Trong ngành điện tử hiện đại, hiệu suất và độ tin cậy của bo mạch điện tử liên quan chặt chẽ với quy trình kiểm soát chất lượng trong quá trình gia công lắp ráp bo mạch (PCBA). Ngay cả những lỗi, khiếm quyết nhỏ nhất trên bo mạch như vết nứt mối hàn siêu nhỏ, linh kiện không thẳng hàng hoặc giá trị không chính xác cũng có thể dẫn đến những hỏng hóc không mong muốn ảnh hưởng đến chất lượng và tuổi thọ của sản phẩm điện tử.
Việc kiểm soát chất lượng gia công này không phải chỉ là một bước kiểm tra cuối cùng sau khi lắp ráp mà là một quy trình có hệ thống lặp đi lắp lại nhiều lần từ việc kiểm soát chất lượng nguyên vật liệu đầu vào như linh kiện, bảng mạch PCB đến việc kiểm tra chức năng bo mạch sau khi hoàn thiện.
Trong bài viết này hãy cùng điện tử Hatakey tìm hiểu về quy trình kiểm soát chất lượng cơ bản khi gia công lắp ráp mạch PCBA tại các nhà máy lắp ráp công nghiệp nhé.
1. Kiểm soát chất lượng nguyên vật liệu đầu vào trước khi lắp ráp PCBA
1.1. Kiểm soát chất lượng linh kiện đầu vào
Việc kiểm soát chất lượng nguyên vật liệu đầu vào trước khi gia công hàn mạch PCBA là thường bắt đầu bằng việc kiểm tra và xác minh danh sách linh kiện hàn (BOM). Chất lượng và khả năng hoạt động của bo mạch thành phẩm sẽ phụ thuộc vào độ chính xác tuyệt đối của các linh kiện được sử dụng. Quy trình kiểm soát chất lượng đầu vào (IQC) cho các linh kiện là quy trình xác minh kiểm tra toàn diện có thể diễn ra ở bất kỳ giai đoạn nào của quy trình lắp ráp bao gồm:
- Xác minh mã linh kiện: Mã các cuộn, khay linh kiện được sử dụng cho quá trình gia công phải đảm bảo hoàn toàn chính xác với BOM (giá trị, kiểu chân, dung sai, thông tin hãng sản xuất, tình trạng sản phẩm…). Đây là bước quan trọng để loại bỏ các mã linh kiện không chính xác (giả, nhầm kiểu chân, linh kiện cũ…) có thể gây lỗi hoặc tiềm ẩn rủi ro cho quá trình sản xuất.
- Kiểm soát mức độ nhạy cảm với độ ẩm: một số loại IC, linh kiện thụ động… có tính hút ẩm hoặc hấp thụ độ ẩm từ không khí xung quanh. Trong quá trình hàn nóng chảy ở nhiệt độ cao, bất kỳ độ ẩm nào bị giữ lại trong các linh kiện sẽ bốc hơi, tạo ra áp suất bên trong đáng kể. Áp suất này có thể khiến các lớp vỏ (bao bì) bị bong tróc, nứt… các liên kết dây bên trong bị hỏng hoặc dẫn đến hiện tượng nổ. Do vậy các linh kiện nhạy cảm cần phải được lưu trữ và bảo quản lưu trữ trong môi trường phù hợp.
Do vậy quá trình IQC sẽ bao gồm cả việc kiểm tra mức độ nhạy cảm với độ ẩm linh kiện, kiểm tra niêm phong bao bỳ, cũng như sấy khô các linh kiện đã quá thời gian lưu trữ bên ngoài (baking) để đảm bảo loại bỏ độ ẩm trước khi tiến hành sản xuất.
Hình 1. Các loại IC bị ẩm có thể bị nứt vỏ hoặc nổ khi gia công hàn SMT.
1.2. Kiểm tra bảng mạch PCB
Trước khi gia công hàn PCBA, các bảng mạch PCB cần được kiểm tra chất lượng cẩn thận các bước kiểm tra thông thường sẽ bao gồm:
- Kiểm tra ngoại quan bằng máy AOI nhằm phát hiện các lỗi như xước bề mặt, ngoại vật bám trên bề mặt, các pad hàn bị oxy hóa… Ngoài ra hệ thống AOI còn có thể phát hiện các lỗi về kích thước khoảng cách đường mạch… so với thiết kế.
- Kiểm tra kích thước: Đo đạc kiểm tra các thông số như kích thước dài rộng, độ dày, đường kính các lỗ khoan để đảm bảo độ tương thích với linh kiện. Bên cạnh đó độ cong vênh cũng được đánh giá vì nó có thể gây ra các vấn đề nghiêm trọng trong quá trình in kem và gắp đặt linh kiện.
- Kiểm tra dẫn điện (Electrical Testing): Đây là bài kiểm tra quan trọng nhất để đảm bảo chức năng hoạt động của bo mạch. Các nhà máy thường sử dụng các bộ gá jig test với nhiều đầu kiểm tra hoặc các thiết bị kiểm tra đầu dò tự động (Flying probe) để kiểm tra dẫn điện trên bo mạch nhằm đảm bảo không bị chập, đoản mạch.
- Kiểm tra tính đồng bộ của lớp mặt nạ hàn (soldermask), và lớp chữ trên bo mạch: Việc căn chỉnh đồng bộ lớp mặt nạ hàn này giúp giảm thiểu các lỗi hàn như mối nối bắc cầu… khi gia công hàn, lớp chữ trên bo mạch nếu lỗi có thể dẫn đến việc hàn sai nhầm chân linh kiện hoặc chèn lên pad hàn linh kiện gây lỗi gia công hàn.
Hình 2. Kiểm tra dẫn điện trên mạch in PCB bằng đầu dò tự động.
2. Kiểm soát chất lượng trong quá trình gia công PCBA
Các công đoạn kiểm tra được bố trí xuyên suốt trong quy trình sản xuất lắp ráp bo mạch nhằm phát hiện và loại bỏ các bo mạch lỗi cũng như nguyên nhân gây lỗi một cách kịp thời. Việc phát hiện càng sớm các lỗi trong quá trình lắp ráp sẽ giảm thiểu thời gian cũng như chi phí cho việc sửa chữa bo mạch lỗi.
2.1. Kiểm tra quá trình in kem hàn
Theo dữ liệu thống kê, khoảng 60-70% lỗi hàn dán đến từ lỗi trong công đoạn in kem hàn lên bề mặt bo mạch. Vì vậy việc sử dụng các máy kiểm tra kem hàn tự động SPI để giám sát chất lượng in kem hàn trước khi gắp đặt linh kiện là vô cùng quan trọng.
Các nhà máy hiện đại thường sử dụng các máy kiểm tra kem hàn 3D cho phép quan sát trực quan các khối kem hàn trên từng pad hàn linh kiện. So với các máy kiểm tra 2D chỉ có thể kiểm tra diện tích, vị trí các vùng in kem trên bo mạch, máy 3D còn cung cấp dữ liệu chính xác về:
- Thể tích kem hàn trên pad hàn, đảm bảo lượng kem hàn không bị thừa dễ tạo thành các cầu hàn, hoặc thiếu kem hàn.
- Độ cao kem hàn đảm bảo linh kiện có thể nằm chính xác trên pad hàn
- Khoảng diện tích pad hàn được bao phủ bởi kem hàn
- Độ thẳng hàng của kem hàn trên pad hàn.
Dữ liệu này giúp cho các kỹ thuật viên ngay lập tức điều chỉnh quy trình khi có lỗi xảy ra. Ví dụ: khi lượng kem giảm dần, có thể lỗ khuôn in đang bị tắc cần tiến hành vệ sinh…
2.2. Kiểm tra quang học AOI
Hệ thống AOI sử dụng camera độ nét cao và phần mềm phân tích hình ảnh tiên tiến để tự động quét các cụm linh kiện trên bo mạch và tìm ra lỗi. Máy AOI thường được sử dụng tại hai công đoạn chính bao gồm:
- Trước khi qua lò hàn đối lưu: Nhằm phát hiện các lỗi gắp đặt linh kiện như thiếu hoặc thừa linh kiện, nhầm chiều (diode, tụ phân cực, IC), đảm bảo linh kiện không bị kênh chân trước khi qua lò hàn.
- Sau khi qua lò: Thường các máy AOI phần lớn đều đặt sau lò nhằm phát hiện các lỗi hàn như lỗi bắc cầu, thiếu/ thừa thiếc, kênh chân…
Hình 3. Các lỗi hàn phổ biến trong quá trình gia công SMT
3. Máy kiểm tra X-ray
Mặc dù việc sử dụng các máy AOI khá hiệu quả trong việc phát hiện các lỗi phát sinh trong quá trình gia công linh kiện dán SMD. Tuy nhiên nó có nhược điểm là khó phát hiện được các lỗi nằm ở các vị trí bị che khuất như gầm IC đối với các linh kiện BGAs QFNs… Để giải quyết vấn đề này người ta thường sử dụng các máy kiểm tra quang học X-ray. Các máy kiểm tra X-ray cho phép thực hiện các kiểm tra như:
- Đảm bảo tính toàn vẹn của mối hàn: phát hiện các điểm ngắn, hở mạch, các lỗi bên trong mối hàn như mối hàn rỗng, nứt…
- Kiểm tra tính đồng bộ giữa các chân bi linh kiện BGAs QFNs với các pad hàn trên mạch PCB
- Phát hiện các lỗi hàn như bắc cầu, thiếu thiếc… bên dưới các linh kiện BGAs QFNs
Hình 4. Chip BGAs khi quan sát bên ngoài và qua máy kiểm tra X-ray.
4. Đo điện và Kiểm tra chức năng (ICT-FCT Testing) trong sản xuất lắp ráp bo mạch PCBA
Sau khi bo mạch được lắp ráp hoàn chỉnh, giai đoạn kiểm tra cuối cùng tập trung vào việc kiểm tra chất lượng tổng thể và quan trọng nhất là chức năng.
4.1. Kiểm tra Trực quan và Tiêu chuẩn IPC trong quá trình PCBA
Mặc dù đã có các hệ thống tự động tiên tiến, nhưng con mắt được đào tạo bài bản của người kiểm tra là vô cùng quan trọng. Các kỹ thuật viên thực hiện kiểm tra trực quan cuối cùng, tìm kiếm bất kỳ khuyết điểm nhỏ nào mà máy móc có thể bỏ sót.
Việc kiểm tra này không mang tính tùy tiện; nó được điều chỉnh bởi các tiêu chuẩn chất lượng nội bộ nghiêm ngặt, phù hợp với các tiêu chuẩn toàn cầu của ngành. Tiêu chuẩn phổ biến nhất trong gia công hàn lắp ráp bo mạch PCBA là IPC-A-610, “Khả năng Chấp nhận Lắp ráp Điện tử”. Tài liệu này cung cấp “sổ tay quy tắc” chi tiết, trực quan về những gì cấu thành nên mối hàn, vị trí lắp ráp linh kiện và chất lượng lắp ráp tổng thể được chấp nhận. Tài liệu này định nghĩa ba loại sản phẩm:
● Loại 1: Sản phẩm Điện tử Thông dụng (ví dụ: đồ chơi tiêu dùng…)
● Loại 2: Sản phẩm Điện tử Dịch vụ Chuyên dụng (ví dụ: máy tính xách tay, điện thoại thông minh…)
● Loại 3: Sản phẩm Điện tử Hiệu suất Cao/Môi trường Khắc nghiệt (ví dụ: thiết bị hỗ trợ y tế, hàng không vũ trụ, ô tô…)
Hình 5. Tiêu chuẩn về mối hàn IPC-A-610.
4.2. Kiểm tra điện bằng đầu dò (Flying Probe Test)
Kiểm tra bằng đầu dò đặc biệt phù hợp với các đơn hàng mẫu hay số lượng nhỏ. Việc kiểm tra bằng các đầu dò tự động di chuyển dọc theo bảng mạch, tiếp xúc với các điểm test nhằm xác định ngắn mạch, hở mạch, đo các giá trị linh kiện như tụ trở… Phương pháp này cho độ linh hoạt cao và không cần phải làm các jig test riêng cho từng mạch, tuy nhiên thời gian kiểm tra sẽ khá chậm.
4.3. Kiểm tra chức năng – Đo giá trị linh kiện (Function Test – FCT/ In-Circuit Testing – ICT)
Đo giá trị linh kiện đặc biệt phù hợp với các đơn hàng số lượng lớn. Phương pháp này sử dụng một thiết bị với các đầu dò cố định bố trí tiếp xúc với các điểm kiểm tra (test point) trên bo mạch giúp đo kiểm tra giá trị các linh kiện trên mạch, xác định các điểm chập, hở mạch.
Kiểm tra chức năng có thể được coi là bài kiểm tra “đạt/không đạt” cuối cùng trong quá trình gia công lắp ráp bo mạch PCBA. Nó sẽ mô phỏng môi trường vận hành thực tế của bo mạch. Bạn sẽ cần một thiết bị kiểm tra FCT chuyên dụng để cấp nguồn cho bo mạch và kết nối với nó để xác nhận thông số hoạt động so với thông số kỹ thuật thiết kế.
Ví dụ: đèn LED có nhấp nháy ở tần số thích hợp không? Dữ liệu có được truyền qua mô-đun không dây không, và các chỉ số cảm biến có chính xác không? FCT đảm bảo toàn bộ hệ thống hoạt động như mong đợi.
Hình 6. Kiểm tra ICT-FCT sau khi gia công lắp ráp.
5. Kết luận
Có thể thấy quy trình kiểm soát đảm bảo chất lượng gia công lắp ráp bo mạch PCBA không phải là chỉ là một bước kiểm tra đơn giản mà là một quy trình phức tạp xuyên suốt cả quá trình sản xuất. Từ việc đảm bảo tất cả các linh kiện và bo mạch đầu vào được kiểm tra trước khi lắp ráp, sử dụng dữ liệu từ các thiết bị kiểm tra chuyên dụng SPI, AOI và X-ray theo thời gian thực trên dây chuyền SMT, cho đến việc kiểm tra sản phẩm cuối cùng so với các yêu cầu về mối hàn theo tiêu chuẩn IPC và chức năng. Phương pháp kiểm tra đa lớp này là cách duy nhất để đảm bảo loại bỏ lỗi một cách có hệ thống, giảm thiểu lỗi tại từng công đoạn và cuối cùng là đảm bảo độ tin cậy cũng như chất lượng của mạch thành phẩm.
Hiện nay Điện tử Hatakey đang cung cấp giải pháp gia công lắp ráp bo mạch PCBA chất lượng cao, hãy liên hệ ngay với chúng tôi để được tư vấn!