01
กระบวนการบำบัดพื้นผิว PCB คืออะไร?
พื้นผิวทองแดงบนแผงวงจรพิมพ์ (PCB)ที่ไม่มีการเคลือบสารป้องกันการบัดกรี เช่น แผ่นบัดกรี ขั้วต่อทองคำ รูเจาะ ฯลฯ หากไม่มีการเคลือบป้องกัน พื้นผิวทองแดงจะเกิดการออกซิเดชันได้ง่าย ซึ่งส่งผลต่อการบัดกรีระหว่างทองแดงเปลือยกับชิ้นส่วนต่างๆ ในบริเวณที่สามารถบัดกรีได้บนแผงวงจรพิมพ์
ดังแสดงในรูปด้านล่าง การปรับสภาพ พื้นผิวจะอยู่บนชั้นนอกสุดของแผงวงจรพิมพ์ (PCB) เหนือชั้นทองแดง โดยทำหน้าที่เป็น "สารเคลือบ" บนพื้นผิวทองแดง
หน้าที่หลักของการบำบัดพื้นผิวคือการปกป้องพื้นผิวทองแดงที่สัมผัสกับวงจรออกซิเดชัน จึงทำให้มีพื้นผิวที่สามารถบัดกรีได้ในระหว่างการเชื่อม
02
การจำแนกประเภทของกระบวนการบำบัดพื้นผิว PCB
กระบวนการบำบัดพื้นผิว PCB แบ่งออกเป็นประเภทต่อไปนี้:
การปรับระดับการบัดกรีด้วยลมร้อน (HASL)
การแช่ดีบุก (ImSn)
เคมีภัณฑ์นิกเกิลทอง (ทองแช่) (ENIG)
สารกันบูดที่สามารถบัดกรีได้แบบออร์แกนิก (OSP)
เคมีเงิน (ImAg)
การชุบนิกเกิลด้วยสารเคมี การชุบแพลเลเดียมด้วยสารเคมี การแช่ในทองคำ (ENEPIG)
นิกเกิล/ทองอิเล็กโทรไลต์
การปรับระดับการบัดกรีด้วยลมร้อน (HASL)
การเคลือบผิวด้วยลมร้อน (Hot Air Solder Level หรือ HASL) หรือที่รู้จักกันทั่วไปว่า การพ่นดีบุก เป็นกระบวนการปรับสภาพพื้นผิวที่ใช้กันอย่างแพร่หลายและมีราคาค่อนข้างถูก โดยแบ่งออกเป็น การพ่นดีบุก แบบไร้สารตะกั่วและการพ่นดีบุกแบบมีสารตะกั่ว
อายุการใช้งานของ PCB สามารถเข้าถึงได้ถึง 12 เดือน โดยที่อุณหภูมิกระบวนการอยู่ที่ 250 ℃ และความหนาของการชุบผิวอยู่ที่ 1-40um
กระบวนการพ่นดีบุกเกี่ยวข้องกับการจุ่มแผ่นวงจรลงในตะกั่ว หลอมเหลว (ดีบุก/ตะกั่ว) เพื่อเคลือบผิวทองแดงที่เปิดโล่งบนแผ่นวงจรพิมพ์ เมื่อแผ่นวงจรพิมพ์ถูกนำออกจากตะกั่วหลอมเหลวแล้ว ลมร้อนแรงดันสูงจะถูกเป่าผ่านพื้นผิวด้วยมีดลม ทำให้ตะกั่วตกตะกอนอย่างเรียบเนียนและกำจัดตะกั่วส่วนเกินออกไป
กระบวนการพ่นดีบุกต้องอาศัยความเชี่ยวชาญในการควบคุมอุณหภูมิการเชื่อม อุณหภูมิของใบมีด แรงดันของใบมีด เวลาในการเชื่อมแบบจุ่ม ความเร็วในการยก ฯลฯ ตรวจสอบให้แน่ใจว่าแผ่นวงจรพิมพ์ (PCB) จุ่มอยู่ในตะกั่วหลอมเหลวอย่างสมบูรณ์ และใช้ปืนลมเป่าตะกั่วก่อนที่จะแข็งตัว แรงดันของปืนลมจะช่วยลดเมนิสคัสบนพื้นผิวทองแดงและป้องกันการเกิดสะพานตะกั่ว
การปรับระดับการบัดกรีด้วยลมร้อน (HASL)
ประโยชน์:
อายุการเก็บรักษานาน
เชื่อมได้ดี
ความต้านทานการกัดกร่อนและการเกิดออกซิเดชัน
การตรวจสอบด้วยสายตาสามารถทำได้
ข้อเสีย:
ความไม่เรียบของพื้นผิว
ไม่เหมาะกับอุปกรณ์ที่มีระยะห่างน้อย
ผลิตลูกปัดดีบุกได้ง่าย
การเสียรูปที่เกิดจากอุณหภูมิสูง
ไม่เหมาะกับการชุบด้วยไฟฟ้าผ่านรู
การแช่ดีบุก (ImSn)
Immersion Tin (ImSn) เป็นสารเคลือบโลหะที่เกิดจากปฏิกิริยาการแทนที่ทางเคมี โดยทาลงบนโลหะฐาน (เช่น ทองแดง) ของแผงวงจรโดยตรง ซึ่งสามารถตอบสนองความต้องการของชิ้นส่วนที่มีระยะพิทช์เล็กเพื่อความเรียบของพื้นผิว PCB ได้
การเคลือบดีบุกสามารถปกป้องทองแดงด้านล่างจากการเกิดออกซิเดชันได้ในระหว่างอายุการใช้งาน 3-6 เดือน เนื่องจากตะกั่วบัดกรีทุกชนิดมีส่วนประกอบหลักเป็นดีบุก ชั้นเคลือบดีบุกจึงสามารถเข้ากันได้กับตะกั่วบัดกรีทุกประเภท หลังจากเติมสารเติมแต่งอินทรีย์ลงในสารละลายชุบดีบุก โครงสร้างของชั้นดีบุกจะกลายเป็นแบบเม็ดเล็กๆ ซึ่งช่วยแก้ปัญหาที่เกิดจากหนวดดีบุกและการเคลื่อนตัวของดีบุก อีกทั้งยังมีเสถียรภาพทางความร้อนและความสามารถในการเชื่อมที่ดี
อุณหภูมิของกระบวนการสะสมดีบุกคือ 50 ℃ และความหนาของการชุบผิวคือ 0.8-1.2um PCB ที่เหมาะเป็นพิเศษสำหรับการเชื่อมต่อโดยการจีบ เช่น แผงหลังการสื่อสาร
การแช่ดีบุก (ImSn)
ประโยชน์:
เหมาะสำหรับระยะห่างน้อย/BGA
ความเรียบของพื้นผิวที่ดี
สอดคล้องกับ RoHS
เชื่อมได้ดี
เสถียรภาพที่ดี
ข้อเสีย:
เกิดการปนเปื้อนได้ง่าย
หนวดดีบุกอาจทำให้เกิดไฟฟ้าลัดวงจร
การทดสอบไฟฟ้าต้องใช้หัววัดแบบอ่อน
ไม่เหมาะสำหรับสวิตช์สัมผัส
กัดกร่อนชั้นหน้ากากประสาน
เคมีภัณฑ์นิกเกิลทอง (ทองแช่) (ENIG)
Chemical Nickel Immersion Gold (ENIG) สามารถตอบสนองความต้องการด้านความเรียบของพื้นผิวและการประมวลผลที่ปราศจากสารตะกั่วของ PCB สำหรับอุปกรณ์ที่มีระยะห่างระหว่างพิทช์เล็ก (BGA และ μ BGA)
ENIG ประกอบด้วยชั้นเคลือบโลหะสองชั้น โดยชั้นแรกเป็นนิกเกิลที่เคลือบอยู่บนพื้นผิวทองแดงด้วยกระบวนการทางเคมี จากนั้นจึงเคลือบด้วยอะตอมทองคำผ่านปฏิกิริยาการแทนที่ ความหนาของนิกเกิลอยู่ที่ 3-6 ไมโครเมตร และความหนาของทองคำอยู่ที่ 0.05-0.1 ไมโครเมตร นิกเกิลทำหน้าที่เป็นเกราะป้องกันทองแดงและเป็นพื้นผิวที่ใช้ในการบัดกรีชิ้นส่วนต่างๆ ส่วนทองคำมีหน้าที่ป้องกันการเกิดออกซิเดชันของนิกเกิลระหว่างการเก็บรักษา มีอายุการใช้งานประมาณหนึ่งปี และช่วยให้ พื้นผิวเรียบ ลื่นเป็นอย่างดี
กระบวนการจุ่มทองใช้กันอย่างแพร่หลายในบอร์ดที่มีความหนาแน่นสูง บอร์ดแข็งแบบธรรมดา และบอร์ดอ่อน โดยมีความน่าเชื่อถือสูงและรองรับการยึดด้วยลวดโดยใช้ลวดอลูมิเนียม ใช้กันอย่างแพร่หลายในอุตสาหกรรมต่างๆ เช่น ผู้บริโภค การสื่อสาร/การคำนวณ การบินและอวกาศ และการดูแลสุขภาพ
เคมีคัลนิกเกิลโกลด์ (ENIG)
ประโยชน์:
อายุการเก็บรักษานาน
บอร์ดความหนาแน่นสูง (μ BGA)
การยึดลวดอลูมิเนียม
ความเรียบผิวสูง
เหมาะกับการชุบรูด้วยไฟฟ้า
ข้อเสีย:
ราคาแพง
การลดทอนสัญญาณ RF
ไม่สามารถแก้ไขได้
แผ่นสีดำ/นิกเกิลสีดำ
กระบวนการประมวลผลมีความซับซ้อน
สารกันบูดที่สามารถบัดกรีได้แบบออร์แกนิก (OSP)
สารกันเสียจากการบัดกรีอินทรีย์ (OSP) เป็นวัสดุป้องกันชั้นบางมากที่ทาลงบนทองแดงที่สัมผัสกับอากาศเพื่อปกป้องพื้นผิวทองแดงไม่ให้เกิดการออกซิเดชัน
ฟิล์มอินทรีย์มีคุณสมบัติ เช่น ทนต่อการออกซิเดชัน ทนต่อการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิอย่างฉับพลัน และทนต่อความชื้น ซึ่งสามารถปกป้องพื้นผิวทองแดงจากการออกซิเดชันหรือการเกิดซัลไฟด์ภายใต้สภาวะปกติ ในกระบวนการเชื่อมที่อุณหภูมิสูง ฟิล์มอินทรีย์จะถูกกำจัดออกได้ง่ายด้วยฟลักซ์ ทำให้พื้นผิวทองแดงที่สะอาดซึ่งเปิดเผยออกมาสามารถยึดติดกับตะกั่วบัดกรี ที่หลอมเหลวได้ทันที ก่อให้เกิดรอยเชื่อมที่แข็งแรงในระยะเวลาอันสั้น
OSP เป็นสารประกอบอินทรีย์ที่มีส่วนประกอบเป็นน้ำซึ่งสามารถจับกับทองแดงได้อย่างเฉพาะเจาะจงเพื่อปกป้องพื้นผิวทองแดงก่อนการเชื่อม เมื่อเปรียบเทียบกับกระบวนการบำบัดพื้นผิวแบบไร้สารตะกั่วอื่นๆ OSP เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมมาก เนื่องจากกระบวนการบำบัดพื้นผิวอื่นๆ อาจมีพิษหรือใช้พลังงานสูงกว่า
สารกันบูดที่สามารถบัดกรีได้แบบออร์แกนิก (OSP)
ประโยชน์:
ง่ายและราคาถูก
ปกป้องสิ่งแวดล้อมปราศจากสารตะกั่ว
พื้นผิวเรียบ
การต่อลวด
ข้อเสีย:
ไม่เหมาะสำหรับ PTH
อายุการเก็บรักษาสั้น
ไม่สะดวกต่อการตรวจสอบด้วยสายตาและไฟฟ้า
อุปกรณ์ ICT อาจทำให้ PCB เสียหายได้
เคมีเงิน (ImAg)
การจุ่มเงิน (ImAg) คือกระบวนการชุบทองแดงโดยตรงกับชั้นของเงินบริสุทธิ์โดยการจุ่ม PCB ลงในอ่างไอออนเงินผ่านปฏิกิริยาการแทนที่ เงินมีคุณสมบัติทางเคมีที่เสถียร PCB ที่ผ่านกระบวนการจุ่มเงินสามารถรักษาคุณสมบัติทางไฟฟ้าและการบัดกรีที่ดีได้แม้จะสัมผัสกับสภาพแวดล้อมที่ร้อน ชื้น และมลพิษ และแม้ว่าพื้นผิวจะสูญเสียความเงางามก็ตาม
บางครั้ง เพื่อป้องกันไม่ให้เงินทำปฏิกิริยากับซัลไฟด์ในสิ่งแวดล้อม การสะสมเงินจะรวมกับการเคลือบ OSP สำหรับการใช้งานส่วนใหญ่ เงินสามารถทดแทนทองได้ หากคุณไม่ต้องการใส่สารแม่เหล็ก (นิกเกิล) ลงใน PCB คุณสามารถเลือกใช้การสะสมเงินได้
ความหนาของพื้นผิวของการสะสมเงินอยู่ที่ 0.12-0.40 μm และมีอายุการเก็บรักษาอยู่ที่ 6 ถึง 12 เดือน กระบวนการการสะสมเงินมีความอ่อนไหวต่อความสะอาดของพื้นผิวระหว่างการประมวลผล และจำเป็นต้องทำให้แน่ใจว่ากระบวนการผลิตทั้งหมดจะไม่ก่อให้เกิดการปนเปื้อนของพื้นผิวจากการสะสมเงิน กระบวนการการสะสมเงินเหมาะสำหรับการใช้งาน เช่น PCB สวิตช์ฟิล์มบาง และการยึดสายอลูมิเนียมที่ต้องมีการป้องกัน EMI
เงินจม (ImAg)
ประโยชน์:
ความเรียบผิวดี
ความสามารถในการเชื่อมสูง
เสถียรภาพที่ดี
ประสิทธิภาพการป้องกันที่ดี
เหมาะสำหรับการยึดลวดอลูมิเนียม
ข้อเสีย:
ไวต่อสารมลพิษ
ง่ายต่อการผ่านกระบวนการอิเล็กโตรไมเกรชั่น
หนวดโลหะสีเงิน
หน้าต่างประกอบสั้น ๆ หลังจากแกะกล่อง
ความยากในการทดสอบไฟฟ้า
การชุบนิกเกิลด้วยสารเคมี การชุบแพลเลเดียมด้วยสารเคมี การแช่ในทองคำ (ENEPIG)
เมื่อเปรียบเทียบกับ ENIG แล้ว ENEPIG มีชั้นแพลเลเดียมเพิ่มเติมอยู่ระหว่างนิกเกลและทองคำ ซึ่งช่วยปกป้องชั้นนิกเกลจากการกัดกร่อนและป้องกันการเกิดคราบดำที่อาจเกิดขึ้นระหว่างการปรับสภาพพื้นผิวด้วย ENIG จึงให้ข้อได้เปรียบในด้านความเรียบเนียนของพื้นผิว ความหนาของชั้นนิกเกลอยู่ที่ประมาณ 3-6 ไมโครเมตร ความหนาของแพลเลเดียมอยู่ที่ประมาณ 0.1-0.5 ไมโครเมตร และความหนาของทองคำอยู่ที่ 0.02-0.1 ไมโครเมตร แม้ว่าความหนาของชั้นทองคำจะบางกว่า ENIG แต่ก็มีราคาแพงกว่า
โครงสร้างชั้นของทองแดง นิกเกิล แพลเลเดียม ทองสามารถเชื่อมด้วยลวดเข้ากับชั้นชุบได้โดยตรง ชั้นสุดท้ายของทองจะบางและนิ่มมาก และความเสียหายทางกลไกที่มากเกินไปหรือรอยขีดข่วนลึกอาจทำให้ชั้นแพลเลเดียมถูกเปิดเผยออกมา
การชุบนิกเกิลด้วยสารเคมี การชุบแพลเลเดียมด้วยสารเคมี การแช่ในทองคำ (ENEPIG)
ประโยชน์:
พื้นผิวเรียบมาก
การต่อลวด
สามารถบัดกรีแบบรีโฟลว์ได้หลายครั้ง
ความน่าเชื่อถือสูงของข้อต่อบัดกรี
อายุการเก็บรักษานาน
ข้อเสีย:
ราคาแพง
การยึดลวดทองไม่น่าเชื่อถือเท่ากับการยึดทองคำแบบอ่อน
ผลิตลูกปัดดีบุกได้ง่าย
กระบวนการที่ซับซ้อน
ยากที่จะควบคุมกระบวนการการประมวลผล
นิกเกิล/ทองอิเล็กโทรไลต์
ทองนิกเกิลชุบด้วยไฟฟ้าแบ่งออกเป็น “ทองคำแข็ง” และ “ทองคำอ่อน”
ทองคำแข็งมีความบริสุทธิ์ต่ำ (99.6%) และนิยมใช้สำหรับทำขั้วต่อทองคำ(ขั้วต่อขอบ PCB)หน้าสัมผัส PCB หรือบริเวณที่สึกหรอสูงอื่นๆ ความหนาของทองคำสามารถปรับเปลี่ยนได้ตามความต้องการ
ทองคำอ่อนมีความบริสุทธิ์มากกว่า (99.9%) และนิยมนำมาใช้ในการยึดลวด
ทองคำอิเล็กโทรไลต์แข็ง
ทองคำแข็งคือโลหะผสมทองคำที่มีสารเชิงซ้อนของโคบอลต์ นิกเกิล หรือเหล็ก นิกเกิลที่มีความเครียดต่ำจะใช้ระหว่างการชุบทองและทองแดง ทองคำแข็งเหมาะสำหรับส่วนประกอบที่ใช้งานบ่อยและมีแนวโน้มสึกหรอสูง เช่น แผงวงจรหลัก แป้นกดทอง และแป้นพิมพ์
ความหนาของการเคลือบพื้นผิวด้วยทองคำแข็งอาจแตกต่างกันไปขึ้นอยู่กับการใช้งาน ความหนาสูงสุดที่สามารถเชื่อมได้สำหรับ IPC คือ 17.8 μin, 25 μin ในทองคำ และ 100 μin ในนิกเกิลสำหรับการใช้งาน IPC1 และ Class 2 และ 50 μin ในทองคำ และ 100 μin ในนิกเกิลสำหรับการใช้งาน IPC3
ทองคำอิเล็กโทรไลต์อ่อน
ส่วนใหญ่ใช้สำหรับ PCB ที่ต้องเชื่อมด้วยลวดและมีความสามารถในการบัดกรีสูง ข้อต่อบัดกรีทองอ่อนจะมีความปลอดภัยมากกว่าเมื่อเทียบกับทองแข็ง
การเคลือบผิวด้วยทองคำอิเล็กโทรไลต์อ่อน
นิกเกิล/ทองอิเล็กโทรไลต์
ประโยชน์:
อายุการเก็บรักษานาน
ความน่าเชื่อถือสูงของข้อต่อบัดกรี
พื้นผิวที่ทนทาน
ข้อเสีย:
แพงมาก
นิ้วทองต้องมีการเดินสายนำไฟฟ้าเพิ่มเติมบนบอร์ด
ทองคำแข็งมีความสามารถในการเชื่อมต่ำ
03
เลือกกระบวนการบำบัดพื้นผิว PCB อย่างไร?
กระบวนการปรับสภาพพื้นผิวของแผงวงจรพิมพ์ (PCB) จะส่งผลโดยตรงต่อผลผลิตปริมาณการแก้ไขงานอัตราความล้มเหลวในสถานที่ ความสามารถในการทดสอบ และอัตราของเสีย เพื่อให้ได้คุณภาพและประสิทธิภาพของผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้าย จำเป็นต้องเลือกกระบวนการปรับสภาพพื้นผิวที่ตรงตามข้อกำหนดการออกแบบ ในทางวิศวกรรม สามารถพิจารณาได้จากมุมมองต่อไปนี้:
ความเรียบของแผ่น
ความเรียบของแผ่นบัดกรีส่งผลโดยตรงต่อคุณภาพการบัดกรีของ PCBA โดยเฉพาะเมื่อมี BGA ขนาดค่อนข้างใหญ่หรือ BGA μ ที่มีระยะห่างระหว่างแผ่นบัดกรีน้อยกว่าบนบอร์ด สามารถเลือก ENIG, ENEPIG และ OSP ได้เมื่อจำเป็นต้องให้ชั้นป้องกันบนพื้นผิวแผ่นบัดกรีมีความบางและสม่ำเสมอ
ความสามารถในการบัดกรีและความสามารถในการเปียก
ความสามารถในการบัดกรีถือเป็นปัจจัยสำคัญสำหรับ PCB เสมอ แม้ว่าจะตรงตามข้อกำหนดอื่นๆ ก็ตาม ขอแนะนำให้เลือกกระบวนการชุบผิวที่มีความสามารถในการบัดกรีสูง เพื่อให้แน่ใจว่าจะได้ผลลัพธ์ของการบัดกรีแบบรีโฟลว์
ความถี่ในการเชื่อม
PCB จำเป็นต้องบัดกรีหรือซ่อมกี่ครั้ง? กระบวนการปรับปรุงพื้นผิวของ OSP ไม่เหมาะสำหรับการซ่อมแซมมากกว่าสองครั้ง ในเวลานี้ กระบวนการปรับปรุงพื้นผิวแบบผสม เช่น การแช่ทอง + OSP ก็จะถูกเลือกเช่นกัน ปัจจุบัน ผลิตภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์ระดับไฮเอนด์ เช่น สมาร์ทโฟน จะเลือกกระบวนการปรับปรุงนี้
เป็นไปตามมาตรฐานการปฏิบัติตาม
องค์ประกอบนำไฟฟ้าในแผงวงจรพิมพ์ (PCBA) ส่วนใหญ่มาจากขาของชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์แผ่นรองบนแผงวงจร และตะกั่วบัดกรีเพื่อให้เป็นไปตามข้อกำหนด ROHS วิธีการเคลือบผิวของแผงวงจรพิมพ์ก็ต้องเป็นไปตามมาตรฐาน ROHS ด้วยเช่นกัน ตัวอย่างเช่น ENIG, ดีบุก, เงิน และ OSP ล้วนเป็นไปตามมาตรฐาน ROHS
พันธะโลหะ
หากจำเป็นต้องใช้การเชื่อมด้วยลวดทองหรืออลูมิเนียม อาจจำกัดให้ใช้เฉพาะ ENIG, ENEPIG และทองอิเล็กโทรไลต์อ่อนเท่านั้น
ความน่าเชื่อถือของข้อต่อบัดกรี
กระบวนการปรับสภาพพื้นผิวของ PCB ก็ส่งผลต่อคุณภาพการบัดกรีขั้นสุดท้ายของ PCBA ได้เช่นกัน หากต้องการรอยบัดกรีที่มีความน่าเชื่อถือสูง สามารถเลือกใช้กระบวนการชุบทองแบบจุ่มหรือนิกเกิลแพลเลเดียมชุบทองได้
