Nội dung bài viết
Trong quá trình lắp ráp SMT, linh kiện sau khi được đặt lên PCB vẫn chưa tạo thành kết nối điện và cơ khí hoàn chỉnh. Giữa chân hoặc đầu cực của linh kiện và pad trên PCB có một lớp kem hàn, và cần một quá trình gia nhiệt được kiểm soát để vật liệu này nóng chảy, tạo liên kết rồi đông đặc. Công đoạn đó được thực hiện bằng hàn reflow.
Điểm đặc trưng của reflow không nằm đơn thuần ở việc làm nóng bo mạch mà ở cách kiểm soát nhiệt độ theo từng giai đoạn. PCB phải được gia nhiệt đủ để kem hàn đạt trạng thái nóng chảy, đồng thời hạn chế sốc nhiệt và tránh ảnh hưởng đến linh kiện, PCB hoặc chất lượng mối hàn.
Hàn reflow là gì?
Hàn reflow là phương pháp hàn sử dụng nhiệt để làm nóng chảy kem hàn đã được in trên PCB, tạo liên kết giữa các pad và đầu cực của linh kiện SMT. Sau khi đạt trạng thái hàn cần thiết, PCB được làm nguội để mối hàn đông đặc và cố định linh kiện.
Quá trình này thường được thực hiện trong lò reflow có nhiều vùng nhiệt. Mỗi vùng được thiết lập một mức nhiệt và thời gian phù hợp để PCB đi qua một biên dạng nhiệt được kiểm soát.
Reflow chủ yếu được sử dụng cho linh kiện gắn bề mặt trong công nghệ SMT. Phương pháp này phù hợp với dây chuyền tự động vì có thể xử lý nhiều linh kiện trên cùng một PCB trong một chu trình liên tục. Để hiểu đầy đủ hơn về công đoạn này trong tổng thể công nghệ lắp ráp điện tử , cần đặt reflow trong mối liên hệ với các bước trước và sau nó: in kem hàn, đặt linh kiện và kiểm tra sau hàn.
Nguyên lý hàn reflow
Nguyên lý cơ bản của reflow dựa trên sự thay đổi trạng thái của kem hàn dưới tác động của nhiệt. Trước khi vào lò, kem hàn được in lên các pad trên PCB. Linh kiện SMT được đặt vào đúng vị trí, nhờ độ bám của kem hàn mà có thể giữ tương đối ổn định trên PCB trong quá trình di chuyển.
Khi PCB đi qua các vùng nhiệt, kem hàn tăng nhiệt theo biên dạng được thiết lập. Đến vùng nhiệt độ phù hợp, vật liệu hàn nóng chảy và tạo sự liên kết giữa đầu cực linh kiện với pad PCB.
Sau khi rời khỏi vùng nhiệt độ hàn, PCB được làm nguội. Vật liệu hàn chuyển về trạng thái rắn, tạo thành mối nối vừa có chức năng dẫn điện vừa giữ linh kiện cố định trên bo mạch. Vì vậy, chất lượng reflow phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ, thời gian và tốc độ thay đổi nhiệt, chứ không chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ tối đa của lò.
Quy trình hàn reflow
Một chu trình reflow điển hình có thể chia thành các giai đoạn chính: gia nhiệt ban đầu, ổn định nhiệt, hàn nóng chảy và làm nguội.
Giai đoạn gia nhiệt ban đầu
PCB được đưa vào vùng đầu tiên của lò và nhiệt độ được nâng dần từ mức ban đầu lên mức cao hơn. Việc tăng nhiệt từ từ giúp hạn chế sốc nhiệt đối với PCB và linh kiện. Nếu tốc độ tăng nhiệt quá cao, một số vật liệu hoặc linh kiện có thể chịu ứng suất nhiệt không mong muốn, đồng thời quá trình bay hơi của các thành phần trong kem hàn cũng có thể diễn ra không ổn định.
Giai đoạn ổn định nhiệt
Sau khi tăng nhiệt ban đầu, PCB có thể đi qua vùng duy trì hoặc cân bằng nhiệt. Mục tiêu là đưa các khu vực khác nhau trên bo mạch về trạng thái nhiệt tương đối đồng đều trước khi bước vào vùng hàn.
Điều này đặc biệt quan trọng với PCB có kích thước lớn hoặc có sự khác biệt đáng kể về khối lượng đồng giữa các khu vực. Nếu một vùng nóng nhanh trong khi vùng khác chưa đạt nhiệt độ tương ứng, điều kiện hình thành mối hàn giữa các vị trí có thể không đồng nhất.
Giai đoạn nóng chảy và hình thành mối hàn
Đây là giai đoạn quan trọng nhất của chu trình reflow. Nhiệt độ được đưa lên mức phù hợp với loại kem hàn để vật liệu hàn chuyển sang trạng thái nóng chảy.
Khi ở trạng thái này, vật liệu hàn tạo liên kết giữa pad PCB và đầu cực của linh kiện. Thời gian PCB duy trì trong vùng nhiệt độ hàn cần được kiểm soát để mối hàn hình thành đầy đủ nhưng không gây tác động nhiệt quá mức lên linh kiện và PCB.
Giai đoạn làm nguội
Sau vùng hàn, PCB được đưa qua khu vực làm nguội. Vật liệu hàn chuyển từ trạng thái lỏng về trạng thái rắn và hình thành mối hàn cuối cùng. Tốc độ làm nguội cũng cần được kiểm soát. Làm nguội không phù hợp có thể ảnh hưởng đến cấu trúc mối hàn và tạo ra ứng suất nhiệt trong cụm PCB.
Biên dạng nhiệt trong hàn reflow
Biên dạng nhiệt (thermal profile) mô tả sự thay đổi nhiệt độ của PCB theo thời gian khi đi qua lò reflow. Đây là cơ sở để đánh giá và điều chỉnh một chu trình hàn.
Một biên dạng thường thể hiện các thông số như:
- Tốc độ tăng nhiệt.
- Khoảng nhiệt độ và thời gian ổn định.
- Nhiệt độ đỉnh.
- Thời gian vật liệu hàn ở trên mức nhiệt độ nóng chảy.
- Tốc độ làm nguội.
Không có một mức nhiệt duy nhất phù hợp cho mọi loại PCB. Biên dạng cần được thiết lập dựa trên loại kem hàn, linh kiện, PCB, thiết kế sản phẩm và yêu cầu của vật liệu sử dụng.
Trong thực tế sản xuất, người vận hành có thể sử dụng thiết bị đo nhiệt với các cảm biến đặt tại những vị trí khác nhau trên PCB để ghi lại đường cong nhiệt thực tế. Dữ liệu này giúp xác định PCB có đạt điều kiện nhiệt mong muốn hay không.
Những yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng hàn reflow
Loại kem hàn
Thành phần và đặc tính nhiệt của kem hàn ảnh hưởng trực tiếp đến cách vật liệu nóng chảy và hình thành mối hàn. Vì vậy, thông số của lò cần tương thích với loại kem hàn được sử dụng.
Thiết kế PCB
Kích thước bo mạch, độ dày, phân bố đồng và mật độ linh kiện đều có thể ảnh hưởng đến khả năng truyền nhiệt. Những khu vực có lượng đồng lớn thường hấp thụ nhiệt khác với các vùng có ít đồng. Do đó, một PCB có thiết kế phức tạp có thể cần biên dạng nhiệt được tối ưu riêng thay vì áp dụng máy móc thông số của một sản phẩm khác.
Kích thước và loại linh kiện
Linh kiện nhỏ và lớn trên cùng một PCB có thể có đặc tính hấp thụ nhiệt khác nhau. Những package có yêu cầu nhiệt đặc thù cũng cần được xem xét khi thiết lập profile. Với các package có nhiều điểm kết nối hoặc cấu trúc đặc biệt, chất lượng mối hàn còn phụ thuộc vào thiết kế pad và lượng kem hàn được in trước đó.
Tốc độ băng tải và nhiệt độ từng vùng
Thời gian PCB lưu lại trong từng vùng nhiệt phụ thuộc một phần vào tốc độ băng tải. Thay đổi tốc độ mà không điều chỉnh các thông số liên quan có thể làm thay đổi toàn bộ biên dạng nhiệt. Vì vậy, việc thiết lập lò reflow thường phải xem xét đồng thời nhiệt độ từng vùng và tốc độ di chuyển PCB.
Một số lỗi thường gặp khi hàn reflow
Chất lượng mối hàn sau reflow có thể bị ảnh hưởng bởi cả công đoạn in kem hàn, đặt linh kiện và chính quá trình nhiệt.
- Mối hàn thiếu hoặc không hoàn chỉnh có thể xuất hiện khi lượng kem hàn không phù hợp hoặc điều kiện nhiệt chưa đáp ứng yêu cầu của vật liệu hàn.
- Cầu hàn xảy ra khi vật liệu hàn tạo kết nối ngoài ý muốn giữa các pad hoặc chân linh kiện liền kề. Lỗi này thường đáng chú ý ở những vị trí có khoảng cách chân nhỏ.
- Linh kiện bị lệch có thể liên quan đến vị trí đặt linh kiện, thiết kế pad, lượng kem hàn hoặc hiện tượng dịch chuyển trong quá trình nóng chảy.
- Mối hàn không ổn định cũng có thể xuất hiện khi biên dạng nhiệt không phù hợp, khiến vật liệu hàn không đạt điều kiện cần thiết hoặc chịu nhiệt không đồng đều.
Vì vậy, khi phát hiện lỗi sau reflow, không nên mặc định nguyên nhân nằm ở lò hàn. Cần xem xét cả stencil, kem hàn, PCB, linh kiện và công đoạn đặt linh kiện để xác định nguồn sai lệch.
Vai trò của hàn reflow trong công nghệ SMT
Hàn reflow là công đoạn biến việc đặt linh kiện trên PCB thành một kết nối điện và cơ khí thực sự. Nếu không có quá trình hàn phù hợp, linh kiện dù được đặt chính xác vẫn chưa thể tạo thành một bo mạch hoạt động hoàn chỉnh.
Reflow cũng phù hợp với đặc trưng của SMT vì có thể xử lý đồng thời nhiều vị trí hàn trên PCB. Khi kết hợp với in kem hàn, máy gắn linh kiện và hệ thống kiểm tra, công đoạn này tạo thành một chuỗi sản xuất có khả năng tự động hóa cao.
Trong các dây chuyền sản xuất điện tử quy mô lớn như Luxshare ICT, việc kiểm soát ổn định các thông số nhiệt có ý nghĩa trực tiếp đối với tính nhất quán của mối hàn giữa các PCB được sản xuất liên tục.
Hàn reflow khác hàn sóng như thế nào?
Hai phương pháp đều sử dụng nhiệt để tạo mối hàn nhưng cơ chế tiếp xúc với vật liệu hàn khác nhau.
| Tiêu chí | Hàn reflow | Hàn sóng |
|---|---|---|
| Cách tạo mối hàn | Làm nóng chảy kem hàn đã in trên pad | PCB tiếp xúc với sóng thiếc nóng chảy |
| Đối tượng phổ biến | Linh kiện SMT | Thường dùng cho linh kiện THT |
| Vị trí tác động | Các pad trên bề mặt PCB | Chủ yếu phía dưới PCB |
| Quy trình đặc trưng | In kem hàn → đặt linh kiện → gia nhiệt | Chuẩn bị PCB → tạo sóng hàn → PCB tiếp xúc với sóng |
| Mức độ phù hợp | Lắp ráp linh kiện bề mặt | Lắp ráp linh kiện xuyên lỗ và một số cấu hình kết hợp |
Trong một số sản phẩm, SMT và THT được kết hợp nên một PCB có thể trải qua cả reflow và hàn sóng ở các công đoạn khác nhau. Phương pháp được lựa chọn dựa trên loại linh kiện và cấu trúc lắp ráp của sản phẩm.
Kết luận
Hàn reflow là phương pháp sử dụng một biên dạng nhiệt được kiểm soát để làm nóng chảy kem hàn, tạo liên kết giữa linh kiện SMT và PCB rồi làm nguội để hình thành mối hàn ổn định. Các giai đoạn chính gồm gia nhiệt, ổn định nhiệt, nóng chảy và làm nguội. Trong đó, việc kiểm soát nhiệt độ, thời gian và tốc độ thay đổi nhiệt có vai trò quyết định đến chất lượng mối hàn.
Hiểu đúng nguyên lý reflow giúp phân biệt công đoạn này với toàn bộ công nghệ SMT: SMT là phương pháp lắp ráp, còn reflow là một công đoạn nhiệt quan trọng dùng để tạo liên kết hàn cho linh kiện gắn bề mặt.
