Trong quy trình gia công hàn linh kiện dán SMT, khung Stencil được sử dụng để in kem hàn lên bề mặt bo mạch trước khi bo mạch được gắn linh kiện và qua lò hàn đối lưu. Chính vì vậy, nó đóng vai trò vô cùng quan trọng quyết định đến chất lượng in kem hàn cũng như chất lượng mối hàn sau này. Qua bài viết này hãy cùng Điện tử Hatakey tìm hiểu về khuôn in kem hàn stencil: nguyên lý, vai trò và cách sử dụng trong quá trình gia công SMT nhé.
1. Khung Stencil là gì
Hình 1. Khuôn in kem hàn Stencil không khung viền.
Khuôn in kem hàn (hay khung Stencil) là một tấm kim loại mỏng thường là thép không rỉ được đục sẵn các lỗ bằng laser tương ứng với vị trí các chân linh kiện dán SMT trên mạch in PCB. Trong dây chuyền lắp ráp SMT, stencil được sử dụng ở công đoạn in kem hàn cho phép in một lượng vừa đủ kem hàn lên đúng vị trí các pad hàn linh kiện trên bo mạch PCB đây là tiền đề để hình thành các mối hàn có độ bên cũng như độ tin cậy cao. Tùy thuộc vào quy mô sản xuất, khuôn stencil có thể được đóng khung sử dụng trong các máy quét kem hàn tự động hoặc không khung cho việc in (quét) hàn thủ công.
Khi in kem hàn, người ta đặt cố định khung stencil áp sát với bề mặt mạch in PCB sao cho các lỗ mở trên khuôn stencil đồng nhất với các pad hàn linh kiện. Các dao quét kem hàn (Squeegee) sẽ ép, đẩy kem thiếc trên khung stencil qua các lỗ đục sẵn để kem thiếc bám lên pad hàn linh kiện trên bề mặt bo mạch. Lớp kem thiếc này sẽ đóng vai trò là lớp liên kết giúp giữ các linh kiện dán nằm trên bề mặt bo mạch PCB trong quá trình gắp đặt linh kiện lên mạch sau này, và sau khi qua lò hàn đối lưu, kem thiếc sẽ nóng chảy và tạo thành mối hàn giúp cố định linh kiện vào bảng mạch.
Hình 2. Quy trình in kem hàn trong gia công SMT.
2. Tại sao thiết kế khuôn in Stencil lại quan trọng?
Thiết kế và gia công khuôn in Stencil là một bước quan trọng trong gia công lắp ráp PCB, đặc biệt là đối với quy trình SMT. Một khuôn Stencil được thiết kế tốt đảm bảo việc in kem hàn chính xác, điều này ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng gắp đặt linh kiện và hình thành mối hàn sau này. Thiết kế khuôn in kém có thể dẫn đến các lỗi như thiếu thiếc, chập hoặc lệch vị trí linh kiện, dẫn đến lỗi bo mạch và phát sinh chi phí sửa chữa tốn kém.
Khi các sản phẩm điện tử hiện đại ngày càng nhỏ gọn, khoảng cách giữa các linh kiện ngày càng gần hơn và mật độ ngày càng dày đặc hơn, dung sai cho các lỗi trong thiết kế khuôn mẫu ngày càng thấp hơn. Một sai sót nhỏ về kích thước hoặc vị trí của một lỗ trên khuôn stencil có thể dẫn đến sự chậm trễ đáng kể trong sản xuất.
3. Các thông số cơ bản cần chú ý của khung stencil
3.1. Độ mở lỗ
Độ mở lỗ là thông số cốt lõi khi thiết kế khung stencil. Kích thước và hình dạng lỗ mở cần phải khớp với chân linh kiện tương ứng trên PCB. Một số lỗ cần phải điều chỉnh nhỏ hơn thông thường để đảm bảo khả năng tách kem hàn cũng như yêu cầu cảu linh kiện. Đối với hầu hết linh kiện tiêu chuẩn, lỗ mở trên stencil thường có kích thước 90-100% kích thước pad hàn để tránh tình trạng thừ kem thiếc. Tuy nhiên với các linh kiện cỡ chân nhỏ (< 0.5mm) việc giảm kích thước lỗ xuống còn 80-90% có thể giảm thiểu nguy cơ tạo cầu nối giữa các chân linh kiện.
Hình dạng lỗ cùng đóng vai trò quan trọng. Các lỗ hình chữ nhật và hình vuông thường khá phổ biến nhưng các lỗ với các góc bo tròn có thể cải thiện khả năng tách kem hàn bằng cách giảm các cạnh sắc nhọn nơi kem hàn có thể bám dính. Đối với các linh kiện chân bi gầm (BGA) các lỗ tròn thường được sử dụng để phù hợp với các chân bi hàn hình cầu giúp đảm bảo phân bố đều thiếc trên pad hàn.
3.2. Độ dày khuôn
Độ dày khuôn có ảnh hưởng đến thể tích kem hàn trên pad hàn. Có một nguyên tắc chung là duiy trì tỷ lệ diện tích mở lỗ và diện tích thành lỗ ít nhất 0.66 để giảm độ bám dính kem hàn lên khung. Ví dụ: khuôn in dày 0.15 mm với lỗ rộng 0.3 mm có tỷ lệ diện tích là 0.5; điều này có thể dẫn tới việc in kem kém hiệu quả. Điều chỉnh độ dày hoặc độ mở rộng lỗ có thể giúp cải thiện điều này.
Hình 3. Hướng dẫn lựa chọn độ dày và độ mở lỗ khung stencil
3.3 Vật liệu và độ bền
Thép không gỉ thường là vật liệu được sử dụng để chế tạo khung stencil do độ bên và khả năng chống mài mòn tốt, tuy nhiên các loại stencil nhựa đôi khi vẫn được sử dụng khi gia công mạch mẫu số lượng ít nhằm tiết kiệm thời gian và chi phí. Ngoài ra với việc gia công số lượng lớn, các khung stencil thường được phủ bề mặt bằng vật liệu nano giúp kéo dài tuổi thọ cũng như giảm số lần vệ sinh khung trong quá trình gia công.
Hình 4. Khung stencil phủ nano cho chất lượng in kem vượt trội cũng như giảm số lần vệ sinh khung trong quá trình gia công.
4. Kết Luận
Khung stencil là một trong những yếu tố quan trọng quyết định sự thành công của quá trình lắp ráp PCB, đặc biệt là đối với công nghệ hàn dán SMT – nơi độ chính xác đóng vai trò then chốt. Việc chú trọng đến thiết kế lỗ mở, lựa chọn độ dày stencil phù hợp và áp dụng đúng kỹ thuật in kem hàn sẽ giúp cải thiện rõ rệt chất lượng in, đồng thời giảm thiểu các lỗi hàn như cầu thiếc, thiếu kem hàn hay mối hàn kém ổn định. Dù bo mạch có mật độ cao hay sử dụng nhiều loại linh kiện khác nhau, những nguyên tắc và kinh nghiệm được chia sẻ trong bài viết này đều có thể giúp bạn thiết kế một stencil SMT hiệu quả và phù hợp với nhu cầu sản xuất.
Cần nhấn mạnh rằng, thiết kế stencil vừa mang tính khoa học vừa đòi hỏi kinh nghiệm thực tế. Quá trình này yêu cầu sự tính toán cẩn thận, thử nghiệm liên tục và phối hợp chặt chẽ giữa các bộ phận thiết kế, sản xuất và lắp ráp. Khi áp dụng đúng phương pháp, stencil không chỉ giúp tối ưu quy trình SMT mà còn góp phần đảm bảo các bo mạch PCB đạt độ tin cậy cao và hiệu suất ổn định trong vận hành. Hãy bắt đầu áp dụng những nguyên tắc này cho dự án tiếp theo của bạn để cảm nhận sự khác biệt mà một stencil được thiết kế đúng chuẩn có thể mang lại.
Hiện nay Hatakey đang cung cấp các loại khung stencil chất lượng cao được phủ nano cho chất lượng cũng như hiệu năng vượt trội so với các loại stencil phổ thông trên thị trường. Hãy liên hệ ngay với chúng tôi để được tư vấn và báo giá!