Kem hàn là gì? Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của kem hàn trong SMT

Kem hàn (Solder Paste) là vật liệu hàn được sử dụng phổ biến trong công nghệ SMT (Surface Mount Technology) để tạo liên kết điện và cơ học giữa linh kiện điện tử và bảng mạch PCB. Kem hàn là hỗn hợp gồm bột hợp kim hàn dạng hạt mịn và chất trợ hàn (flux), được thiết kế để có độ nhớt và tính lưu biến phù hợp với các phương pháp in stencil hoặc dispensing.

1. Kem hàn là gì?

Kem hàn là một loại vật liệu hàn có dạng hỗn hợp sệt, trong đó các hạt bột hợp kim hàn được phân tán đồng đều trong nền flux.

Kem hàn = Bột hợp kim hàn + Flux

Bột hợp kim cung cấp vật liệu kim loại để hình thành mối hàn, trong khi flux hỗ trợ quá trình hàn bằng cách xử lý lớp oxit trên bề mặt kim loại, thúc đẩy khả năng thấm ướt và hạn chế quá trình oxy hóa trong quá trình gia nhiệt.

Trong sản xuất điện tử, kem hàn thường được sử dụng bằng cách in qua stencil lên các pad của PCB, sau đó đặt linh kiện lên lớp kem hàn và đưa toàn bộ bo mạch qua lò reflow. Khi được gia nhiệt theo profile thích hợp, bột hàn nóng chảy và tạo thành các mối nối điện – cơ học giữa linh kiện và PCB.

2. Cấu tạo của kem hàn

Kem hàn có hai thành phần chính:

2.1. Bột hợp kim hàn

Bột hàn là các hạt kim loại có kích thước nhỏ, thường được sản xuất bằng phương pháp atomization để tạo ra các hạt có hình dạng và kích thước được kiểm soát.

Các hợp kim phổ biến gồm:

– SAC305: Sn96.5Ag3.0Cu0.5

– SAC105: Sn98.5Ag1.0Cu0.5

– SnCu: hệ hợp kim thiếc – đồng

– SnBi: hợp kim thiếc – bismuth, dùng cho các ứng dụng hàn nhiệt độ thấp

– Các hệ SnPb trong những ứng dụng vẫn cho phép sử dụng chì.

Bột hàn được tạo thành từ hợp kim nóng chảy, sau đó được atomize thành các hạt nhỏ; hình dạng, kích thước và mức độ oxy hóa của hạt có ảnh hưởng trực tiếp đến đặc tính in và quá trình sử dụng kem hàn.

2.2. Flux – chất trợ hàn

Flux là phần hóa học của kem hàn, có nhiệm vụ hỗ trợ quá trình hình thành mối hàn. Flux có vai trò làm sạch bề mặt kim loại, hỗ trợ solder wetting và hạn chế quá trình oxy hóa trong quá trình reflow. Thành phần flux được thay đổi tùy theo nhiệt độ hoạt hóa, độ nhớt, yêu cầu làm sạch và ứng dụng.

Tùy công thức, flux có thể chứa nhiều nhóm thành phần như:

– Chất hoạt hóa (activators)

– Nhựa/rosin hoặc resin

– Dung môi

– Chất điều chỉnh độ nhớt và lưu biến

– Chất tạo độ dính (tack)

– Các thành phần hỗ trợ kiểm soát quá trình oxy hóa.

3. Tỷ lệ bột kim loại trong kem hàn

Một thông số quan trọng của kem hàn là metal content – hàm lượng kim loại.

Hàm lượng này ảnh hưởng trực tiếp đến:

– Độ nhớt của kem hàn

– Khả năng in qua stencil

– Độ ổn định của lượng kem hàn sau in

– Khả năng tạo hình mối hàn

– Khả năng dispensing/jetting

– Lượng kim loại còn lại sau reflow.

Tỷ lệ điển hình có thể vào khoảng 90% kim loại và 10% flux theo khối lượng, tuy nhiên, tỷ lệ thực tế thay đổi tùy loại sản phẩm và ứng dụng.

Hàm lượng kim loại phải được tối ưu cùng với kích thước hạt và công thức flux, bởi kích thước hạt ảnh hưởng đến độ nhớt và khả năng đi qua các khẩu độ stencil hoặc kim dispensing. 

4. Kích thước hạt bột hàn có ý nghĩa gì?

Không phải tất cả kem hàn đều sử dụng bột hàn có cùng kích thước. Kích thước hạt cần được lựa chọn dựa trên:

• Kích thước pad
• Pitch của linh kiện
• Kích thước aperture của stencil
• Công nghệ in
• Phương pháp dispensing hoặc jetting
• Yêu cầu về độ chính xác của lượng kem hàn.

Hạt càng nhỏ có thể phù hợp hơn với các cấu trúc có aperture nhỏ và linh kiện fine-pitch. Tuy nhiên, khi kích thước hạt giảm, tổng diện tích bề mặt kim loại trên cùng khối lượng bột tăng lên, cần phải chú ý đến vấn đề oxy hóa.

Vì vậy, việc lựa chọn powder size không đơn giản là “hạt càng nhỏ càng tốt”, mà phải cân bằng giữa khả năng in, độ ổn định, oxy hóa và yêu cầu của linh kiện/PCB.

5. Nguyên lý hoạt động của kem hàn

– In kem hàn lên PCB

Kem hàn được đặt lên stencil. Gạt in (squeegee) di chuyển trên stencil, đẩy kem hàn qua các aperture tương ứng với vị trí pad trên PCB.

Sau khi stencil được nhấc lên, kem hàn còn lại trên PCB tạo thành các “khối” kem hàn có hình dạng tương ứng với aperture.

Chất lượng bước in ảnh hưởng trực tiếp đến lượng kem hàn được cung cấp cho mối hàn.

Các vấn đề thường gặp gồm: thiếu/thừa kem hàn, lệch vị trí, bridging, slump, lượng kem hàn không đều.

– Gắn linh kiện

Sau khi in, máy pick-and-place đặt linh kiện lên các vị trí đã phủ kem hàn.

Ở giai đoạn này, tính tack của kem hàn giúp giữ linh kiện tạm thời trên PCB trước khi bo mạch đi vào lò reflow.

– Quá trình reflow – kem hàn biến thành mối hàn

Đây là giai đoạn quan trọng nhất trong nguyên lý hoạt động của kem hàn.

PCB sau khi đã đặt linh kiện sẽ đi qua lò reflow theo một profile nhiệt được kiểm soát.

Thông thường, quá trình có thể được hiểu qua các vùng:

+ Preheat

PCB được gia nhiệt từ từ. Mục đích nhằm làm nóng PCB và linh kiện, cho dung môi/volatile trong flux bay hơi theo thiết kế, đưa hệ thống đến điều kiện thích hợp cho giai đoạn tiếp theo.

+ Soak (ngâm nhiệt)

Nhiệt độ được duy trì hoặc tăng với tốc độ phù hợp để giúp toàn bộ PCB tiến đến vùng nhiệt cần thiết và kích hoạt flux.

+ Reflow

Nhiệt độ đạt mức đủ để hợp kim hàn nóng chảy.

Flux tiếp tục hỗ trợ xử lý oxide và cải thiện khả năng wetting. Kim loại nóng chảy tiếp xúc với pad PCB và chân/termination của linh kiện, sau đó hình thành liên kết hàn.

+ Cooling

Sau khi hoàn tất quá trình reflow, PCB được làm nguội có kiểm soát để mối hàn đông đặc.

Profile nhiệt không nên được xem là thông số cố định cho mọi loại kem hàn. Nó phải được thiết lập dựa trên hợp kim, flux, linh kiện, PCB và yêu cầu của nhà sản xuất kem hàn.

IPC cũng có các hướng dẫn riêng liên quan đến temperature profiling cho quá trình reflow, trong đó IPC-7530 được sử dụng để hỗ trợ kiểm soát profile nhiệt trong sản xuất.

6. Vai trò của Flux trong quá trình hàn

Flux không phải là thành phần tạo nên phần kim loại chính của mối hàn, nhưng lại đóng vai trò quan trọng trong việc giúp mối hàn hình thành ổn định.

Khi bề mặt kim loại tiếp xúc với môi trường, chúng có thể hình thành lớp oxide. Lớp oxide này làm giảm khả năng wetting của solder.

Flux hỗ trợ bằng cách:

Làm sạch oxide → cải thiện wetting → hỗ trợ solder flow → giúp hình thành mối hàn ổn định.

Sau reflow, lượng cặn dư (residue) phụ thuộc vào công thức flux. Đây cũng là lý do kem hàn được phân loại thành các hệ như:

– No-Clean

– Water-Soluble

– RMA/Rosin-based

7. Các loại kem hàn phổ biến

Có thể phân loại kem hàn theo nhiều tiêu chí.

– Theo thành phần hợp kim

+ Kem hàn SAC

Các hợp kim thuộc hệ Sn-Ag-Cu, chẳng hạn SAC305, được sử dụng rộng rãi trong công nghệ điện tử không chì.

+ Kem hàn SnBi

Hợp kim Sn-Bi có nhiệt độ nóng chảy thấp hơn một số hệ SAC, phù hợp với những ứng dụng cần giảm nhiệt độ quá trình.

+ Kem hàn SnCu

Sử dụng hệ thiếc – đồng, thường được lựa chọn trong các ứng dụng yêu cầu giải pháp hợp kim không chì phù hợp về chi phí.

+ Kem hàn SnPb

Kem hàn chứa chì vẫn được sử dụng trong một số ứng dụng đặc thù, nhưng việc lựa chọn phải tuân thủ yêu cầu pháp lý, môi trường và tiêu chuẩn của sản phẩm/thị trường.

– Phân loại theo loại flux

+ No-Clean Solder Paste

Flux được thiết kế để tạo lượng residue thấp và trong điều kiện quy trình phù hợp, residue sau hàn có thể không cần làm sạch.

Tuy nhiên, “no-clean” không đồng nghĩa với “không có cặn dư”. Mức độ dư cặn và yêu cầu kiểm soát vẫn phải dựa trên datasheet và yêu cầu của ứng dụng.

+ Water-Soluble Solder Paste

Flux được thiết kế để residue có thể được loại bỏ bằng quy trình làm sạch bằng nước phù hợp.

+ RMA / Rosin-based

Sử dụng hệ flux dựa trên rosin, được ứng dụng trong nhiều quy trình hàn điện tử.

8. Những yếu tố quyết định chất lượng kem hàn

Kem hàn không chỉ được đánh giá dựa trên thành phần hợp kim. Trong thực tế SMT, nhiều thông số cùng quyết định hiệu suất của solder paste.

Yếu tố	Vai trò
Alloy	Quyết định thành phần và đặc tính kim loại của mối hàn
Particle size	Ảnh hưởng đến khả năng in, dispensing và độ ổn định
Metal loading	Ảnh hưởng đến độ nhớt và lượng kim loại sau reflow
Viscosity	Ảnh hưởng đến khả năng in và độ ổn định hình dạng
Flux chemistry	Ảnh hưởng đến wetting, oxidation và residue
Tack	Giúp giữ linh kiện trước reflow
Slump	Khả năng giữ hình dạng sau in
Wetting	Khả năng tạo liên kết với pad và terminal
Solder balling	Liên quan đến chất lượng mối hàn và độ sạch
Storage stability	Ảnh hưởng đến tuổi thọ và độ ổn định của paste

9. Kem hàn được sử dụng ở đâu?

Kem hàn chủ yếu được sử dụng trong lắp ráp điện tử bằng công nghệ SMT, đặc biệt trong các dây chuyền sản xuất PCB/PCBA.

Kem hàn được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực:

• Điện tử tiêu dùng
• Điện thoại và thiết bị di động
• Máy tính và thiết bị ngoại vi
• Thiết bị viễn thông
• Điện tử ô tô
• Thiết bị LED
• Thiết bị công nghiệp
• Điện tử y tế
• Thiết bị hàng không – quốc phòng
• Các thiết bị IoT và điện tử công suất.

10. Tiêu chuẩn nào áp dụng cho kem hàn?

Đối với kem hàn dùng trong điện tử, IPC J-STD-005B – Requirements for Solder Pastes là một trong những tiêu chuẩn tham chiếu quan trọng, quy định các yêu cầu liên quan đến đặc tính và phương pháp đánh giá kem hàn.

Các tiêu chuẩn liên quan gồm:

– IPC J-STD-005B: Solder Pastes

– IPC J-STD-004D: Soldering Fluxes

– IPC J-STD-006: Electronic Grade Solder Alloys và các sản phẩm solder tương ứng

– IPC J-STD-001: Requirements for Soldered Electrical and Electronic Assemblies.

Các tiêu chuẩn này bổ trợ cho nhau trong việc kiểm soát vật liệu và quy trình hàn điện tử.

11. Làm thế nào để lựa chọn kem hàn phù hợp?

Khi lựa chọn kem hàn cho dây chuyền SMT, doanh nghiệp nên xem xét đồng thời các yếu tố:

Loại hợp kim: Ví dụ: SAC305, SAC105, SnCu, SnBi, SnPb,…

Kích thước hạt: Cần phù hợp với: pitch linh kiện, stencil aperture, pad size, phương pháp in

Loại flux: Xác định yêu cầu:

• No-clean
• Water-soluble
• RMA
• Low residue
• Halogen/halide requirements.

Quy trình sản xuất: Kem hàn dùng cho: stencil printing, dispensing, jetting có thể yêu cầu đặc tính lưu biến khác nhau.

Profile reflow: Cần đảm bảo nhiệt độ và thời gian reflow phù hợp với hợp kim và hệ flux của kem hàn.

Yêu cầu sản phẩm: Đối với các sản phẩm như ô tô, y tế, công nghiệp hoặc thiết bị có yêu cầu độ tin cậy cao, cần xem xét thêm các tiêu chuẩn, chứng nhận và dữ liệu kiểm tra liên quan.

Kết luận

Kem hàn là vật liệu không thể thiếu trong quy trình SMT, đóng vai trò cung cấp kim loại hàn và hỗ trợ quá trình hình thành mối nối điện – cơ học giữa linh kiện và PCB.

Trong quá trình SMT, kem hàn được in lên PCB → đặt linh kiện → gia nhiệt trong lò reflow → hợp kim nóng chảy → wetting và hình thành mối hàn → làm nguội.

Chất lượng kem hàn không chỉ phụ thuộc vào loại hợp kim mà còn liên quan đến kích thước hạt, hàm lượng kim loại, độ nhớt, tính lưu biến, flux chemistry, tack, slump, wetting và profile reflow. Do đó, lựa chọn đúng solder paste cần dựa trên thiết kế PCB, loại linh kiện, công nghệ sản xuất và yêu cầu độ tin cậy của sản phẩm.