Lắp ráp điện tử hay còn gọi là PCBA (Printed Circuit Board Assembly) là một ngành công nghiệp phát triển vượt bậc mà trong đó phát minh ra PCB và cho thương mại hóa PCB đóng một vai trò quyết định. Lắp ráp điện tử dựa trên PCB gọi là PCBA.Nhằm đưa ra một bức tranh khái quát về lịch sử phát triển của ngành lắp ráp điện tử trên thế giới qua đó hình dung con đường hình thành tên gọi PCBA, xin giới thiệu các quá trình phát triển ngành lắp ráp điện tử đã trải qua với các giai đoạn chính như sau:
Công nghệ Point To Point
Công nghệ Auto – Sembly
Công nghệ AI (Auto – Insert hay Through – Hole Technology)
Công nghệ SMT (Surface Mount Technology hay Auto – Mount )
1. Công nghệ Point To Point
Là phương thức ráp mạch điện có từ trước năm 1950 Point to point được xây dựng trên những trạm rời rạc, các trạm này làm bằng đồng mạ kẽm được ghép cố định và cách ly bằng barkelite trên một kết cấu sườn cơ khí khác còn gọi là chassis
Chassis được xây dựng trước, rồi đến các trạm được gắn lên bằng cách tán rivet hoặc bắt ốc vít, các biến áp, linh kiện lớn, chân đế cắm đèn chân không cũng được lần lượt gắn trên chassis này, sau đó chúng được kết kối với nhau bằng các chuyên gia lắp ráp và công việc này được thực hiện hoàn toàn bằng tay với sự kết hợp của thêm của các dây nối
Kỹ thuật này còn được tiếp tục sử dụng ngay cả khi PCB đã được thương mại hóa bởi khi đó mạch điện tử còn lấy đèn chân không điện tử làm cơ sở khuyếch đại, giai đoạn này có một sự cố gây cho PCB dòn dễ vỡ là do đèn chân không phát ra rất nhiều nhiệt nên kỹ thuật PCB không phát triển (sẽ nói thêm trong phần linh kiện ở chương sau), kỹ thuật này còn được sử dụng cho đến đầu những thập niên 70 thế kỷ trước và kể cả ngày nay trong các thiết bị được gọi là ampli Hi-End dựavào đèn chân không làm cơ sở khuyếch đại.
Point to point đòi hỏi người lắp ráp phải khéo tay, có hiểu biết ít nhiều về sơ đồmạch mới có thể lắp ráp được bên cạnh đó kỹ năng hàn tay cũng là một đòi hỏikhá cao để có thể hoàn thành sản phẩm và cuối cùng là gặp rất nhiều khó khăntrong triển khai sản xuất hàng loạt, point to point thích hợp hơn với sản xuất đơn chiếc hoặc hand make theo ý đồ thiết kế riêng
2. Công nghệ Auto – Sembly
Auto – Sembly gắn liền với lịch sử phát triển PCB (Printed Circuit Board), PCB được phát minh từ sớm đầu thế kỷ 20, năm 1903 bởi nhà phát minh người Đức, Albert Hanson, ông ép phẳng đồng trên một bảng cách điện, có nhiều lớp, vào năm 1904 Thomas Edison (Mỹ) thử nghiệm phương pháp mạ kim loại hóa học trên nền giấy lanh. Vào năm 1913 Arthur Berry (Anh) được cấp bằng phát minh PCB với phương pháp in và ăn mòn hóa học và cùng năm tại Hoa kỳ Max Schoop lấy bằng phát minh phương pháp bay hơi kim loại qua một mặt nạ để dính vào bề mặt board. Và vào năm 1927 Charles Durcase lấy bằng sáng chế PCB bằng phương pháp mạ điện kim loại.
Khoảng vào năm 1936, việc nhà phát minh người Áo, kỹ sư Paul Eisler làm việc tại Anh quốc dùng PCB như một linh kiện để làm ra chiếc radio lần đầu tiên ông là người mở màn cho việc sử dụng PCB.
Trong Đệ nhị thế chiến, quân đội Mỹ giữ bản quyền PCB trên nền sứ, họ đã sử dụng PCB cho mạch điện tử (kích nổ gần chạm) trong tên lửa đất đối không để bắn máy bay trong chiến tranh, sau chiến tranh vào năm 1948 người Mỹ cho thương mại hóa PCB ra thị trường, nhưng PCB vẫn chưa thực sự trở nên phổ biến được, vào giữa thập niên 1950 khi quân đội Mỹ phát triển kỹ thuật Auto – Sembly trên nền tảng PCB, PCB mới thực sự thương mại hóa.
Công nghệ này thực tế là gắn tay các linh kiện có chân xuyên qua lỗ khoan sẵntrên PCB, PCB đã gắn các linh kiện này sau đó được hàn nhúng vào bể chất hàn nóng chảy làm cho các chân linh kiện được hàn dính vào mạch in bằng đồng trên PCB, tức là hàn đồng loạt nhiều chân linh kiện cùng lúc
Công nghệ này có 04 công đoạn chính:
- Gắn bằng tay các linh kiện vào PCB, công đoạn này còn được gọi là gắn linh kiện bằng tay (Hand-mount, hand-insert)
- Đưa PCB đã có gắn các linh kiện ở trên nhúng vào bể chứa chất hàn đượcnóng chảy ở bề mặt có mạch đồng để hàn các chân linh kiện vào mạch in, công đoạn này còn gọi là hàn tự động hay hàn nhúng (dipping) về sau này để nâng cao chất lượng mối hàn bể chứa chất hàn nóng chảy được tạo sóng nên còn được gọi là hàn sóng (wave soldering)
- Sau khi hàn xong PCB muốn sử dụng được phải cắt bỏ bớt phần thừa dôi dư ra của chân linh kiện bởi vì muốn hàn tốt chân linh kiện phải có đủ độ dài cần thiết để chống hiện tượng trồi ngược (floating) linh kiện do lực đẩy Acsimet khi hàn nhúng, bởi vậy khi hàn xong chân thừa linh kiện vẫn khá dài và gây nguy cơ chập mạch không mong muốn nên buộc phải cắt ngắn, một hiện tượng xảy ra khi cắt chân thừa linh kiện là gây ứng lực lên chân linh kiện làm nứt mối hàn và quá trình oxi-hóa sẽ phát triển từ vết nứt này làm giảm tuổi thọ mối hàn, biện pháp khắc phục là quan sát bằng mắt, tìm các vết nứt hoặc có dấu hiệu nứt để hàn tay bổ sung , công đoạn này được gọi là cắt chân sửa lỗi (Touch-up)
- Kiểm tra, cân chỉnh board bằng các gá jig và các thiết bị hỗ trợ để đồng nhất theo một tiêu chuẩn cho hoàn chỉnh giai đoạn làm PCB và chuyển sang giai đoạn lắp ráp (cân chỉnh hoàn chỉnh sản phẩm trong các vỏ, hộp máy).
Khác với Point to point, công nghệ auto- sembly không cần công nhân có trình độ hiểu biết về mạch điện tử, chỉ cần đọc hiểu bản vẽ và không mù màu là có thể lắpráp linh kiện vào PCB, công đoạn hàn đòi hỏi hiểu biết chút ít về kỹ thuật luyệnkim (Eutectic point), hóa chất phụ trợ hàn (flux), công đoạn cắt chân sửa lỗi đòi hỏi công nhân có kỹ năng hàn tay (hand soldering), khéo tay tuy nhiên không phải quá cao,
Công nghệ này giúp ngành điện tử có thể sản xuất hàng loạt sản phẩm tốt hơn rất nhiều so với công nghệ trước đây (thời điểm mới ra đời công nghệ này cuối thập niên 1950, tốc độ sản suất 03 radio/phút), tuy nhiên công nghệ này có một số khuyết điểm như do vẫn dùng tay gắn linh kiện nên tiềm ẩn nguy cơ ôxi-hóa chân linh kiện do tay cầm nắm trực tiếp vào linh kiện khi gắn và tác động lực (khi cắt chân) vào mối hàn gây nứt gãy mối hàn mà mắt thường khó phát hiện,
Với những điểm yếu đó cộng với xu hướng giải phóng con người khỏi công việc lao động chân tay mà người ta hướng đến hạn chế tay cầm nắm vào linh kiện, hạn chế tối đa việc cắt chân sửa lỗi gây tác nhân phụ cộng với xu hướng sử dụng mạch tích hợp (IC) tất yếu cần tránh hiện tượng tĩnh điện gây hư hỏng bộ phận này mà xu hướng dùng máy cắm thay cho con người công nghệ kế tiếp đó là cắm linh kiện xuyên lỗ tự động Through hole technology (gọi tắt Thru – hole) còn gọi là Auto-Insert (gọi tắt AI).
3. Công nghệ Auto – Insertion (through – hole Technology)
Auto – sembly và “Thru – hole” (hay AI) ra đời thay thế hoàn toàn công nghệ Point to point, từ thời máy tính thế hệ máy tính thứ hai vào thập niên 1950 đến thập niên 1980 tất cả các linh kiện điển hình trên PCB đều linh kiện xuyên lỗ. Sau đó, khi kỹ thuật SMT lên ngôi AI mới mai một dần.
Thực chất công nghệ này là dùng cánh tay máy giả lập thao tác con người để cắm linh kiện xuyên qua lỗ khoan như công nghệ trước đây Auto-Sembly, chân linh kiện xuyên qua lỗ sang phía bên kia nơi sẽ được hàn nhúng hay hàn sóng, sẽ được "xén" ngắn vừa đủ và bẻ gấp lại hợp với mặt PCB một góc định trước, việc này có 3 tác dụng,
_ Thứ nhất cắt chân trước khi hàn tránh cắt chân lại,
_ Thứ hai việc lưu trữ sẽ dễ dàng hơn do chân linh kiện được gập giữ dính vào PCB,
_ Thứ ba có tác dụng kết hợp được với công nghệ SMT tiếp sau đó (SMT với keo dán) khi cần dán linh kiện ở bề mặt kia và buộc phải lật ngược PCB lên trên để thực hiện,
Do linh kiện xuyên lỗ có nhiều loại có kích thước cũng như hình dáng khác nhau nên người ta phải sắp xếp qui trình cắm theo một thứ tự gần như cố định (trong một vài trường hợp có thể đảo ngược nhưng không khuyến khích áp dụng) và duy nhất, để tránh sự va chạm không cần thiết của các tay máy với linh kiện cắm trước đó,
Một qui trình đầy đủ nhất được mô tả theo các qui trình cắm máy dưới đây theo nguyên tắc độ cao tăng dần (so với mặt PCB):
- Gắn eyelet (hay hoa thị, con tán, đinh ri vê… tùy vào thói quen gọi)
- Gắn kẽm (jumper wire)
- Gắn linh kiện đồng trục (axial)
- Gắn linh kiện bất đồng trục (radial)
- Gắn các kiện có hình dáng khác
- Gắn tay các linh kiện không thể cắm máy
- Hàn sóng
- Cắt chân sửa lỗi
- Kiểm tra, cân chỉnh
Được hỗ trợ bằng công nghệ CAM/CAD mà công nghệ này hạn chế rất nhiều lỗi sai sót do con người gây ra khi gắn bằng tay tuy nhiên nếu người nạp linh kiện sai thì sẽ có thể dẫn đến sai hàng loạt, do hình dáng đa dạng của linh kiện mà cơ cấu cơ khí thi hành phức tạp và khó điều chỉnh đòi hỏi kỹ thuật viên cân, canh chỉnh máy phải nhạy bén và nhiều kinh nghiệm để thực hiện công tác duy tu bảo dưỡng cũng như sửa chữa máy cắm
Kết cấu hình dáng bên ngoài các chủng loại linh kiện khác nhau mà công nghệ này chia nhỏ công đoạn ra để gắn theo nhóm hình dáng bên ngoài mà chúng ta có trật tự cắm có thể là duy nhất, đây cũng là điểm khó của công nghệ này khi cần cân bằng năng suất giữa các máy.
Do bị gấp chân rồi hàn phủ lên cộng với độ nghiêng của chân linh kiện với PCB và không cần cắt chân nên mối hàn này tốt hơn nhiều, tuy nhiên đây cũng là điểm khó khăn cho việc sửa chữa sau này, nếu không đủ kỹ năng sẽ rất dễ gây hỏng mạch in khi tháo thay linh kiện
Thực tế vẫn còn phải cắt chân sửa lỗi nhưng số lượng còn lại không nhiều do đó công việc sửa lỗi ít phức tạp hơn nhiều
Công nghệ ngày càng phát triển, chức năng của sản phẩm điện tử càng nhiều và tinh vi hơn đòi hỏi linh kiện càng thu nhỏ đi, board mạch cũng dày đặc linh kiện hơn, cũng như cần nhỏ gọn hơn, vì thế mà đầu tiên linh kiện không còn có chân như trước (MELF Metal Electrode Leadless Face là chuyển biến đầu tiên) tiến đến linh kiện chỉ còn là những khối chữ nhật nhỏ gọi là CHIP, con người ban đầu vẫn dùng tay để gắn những chi tiết này, cho đến khi linh kiện nhỏ đến mức không thể dùng tay, cộng với nhu cầu sản lượng cao, mật độ cũng như số lượng lớn trên một PCB mà công nghệ dán bề mặt ra đời hoàn toàn dùng máy và con người chỉ đóng vai trò điều khiển máy móc thiết bị.
4. Công nghệ Auto – Mount hay SMT
Vào thập niên 1960, IBM tiên phong trong việc phát triển kỹ thuật này cho máy tính cở nhỏ để phục vụ chương trình không gian vũ trụ của Mỹ do yêu cầu cần thu nhỏ máy tính đặt trên các tên lửa để phóng vào không gian vũ trụ, như vậy do yêu cầu cần thu nhỏ mạch điện cũng như cần làm nhẹ đi kết cấu mạch điện tử mà kỹ thuật SMT ra đời tuy nhiên nó chỉ được trở nên phổ biến vào cuối thập niên 1980
Cũng như công nghệ Auto – Insert giả lập cánh tay máy thay người, SMT cũng thế dùng cánh tay máy để dán những linh kiện dạng CHIP lên PCB nên còn gọi là SMT (Surface Mount Technology)
Thực tế để thực hiện công tác này có nhiều công nghệ hỗ trợ kèm theo mới hình thành nên, ví dụ ở giai đoạn tồn tại cả hai Auto – Insert và SMT người ta sử dụng công nghệ dán keo (dispenser) để cố định vị CHIP trên PCB bên cạnh các chân linh kiện đã bẻ gập ở công nghệ Auto – Insert sau đó được hàn sóng (solder ware) cùng lúc với nhau, hay in kem hàn gắn CHIP kết hợp dán keo gắn CHIP đồng thời kết hợp Auto – Insert hàn bằng REFLOW và hàn sóng…v.v..
Các qui trình đầy đủ giai đoạn đầu như sau:
- Cắm eyelet (hay hoa thị, con tán, đinh ri vê… tùy vào thói quen gọi)
- Cắm kẽm (jumper wire)
- Cắm linh kiện đồng trục (axial)
- Cắm linh kiện bất đồng trục (radial)
- Cắm các kiện có hình dáng khác
- Lật mặt cắm CHIP dùng keo dán
- Chấm keo dán (dispenser)
- Dán CHIP
- Dán IC (nếu có)
- Reflow (hấp keo)
- Cắm tay các linh kiện không thể cắm máy
- Hàn sóng
- Cắt chân sửa lỗi
- Kiểm tra, cân chỉnh
Khi công nghệ thu nhỏ linh kiện đạt đến như ngày nay, người ta hầu như loại bỏ hoàn toàn khâu cắm xuyên lỗ và dán CHIP bằng keo, qui trình còn như sau:
- In kem hàn
- Dán CHIP
- Dán IC
- Reflow
Lật mặt kia và qui trình lập lại như sau:
- In kem hàn
- Dán CHIP
- Dán IC
- Reflow
- Hàn tay các linh kiện không thể dán (có thể là vài linh kiện xuyên lỗ)
Điểm yếu của trường hợp này là qua reflow lần thứ nhất có thể gây lỗi cho lần dán mặt sau và lần qua reflow lần sau gây anh hưởng đến mối hàn của lần hàn bằng reflow của lần trước
Vì thế mà hiện nay công nghệ cắm SMT có thể thực hiện việc in và dán cả hai mặt rồi qua reflow một lần duy nhất
Với mỗi một sự kết hợp giữa các công nghệ người ta luôn có một qui trình thích hợp, đồng thời khi phối hợp với nguyên vật liệu, công cụ, máy móc hỗ trợ đặc thù thì việc tổ chức sản xuất đòi hỏi kinh nghiệm, sự nhạy bén của người phụ trách kỹ thuật mà cho ra các qui trình thực tế khác nhau làm nên những sản phẩm đạt tiêu chuẩn cao cho các công ty, ví dụ để sản xuất board mềm (flexible board) người ta phải kết hợp các gá jig để hỗ trợ vì (giả sử) máy SMT chỉ cắm được PCB thông thường dày 1.6mm, cứng trong khi board mềm có độ dày đạt tới có 0.09mm (super thin) và dẻo (có thể gấp lại được)
Linh kiện càng thu nhỏ thì hiện nay đã đạt đến giới hạn mà việc in kem hàn khó có thể đáp ứng chất lượng và khó kiểm soát công nghệ nên hiện nay một số nhà sản xuất thiết bị cắm linh kiện đã cho ra các thiết bị dán linh kiện lên PCB bằng FLUX là chất kết dính.
Chất hàn đã được chuẩn bị trên các cực hay chân linh kiện, sau đó máy dán hút linh kiện này đưa chân linh kiện này nhúng vào FLUX (flux làm chất kết dính) rồi dán lên PCB cho qua reflow, chất hàn trên chân linh kiện chảy ra hàn dính lên mạch đồng PCB.
Có thể hiểu như cách áp dụng cho cách cắm loại IC BGA trong sửa chữa ngày nay.
Trong điều kiện phát triển công nghệ còn chưa cao ở Việt nam hiện nay, để sản xuất hành loạt sản phẩm với chi phí rẻ nên trên thực tế nhiều công ty vẫn còn áp dụng Auto – Sembly, hay phối hợp cả Au-to Insert với SMT glue, hoặc AI với cả SMT Glue và SMT solder paste, cũng có thể là AI với SMT solder paste, khi đó qui trình sẽ có thay đổi SMT trước AI sau (sẽ giải thích rõ hơn ở phần sau).
Các công ty nước ngoài với vốn nhiều, cần chất lượng và chủ trương sử dụng ít nhân viên nên đầu tư hiện đại thì áp dụng công nghệ SMT hiện đại hơn đa số họ chỉ dùng SMT solder paste.
Để hiểu và có thể nắm bắt công việc hiện tại, cũng như đi tắt đón đầu hay họctập, tìm hiểu và bổ sung thêm cho mình cách thức sản xuất mạch điện tử trên PCB trong các nhà máy tại Việt nam các công nhân kỹ thuật, kỹ thuật viên, kỹ sư muốn hiểu công nghệ này nên tìm hiểu toàn bộ các qui trình hiện đang tồn tại trong sảnxuất sản phẩm điện tử tại Việt nam, thì tài liệu này là một sự tham khảo góp phần cho mục đích trên.
Ngoài ra tài liệu này cũng giúp cho các nhà quản lý sản xuất, chất lượng có thể hiểu rõ qui trình công nghệ để góp phần nâng cao công tác quản lý sản xuất cũng như chất lượng
Trong sản xuất thực tế các nhà máy còn đối mặt với các qui trình phụ, tuy là phụ nhưng các qui trình này đóng góp rất lớn vào việc đảm bảo chất lượng sản phẩmlàm ra, đó là các qui trình như xử lý độ ẩm không khí, nhiệt độ môi trường lưu trữ/bảo quản linh kiện, bụi, qui trình chống tĩnh điện (anti-static), qui trình xử lý keo dán (glue, bond), xử lý kem hàn (solder paste) trước khi in, LFS, khuôn in (stencil, metal mask), biểu đồ nhiệt máy hàn sóng/reflow (profile), phun flux trong hàn sóng, lưu trữ/vận chuyển/đóng gói PCB thành phẩm/ bán thành phẩm, lưu trữ kem hàn/keo dán… Nên qui trình công nghệ lắp ráp điện tử trong công nghiệp ngày nay không thể chỉ quan tâm duy nhất đến việc chỉ làm sao gắn được linh kiện lên PCB tức chỉ có học SMT mà còn phải có các qui trình phụ bên ngoài nhằm mục đích nâng cao chất lượng.
