sau đó đặt linh kiện lên PCB đúng hướng và vị trí. Tốc độ ráp linh kiện xuyên lỗ có thể đạt

từ 20.000-40.000 linh kiện trên một giờ (CPH: components per hour). Dữ liệu về vị trí đặt

của linh kiện lập trình cho các máy lắp ráp tự động được cung cấp trong file Gerber tạo ra

bởi phần mềm Layout hoặc một phần mềm CAM khác.

Các linh kiện xuyên lỗ thường được ghép lại với nhau và được đóng gói theo dạng

cuộn bằng cách dán các chân lại với nhau. Loại linh kiện này thường được đặt ở lớp trên

của bo mạch và được hàn theo phương pháp hàn dạng sóng (các phương pháp hàn linh kiện

sẽ được trình bày trong phần nội dung tiếp theo). Trình tự lắp ráp tự động linh kiện dạng

46

xuyên lỗ sẽ bắt đầu với linh kiện dạng chân cắm xuyên trục (axial-leaded devices), tiếp theo

là linh kiện dạng chân cắm hình trụ (radial-leaded devices), cuối cùng là các linh kiện có

dạng đặc biệt.

Hình 5.1 Linh kiện chân cắm dạng xuyên trục và chân cắm hình trụ

Các linh kiện dán thường được đóng gói theo dạng ống (tubes), khay ma trận (matrix

trays), băng cuộn (tape and reel) hoặc dạng khối. Các linh kiện này có thể được dán trên

một hoặc cả hai mặt của PCB. Ban đầu lớp phủ chì (solder paste) được in lên các pad cần

hàn của PCB. Tiếp theo các linh kiện được gắn lên bo tạm thời bằng máy tự động (pickand-place machine) và được đưa qua lò sấy để lớp phủ chì tại các chân linh kiện nóng chảy,

sau đó chì sẽ được làm nguội và các linh kiện được hàn cứng lên bo. Linh kiện dán có thể

được gắn lên bo với tốc độ từ 10.000-100.000 con trên giờ (CPH).

Khi có linh kiện dán trên cả hai mặt của PCB hoặc hỗn hợp giữa linh kiện dán và linh

kiện xuyên lỗ thì phương pháp hàn dạng sấy và dạng sóng (reflow–wave soldering) sẽ được

sử dụng để hàn linh kiện. Ban đầu linh kiện dán trên lớp Top sẽ được gắn lên bo và được

hàn bằng phương pháp sấy. Tiếp theo linh kiện xuyên lỗ trên lớp Top sẽ được gắn lên bo

bằng cách bẻ các chân linh kiện ở lớp Bottom như Hình 5.4 hoặc dán linh kiện lên lớp Top

hoặc dựa vào sự ma sát giữa chân linh kiện và lỗ khoan. Bo mạch được lật lại, máy sẽ tự

động dán keo vào các vị trí linh kiện ở lớp Bottom. Sau đó các linh kiện dán ở lớp Bottom

được gắn lên bo bằng phương pháp thủ công hoặc tự động tại các vị trí vừa được dán keo

(glue dots) trước đó, lớp keo này sẽ giữ các linh kiện dính trên bo cho đến khi các linh kiện

này được hàn lên bo hoàn chỉnh. Tiếp theo bo mạch được đưa qua lò sấy để làm khô lớp

keo, sau đó đưa qua công đoạn hàn dạng sóng để hàn linh kiện xuyên lỗ và linh kiện dán ở

lớp Bottom.

47

Hình 5.2 Linh kiện dán đóng gói dạng ống (tubes), khay ma trận (matrix trays), băng

cuộn (tape and reel)

Hình 5.3 Máy lắp ráp linh kiện tự động quy mô nhỏ (pick-and-place machine)

Nếu bo có linh kiện dán ở cả hai mặt bo thì phương pháp hàn sấy được sử dụng. Các

linh kiện dán ở lớp Top sẽ được gắn lên bo bằng lớp phủ chì ở nhiệt độ cao, sau đó bo được

đưa qua lò sấy. Khi mà các linh kiện ở lớp Top đã được cố định thì bo mạch sẽ được lật lại

và các linh kiện ở lớp Bottom sẽ được gắn lên bo ở nhiệt độ thấp hơn để tránh làm rơi các

linh kiện ở lớp Top đã được hàn trước đó.

Hình 5.4 Linh kiện xuyên lỗ được gắn lên bo bằng cách bẻ chân

48

5.2 Quy trình hàn linh kiện

Linh kiện được hàn lên bo mạch để tạo ra các kết nối dẫn điện giữa chân linh kiện và

các đường mạch in. Để các mối hàn đạt yêu cầu thì chì hàn phải nóng chảy và tạo thành

một lớp kết nối giữa chân linh kiện và bo mạch in. Để bảo vệ các mối hàn khỏi bị oxy hóa,

bo mạch sau khi hàn linh kiện hoàn chỉnh sẽ được mạ nickel hoặc palladi.

Hàn linh kiện thủ công

Phương pháp hàn thủ công được sử dụng rộng rãi cho nhiều ứng dụng như lắp ráp

hoàn chỉnh linh kiện trên PCB, sửa chữa và thay thế linh kiện. Có nhiều công cụ hỗ trợ cho

việc hàn thủ công như là máy khò (hot-air pencil), mỏ hàn (soldering iron)…Ngoài tốc độ

hàn chậm, giới hạn lớn nhất của phương pháp hàn thủ công đó là làm tăng khả năng phóng

tĩnh điện và gây ra hiện tượng quá nhiệt tại vị trí hàn giữa linh kiện và PCB.

Hàn linh kiện dạng sóng (Wave soldering)

Bo mạch được gắn lên băng tải và được sấy trước khi đưa vào hàn như trong Hình 5.5

và Hình 5.6. Băng tải sẽ di chuyển bo mạch ngang qua bể chì nóng chảy với các gợn sóng

thẳng đứng do đó chỉ có chì hàn tại các chân linh kiện ở lớp Bottom nóng chảy. Phương

pháp này có thể sử dụng cho cả hai dạng linh kiện dán và xuyên lỗ còn phương pháp sấy

chỉ thích hợp đối với linh kiện dán. Các linh kiện dán nhỏ hoặc các tụ tantalum có thể gặp

vấn đề khi băng tải di chuyển bo mạch qua các gợn sóng. Đối với các linh kiện dán nhỏ lớp

keo dùng để dán tạm linh kiện lên bo có thể lớn hơn các Pad do đó chì hàn không thể tiếp

xúc hoặc ứng suất nhiệt độ có thể làm hỏng linh kiện dán lớn.

Đối với các linh kiện dán ở lớp Bottom người thiết kế cần biết chiều di chuyển của bo

mạch qua các gợn sóng khi hàn linh kiện. Linh kiện có thể được đặt giống như trong Hình

5.7, các linh kiện nhỏ không bị che bởi các linh kiện lớn hơn để mối hàn ở các linh kiện

nhỏ đạt yêu cầu và không nối tắt các chân của IC. Việc nối tắt các chân linh kiện xảy ra do

khoảng cách quá nhỏ giữa các chân của linh kiện dán. Vấn đề này thường xảy ra đối với

hai chân cuối cùng của IC khi di chuyển bo ngang qua các gợn sóng, phần chì thừa có xu

hướng sẽ dính và nối hai chân cuối lại với nhau. Để giải quyết vấn đề này các Pad gom chì

(solder thieves) thường được thêm vào sau chân cuối cùng của IC dạng SMD để kéo lượng

chì thừa ra khỏi các chân IC như trong Hình 5.7. Kích thước của Pad gom chì lớn hơn một

chút so với kích thước Pad các chân của IC đồng thời khoảng cách giữa Pad gom chì và

Pad cuối cùng của IC cũng lớn hơn so với khoảng cách giữa hai chân của IC.

49

Hình 5.5 Phương pháp hàn linh kiện dạng sóng với góc nhìn theo hình chiếu cạnh [1]

Hình 5.6 Phương pháp hàn linh kiện dạng sóng với góc nhìn theo hình chiếu đứng [1]

Hình 5.7 Hướng đặt của linh kiện dán khi hàn dạng sóng [1]

Hàn linh kiện dạng sấy

Hàn linh kiện dạng sấy thường sử dụng đối với các linh kiện dán nhưng cũng có thể

sử dụng để hàn cho các linh kiện dạng xuyên lỗ. Quy trình hàn linh kiện dạng sấy được

trình bày như trong Hình 5.8.

50

Hình 5.8 Quy trình hàn linh kiện dạng sấy [1]

Lớp phủ chì (solder paste) bao gồm chì và chất làm chảy dưới dạng keo dính, được in

lên bo mạch. Các linh kiện được gắn lên bo bằng máy sao cho chân của các linh kiện sẽ

nằm trên lớp phủ chì này. Bo mạch được đặt lên băng tải đưa vào lò sấy khi nhiệt độ tăng

lên chất làm chảy chì sẽ hoạt động. Sức căng bề mặt của lớp chì nóng chảy có khuynh

hướng tự sắp xếp các linh kiện. Tuy nhiên nếu các linh kiện không được sắp xếp đúng vị

trí và nhiệt độ nóng chảy tại các chân không tăng lên cùng lúc thì linh kiện có thể bị nghiêng

và chỉ kết nối vào bo bằng một chân.

5.3 Vị trí đặt và hướng của linh kiện

Một bo mạch hoàn chỉnh bao gồm tấm bo, các linh kiện và các cổng kết nối vào bo.

Người thiết kế bo mạch cần phải biết cách sắp xếp sao cho việc lắp ráp các linh kiện dễ

dàng và phải hình dung được bo mạch sau khi hoàn chỉnh sẽ như thế nào.

Cấu trúc của bo (phân loại theo ứng dụng, khả năng sản xuất), công nghệ linh kiện

(linh kiện dán hoặc xuyên lỗ) và phướng pháp hàn linh kiện (hàn dạng sóng, hàn dạng sấy)

đóng vai trò quan trọng đến không gian và việc sắp xếp linh kiện trên bo.

Vị trí và hướng đặt phụ thuộc vào loại linh kiện, phương pháp lắp ráp (thủ công, tự

động) và các yêu cầu về kỹ thuật điện… các yếu tố này không làm cho bo mạch chạy tốt

hơn nhưng sẽ giúp cho việc lắp ráp, kiểm tra và sửa chữa dễ dàng hơn.

Một số hướng dẫn về vị trí và hướng đặt của linh kiện:

1. Các linh kiện phải được sắp xếp gọn gàng, có trật tự và khoảng cách đều nhau.

2. Cạnh của các linh kiện phải được sắp xếp song song với cạnh đường bao của bo

mạch in.

3. Nếu được hàn tự động thì các linh kiện dạng xuyên lỗ phải được xếp trên cùng một

lớp.

51

4. Nếu bo mạch có cả linh kiện dán và xuyên lỗ được xếp trên cả hai lớp thì việc lắp

ráp linh kiện có thể được chia ra thành nhiều giai đoạn, việc này có thể làm tăng chi

phí gia công, tăng sai sót và làm cho việc gia công trở nên khó khăn hơn.

5. Không đặt các chip có chân cắm plastic (PLCC) hoặc tụ tantalum lớn ở lớp Bottom

vì các linh kiện này có thể bị hỏng do nhiệt độ cao.

6. Nên sử dụng độ phân giải của lưới vẽ là 100 mil (2.5 mm), đối với các chân linh

kiện không theo tiêu chuẩn thì có thể sử dụng độ phân giải là 2 mil (0.05 mm) theo

tiêu chuẩn IPC-2221A.

7. Độ phân giải lưới dành cho các bo mạch có kiểm tra chịu tải là 0.1 inch (2.54 mm)

8. Hướng của các linh kiện có phân chia cực tính như tụ điện và diode nên được sắp

thống nhất trên toàn bo mạch để thuận lợi cho việc kiểm tra và đo đạc.

9. Cần thêm vào các điểm tọa độ chuẩn (toàn cục và cục bộ) trên bo mạch để hỗ trợ

cho các máy ráp linh kiện tự động có sử dụng công nghệ xử lý ảnh.

10. Nên sắp xếp các đầu kết nối (connectors) ở phía cạnh ngắn hơn của bo mạch khi sử

dụng phương pháp hàn tự động.

11. Nên dành ra phần diện tích cần thiết ở các cạnh bo để có thể gá bo vào máy ráp linh

kiện và điều tiết khi phần cứng thay đổi.

12. Đối với các linh kiện có khối lượng lớn hơn 5g/chân thì linh kiện này nên có giá đỡ

cơ khí gắn lên bo đề phòng trường hợp linh kiện sẽ bị rơi ra khi bị rung động.

13. Quản lý nhiệt độ khi hàn và khi mạch hoạt động cần được chú ý trong quá trình thiết

kế bo mạch.

14. Khi hai vấn đề cùng xảy ra, cần ưu tiên chú ý đến vấn đề về mặt điện hơn là về cơ

khí.

15. Đối với các bo mạch có cả tín hiệu tương tự (analog) và số (digital) thì các linh kiện

nên được tách riêng để giảm ảnh hưởng của tín hiệu nhiễu chuyển mạch trên bo

analog. Mạch công suất lớn phải được cách ly với mạch công suất nhỏ và mạch nhiễu

thấp.

52

5.4 Khoảng cách tối thiểu giữa các linh kiện bố trí trên PCB

Bảng 5.1 Khoảng cách tối thiểu giữa các linh kiện dạng xuyên lỗ chân cắm xuyên trục

[1]

Bảng 5.2 Khoảng cách tối thiểu giữa các linh kiện dạng xuyên lỗ chân cắm hình trụ [1]

53

Bảng 5.3 Khoảng cách tối thiểu giữa các IC dạng chân cắm xuyên lỗ [1]

Bảng 5.4 Khoảng cách tối thiểu giữa IC và các linh kiện rời dạng chân cắm xuyên lỗ [1]

Bảng 5.5 Khoảng cách tối thiểu giữa lỗ khoan và dây jumper [1]

54

Bảng 5.6 Khoảng cách tối thiểu giữa các linh kiện rời dạng chân dán [1]

Bảng 5.7 Khoảng cách tối thiểu giữa các IC dán [1]

5.5 Thiết kế footprint và padstack theo yêu cầu sản xuất

Phần mềm Layout chứa rất nhiều footprint sẵn có tuy nhiên đôi lúc chúng ta cũng phải

tạo riêng một số footprint cho các yêu cầu cụ thể mà thư viện không có. Việc thiết kế

footprint cho các linh kiện dán và linh kiện xuyên lỗ cũng có nhiều điểm khác nhau. Một

fooprint trong Layout bao gồm hình dạng từng chân linh kiện (padstack), tên linh kiện (silkscreen) và đường bao linh kiện (outline).

55

Mẫu footprint linh kiện dán (SMD: Surface-Mounted Devices)

Khi thiết kế một bo mạch nếu chúng ta cần một footprint không có sẵn trong thư viện

Layout thì chúng ta phải thực hiện nhiều bước để có thể tạo được một footprint linh kiện

mới. Nếu như linh kiện cần tạo có hình dạng gần giống với footprint có sẵn nhưng khác số

chân thì chúng ta có thể chỉnh sửa và lưu lại với tên gọi mới, có thể thêm chân, thay đổi

kích thước đường bao và lớp tên linh kiện. Để tạo footprint mới chúng ta cần thông số kỹ

thuật từ nhà sản xuất linh kiện để tham khảo các gợi ý về hình dạng và kích thước fooprint

như được mô tả trong Hình 5.9.

Hình 5.9 Thông số kỹ thuật về kích thước và hình dạng của linh kiện [1]

Từ thông số kỹ thuật của nhà sản xuất linh kiện chúng ta có thể xác định kích thước

chiều rộng, chiều cao của Pad và khoảng cách giữa các Pad để tạo footprint mới trong

Layout như trong Hình 5.10.

Hình 5.10 Các kích thước của footprint [1]

56

Source: https://dichvubachkhoa.vn
Category : Điện Tử Bách Khoa