Ngành công nghiệp chế tạo điện tử đã trải qua các bước phát triển của công nghệ đóng gói các linh kiện. Khởi đầu từ công nghệ xuyên lỗ : các linh kiện được cắm tổ hợp lên bo mạch thông qua các lỗ xuyên trên mạch in hay PCB. Tất cả các linh kiện ở tất cả các chủng loại đều phải có chân đủ dài để có thể cắm xuyên qua bo mạch và mối hàn sẽ được thực hiện ở mặt bên kia thông qua lò hàn sóng hoặc hàn tay.
Ngày nay, một bo mạch – tùy vào yêu cầu sử dụng được thiết kế – mà có thể chế tạo theo công nghệ xuyên lỗ, hoặc theo công nghệ SMT, hoặc kết hợp cả hai. Việc áp dụng công nghệ SMT mang lại một trình độ sản xuất tự động hóa cao độ và mang lại năng suất cũng như sự linh động cực cao trong việc thay đổi model sản xuất.
Các công đoạn và quá trình hình thành SMT
Khi nhìn vào bên trong bất kỳ thiết bị điện tử được sản xuất thương mại ngày nay đều có thể thấy các linh kiện rất nhỏ. Thay vì sử dụng các linh kiện truyền thống có chân như các linh kiện trong thiết bị điện gia dụng, các linh kiện này được gắn trên bề mặt của bo mạch và nhiều loại có kích thước rất bé.
Công nghệ này được gọi là Surface Mount Technology hay công nghệ dán bề mặt, SMT và linh kiện SMT. Hầu như tất cả các thiết bị ngày nay được sản xuất thương mại đều sử dụng công nghệ gắn trên bề mặt, bởi vì nó mang lại nhiều thuận lợi trong quá trình sản xuất PCB, và về kích thước, việc sử dụng các linh kiện SMT cho phép nhiều thiết bị điện tử được đóng gói vào một không gian nhỏ hơn.
Ngoài kích thước, công nghệ gắn trên bề mặt cho phép lắp ráp và hàn PCB tự động, và điều này mang lại những cải tiến đáng kể về độ tin cậy cũng như tiết kiệm chi phí rất lớn.
Công nghệ dán bề mặt SMT là gì?
Trong những năm 1970 và 1980, mức độ tự động hóa bắt đầu tăng lên đối với lắp ráp PCB cho các bo mạch được sử dụng trong nhiều thiết bị. Việc sử dụng các linh kiện truyền thống có chân gây khó khăn cho việc lắp ráp PCB. Điện trở và tụ điện cần phải được chỉnh lại chân để có thể xuyên qua các lỗ, và thậm chí IC cần phải có các chân được đặt chính xác đúng độ cao để dễ dàng vào các lỗ.
Cách tiếp cận này gây nhiều khó khăn do chân có thể không vào lỗ vì dung sai cần thiết để đảm bảo chân được lắp chính xác qua các lỗ rất chặt. Kết quả là cần phải có sự can thiệp của người vận hành để giải quyết các vấn đề của các linh kiện không phù hợp và phải dừng hoạt động lắp ráp. Điều này làm chậm quá trình lắp ráp PCB và tăng chi phí.
Đối với lắp ráp PCB, thực sự không cần chân linh kiện đi xuyên qua bo mạch. Thay vào đó có thể hàn linh kiện trực tiếp vào bo. Kết quả là công nghệ dán bề mặt SMT đã ra đời và việc sử dụng các linh kiện SMT đã tăng lên rất nhanh khi những lợi thế của chúng được nhìn thấy.
Ngày nay công nghệ dán bề mặt là công nghệ chính được sử dụng để lắp ráp PCB trong sản xuất điện tử. Các linh kiện SMT có thể được chế tạo rất nhỏ, đặc biệt là tụ điện SMT và điện trở SMT.
Lắp ráp PCB sử dụng công nghệ dán bề mặt
Ngày nay, SMT gần như dành riêng cho việc lắp ráp và sản xuất PCB. Có thể đóng gói nhiều linh kiện hơn vào một không gian nhỏ hơn bằng cách sử dụng SMT. Các linh kiện gắn trên bề mặt nhỏ hơn, có hiệu suất tốt hơn và có thể sử dụng với máy gắp và đặt linh kiện tự động giúp loại bỏ sự cần thiết phải can thiệp thủ công trong quá trình lắp ráp.
Các linh kiện có chân khó có thể đặt tự động vì các chân cần được chỉnh lại để phù hợp với khoảng cách lỗ, và thậm chí sau đó rất dễ gặp vấn đề trong quá trình lắp đặt.
Hiện nay trong quá trình lắp ráp PCB, hầu hết các linh kiện trên bo được đặt tự động. Đôi khi có thể cần can thiệp thủ công, nhưng luôn luôn được giảm bớt. Các nhà sản xuất linh kiện đã phát triển một số phiên bản linh kiện dán bề mặt chuyên dụng cho phép lắp ráp tự động gần như hoàn chỉnh cho hầu hết các bo mạch.
Một trong những vấn đề với linh kiện là khả năng phục hồi nhiệt. Các quy trình hàn yêu cầu toàn bộ linh kiện được nâng lên nhiệt độ cao và điều này đã gây ra vấn đề với một số linh kiện. IC, điện trở dán bề mặt và nhiều loại tụ điện bề mặt thì không có vấn đề gì.
Tuy nhiên, chính vì lý do này mà các tụ điện điện phân dán bề mặt không được sử dụng ngay từ ban đầu. Thay vào đó người ta sử dụng tụ tantalum dán bề mặt. Nhưng bây giờ, các phiên bản của tụ điện điện phân bề mặt đã được phát triển có khả năng chịu được nhiệt độ trong quá trình hàn.
Công nghệ gắn trên bề mặt trong thiết kế
Lý do chính cho việc chuyển sang công nghệ gắn trên bề mặt là sự cải tiến lớn về tốc độ, độ tin cậy và chi phí cho quá trình lắp ráp PCB. Mặc dù đây là tác động lớn cho việc áp dụng công nghệ, nhưng nó cũng tác động đến việc thiết kế và phát triển các mạch và thiết bị điện tử mới. May mắn là sự chuyển đổi này mang lại nhiều lợi thế hơn cho sự phát triển và hiệu suất mạch, hơn là những bất lợi.
Đối với kỹ sư phát triển, việc sử dụng công nghệ gắn trên bề mặt mang lại nhiều lợi thế, mặc dù có một số điểm cần theo dõi:
Điện dung và độ tự cảm thấp
Theo kích thước nhỏ của các thành phần, các mức độ tự cảm và điện dung giả nhỏ hơn nhiều – điện trở SMT hoạt động theo cách gần với điện trở hoàn hảo hơn so với điện trở dẫn. Tương tự như vậy, một tụ điện SMT sẽ thể hiện độ tự cảm ký sinh thấp hơn nhiều. Kết quả là tốc độ nhanh hơn và tần số cao hơn là có thể với các thành phần tiêu chuẩn SMT hơn là có thể với các tương đương có chì.
Xếp hạng công suất thấp hơn
Xếp hạng công suất của các bộ phận lắp trên bề mặt có tầm quan trọng lớn. Các điện trở gắn bề mặt là ví dụ cụ thể. Một điện trở dẫn tiêu chuẩn có thể tiêu tan ít nhất 0,25 watt. Đối với điện trở gắn trên bề mặt, bing nhỏ hơn nhiều, độ phân tán cũng ít hơn. Hãy nhận biết điều này và kiểm tra dữ liệu của nhà sản xuất.