Cơ sở sản xuất linh kiện điện tử

Học cách hiểu cấu trúc của PCB đơn lớp, đôi lớp, nhiều lớp và vai trò của lớp đồng, lớp sợi thủy tinh chưa xử lý, lớp phủ chống hàn.

Tại sao phải học cấu trúc nếu không tự sản xuất nguyên bản

Hầu hết các doanh nghiệp điện tử tại khu vực Gyeonggi, Incheon và Trung Quốc không tự sản xuất bảng mạch in (PCB) nguyên bản (bare board), mà chỉ nhận nguyên bản và thực hiện lắp ráp linh kiện (PCBA). Các sản phẩm tiêu biểu bao gồm: hệ thống điện tử trong ô tô (ECU, cảm biến, động cơ điều khiển) tại Changwon, Gimhae; bảng điều khiển máy móc công nghiệp tại Busan, Yangsan; và thẻ điều khiển thiết bị đóng tàu tại Changwon, Gimhae.

Tuy nhiên, vẫn có lý do cần hiểu cấu trúc:

Khi bảng bị cong hoặc bong tróc lớp, cần xác định xem là lỗi nguyên bản hay lỗi trong quy trình sản xuất để giải quyết khiếu nại một cách rõ ràng.
Khi xác định nhiệt độ của quy trình hàn lại (reflow), độ dày và số lớp quyết định khả năng hấp thụ nhiệt. Cùng một hồ sơ quy trình, có thể phù hợp với bảng 4 lớp nhưng lại gây ra hiện tượng hàn không đều trên bảng 8 lớp.
Đa số câu trả lời cho câu hỏi “Tại sao hàn không bám trên pad này?” đều liên quan đến màu phủ hàn (solder mask) và xử lý bề mặt.

PCB được làm từ chất liệu gì

Thành phần	Vật liệu	Chức năng
Đồng mỏng (Copper foil)	Đồng	Đường dẫn điện (mẫu hình)
Lõi (Core)	Tấm FR-4 đã cứng hóa + đồng mỏng hai mặt	Xương sống của bảng đa lớp
Lớp trung gian (Prepreg)	Lớp sợi thủy tinh được phủ nhựa bán cứng	Kết dính và cách điện giữa các lớp. Khi ép và nung nóng sẽ tan chảy và cứng lại
Màu phủ hàn (Solder mask)	Mực quang học (thường là màu xanh)	Che các khu vực không được hàn. Ngăn ngừa oxy hóa và chập mạch
Màu in (Silkscreen)	Mực trắng	Số hiệu linh kiện (R1, C3), biểu thị cực tính, logo công ty
Xử lý bề mặt	HASL / ENIG / OSP v.v.	Ngăn ngừa oxy hóa đồng trên các pad lộ ra và đảm bảo khả năng hàn

FR-4 là tiêu chuẩn

FR-4 = Flame Retardant type 4, là vật liệu chống cháy được làm từ sợi thủy tinh và nhựa epoxy. Độ dày tiêu chuẩn là 1,6mm, bảng mỏng thường sử dụng độ dày từ 0,8 đến 1,2mm.

Số liệu quan trọng là Tg (nhiệt độ chuyển tiếp thủy tinh). Khi vượt qua nhiệt độ này, bảng sẽ trở nên mềm hơn.

Loại	Tg (gần đúng)	Ứng dụng
FR-4 thông thường	130~140 độ	Sản phẩm tiêu dùng, bảng ít lớp
Tg trung bình	150~160 độ	Bảng đa lớp, hàn không chì
Tg cao	Trên 170 độ	Hệ thống điện tử ô tô, bảng đa lớp, khu vực gần động cơ

> Khi chuyển sang hàn không chì, nhiệt độ đỉnh của quy trình hàn lại (reflow) đã tăng lên khoảng 245 độ. Nếu sử dụng vật liệu Tg thấp với hồ sơ hàn không chì, sẽ xảy ra bong tróc lớp (delamination) và cong vênh. Hãy kiểm tra Tg trước tiên trong tài liệu kỹ thuật của vật liệu.

Độ dày đồng mỏng được đo bằng oz

1 oz   = 1 ounce đồng trên 1 square foot = khoảng 35um
0,5 oz = khoảng 18um   thường thấy ở lớp tín hiệu trong
2 oz   = khoảng 70um   dùng cho các đường dẫn điện lớn, nguồn điện, động cơ điều khiển

Đồng mỏng càng dày thì dòng điện truyền qua càng lớn, nhưng khoảng cách giữa các đường dẫn sẽ khó thu hẹp và độ chính xác trong ăn mòn sẽ giảm. Vì vậy, không thể làm dày ở bất kỳ nơi nào tùy tiện.

Bảng đơn mặt, bảng hai mặt, bảng đa lớp

Phân loại	Số lớp	Đặc điểm	Ví dụ tại hiện trường
Đơn mặt (Single)	1	Chỉ có mẫu hình trên một mặt, giải quyết giao nhau bằng dây nhảy	Bảng LED đơn giản, bảng điều khiển thiết bị gia dụng
Hai mặt (Double)	2	Mẫu hình trước sau + kết nối bằng lỗ xuyên (thru-hole)	Bảng điều khiển thông thường, bảng nguồn
Đa lớp (Multi)	4, 6, 8, 10…	Đảm bảo mặt trong có mặt đất (GND) và mặt nguồn (POWER)	Bộ điều khiển ô tô (ECU), mô-đun truyền thông, mạch cao tốc

Lý do số lớp tăng lên không chỉ do không gian dây dẫn. Khi thêm lớp mặt đất liên tục (GND Plane), nhiễu sẽ giảm và trở kháng ổn định hơn. Vì vậy, các mạch tốc độ cao và tần số cao thường có số lớp nhiều hơn.

Cách đọc cấu trúc phân lớp (stackup)

Ví dụ cấu trúc phân lớp của bảng 4 lớp 1,6mm

  L1  Top       Đồng mỏng 35um (1oz)      Linh kiện, tín hiệu
  ------ Lớp trung gian 0,2mm ------
  L2  GND       Đồng mỏng 18um            Mặt đất liên tục
  ------ Lõi 1,1mm ------
  L3  POWER     Đồng mỏng 18um            Mặt nguồn
  ------ Lớp trung gian 0,2mm ------
  L4  Bottom    Đồng mỏng 35um            Tín hiệu, một số linh kiện

  Tổng độ dày lớp cách điện = 0,2 + 1,1 + 0,2 = 1,5mm
  Tổng độ dày đồng và mạ = 35 + 18 + 18 + 35 um = 106um = khoảng 0,1mm
  Tổng độ dày = khoảng 1,6mm

Số lớp luôn được đếm từ trên xuống (mặt có linh kiện). Nếu bản vẽ ghi là L1, thì đó là mặt trên. Nếu đặt hàng ngược lớp với nhà sản xuất nguyên bản, toàn bộ sẽ bị hủy bỏ.

Lỗ vi (Via) – lỗ nối các lớp với nhau

Loại	Cấu trúc	Đặc điểm
Lỗ xuyên (PTH)	Đục từ trên xuống dưới	Giá rẻ và phổ biến nhất. Chiếm hết không gian của tất cả các lớp
Lỗ mù (Blind Via)	Từ mặt ngoài đến mặt trong	Chỉ nhìn thấy từ một phía. Giá cao
Lỗ chìm (Buried Via)	Chỉ giữa các lớp trong	Không nhìn thấy từ mặt ngoài. Dùng cho bảng mật độ cao
Lỗ trong pad (Via in Pad)	Lỗ nằm giữa pad	Tiết kiệm không gian. Phải trám nhựa và phủ mạ. Nếu không làm, chì sẽ bị hút vào lỗ và gây hàn không đều
Lỗ nhiệt (Thermal Via)	Nhiều lỗ dưới linh kiện phát nhiệt	Dẫn nhiệt sang mặt đối diện

Cũng có giới hạn đối với tỷ lệ chiều cao và chiều rộng của lỗ (Aspect Ratio).

Đường kính khoan 0,3mm, độ dày bảng 1,6mm
  Tỷ lệ = 1,6 / 0,3 = 5,3 : 1

Giới hạn sản xuất thông thường khoảng 8:1 ~ 10:1
  Nếu vượt quá, lớp mạ trong lỗ sẽ mỏng gây nứt và đứt dây

> Bản vẽ không bị che lỗ vi là lỗi phổ biến nhất của kỹ sư thiết kế mới. Khi đưa lên dây chuyền SMT, mực sẽ chảy vào lỗ và toàn bộ linh kiện đó sẽ bị hàn không đều.

Pad và màu phủ hàn

Tùy theo cách màu phủ hàn bao phủ xung quanh pad, có hai loại chính:

Cách làm	Cấu trúc	Đặc điểm
NSMD (màu phủ lớn hơn pad)	Chì bao quanh cả mặt bên của đồng	Độ bám dính tốt. Tiêu chuẩn cho BGA
SMD (màu phủ phủ lên pad)	Màu phủ xác định ranh giới của pad	Kháng lại bong tróc đồng. Tuy nhiên, ứng suất tập trung tại ranh giới màu phủ

Dải màu phủ còn lại giữa các pad liền kề được gọi là dải chắn hàn (solder mask dam). Nếu dải này quá mỏng ở khoảng cách nhỏ, nó sẽ sụp đổ trong quá trình in và hàn lại, gây ra mắc nối (bridging).

Xử lý bề mặt – quyết định chì có bám hay không

Cách xử lý	Bề mặt	Ưu điểm	Lưu ý
HASL (chì/ không chì)	Mạ chì, màu bạc	Giá rẻ, khả năng hàn tốt, bảo quản tốt	Bề mặt không bằng phẳng, không phù hợp với BGA và khoảng cách nhỏ
ENIG (niken không điện phân + mạ vàng)	Màu vàng, bằng phẳng	Bằng phẳng nhất, tiêu chuẩn cho BGA và khoảng cách nhỏ	Giá cao. Nếu quy trình không đạt, có thể gây ra màu đen (mỏng và gãy)
OSP	Màng hữu cơ trên đồng, màu đồng	Giá rẻ, bằng phẳng	Màng mỏng nên thời hạn sử dụng ngắn. Yếu khi hàn lại nhiều lần
Mạ bạc / Mạ thiếc	Màu bạc	Bằng phẳng, giá trung bình	Cần quản lý sự thay đổi màu và lan truyền trong quá trình bảo quản

> Nếu để OSP quá lâu trong kho, chì sẽ không bám được. Hãy quản lý thời hạn sử dụng (thường là vài tháng sau khi mở, kiểm tra trong tài liệu kỹ thuật) bằng nhãn dán. “Vì là hàng tồn kho nên cứ dùng” sẽ khiến toàn bộ dây chuyền bị hàn không đều.

Cách xử lý – nơi tạo ra lỗi

Không được chạm tay trực tiếp vào pad. Chất muối và dầu trên da sẽ cản trở quá trình hàn, và theo thời gian sẽ gây ăn mòn. Hãy dùng găng tay (găng tay ESD) hoặc chỉ cầm vào mép bảng.
Không được chồng các bảng lên nhau. Linh kiện trên bảng trên có thể cào xước pad của bảng dưới. Hãy sử dụng giá đỡ (magazine rack) hoặc tấm trượt (slip sheet).
Bảng có thể hấp thụ độ ẩm. Những bảng được để trong túi chân không bị rách và để lâu sẽ gây bong tróc lớp và phồng rộp trong quá trình hàn lại. Bảng đa lớp và dày càng nghiêm trọng hơn.
Là đối tượng quản lý tĩnh điện. Bản thân bảng nguyên bản không vấn đề, nhưng bảng đã gắn linh kiện (PCBA) là sản phẩm nhạy cảm với ESD.

Danh sách kiểm tra đầu tuần

Xác định số lớp, độ dày, cấp độ Tg của bảng được sản xuất nhiều nhất tại dây chuyền của chúng ta
Xác định loại xử lý bề mặt và phương pháp quản lý thời hạn sử dụng của bảng đó
Xác định nơi lưu trữ và tình trạng đóng gói của bảng nguyên bản (liệu túi chân không có bị mở ra không)
Thực hành trực tiếp cách nắm giữ bảng đúng cách (chỉ cầm mép bảng)
Xác nhận mặt nào là L1 trên bản vẽ