Metronelec: Giải pháp thử nghiệm tính hàn, đánh giá mối hàn điện tử một cách toàn diện

Trong quá trình sản xuất và lắp ráp điện tử (PCBA), chất lượng của một bo mạch phụ thuộc rất lớn vào độ tin cậy của các mối hàn. Một mối hàn hoàn hảo không chỉ đòi hỏi công nghệ hàn tiên tiến mà còn phụ thuộc vào tính hàn (solderability) của chính linh kiện và bề mặt bo mạch in (PCB). Để đo lường khách quan yếu tố sống còn này, Metronelec – nhà tiên phong với hơn 40 năm kinh nghiệm – đã mang đến hệ thống Solderability Tester / Wetting Balance.

1. Tổng quan về Thiết bị Thử nghiệm Tính hàn (Solderability Test System)

Hệ thống thử nghiệm tính hàn (Solderability test system) METRONELEC ST được thiết kế để cung cấp khả năng đo lường nhanh chóng, chính xác và khách quan về tính hàn cho các linh kiện, bao gồm linh kiện dán bề mặt (SMD) và bo mạch in (printed circuit boards).

Khác với các phương pháp kiểm tra ngoại quan (nhìn bằng mắt thường) vốn mang tính chủ quan và phụ thuộc vào kinh nghiệm người thao tác, hệ thống của Metronelec đưa ra kết quả đầu ra được biểu diễn dưới dạng các đơn vị định lượng chuẩn xác:

• Lực thấm ướt mao dẫn (capillary wetting force): Đo bằng đơn vị mN (mili-Newton).

• Góc khum thấm ướt (wetting meniscus angle): Đo bằng độ (degrees).

Những kết quả này tương ứng trực tiếp với khả năng thấm ướt thiếc hàn (solder wettability) của mẫu thử nghiệm. Các hệ thống đo lường tính hàn của Metronelec đã nâng tầm nghệ thuật kiểm tra tính hàn bằng cách loại bỏ hoàn toàn nhu cầu sử dụng các phương pháp so sánh gián tiếp và mang tính chủ quan.

2. Nguyên lý cân bằng thấm ướt (Wetting Balance Principle) và Phương trình Young

Để hiểu rõ cách máy hoạt động, chúng ta cần đi sâu vào nguyên lý vật lý của quá trình hàn. Quá trình hàn được thể hiện bởi sự tương tác giữa 3 pha (3-phase interactions):

1. Pha rắn (Solid phase): Đại diện cho Linh kiện, Bo mạch in (Printed circuit boards)...

2. Pha lỏng (Liquid phase): Hợp kim thiếc nóng chảy (Molten alloy).

3. Pha hơi (Vapour phase): Bầu không khí xung quanh trong hầu hết các trường hợp (Ambient atmosphere in most of cases).

Ba pha này tương tác với nhau ở cấp độ phân tử. Sức căng bề mặt (Surface tension) giữa chúng được định nghĩa như sau:

• γSL: rắn - lỏng (solid-liquid).

• γSV: rắn - hơi (solid-vapour).

• γLV: lỏng - hơi (liquid-vapour).

Cơ chế hình thành góc thấm ướt: Khi chất lỏng bám dính vào chất rắn và tạo thành một góc thấm ướt, sức căng bề mặt đạt trạng thái cân bằng. Phương trình Young mô tả trạng thái này:

γSV + γSL + γLV = 0

Góc giữa mép của chất rắn và chất lỏng chính là góc thấm ướt (wetting angle). Công thức tính góc thấm ướt được rút ra như sau:

cosθ = (γSV - γSL)​ /  γLV

Diễn giải kết quả: Góc thấm ướt, do có liên quan trực tiếp đến sức căng bề mặt, chính là chỉ số đại diện trực tiếp cho chất lượng thấm ướt. Quy tắc cốt lõi là: Chất lượng thấm ướt càng tốt, góc thấm ướt càng nhỏ (Wetting quality better, wetting angle smaller). Hệ thống phần mềm của máy sẽ tự động xuất ra biểu đồ lực thấm ướt (Wetting force Y-axis) theo tiêu chuẩn IPC J-STD-002/3 hoặc biểu đồ góc thấm ướt (Wetting angle Y-axis) theo tiêu chuẩn NF-A89-400.

3. Đáp ứng các Tiêu chuẩn Công nghiệp Quốc tế

Sự uy tín của một thiết bị đo lường nằm ở khả năng tuân thủ các tiêu chuẩn quốc tế. Hệ thống METRONELEC đáp ứng một danh sách đồ sộ các tiêu chuẩn khắt khe nhất toàn cầu:

• Tiêu chuẩn Mỹ/Quốc tế: EIA/IPC/JEDEC J-STD-002E, IPC J-STD-003C-WAM1&2, IPC-TM-650 2.4.14.2, MIL STD 883.

• Tiêu chuẩn Châu Âu (IEC/NF): IEC 60068-2-54, IEC 60068-2-58, IEC 60069-2-69, IEC 60069-2-83, NF-A-89-400.

• Tiêu chuẩn Nhật Bản (JIS/JEITA): JIS C 0053, JIS C 60068-2-69, JIS C 0099, JIS Z 3198, JEITA ET-7401, JEITA ET-7404.

• Tiêu chuẩn Quân sự/Quốc gia khác: GJB 128, GJB 360, GJB 548, GB/T 4677.

• Đặc biệt, hệ thống cho phép người dùng tự định nghĩa tiêu chuẩn riêng (User defined...).

4. Phân tích chi tiết các dòng máy Solderability Tester của Metronelec

METRONELEC rất chuyên biệt trong việc thiết kế, sản xuất, kỹ thuật, bán hàng và dịch vụ đối với các hệ thống kiểm tra độ tin cậy. Vào năm 1975, hãng đã ra mắt MENISCOMETRE - hệ thống thử nghiệm tính hàn đầu tiên trên thế giới. Với bề dày R&D, hãng đã cho ra mắt tổng cộng 8 thế hệ máy thử nghiệm tính hàn (bao gồm MENISCOGRAPH/ST40/50/60/78/88/88NEO). Dưới đây là hai thế hệ tiêu biểu:

4.1. Hệ thống cao cấp: MENISCO ST88NEO

Đây là dòng máy hiện đại nhất, tích hợp những công nghệ cốt lõi ưu việt:

• Cảm biến lực ZeroTech (ZeroTech force sensor): Mang lại độ phân giải lực thấm ướt lên tới 0.001mN.

• Kiểm soát bước nhúng siêu nhỏ: Bước tốc độ nhúng (Step of Immersion speed) đạt mức 0.1mm/s, cho phép thử nghiệm siêu ổn định đối với các linh kiện mini.

• Tự động hóa hoàn toàn (Full automatic test): Không cần sự can thiệp thủ công (no manual intervention), mang lại chỉ số lặp lại và tái tạo (Superior Gauge R&R) vượt trội.

• Bàn làm việc linh hoạt cao, tương thích với mọi phương pháp thử nghiệm.

• Chức năng gia nhiệt trước (Pre-heat): Để thực hiện tính hàn thực tế đối với các mẫu có nhiệt dung cao (high thermo capacity samples).

• Điều khiển động cơ XYZ: Điều khiển chính xác bằng động cơ (XYZ percise motor control) và giải phóng ứng suất (stress relief).

• Hệ thống camera kép (Dual camera system): Dễ dàng căn chỉnh (alignment), chụp ảnh và quay video. Thiết kế đồ gá (Jig) rất linh hoạt, tiết kiệm chi phí sau khi mua máy.

Các phương pháp thử nghiệm đi kèm ST88NEO:

• Thử nghiệm Bể thiếc tiêu chuẩn (Standard Solder bath test): Đường kính nồi thiếc 80mm, sâu 60mm; Đầu dò cặp nhiệt điện tuổi thọ cao; Chế tạo bằng Titanium; Tự động gạt bỏ (Auto scrapping) thiếc bị oxy hóa; Tương thích với kiểm tra nhúng (DIP) & nhìn (LOOK).

• Thử nghiệm Giọt thiếc tiêu chuẩn (Standard Solder globule test): Các hạt thiếc đường kính 1, 2, 3.2, 4 mm; Dẫn động bằng động cơ trục XY (biên độ ±25mm); Độ phân giải trục Z là 0.01mm.

• Các tùy chọn cao cấp (Optional):

  • Buồng khí trơ (Inert gas chamber test): Thử nghiệm trong môi trường Nitơ (N2), mô phỏng quy trình hàn đối lưu (reflow process).

  • Thử nghiệm gia nhiệt nhanh (Quick heat test): Kiểm tra tính hàn của mẫu và kem thiếc dưới môi trường gia nhiệt rất nhanh.

  • Kiểm tra biên dạng nhiệt độ (Temperature profile test): Lên đến 24 vùng nhiệt (temperature zones) để thể hiện tính hàn của mẫu và kem thiếc ở nhiều nhiệt độ khác nhau.

Thông số kỹ thuật chi tiết của ST88NEO:

• Độ chính xác cảm biến: 0.01% (0.001mN tại dải 10mN).

• Dải nhiệt độ: Nhiệt độ phòng (RT) đến 450°C. Độ chính xác: $\pm 2^{\circ}C$.

• Độ sâu nhúng: 0.01 - 40mm (Bước chuyển 0.01mm).

• Tốc độ nhúng / Tốc độ rút (Immersion/Withdrawal speed): 0.1 - 50 mm/s (Bước chuyển 0.1mm).

• Thời gian nhúng: 1-999 giây hoặc 1-999 phút.

• Đồ gá (Jig): Dưới 7g.

• Nguồn điện: 220V hoặc 110V - 700W - 60 hoặc 50 Hz.

4.2. Hệ thống tiêu chuẩn: MENISCO ST78 (Ngừng sản xuất từ 2021)

Lưu ý: Model này đã ngừng sản xuất từ năm 2021, tuy nhiên thông số vẫn được giữ lại để tham khảo các thế hệ máy của hãng. So với ST88NEO, ST78 chỉ cung cấp phương pháp thử nghiệm bể thiếc (solder bath test) và được sử dụng khi không có nhu cầu kiểm tra các linh kiện siêu nhỏ. Dòng máy này mang lại hiệu suất chi phí (cost performance) cao. Các thông số của ST78 cơ bản thấp hơn ST88NEO: Độ chính xác cảm biến 0.1% (0.01mN); Dải nhiệt độ tối đa 350°C; Độ sâu nhúng tối đa 9mm (bước 0.1mm); Tốc độ nhúng/rút giới hạn ở bước 1mm/s. Máy có kích thước 650(W)x430(D)x400(H) mm.

5. Các Thiết Bị Hỗ Trợ Đi Kèm

Lão hóa bằng Hơi nước (Steam Aging) - MET STEAM 4

Tiêu chuẩn MIL STD 833 D & IPC JSTD-002/003 quy định rằng, mẫu thử (test specimen) cần phải được phơi nhiễm (exposed) trong môi trường 93°C từ 1-16 giờ trước khi tiến hành thử nghiệm tính hàn. Hệ thống MET STEAM 4 được thiết kế đặc biệt để thực hiện quá trình lão hóa tăng tốc (Accelerated Aging) nhằm đánh giá tính hàn cho các linh kiện thụ động (passive component), chip và đầu nối (connector).

Lời Kết

Với hơn 40 năm kinh nghiệm, METRONELEC không chỉ là thành viên của các hiệp hội như IPC, IEC. Hãng còn trực tiếp tham gia phác thảo, sửa đổi và hoàn thiện các tiêu chuẩn về tính hàn. Các báo cáo kiểm tra từ thiết bị của METRONELEC nhận được sự chấp thuận cao nhất (top customer approval) từ khách hàng trong lĩnh vực thử nghiệm tính hàn.

Hệ thống thử nghiệm tính hàn của METRONELEC hiện là dòng máy được sử dụng nhiều nhất (most-used machine) trong ngành công nghiệp điện tử cao cấp, cũng như tại các tổ chức kiểm định bên thứ 3 (3rd-party inspection organizitions), các trường cao đẳng, đại học và các viện nghiên cứu lớn trên toàn thế giới. Việc đầu tư vào thiết bị của Metronelec chính là lời cam kết mạnh mẽ nhất về chất lượng cho mọi dây chuyền sản xuất PCBA hiện đại.

• SHARE:
;