Lắp ráp biến một bo mạch trần và một số cuộn linh kiện thành một mạch hoạt động. Hiện nay hầu hết linh kiện là linh kiện dán bề mặt (SMT, surface-mount technology): linh kiện nằm trên pad trên bề mặt bo mạch. Một số linh kiện, thường là đầu nối lớn, biến áp và linh kiện công suất, có chân xuyên qua lỗ (THT, through-hole technology). Một bo mạch thường có cả hai loại, và quy trình có một bước cho mỗi loại.
Dây chuyền, trạm này nối tiếp trạm kia.
- Máy in: lưỡi gạt đẩy kem hàn qua stencil lên pad.
- Kiểm tra kem hàn: camera kiểm tra kem hàn trước khi đặt linh kiện.
- Gắp đặt: vòi hút đặt từng linh kiện lên kem hàn.
- Lò reflow: các vùng làm nóng bo mạch, giữ nhiệt, làm chảy kem hàn và làm nguội.
- Kiểm tra quang học: camera kiểm tra bo mạch sau khi hàn.
1. Chuẩn bị dây chuyền
Trước khi sản xuất bất kỳ bo mạch nào, nhà máy:
- kiểm tra mọi linh kiện trong danh sách linh kiện (BOM) đều có mặt và đúng mã linh kiện,
- sấy linh kiện nhạy ẩm đã tiếp xúc quá lâu (IC đóng vỏ nhựa hút ẩm có thể nứt khi bị nung trong reflow),
- lắp cuộn linh kiện vào feeder trên máy gắp đặt,
- tạo mới hoặc lấy stencil, và
- nạp chương trình máy từ file vị trí.
Lỗi có thể xảy ra: linh kiện sai trong feeder. Đây là lý do bo mạch đầu tiên được kiểm tra kỹ (kiểm tra sản phẩm đầu) trước khi chạy cả lô.
2. In kem hàn
Kem hàn là hỗn hợp gồm các hạt hàn nhỏ và flux, có độ đặc như kem đánh răng. Hợp kim hàn không chì phổ biến nhất là hợp kim thiếc-bạc-đồng gọi là SAC305. Stencil, tức tấm kim loại mỏng có lỗ tại vị trí pad, được đặt lên bo mạch. Lưỡi gạt đẩy kem hàn qua các lỗ xuống pad.
Lỗi có thể xảy ra: quá nhiều kem hàn gây cầu nối giữa các pad; quá ít kem hàn gây mối hàn yếu hoặc mối hàn hở. Độ dày stencil, kích thước lỗ mở và độ khít giữa stencil và bo mạch quyết định thể tích kem hàn. Linh kiện fine-pitch cần stencil mỏng hơn linh kiện lớn, vì vậy bo mạch hỗn hợp là một sự thỏa hiệp. Một số nhà máy dùng máy kiểm tra kem hàn (SPI) để đo thể tích kem hàn trên từng pad trước khi đặt linh kiện. Xem Kiểm tra và thử nghiệm.
3. Gắp đặt
Máy pick-and-place lấy linh kiện từ feeder bằng vòi hút chân không, kiểm tra linh kiện bằng camera, và đặt lên kem hàn, với vị trí được xác định từ file vị trí và hiệu chỉnh bằng các điểm chuẩn fiducial, tức các dấu tròn nhỏ trên bo mạch mà camera tìm được.
Linh kiện thụ động nhỏ được đặt rất nhanh; linh kiện lớn hoặc có hình dạng đặc biệt và IC fine-pitch được đặt chậm hơn và cẩn thận hơn. Kem hàn đủ dính để giữ linh kiện tại chỗ cho đến khi hàn.
Lỗi có thể xảy ra: linh kiện bị xoay 90 hoặc 180 độ vì hướng footprint trong thư viện khác với hướng trong file vị trí; linh kiện bị thiếu vì hết hàng; hiện tượng tombstone (xem bên dưới).
4. Hàn reflow
Bo mạch đi qua lò reflow trên băng tải. Bo mạch đi qua các vùng có nhiệt độ tăng dần:
- Gia nhiệt trước (Preheat): tăng nhiệt bo mạch một cách từ từ để linh kiện không nứt do sốc nhiệt.
- Ngâm nhiệt (Soak): cân bằng nhiệt trên toàn bộ bo mạch và kích hoạt flux.
- Reflow: nhiệt độ tăng trên điểm nóng chảy của kem hàn (khoảng 217 đến 220 °C đối với SAC305), thường đạt đỉnh khoảng 240 đến 250 °C trong thời gian ngắn. Kem hàn nóng chảy, làm ướt pad và đầu cực linh kiện, và sức căng bề mặt kéo linh kiện vào vị trí thẳng hàng.
- Làm nguội (Cooling): kem hàn đông lại thành mối hàn.
Đường nhiệt, tức nhiệt độ theo thời gian, được thiết lập cho bo mạch, linh kiện và kem hàn, và được kiểm tra bằng phép đo cặp nhiệt điện trên bo mạch thử.
- Gia nhiệt trước: tăng nhiệt từ từ.
- Ngâm nhiệt: nhiệt độ trở nên đều và flux được kích hoạt.
- Reflow: trên điểm nóng chảy của kem hàn (đường đứt nét) trong thời gian ngắn.
- Đỉnh (Peak): nhiệt độ cao nhất của đường nhiệt.
- Làm nguội: kem hàn đông lại thành mối hàn.
Lỗi có thể xảy ra:
- Tombstoning: linh kiện hai đầu nhỏ đứng dựng lên ở một đầu vì một pad nóng và bị làm ướt trước pad còn lại. Kích thước pad không đều hoặc kết nối đồng tới pad không cân bằng là nguyên nhân thường gặp.
- Cầu hàn: do quá nhiều kem hàn hoặc pad quá gần nhau.
- Lỗ rỗng (Voids): khí bị kẹt trong mối hàn, đáng chú ý dưới các thermal pad lớn và BGA.
- Head-in-pillow: viên ball BGA không hợp nhất với kem hàn, thường khi bo mạch hoặc linh kiện bị cong vênh trong quá trình reflow.
- Linh kiện xê dịch hoặc rơi: linh kiện nặng ở mặt thứ hai có thể rơi trong lần reflow thứ hai nếu diện tích pad quá nhỏ so với trọng lượng.
- Mối hàn tốt: linh kiện nằm phẳng và kem hàn làm ướt cả hai pad.
- Tombstoning: một pad được làm nóng và làm ướt trước, và kéo linh kiện dựng lên ở một đầu.
- Cầu hàn: kem hàn nối hai pad kề nhau.
5. Mặt thứ hai
Nếu cả hai mặt đều có linh kiện, bo mạch đi qua dây chuyền hai lần. Mặt có linh kiện nhỏ hơn và nhẹ hơn thường được làm trước.
6. Linh kiện xuyên lỗ
Linh kiện xuyên lỗ được cắm bằng tay hoặc bằng máy, sau đó được hàn bằng một trong các cách sau:
- Hàn sóng (Wave soldering): mặt dưới của bo mạch đi qua sóng kem hàn nóng chảy. Nhanh đối với nhiều chân. Linh kiện dán bề mặt ở mặt dưới cần được dán keo hoặc che bằng pallet để chịu được quá trình. Dây chuyền của nhà máy dùng quy trình sóng đôi không chì.
- Hàn chọn lọc (Selective soldering): một vòi nhỏ hàn từng mối hàn đã chọn, không làm nóng phần còn lại của bo mạch. Dùng khi bo mạch có linh kiện ở cả hai mặt, hoặc linh kiện nhạy nhiệt ở gần linh kiện xuyên lỗ.
- Hàn tay (Hand soldering): do nhân viên có tay nghề thực hiện cho linh kiện đơn lẻ, sửa chữa lại (rework) và số lượng thấp.
Sau hàn sóng hoặc hàn tay, phần chân thừa được cắt bỏ.
7. Làm sạch
Cặn flux còn lại sau khi hàn vô hại trên nhiều bo mạch (flux "no-clean" được thiết kế cho việc này). Bo mạch dùng cho điện áp cao, trở kháng cao hoặc để phủ bảo vệ được làm sạch, ví dụ trong bể siêu âm, bằng hóa chất phù hợp với flux. Nên yêu cầu làm sạch nếu sản phẩm nhạy với cặn.
8. Phủ bảo vệ bề mặt
Một lớp màng polymer bảo vệ mỏng (acrylic, silicone, polyurethane hoặc loại khác) có thể được phun hoặc nhúng lên bo mạch đã hoàn thành, để bảo vệ khỏi độ ẩm, muối, bụi và hóa chất. Đầu nối, điểm kiểm tra và các vùng khác phải giữ không phủ được che hoặc tránh. Lớp phủ che khuất bề mặt bo mạch, khiến việc kiểm tra và sửa chữa lại về sau khó hơn. Nhà máy phủ chọn lọc bằng máy.
9. Nạp chương trình và thử nghiệm
Vi điều khiển và bộ nhớ được nạp firmware, trước khi gắp đặt hoặc trong mạch sau khi hàn qua đầu nối nạp chương trình hoặc pad kiểm tra. Thử nghiệm chức năng kiểm tra bo mạch có hoạt động hay không. Xem Kiểm tra và thử nghiệm.
Các điểm cần thiết kế
- Kích thước pad bằng nhau và kết nối đồng đối xứng cho linh kiện hai đầu nhỏ, để linh kiện nóng đều.
- Điểm chuẩn fiducial trên bo mạch và trên panel. Xem Ghép panel và bo mạch nhỏ.
- Khoảng trống quanh linh kiện cho vòi hút, cho kiểm tra và cho sửa chữa lại.
- Dấu cực và dấu chân 1 rõ ràng.
- Lựa chọn linh kiện phù hợp với reflow: không phải mọi linh kiện đều chịu được lò, và một số (một số đầu nối, tụ điện hóa loại nhất định, pin) phải được thêm vào sau.
Cách thể hiện khi đặt hàng tại đây
Nhà máy có in kem hàn tự động, lò reflow 10 vùng, gắp đặt tốc độ cao, hàn sóng đôi không chì, trạm sửa chữa lại bằng tay và phủ bảo vệ chọn lọc. Tùy chọn lắp ráp nào có sẵn qua trang web và giới hạn của từng tùy chọn được nêu tại trang năng lực sản xuất. Kỹ sư xác nhận mọi đơn hàng và có thể hỏi về linh kiện không qua được reflow, hoặc footprint dễ gây tombstoning. 25 kiểm tra khi tải lên xem xét file bo mạch; các kiểm tra này không xem xét quá trình lắp ráp đối với các lỗi quy trình nêu trên.