Khuôn in PCB là gì? Vai trò của khuôn in trong SMT

Khuôn in PCB (PCB Stencil) là gì?

Khuôn in PCB (PCB Stencil) là một tấm kim loại mỏng có các lỗ cắt bằng laze dùng để dán kem hàn lên bảng PCB để đặt linh kiện gắn trên bề mặt. Khuôn được sử dụng để dán kem hàn vào những vị trí được chỉ định trên bản mạch PCB để các linh kiện có thể được đặt và căn chỉnh vị trí chính xác trên bản mạch. Các chức năng chính của khuôn in bao gồm:

• Chuyển kem hàn chính xác vào các vị trí đã chọn trên bản mạch trơn (Bare Board).

• Kiểm soát lượng kem hàn lắng đọng dựa trên kích thước/hình dạng của lỗ hở.

• Hoạt động như mặt nạ để ngăn chặn kem hàn dán lên các khu vực không mong muốn.

• Đảm bảo khối lượng và độ dày dán nhất quán trên các tấm trong quá trình sản xuất số lượng lớn.

Khuôn in cho phép in chính xác tốc độ cao kem hàn kể cả với số lượng nhỏ để gắn các linh kiện SMT như điện trở, tụ điện, bóng bán dẫn, đèn LED và mạch tích hợp lên bảng mạch in bằng công nghệ gắn trên bề mặt (SMT).

Lợi ích của việc sử dụng khuôn in PCB

• Độ chính xác: Các vết cắt khớp với các vị trí chính xác của linh kiện

• Tốc độ: In đồng thời cho nhiều linh kiện

• Chất lượng: Thiết kế lỗ hở được tối ưu hoá giúp ngăn ngừa các lỗi xảy ra trong quá trình in kem hàn

• Hiệu quả: Quy trình in và căn chỉnh tự động

• Độ tin cậy: khuôn in có độ bền cao trong quá trình sản xuất lâu dài

• Khả năng thích ứng: Thiết kế khuôn in có thể được sửa đổi dựa trên yêu cầu của quá trình sản xuất

Vật liệu sản xuất khuôn in điển hình

Khuôn in có thể được sản xuất bởi nhiều loại chất liệu khác nhau, trong đó có một số chất liệu phổ biến dưới đây:

Thép không gỉ

Đây là chất liệu được sử dụng phổ biến nhất do có độ bền cao và dễ lau chùi. Độ dày thông thường từ khoảng 0,001” đến 0,012”

Ưu điểm: Độ bền cao, giá thành vừa phải, độ chính xác cao

Nhược điểm: Khắc các chi tiết nhỏ hạn chế, các vấn đề bám dính niken

Đồng thau mạ niken

Khuôn in bằng đồng thau cho phép các chi tiết siêu nhỏ có chiều rộng tới 0,5 mil. Mạ niken không điện giúp cải thiện độ bền. Độ dày từ 0,005″ đến 0,012″.

Ưu điểm: Khắc được các chi tiết nhỏ hơn, độ phẳng, tiết kiệm cho việc tạo mẫu

Nhược điểm: Độ bền kém hơn thép, bị cong vênh theo thời gian

Nhôm

Khuôn in nhẹ được khắc hoặc cắt laser từ các tấm hợp kim nhôm được sử dụng cho các tổ hợp hỗn hợp thấp lớn hơn. Độ dày thông thường từ 0,005″ đến 0,060″.

Ưu điểm: Khối lượng thấp, thời gian cắt nhanh, chi phí thấp

Nhược điểm: Độ chính xác thấp hơn, việc khắc các chi tiết nhỏ bị hạn chế và tuổi thọ ngắn

Nhựa

Khuôn in làm từ vật liệu polyme được khắc hóa học như polyimide. Độ mỏng tới 0,001" thường được sử dụng cho sản xuất SMT ngắn hạn, có hỗn hợp rất cao.

Ưu điểm: Chi phí tạo mẫu rất thấp

Nhược điểm: Sử dụng một lần, việc khắc các chi tiết nhỏ bị hạn chế, độ bền thấp

Niken

Khuôn in niken được sản xuất thông qua quá trình điện hóa trên trục nhôm hoặc đồng. Sau đó trục được loại bỏ chỉ để lại niken. Độ dày thông thường từ 0,002" đến 0,005". Nó được sử dụng để in các chi tiết siêu nhỏ.

Ưu điểm: Các tính năng tốt được ứng dụng hiệu quả

Nhược điểm: Chi phí đắt, thời gian thực hiện chậm, dễ vỡ, độ dày bị hạn chế

Quy trình sản xuất khuôn in PCB (PCB Stencil)

Việc chế tạo khuôn in bao gồm các công nghệ gia công vi mô chuyên dụng và các quy trình chính xác. Dưới đây là quy trình sản xuất khuôn in PCB:

1. Thiết kế

Bố cục khuôn in được thiết kế dựa trên dữ liệu lắp ráp PCB. Các lỗ được bổ sung thêm hình dạng miếng đệm  linh kiện phù hợp với kích thước và vị trí được tối ưu hóa.

2. Dữ liệu đầu ra

Dữ liệu Gerber chứa mẫu khuôn in được xuất ra để đưa đến quy trình gia công vi mô (khắc laser/ảnh).

3. Nguyên liệu thô

Vật liệu kim loại nguyên bản được chuẩn bị bằng cách cắt các tấm thành các kích thước khuôn mẫu cần thiết và làm sạch.

4. Gia công 

Các lỗ khuôn được tạo ra thông qua quá trình cắt bỏ bằng laser/ảnh. Cắt laser cho chất lượng cạnh tốt hơn trong khi khắc ảnh mang lại các tính năng tốt hơn.

5. Xử lý bề mặt

Các quy trình sau gia công như mài  hoặc đánh bóng bằng điện được thực hiện để cải thiện độ hoàn thiện bề mặt, giảm lực cản và dễ dàng làm sạch.

6. Đóng khung

Khuôn in được gắn vào một khung để hỗ trợ cố định cấu trúc khuôn.

7. Vệ sinh

Khuôn được làm sạch để loại bỏ các mảnh vụn, oxit, xỉ laser và các chất gây ô nhiễm khỏi quá trình chế tạo.

8. Bao bì

Sau khi kiểm tra lần cuối, khuôn in được đóng gói cẩn thận để tránh hư hỏng trước khi vận chuyển đến khách hàng.

Ứng dụng của khuôn in trong lắp ráp PCB

Trong một dây chuyền lắp ráp SMT điển hình, có rất nhiều công đoạn cần đến sự hỗ trợ của khuôn in:

In kem hàn

Khuôn in được căn chỉnh trên PCB và kem hàn được bôi lên trên khuôn. Sau đó, một lưỡi chổi cao su sẽ đi ngang và đẩy kem hàn vào các lỗ của khuôn in để chuyển các hạt kem hàn lên các miếng PCB.

Kiểm tra quang học

Sau khi in, quá trình kiểm tra quang học tự động sẽ xác nhận độ chính xác của vị trí kem hàn và phát hiện lỗi. Các lỗi thường gặp bao gồm: thiếu kem hàn, tắc nghẽn, dư kem hàn, lem kem hàn, dán kem hàn không đúng vị trí, v.v.

Gắn linh kiện

PCB sau đó được chuyển đến các máy gắn linh kiện trên bề mặt. Các thành phần được đặt chính xác trên lớp kem hàn đã in.

Hàn kem hàn

Kem hàn được nấu chảy trong lò nung để tạo ra các mối hàn vĩnh viễn giữ các linh kiện. Các dư lượng chất dễ bay hơi bay hơi đi.

Làm sạch

Sau khi quá trình sản xuất diễn ra, khuôn in được làm sạch kỹ lưỡng để loại bỏ tất cả cặn và mảnh vụn kem hàn bằng chất tẩy rửa chuyên dụng.

Những lưu ý khi sử dụng khuôn in PCB

• Đối với các linh kiện có chiều cao dưới 0,4 mm, hãy sử dụng khuôn in bằng thép cắt bằng laser hoặc đồng mạ niken có độ dày khoảng 4 đến 5 mil.
• Khớp độ dày của khuôn in với khoảng trống in. Tấm khuôn 4 mil thường mang lại hiệu suất in tốt nhất ở khoảng cách tách rời khoảng 4 mil.
• Quy tắc chung về kích thước lỗ khuôn là chiều rộng miếng đệm 1,5 lần đối với BGA, chiều rộng miếng đệm 0,66 lần đối với QFP và chiều rộng miếng đệm 1,25 lần đối với các loại linh kiện khác.
• Đối với các lỗ dưới 10 mils, hãy sử dụng giấy nến niken được định hình điện. Đối với các chi tiết lớn hơn, có thể sử dụng kỹ thuật cắt laser hoặc khắc hóa học.
• Chiều rộng tấm khuôn in có thể nhỏ hơn 20% so với khoảng cách tối thiểu theo quy tắc thiết kế. Chiều rộng thông thường là khoảng 5 đến 6 mils.
• Đặt khoảng trống từ 2 đến 3 mil giữa các lỗ đối với các thiết kế có mật độ cao để ngăn chặn hiện tượng lem kem hàn.
• Đối với các linh kiện nhỏ không ổn định, hãy sử dụng “bản in neo” – các miếng đệm quá khổ được kết nối với các miếng đệm chính để cố định linh kiện.
• Thêm các vòng chống xẹp xung quanh các lỗ dễ bị lõm thành bên do khối lượng kem hàn quá nhiều.
• Cần có sự hỗ trợ hợp tác với các chuyên gia khuôn in sớm sẽ giúp nhà sản xuất tối ưu hóa và ngăn ngừa các lỗi SMT trong quá trình lắp ráp.

Khuôn in PCB là một thành phần tiêu hao quan trọng cho phép in kem hàn tốc độ cao, chính xác trong quá trình lắp ráp gắn trên bề mặt. Đầu tư vào các thiết kế khuôn in được tối ưu hóa phù hợp chặt chẽ với sản phẩm sẽ mang lại lợi ích đáng kể về chất lượng trong suốt thời gian sản xuất. Tuy nhiên, cần có chuyên môn để thiết kế và sản xuất khuôn phù hợp với đặc tính của sản phẩm. Hợp tác chặt chẽ với các đối tác chế tạo khuôn chuyên dụng cho phép OEM thiết lập các quy trình mạnh mẽ đảm bảo lắp ráp SMT nhất quán, năng suất cao.