CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ LUẬN 1. Cơ sở khoa học và thực tiễn: Sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật giúp các công việc hầu như đều có thể tiến hành trên máy tính một cách tự động hóa hoàn toàn hoặc một phần. Một trong những sự thay đổi lớn đó là cách thức chúng ta thu nhận và xử lý dữ liệu. Các công cụ nhập liệu như bàn phím hay máy scan dần bị thay thế bằng các thiết bị tiện lợi hơn như màn hình cảm ứng, camera… Trong đó, webcam là camera kĩ thuật số có thể thu để truyền trực tuyến hình ảnh đến máy tính.
̀ h 1: Minh họa một số loại webcam Hin Các ảnh sau khi thu nhận từ webcam sẽ được tiền xử lý nhằm nâng cao chất lượng ảnh, rõ nét và giảm nhiễu. Sau đó, ảnh tiếp tục được đưa qua quá trình phân đoạn, trích đặc trưng, rút ra số liệu cần thiết để từ đó hệ thống có thể nhận dạng. Với sự phát triển về công nghệ, sự tự động hóa có vai trò vô cùng to lớn đối với sự phát triển tích cực của xã hội. Vai trò của tự động hóa là tăng năng suất, tăng độ chính xác của sản phẩm.
Đồng thời, nó giảm thiểu một số hoạt động của con người trong môi trường độc hại hoặc khắc nghiệt. Ví dụ như: ngành công nghiệp chế tạo bo mạch điện tử nói chung và bo mạch điện tử linh kiện dán nói riêng. ̀ h 2: Công nhân lắp ráp điện tử đang đối mặt với nỗi lo về sức khỏe Hin CN-BM11-QT1-QA1 12 Với giải pháp sử dụng linh kiện dán, quá trình sản xuất sẽ được cải thiện rõ ràng về tốc độ nhưng nguy cơ về các lỗi cũng tăng lên. Tại mỗi bước của quá trình sản xuất các lỗi khác nhau có thể xảy ra, ví dụ như mất chì dán (paste missing), chì dán bị dính giữa hai chân linh kiện (paste bridges) trong bước phủ chì, linh kiện bị dịch chuyển (components position shift), mất linh kiện (components missing) trong bước lấy và đặt linh kiện, lỗi mỗi hàn trong bước gia nhiệt.
Việc các linh kiện giảm đáng kể về kích thước, mật độ linh kiện dày đặc trên bảng mạch và thiết bị thực hiện lắp ráp với mức độ tự động cao làm cho nhiệm vụ phát hiện lỗi càng trở nên quan trọng và khó khăn hơn nhiều. Hình 3: Máy lấy và đặt linh kiện vào đúng vị trí trên bo mạch điện tử (pick and place) Phát hiện lỗi trong quá trình sản xuất là cực kỳ quan trọng trong quá trình tối ưu hóa các quy trình công nghiệp, đặc biệt kiểm tra trực quan đóng một vai trò cơ bản, các hình ảnh thường được kiểm tra bởi con người. Tuy nhiên, với công nghệ mới việc kiểm tra này không còn được tin cậy. Đây là lý do khiến nhiều nhà nghiên cứu đã tích cực tham gia phân tích, phát triển quá trình tự động hóa dây chuyền sản xuất và kiểm tra lỗi trên bảng mạch điện tử.
CN-BM11-QT1-QA1 13 Hiǹ h 4: Các giai đoạn chính chế tạo bảng mạch điện tử thủ công Kiểm tra PCB sau khi cắm gồm có hai nhóm chính là: nhóm dùng ánh sáng soi chiếu với hỗ trợ của công nghệ xử lý hình ảnh, nhóm này có AOI, SPI, AXI, tương ứng là Auto Optical Inspection hoặc Advanced Optical Inspection, Solder Paste Inspection, Auto Xray Inspection và nhóm kiểm tra bằng phần cứng là ICT/FCT tương ứng là In Circuit Test và Functional Testing. Trong đó, tự động kiểm tra bằng quang học (automated optical inspection - AOI) là công cụ đã được nhiều nhà nghiên cứu phát triển thành công. AOI thường sử dụng camera quét qua bề mặt các thành phần có trên bảng mạch cần được kiểm tra (Device Under Test - DUT) để phát hiện các lỗi như vết trầy xước, vết bẩn, hở mạch, ngắn mạch, độ mỏng hoặc dày của chì hàn cũng như các thành phần còn thiếu, không chính xác hoặc các thành phần đặt không đúng vị trí. Trong hệ thống AOI có thể có các kỹ thuật chiếu sáng và các thuật toán kiểm tra khác nhau để xử lý tùy thuộc vào thành phần mà nó cần kiểm tra.
Thông thường, hệ thống AOI sẽ thu nhận ảnh ban đầu qua camera, phân tích, xử lý và lưu trữ để tạo tập dữ liệu mẫu. Sau đó hệ thống sẽ tự động phát hiện những khác biệt từ những ảnh thu nhận sau đó so với ảnh ban đầu và đưa ra những cảnh báo cần thiết. Với chi phí thấp và những ứng dụng của nó làm AOI là một công cụ thiết thực có thể được ứng dụng cho các dây chuyền sản xuất đại trà hoặc các dây chuyền sản xuất công nghệ cao. ̀ h 5: Hệ thống AOI trong thực tế Hin CN-BM11-QT1-QA1 14 1.
Tổng quan về quá trình sản xuất bảng mạch in điện tử (SMT) tự động: Quá trình sản xuất bảng mạch in điện tử tự động thường có các giai đoạn chính gồm: đầu tiên một lớp chì dán được phủ lên bề mặt của bảng mạch (solder printing), tiếp theo là quá trình lấy và đặt linh kiện vào đúng vị trí trên bảng mạch (pick and place), sau đó là giai đoạn gia nhiệt (reflow) tạo mối hàn và cuối cùng là công đoạn nhận dạng và phân loại bo mạch thành phẩm đạt chuẩn hoặc lỗi. Hình 6: Sơ đồ khối quá trình sản xuất bảng mạch in điện tử tự động *Quét hợp kim hàn ( Thông thường là quét thiếc) Trên bề mặt mạch in không đục lỗ, ở những nơi linh kiện được gắn vào, người ta đã mạ sẵn các lớp vật liệu dẫn điện như thiếc-chì, bạc hoặc vàng – những chi tiết này được gọi là chân hàn (hay lớp đệm hàn). Sau đó, kem hàn dưới dạng bột nhão được quét lên trên bề mặt của mạch in. Để tránh kem hàn dính lên trên những nơi không mong muốn người ta phải sử dụng một dụng cụ đặc biệt gọi là mặt nạ kim loại (metal mask – hoặc stencil) làm bằng màng mỏng thép không gỉ trên đó người ta gia công, đục thủng ở những vị trí tương ứng với nơi đặt chíp trên bo mạch-bằng cách này, kem hàn sẽ được quét vào các vị trí mong muốn.
CN-BM11-QT1-QA1 15 Hiǹ h 7: Một loại máy quét thiếc SMP200 của SAMSUNG Hình 8: Một loại mặt nạ hàn SMT *Quét kem hàn lên bo mach4: ̀ h 9: Quét một vệt kem hàn Hin CN-BM11-QT1-QA1 16 Hình 10: Cho chổi quét di chuyển Hiǹ h 11: Sản phẩm không đạt yêu cầu CN-BM11-QT1-QA1 17 Hiǹ h 12: Bo mạch sau khi quét kem hàn *Gắn chíp, gắn IC: Các linh kiện SMDs (Material safety data sheet), kích thước nhỏ, thường được chuyển tải tới dây truyền trên băng chứa (bằng giấy hoặc nhựa) xoay quanh một trục nào đó. Trong khi đó IC lại thường được chứa trong các khay đựng riêng. Máy gắp chip được điều khiển số sẽ gỡ các chip trên khay chứa và đặt chúng lên trên bề mặt PCB ở nơi được quét kem hàn. Các linh kiện ở mặt dưới của bo mạch được gắn lên trước, và các chấm keo được sấy khô nhanh bằng nhiệt hoặc bằng bức xạ UV.
Sau đó bo mạch được lật lại và máy gắn linh kiện thực hiện nốt các phần còn lại trên bề mặt bo. Hình 13: Máy gắp đặt linh kiện PLACEALL R610L CN-BM11-QT1-QA1 18 Hiǹ h 14: Đầu hút linh kiện *Gia nhiệt – làm mát: Sau khi quá trình gắp, gắn linh kiện hoàn tất, bo mạch được chuyển tới lò sấy. Lúc đầu các bo tiến vào vùng sấy sơ bộ nơi mà ở đó nhiệt độ của bo và mọi linh kiện tương đối đồng đều và được nâng lên một cách từ từ. Bo mạch sau đó tiến vào vùng có nhiệt độ đủ lớn để có thể làm nóng chảy các hạt vật liệu hàn trong kem hàn, hàn các đầu linh kiện lên trên bo mạch.
Sức căng bề mặt của kem hàn nóng chảy giúp cho linh kiện không lệch vị trí, và nếu như bề mặt địa lý của chân hàn được chế tạo như thiết kế, sức căng bề mặt sẽ tự động điều chỉnh linh kiện về đúng vị trí của nó. Sau quá trình hàn các bo mạch được tẩy rửa để gỡ bỏ những phần vật liệu hàn còn dính để tránh ngắn mạch của hệ thống. Phần còn lại là dung môi hòa tan được rửa bằng nước sạch và làm khô nhanh bằng không khí nén. ̀ h 15: Một loại máy gia nhiệt và làm mát Hin *Kiểm tra và sửa lỗi: Cuối cùng bo mạch được đưa sang bộ phận kiểm tra quang học để phát hiện lỗi bỏ sót linh kiện hoặc sửa các lỗi vị trí của linh kện.
Trong trường hợp cần thiết, chúng ta có thể lắp đặt thêm một số trạm kiểm tra quang học cho dây truyền công nghệ sao cho có thể phát hiện lỗi sau từng mỗi công đoạn. Các thiết bị này cho phép phát hiện các lỗi vị trí, lỗi tiếp xúc của các linh kiện và kem hàn trên bề mặt của mạch in. CN-BM11-QT1-QA1 19 ̀ h 16: Máy Advanced Optical Inspection (AOI) Vitrox V510i Hin Giới thiệu một dây chuyền sản xuất bo mạch linh kiện điện tử dán SMT trong thực tế. Trong đó có ba khâu có sử dụng máy kiểm tra lỗi bo mạch.
Hiǹ h 17: Minh hoạ dây chuyền sản xuất bo mạch linh kiện điện tử dán SMT tự động Dây chuyền sản xuất bo mạch linh kiện điện tử dán SMT tự động trên gồm các công đoạn như sau: +Loader: Đưa bo mạch vào dây chuyền +Printer: quét kem hàn lên bo mạch +Mounter: Gắp và dán linh kiện lên bo mạch CN-BM11-QT1-QA1 20 +Reflow: Làm nóng chảy kem hàn kết nối linh kiện vào bo mạch +Unloader: Chứa bo mạch sau khi hoàn tất. Các lỗi thường xảy ra trong quá trình sản xuất bo mạch SMT: Quá trình sản xuất bo mạch điện tử SMT tự động, luôn tiềm ẩn nhiều lỗi khác nhau tại nhiều khâu khác nhau, như: Lỗi liên quan đến việc hàn (welding) chiếm khoảng 80%, như hở mạch (open circuit) do không có chì, ngắn mạch (short circuit) do chì dính ngang qua hai chân linh kiện (bridge connection), sự thiếu hụt hoặc quá nhiều chì (welder deficiency or overabundance). Hiǹ h 18: Vết hàn chuẩn và vết hàn bị ngắn mạch Hình 19: 3 vết hàn chuẩn và 2 vết hàn bị ngắn mạch Hình 20: Vết hàn chuẩn, vết hàn thiếu chì và vết hàn quá nhiều chì Lỗi liên quan đến linh kiện chiếm khoảng 10% như ngược linh kiện (reverse polar), mất linh kiện (Components absence), linh kiện không phù hợp và vị trí không chính xác (Component position shift and angle revolving).