Mọi người ơi,
Bài viết này là một trích đoạn từ Hướng dẫn về lỗi hàn dành cho thợ lắp ráp mạch in của Indium Corporation.
Giới thiệu
Các vấn đề về bảng mạch in (PCB) có thể là một thách thức, nhưng không phải tất cả chúng đều có thể đưa PCB của bạn đến một nấm mồ sớm như nấm mồ chôn người. Nấm mồ chôn người là do lực căng bề mặt không bằng nhau tạo ra trong quá trình làm tan chảy kem hàn ở các mặt đối diện của một thành phần thụ động. Các lực không bằng nhau này khiến thành phần thụ động nhấc lên ở một đầu và phá vỡ tiếp xúc với mạch, dẫn đến thứ gì đó trông kỳ lạ giống như một bia mộ trong nghĩa địa (xem Hình 1).
Hình 1: Linh kiện tụ điện tombstoned.
Cơ chế Tombstoneing
Nhiều yếu tố góp phần gây ra hiện tượng tombstoneing. Tombstoneing hầu như luôn là kết quả của lực làm ướt không đều trên các đầu nối của linh kiện. Khi một đầu "làm ướt" trước đầu kia, lực làm ướt mất cân bằng của mối hàn hiện tại sẽ "kéo" linh kiện và xoay nó, khiến nó đứng trên một đầu. Chúng ta cũng gặp phải hiện tượng tombstoneing sau khi cụm PCB được gia nhiệt không đều. Khi bảng mạch in (PWB) đi qua lò nung chảy, mặt trước của linh kiện thụ động thường được gia nhiệt trước (xem mặt trái của thụ động trong Hình 2). Quá trình gia nhiệt không đều này khiến lớp keo hàn gần nguồn nhiệt nhất (mặt trái của Hình 2) tan chảy trước. Khi mối hàn này tan chảy, sức căng bề mặt của nó khiến lớp thụ động đứng thẳng như thể hiện trong Hình 1 và 2.
Hình 2: Cơ chế tạo bia mộ chi tiết.
Hợp kim hàn
Một cách tiếp cận để giảm thiểu tình trạng tombstoneing là sử dụng hợp kim hàn có phạm vi "nhựa" hoặc "dẻo" lớn khi nóng chảy. Phạm vi dẻo là phạm vi nhiệt độ mà chất hàn nóng chảy và rắn. Đối với chất hàn eutectic, chẳng hạn như chất hàn Sn63/Pb37, không có phạm vi dẻo, vì chất hàn hoàn toàn rắn ở nhiệt độ dưới 183°C và hoàn toàn lỏng ở nhiệt độ trên 183°C. Hợp kim SnPbAg, chẳng hạn như Sn62 hoặc Indalloy ® 100, đã được sử dụng rộng rãi để loại bỏ các vấn đề tombstoneing với các cụm chì do phạm vi dẻo của chúng tăng lên.
Trong các chất hàn không chì, SAC3510 (Sn/3.5Ag/1Cu) có phạm vi dẻo hẹp, trong khi SAC305 có phạm vi rộng hơn. Do đó, người ta mong đợi SAC305 hoạt động tốt hơn về mặt giảm thiểu hiện tượng tombstoneing—và đúng là như vậy. Hình 3 cho thấy kết quả của các thí nghiệm để xác định tốc độ tombstoneing. Lưu ý rằng tốc độ tombstoneing của SAC3510 cao hơn sáu lần so với SAC305. Vì SAC305 là một trong những hợp kim không chì phổ biến nhất, nên hiện tượng tombstoneing đã giảm đáng kể trong kỷ nguyên không chì.
Hình 3: So sánh hợp kim của tombstones khác với SAC305. Các thanh màu xanh lá cây là hợp kim không chì; các thanh màu đen là hợp kim có chứa chì
Thiết kế bảng
Điều cực kỳ quan trọng đối với các kỹ sư sản xuất là phải làm việc chặt chẽ với các kỹ sư thiết kế để loại bỏ những thách thức và khiếm khuyết trong sản xuất PCB. Tombstoneing là một khiếm khuyết mà thiết kế phù hợp có thể loại bỏ vấn đề. Nếu thiết kế bo mạch có bộ tản nhiệt (ví dụ như lớp đồng) ở bên dưới hoặc gần một bên của một thành phần thụ động và bên kia ở xa hơn, bộ tản nhiệt có thể ảnh hưởng đến trạng thái cân bằng nhiệt của cụm lắp ráp; kem hàn ở bên không có bộ tản nhiệt có thể trở thành chất lỏng đầu tiên, có thể gây ra lỗi tombstoneing.
Thiết kế Stencil
Giảm thiểu lượng kem hàn được in trên miếng đệm PCB cũng sẽ làm giảm hiện tượng tombstone. Đặc biệt hữu ích khi giảm lượng hàn được in trực tiếp phía sau các đầu thụ động, điều này sẽ loại bỏ gần như tất cả các lực tombstone. Một thiết kế khuôn mẫu điển hình giúp đạt được mục tiêu này được thể hiện trong Hình 4. Trong một số thí nghiệm, thiết kế này đã loại bỏ hoàn toàn hiện tượng tombstone.
Hình 4: Thiết kế khuôn mẫu để giảm thiểu hiện tượng tombstone trong các thụ động 0402.
In ấn
Quy trình in và hiệu suất chuyển giao là những thành phần chính của nhiều lỗi cuối dây chuyền, bao gồm cả lỗi tombstone. Nếu một mặt của một thành phần thụ động có nhiều kem hàn hơn mặt kia, thành phần đó có thể được đặt ở vị trí chỉ tiếp xúc với lớp phủ cao hơn. Điều này rất có thể dẫn đến lỗi tombstone. Việc sử dụng thiết bị Kiểm tra kem hàn (SPI) có thể giúp đảm bảo rằng các lớp phủ kem hàn nằm trong thông số kỹ thuật và không có lớp phủ nào cao hơn lớp phủ khác. Việc tối ưu hóa kích thước và hình dạng của lỗ cũng sẽ giúp giảm thiểu sự thay đổi về thể tích kem hàn giữa các miếng đệm.
Vị trí
Lực đặt và/hoặc chiều cao Z không phù hợp thường có thể là lý do tại sao xảy ra hiện tượng tombstoneing. Điều quan trọng là phải đảm bảo rằng áp suất đặt và chiều cao Z phù hợp với lắp ráp và được tối ưu hóa trước khi sản xuất. Cũng có khả năng các bộ phận có thể bị lệch khi đặt. Mặc dù mối hàn có xu hướng tự căn chỉnh, các thành phần được đặt không đúng cách và không thẳng hàng có thể dẫn đến tombstoneing.
Dòng chảy lại
Một cách tiếp cận để giảm thiểu tombstoneing là giảm tổng lượng nhiệt đầu vào trong quá trình nấu chảy lại bằng cách tăng dần tốc độ ram; tuy nhiên, điều kiện này có thể khó đạt được trong lò nấu chảy lại. Một lựa chọn khác là sử dụng hồ sơ nấu chảy lại kiểu ngâm để đạt được trạng thái cân bằng nhiệt giữa hai lớp kem hàn để cả hai lớp đều đi vào pha lỏng cùng một lúc.
Ngoài việc tránh hàn không có dải nhựa, bầu khí quyển nitơ trong lò nung chảy lại có xu hướng làm trầm trọng thêm tình trạng đóng cục vì nitơ làm tăng tốc độ làm ướt và cho phép lực căng bề mặt xuất hiện nhanh hơn. Trừ khi có lớp keo hàn đặc điểm tốt hoặc cụm lắp ráp Gói trên Gói (PoP) trên bảng mạch, thì rất có thể sẽ không có lý do gì để sử dụng nitơ vì hầu hết các loại keo hàn hiện đại hàng đầu đều có thể hoạt động tốt trong bầu khí quyển nung chảy lại bằng không khí.
Kết luận
Có thể giảm thiểu tình trạng tombstoneing bằng cách làm theo các hướng dẫn nêu trong bài viết này. Một cách đáng tin cậy để giảm thiểu tombstoneing là sử dụng hợp kim hàn có phạm vi nhựa lớn, chẳng hạn như Indalloy ® 100 (có chì) hoặc SAC305 (không chứa chì). Điều quan trọng nữa là phải giữ đối thoại cởi mở với các nhà thiết kế bo mạch để giảm thiểu các bộ tản nhiệt gần hoặc bên dưới một mặt của các thành phần thụ động. Sử dụng hồ sơ nhiệt độ hàn chảy lại di chuyển chậm từ trạng thái rắn sang trạng thái lỏng hoặc giảm thiểu sự không phù hợp nhiệt bằng cách ngâm. Kết hợp SPI để đảm bảo rằng các lớp hàn có chiều cao tương tự nhau và nằm trong thông số kỹ thuật, và in một lớp hàn nhỏ, đặc biệt là ở hai đầu của thụ động. Đảm bảo áp suất đặt và chiều cao Z phù hợp và các bộ phận không được đặt lệch. Tránh sử dụng nitơ trong lò nung chảy lại; với kem hàn tốt, điều này là không cần thiết và làm trầm trọng thêm tombstoneing.
Chúc mừng,
Tiến sĩ Ron
