Quy trình sản xuất mạch in PCB gồm những công đoạn nào?

Mạch in PCB có mặt trong hầu hết thiết bị điện tử, từ bộ sạc, thiết bị gia dụng đến các hệ thống điều khiển công nghiệp và phương tiện giao thông. Để tạo ra một bảng mạch hoàn chỉnh, sản phẩm phải trải qua nhiều công đoạn, có thể chia thành hai giai đoạn lớn là chế tạo board trần và lắp ráp bảng mạch PCBA. Mỗi giai đoạn lại bao gồm nhiều bước liên quan đến thiết kế, tạo đường mạch, gắn linh kiện, hàn, bảo vệ, kiểm tra và hoàn thiện. Cùng CNC VINA tìm hiểu quy trình sản xuất mạch in PCB và các thiết bị thường được sử dụng tại từng công đoạn.

1. Mạch in PCB là gì? Phân loại PCB phổ biến

PCB (Printed Circuit Board) là bảng mạch được làm từ vật liệu nền cách điện, trên đó có các đường dẫn điện bằng đồng để kết nối và truyền tín hiệu giữa các linh kiện điện tử. Tùy thiết kế, PCB có thể gồm một hoặc nhiều lớp dẫn điện, được tạo hình theo sơ đồ mạch và xử lý bề mặt để đáp ứng yêu cầu lắp ráp, hàn và sử dụng của sản phẩm. PCB sau khi chế tạo nhưng chưa gắn linh kiện thường được gọi là board trần (bare PCB). Khi các linh kiện điện tử được gắn lên board và hoàn thành các công đoạn lắp ráp, hàn, kiểm tra cần thiết, sản phẩm được gọi là PCBA (Printed Circuit Board Assembly). Vì vậy, quy trình sản xuất một bảng mạch điện tử hoàn chỉnh thường bao gồm cả chế tạo PCB và lắp ráp PCBA. Một số loại PCB phổ biến gồm:

PCB một lớp

PCB một lớp có một lớp đồng dẫn điện chính trên một mặt của vật liệu nền. Cấu tạo tương đối đơn giản, chi phí sản xuất phù hợp với các mạch điện không yêu cầu mật độ đường dẫn cao, chẳng hạn một số bộ nguồn, thiết bị chiếu sáng và thiết bị điện tử gia dụng.

PCB hai lớp

PCB hai lớp có lớp đồng dẫn điện ở cả hai mặt của vật liệu nền. Hai mặt có thể được kết nối thông qua các lỗ mạ hoặc via, giúp tăng diện tích bố trí đường mạch và linh kiện so với PCB một lớp. Đây là cấu trúc được sử dụng phổ biến trong nhiều thiết bị điều khiển và điện tử công nghiệp.

PCB nhiều lớp

PCB nhiều lớp gồm từ nhiều lớp dẫn điện được xếp chồng và ép thành một cấu trúc thống nhất. Các lớp được liên kết thông qua hệ thống lỗ và via theo thiết kế, cho phép bố trí mật độ đường mạch cao hơn và đáp ứng các mạch điện tử phức tạp.

PCB dẻo

PCB dẻo (FPC – Flexible Printed Circuit) sử dụng vật liệu nền có khả năng uốn cong thay vì cấu trúc board cứng truyền thống. Loại mạch này phù hợp với các thiết bị có không gian lắp đặt hạn chế hoặc yêu cầu kết nối linh hoạt như điện thoại, camera, màn hình và một số thiết bị điện tử nhỏ gọn. Tùy loại PCB, vật liệu sử dụng và yêu cầu sản phẩm, các công đoạn chế tạo board trần có thể thay đổi. Sau khi hoàn thành, PCB sẽ tiếp tục được đưa vào các công đoạn lắp ráp linh kiện để tạo thành PCBA.

Tổng quan quy trình sản xuất mạch in PCB

Tùy cấu trúc PCB, vật liệu sử dụng và yêu cầu của sản phẩm, quy trình thực tế có thể thay đổi. Tuy nhiên, xét trên toàn bộ chuỗi sản xuất một bảng mạch điện tử, các công đoạn có thể được khái quát thành hai nhóm chính: chế tạo board trần và lắp ráp PCBA.

Trong đó, chế tạo PCB tập trung tạo ra board trần có đường dẫn điện và các cấu trúc cần thiết theo thiết kế. Sau đó, PCB có thể được đưa sang công đoạn lắp ráp PCB, trong đó linh kiện được gắn, hàn, bảo vệ và kiểm tra để tạo thành cụm bảng mạch hoàn chỉnh.

Giai đoạn chế tạo board trần

Giai đoạn chế tạo board trần biến tấm vật liệu nền phủ đồng thành PCB có đường dẫn điện, lỗ kết nối và các lớp bảo vệ cần thiết. Tùy quy mô và mô hình sản xuất, công đoạn này thường được thực hiện tại nhà máy chế tạo PCB hoặc khu vực sản xuất chuyên biệt trước khi board được đưa vào lắp ráp PCBA.

Thiết kế và xuất file sản xuất

Trước khi sản xuất, kỹ sư thiết kế mạch trên phần mềm chuyên dụng và chuẩn bị dữ liệu phục vụ gia công. Dữ liệu sản xuất thường bao gồm các file Gerber cho từng lớp và thông tin liên quan, cùng dữ liệu khoan xác định vị trí và kích thước các lỗ cần gia công. Trước khi đưa vào sản xuất, dữ liệu có thể được kiểm tra theo nguyên tắc DFM (Design for Manufacturing) nhằm phát hiện những đặc điểm thiết kế có thể gây khó khăn cho quá trình chế tạo, từ đó giảm nguy cơ phát sinh lỗi khi sản xuất hàng loạt.

Cắt phôi và khoan lỗ

Tấm vật liệu phủ đồng được chuẩn bị và cắt theo kích thước phù hợp với panel sản xuất. Máy khoan CNC gia công các lỗ theo dữ liệu thiết kế, bao gồm lỗ xuyên, lỗ định vị và các lỗ phục vụ kết nối giữa các lớp tùy cấu trúc PCB. Độ chính xác của bước khoan ảnh hưởng đến vị trí lỗ, khả năng lắp ráp linh kiện và chất lượng các kết nối điện được hình thành ở những công đoạn tiếp theo.

Mạ đồng lỗ

Đối với PCB có cấu trúc yêu cầu kết nối giữa các lớp, thành lỗ được xử lý và tạo lớp đồng để hình thành đường dẫn điện theo thiết kế. Lớp đồng trên thành lỗ giúp kết nối các lớp dẫn điện của PCB thông qua hệ thống lỗ mạ và via. Chất lượng công đoạn này ảnh hưởng đến độ ổn định của kết nối và độ tin cậy của bảng mạch trong quá trình sử dụng.

Tạo hình đường mạch và ăn mòn

Mẫu đường mạch được chuyển lên bề mặt PCB thông qua quy trình tạo ảnh và xử lý vật liệu phù hợp với công nghệ sản xuất. Những vùng đồng không thuộc đường mạch sẽ được loại bỏ, giữ lại các đường dẫn điện, pad và cấu trúc cần thiết theo thiết kế. Đối với PCB nhiều lớp, các lớp mạch bên trong có thể được chế tạo riêng trước khi ép cùng các lớp vật liệu thành cấu trúc nhiều lớp. Sau đó, board tiếp tục trải qua các công đoạn gia công và xử lý bề mặt tương ứng.

Phủ solder mask và in ký hiệu

Solder mask là lớp phủ bảo vệ được tạo trên bề mặt PCB, thường có màu xanh nhưng cũng có thể sử dụng các màu khác tùy yêu cầu sản phẩm. Lớp này giúp bảo vệ phần đồng không cần hàn, hạn chế tác động từ môi trường và giảm nguy cơ hình thành cầu hàn giữa các vùng dẫn điện lân cận. Sau đó, lớp ký hiệu silkscreen có thể được in lên board để thể hiện vị trí linh kiện, ký hiệu, logo, mã sản phẩm hoặc các thông tin nhận diện khác.

Xử lý bề mặt pad

Các pad cần hàn được xử lý bề mặt nhằm bảo vệ lớp đồng và đáp ứng yêu cầu hàn trong công đoạn lắp ráp. Một số phương pháp phổ biến gồm HASL, ENIG và OSP. Việc lựa chọn phương pháp xử lý bề mặt phụ thuộc vào yêu cầu hàn, vật liệu PCB, thời gian bảo quản, môi trường sử dụng và đặc điểm của sản phẩm.

Gia công định hình và kiểm tra điện

Sau các công đoạn chế tạo chính, PCB có thể được gia công theo biên dạng thiết kế bằng router, phay hoặc phương pháp phù hợp khác. Với những panel sử dụng V-cut, các rãnh chữ V được tạo trước để hỗ trợ quá trình tách board ở công đoạn sau. Trong sản xuất hàng loạt, nhiều PCB thường được bố trí trên cùng một panel nhằm thuận tiện cho việc cấp liệu và xử lý ở các công đoạn tiếp theo. Trước khi chuyển sang lắp ráp, board có thể được kiểm tra thông mạch, chập mạch hoặc các đặc tính điện khác tùy yêu cầu sản phẩm và quy trình kiểm soát chất lượng. Những board không đạt tiêu chí kiểm tra sẽ được phân loại để xử lý theo quy trình của nhà sản xuất.

Giai đoạn lắp ráp bảng mạch PCBA

Sau khi hoàn thành board trần, PCB được đưa sang giai đoạn lắp ráp linh kiện để tạo thành PCBA (Printed Circuit Board Assembly). Tùy cấu trúc sản phẩm, dây chuyền có thể kết hợp công nghệ SMT, THT, hàn, tra keo, phun phủ, potting, tách board và các phương pháp kiểm tra khác. Đây cũng là nhóm công đoạn có nhiều khả năng tự động hóa bằng máy chuyên dụng, robot, jig, camera và hệ thống điều khiển.

In kem hàn và gắn linh kiện SMT

SMT (Surface Mount Technology) là công nghệ gắn linh kiện bề mặt trực tiếp lên các pad của PCB. Trước tiên, kem hàn được in lên pad thông qua khuôn thép với lượng vật liệu được kiểm soát theo thiết kế. Sau đó, máy gắn linh kiện lấy các linh kiện như điện trở, tụ điện, diode, IC và đặt vào đúng vị trí theo dữ liệu chương trình. PCB tiếp tục đi qua lò reflow, trong đó nhiệt độ được kiểm soát theo profile phù hợp để làm nóng chảy kem hàn và hình thành liên kết giữa chân linh kiện với pad trên board. Sau quá trình hàn, bảng mạch có thể được kiểm tra bằng camera hoặc hệ thống kiểm tra chuyên dụng trước khi chuyển sang các công đoạn tiếp theo. Đối với dây chuyền có sản lượng lớn, các công đoạn SMT thường được tự động hóa ở mức cao nhằm duy trì tốc độ, độ chính xác và khả năng lặp lại giữa các chu kỳ sản xuất.

Cắm linh kiện xuyên lỗ và hàn

Không phải tất cả linh kiện đều phù hợp với SMT. Những linh kiện có kích thước lớn, yêu cầu độ bền cơ học hoặc có cấu tạo chân xuyên lỗ như connector, relay, biến áp và một số loại tụ có thể được lắp bằng công nghệ THT (Through-Hole Technology). Sau khi linh kiện được cắm vào board, các chân linh kiện được hàn bằng phương pháp phù hợp với thiết kế và sản lượng. Một số phương pháp thường được sử dụng gồm:

Nhúng thiếc: PCB hoặc cụm linh kiện được đưa vào bể thiếc nóng chảy để tạo nhiều mối hàn trong một chu kỳ. Phương pháp này phù hợp với các sản phẩm có cấu trúc và bố trí điểm hàn đáp ứng yêu cầu của công nghệ nhúng.

Hàn sóng: PCB được đưa qua vùng thiếc nóng chảy bằng băng tải để tạo nhiều mối hàn liên tiếp. Phương pháp này thường phù hợp với các dây chuyền có sản lượng ổn định và thiết kế board tương thích với hàn sóng.

Robot hàn: Robot thực hiện các điểm hoặc đường hàn theo chương trình và quỹ đạo được thiết lập. Đây là phương án phù hợp với những vị trí hàn đặc thù, yêu cầu thao tác lặp lại hoặc khó bố trí bằng phương pháp hàn hàng loạt.

Với các sản phẩm có yêu cầu hàn riêng, cấu hình thiết bị nên được lựa chọn dựa trên số lượng điểm hàn, vị trí linh kiện, loại vật liệu, sản lượng và yêu cầu chất lượng của từng sản phẩm.

Tra keo, phun phủ và potting

Trong PCBA, vật liệu keo có thể được sử dụng để cố định linh kiện, bảo vệ mối nối, chống rung, chống ẩm, cách điện hoặc bảo vệ toàn bộ cụm điện tử trong môi trường làm việc đặc thù. Tùy mục đích sử dụng, doanh nghiệp có thể lựa chọn tra keo định lượng, phun phủ hoặc potting.

Tra keo định lượng

Máy tra keo tự động đưa một lượng vật liệu xác định đến vị trí đã lập trình trên PCB. Hệ thống có thể kiểm soát đường đi, tốc độ di chuyển và lượng keo nhằm tạo độ lặp lại tốt hơn so với thao tác thủ công. Độ chính xác của lượng keo và vị trí bơm ảnh hưởng đến khả năng cố định linh kiện, độ bám và chất lượng sau khi đóng rắn. Vì vậy, cấu hình thiết bị cần được lựa chọn dựa trên độ nhớt vật liệu, kích thước điểm bơm và yêu cầu của sản phẩm.

Phun phủ

Phun phủ cho phép đưa vật liệu bảo vệ lên một vùng hoặc bề mặt xác định của bảng mạch. Tùy vật liệu và yêu cầu độ phủ, hệ thống có thể sử dụng vòi phun, lưu lượng và quỹ đạo chuyển động khác nhau. Tự động hóa công đoạn này giúp kiểm soát phạm vi phủ, lượng vật liệu và độ lặp lại giữa các sản phẩm, đồng thời giảm sự phụ thuộc vào thao tác của người vận hành.

Tra keo định lượng

Máy tra keo đưa một lượng vật liệu xác định đến đúng vị trí trên sản phẩm. Độ chính xác của lượng keo và vị trí bơm có ảnh hưởng đến khả năng cố định cũng như chất lượng sau khi đóng rắn.

Phun phủ

Phun phủ cho phép đưa vật liệu bảo vệ lên một vùng hoặc bề mặt xác định của bảng mạch. Tùy loại vật liệu, hệ thống có thể được thiết kế với vòi phun, lưu lượng và quỹ đạo chuyển động phù hợp.

Potting

Potting là quá trình đổ hoặc bao phủ vật liệu lên một phần hoặc toàn bộ cụm linh kiện nhằm tăng khả năng chống ẩm, chống rung, cách điện hoặc bảo vệ các thành phần bên trong. Tùy loại vật liệu, quá trình đóng rắn có thể sử dụng UV, nhiệt hoặc cơ chế hóa học riêng. Do đó, hệ thống potting cần được thiết kế dựa trên loại keo, độ nhớt, tỷ lệ phối trộn nếu có, thời gian đóng rắn và yêu cầu của sản phẩm.

Tách board và khắc mã truy xuất

Trong quá trình lắp ráp, nhiều PCB có thể được bố trí chung trên một panel để thuận tiện cho việc cấp liệu và xử lý đồng thời. Sau khi hoàn thành các công đoạn cần thiết, panel có thể được tách thành từng board bằng V-cut, router, dao cắt hoặc laser tùy cấu trúc panel và yêu cầu sản phẩm. Đối với những sản phẩm có linh kiện nằm gần đường tách hoặc yêu cầu độ ổn định cao, phương pháp depaneling cần được lựa chọn dựa trên vật liệu PCB, độ dày board, thiết kế panel và vị trí linh kiện. Bên cạnh cắt tách, laser còn có thể được sử dụng để khắc mã QR, số serial, mã sản phẩm hoặc thông tin truy xuất trực tiếp lên bảng mạch.

Kiểm tra chất lượng

Kiểm tra chất lượng giúp phát hiện lỗi trước khi PCBA được chuyển sang công đoạn tiếp theo hoặc đưa vào sản phẩm hoàn chỉnh. Tùy yêu cầu, dây chuyền có thể kết hợp nhiều phương pháp kiểm tra:

• Kiểm tra ngoại quan: phát hiện lỗi có thể quan sát bằng mắt hoặc camera.
• AOI (Automated Optical Inspection): sử dụng hệ thống quang học để kiểm tra vị trí linh kiện, hình dạng mối hàn và một số lỗi lắp ráp.
• ICT (In-Circuit Test): kiểm tra các đặc tính điện tại những điểm được thiết kế cho kiểm tra.
• FCT (Functional Test): kiểm tra khả năng hoạt động của bảng mạch theo điều kiện được thiết lập.
• Kiểm tra thông mạch/chập mạch: xác định tình trạng kết nối điện của board.

Trong dây chuyền tự động, dữ liệu kiểm tra có thể được lưu lại theo mã sản phẩm để hỗ trợ truy xuất nguồn gốc, phân tích lỗi và kiểm soát chất lượng.

Những công đoạn sản xuất PCB nên tự động hóa trước?

Doanh nghiệp không nhất thiết phải tự động hóa toàn bộ dây chuyền ngay từ đầu. Với các nhà máy đang chuyển từ sản xuất thủ công sang tự động hóa, nên bắt đầu từ những công đoạn có sản lượng lớn, thao tác lặp lại, yêu cầu độ chính xác cao hoặc đang phát sinh nhiều lỗi.

Ưu tiên công đoạn có sản lượng cao

Nếu một thao tác được lặp lại hàng trăm hoặc hàng nghìn lần mỗi ngày, tự động hóa có thể giúp giảm thời gian thao tác và tăng tính ổn định của chu kỳ sản xuất. Doanh nghiệp nên đánh giá số lượng sản phẩm theo giờ, thời gian chu kỳ và số nhân công đang sử dụng trước khi lựa chọn thiết bị.

Ưu tiên công đoạn phụ thuộc nhiều vào tay nghề

Các thao tác như hàn, tra keo hoặc kiểm tra ngoại quan có thể chịu ảnh hưởng bởi kinh nghiệm và điều kiện làm việc của người vận hành. Với những công đoạn có yêu cầu lặp lại cao, thiết bị tự động hoặc bán tự động có thể giúp kiểm soát tốt hơn các thông số quan trọng.

Ưu tiên công đoạn yêu cầu độ chính xác

Định lượng keo, vị trí hàn, tách panel và khắc mã đều cần khả năng lặp lại. Robot, servo, cảm biến, camera và jig có thể được tích hợp tùy yêu cầu của từng công đoạn.

Ưu tiên công đoạn cần truy xuất dữ liệu

Khi mỗi PCB cần có mã nhận diện riêng, hệ thống khắc laser có thể kết hợp với camera hoặc phần mềm quản lý dữ liệu để tạo và xác nhận mã trước khi sản phẩm chuyển sang công đoạn tiếp theo. Mục tiêu của tự động hóa không nhất thiết là thay thế toàn bộ nhân công. Trong nhiều dây chuyền, phương án phù hợp là tự động hóa các thao tác lặp lại, trong khi người vận hành đảm nhiệm cấp liệu, giám sát thiết bị, kiểm tra và xử lý các trường hợp bất thường.

Giải pháp dây chuyền sản xuất mạch in của CNC VINA

CNC VINA thiết kế, chế tạo máy tự động và dây chuyền cho ngành điện tử theo yêu cầu của từng doanh nghiệp. Tùy công đoạn và đặc điểm sản phẩm, hệ thống có thể được triển khai riêng lẻ hoặc tích hợp thành một dây chuyền liên hoàn.

Các nhóm thiết bị và giải pháp có thể triển khai gồm:

• Máy nhúng thiếc tự động và hệ thống robot hàn bảng mạch
• Máy gắn linh kiện điện tử
• Máy tra keo và phun keo
• Máy cắt bản mạch
• Máy khắc laser bảng mạch
• Máy và hệ thống kiểm tra bảng mạch
• Jig, đồ gá và cơ cấu định vị sản phẩm

Việc lựa chọn cấu hình không chỉ phụ thuộc vào loại máy mà còn liên quan đến kích thước PCB, trọng lượng sản phẩm, sản lượng theo giờ, thời gian chu kỳ, loại linh kiện, vị trí cần thao tác, yêu cầu kiểm tra và mặt bằng nhà xưởng. Đối với dây chuyền đang vận hành, CNC VINA có thể đánh giá từng công đoạn để xác định vị trí phù hợp cho tự động hóa thay vì nhất thiết phải thay đổi toàn bộ hệ thống. Phương án cuối cùng cần được xây dựng dựa trên mẫu sản phẩm, yêu cầu kỹ thuật và điều kiện thực tế của nhà máy.

Quy trình sản xuất mạch in PCB bắt đầu từ chế tạo board trần và tiếp tục qua các công đoạn lắp ráp linh kiện để tạo thành PCBA hoàn chỉnh. Tùy loại sản phẩm, dây chuyền có thể bao gồm SMT, cắm linh kiện xuyên lỗ, hàn, tra keo, phun phủ, potting, tách board, khắc laser và nhiều phương pháp kiểm tra khác nhau. Khi sản lượng tăng hoặc yêu cầu chất lượng ngày càng cao, những công đoạn lặp lại và yêu cầu độ chính xác lớn có thể được xem xét để tự động hóa bằng máy chuyên dụng, robot, jig và hệ thống kiểm tra. CNC VINA có thể khảo sát từng công đoạn, thiết kế và chế tạo thiết bị hoặc tích hợp nhiều module thành giải pháp phù hợp với mặt bằng và yêu cầu sản xuất của doanh nghiệp. Liên hệ CNC VINA để được tư vấn giải pháp dây chuyền sản xuất mạch in PCB phù hợp với sản phẩm và sản lượng thực tế.

CÔNG TY CỔ PHẦN ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ & CNC VIỆT NAM

Nhà máy: Điểm công nghiệp Sông Cùng, xã Đồng Tháp, huyện Đan Phượng, Hà Nội, Việt Nam.

Văn phòng: Rox Tower Goldmark City, 136 Hồ Tùng Mậu, phường Phú Diễn, Hà Nội, Việt Nam.

Điện thoại: +84 916 639 355 / +84 915 744 664.

Website: www.cncvina.com.vn ; www.cncvina.net

Email: sale01@cncvina.com.vn ; sales03@cncvina.com.vn