การบัดกรีแบบคลื่นมีบทบาทชี้ขาดในการยึดติดชิ้นส่วนลงบนแผงวงจรพิมพ์ระหว่างกระบวนการประกอบ PCB เมื่อเทคโนโลยีการผลิตค่อย ๆ พัฒนาอย่างต่อเนื่องและความตระหนักด้านการปกป้องสิ่งแวดล้อมของผู้คนเพิ่มสูงขึ้น การบัดกรีแบบคลื่นจึงถูกแบ่งออกเป็นการบัดกรีแบบคลื่นที่มีสารตะกั่วและการบัดกรีแบบคลื่นไร้สารตะกั่ว ความแตกต่างของส่วนผสมย่อมนำไปสู่ความแตกต่างของเทคโนโลยีการผลิตเพื่อให้มั่นใจได้ถึงคุณภาพที่ดีที่สุด ดังนั้น การทำความเข้าใจความแตกต่างระหว่างเทคโนโลยีการบัดกรีที่ใช้ในการบัดกรีแบบคลื่นที่มีสารตะกั่วและแบบไร้สารตะกั่วจึงมีความสำคัญอย่างยิ่ง
ความเปรียบต่างของปริมาณบัดกรี
• ตะกั่วบัดกรีที่ใช้กันทั่วไปในกระบวนการบัดกรีแบบคลื่นด้วยตะกั่วคือ
a. บัดกรียูเทคติก: Sn37Pbมันทำหน้าที่เป็นเฟสเนื้อเดียวที่มีจุดหลอมเหลว 183°C ซึ่งผสมมาจากสองเฟส (Sn และ Pb) ที่มีจุดหลอมเหลวต่างกัน
b. บัดกรี: Sn36Pb2Agมีการผสม Ag เล็กน้อยลงในบัดกรี SnPb ด้วยวัตถุประสงค์สองประการต่อไปนี้:
เป้าหมายที่ 1: สามารถลดจุดหลอมเหลวของบัดกรีได้ เช่น Sn36Pb2Ag ซึ่งมีจุดหลอมเหลวที่ 179°C ช่วยเพิ่มการแพร่กระจายและความแข็งแรงของการบัดกรี และทำให้รอยบัดกรีมีความเงางามสวยงาม บัดกรีประเภทนี้เหมาะสำหรับใช้กับคริสตัลควอตซ์ อุปกรณ์เซรามิก เทอร์มิสเตอร์ อุปกรณ์ฟิล์มหนา วงจรรวม (IC) และชิ้นส่วนที่มีการชุบผิวด้วยเงิน
เป้าหมายที่ 2: เพื่อหยุดการแพร่ซึมระหว่างบัดกรีและเงิน (Ag) บนโลหะฐาน จำเป็นต้องเติมเงิน (Ag) ลงในบัดกรีล่วงหน้า ผลลัพธ์คือสามารถหยุดการแพร่ซึมของเงิน (Ag) บนเซรามิกและไมกาได้ และชั้นเงิน (Ag) จะไม่ลอกออก ซึ่งเป็นคุณสมบัติการใช้งานหลักของบัดกรีประเภทนี้
• ตะกั่วบัดกรีที่ใช้กันทั่วไปในการบัดกรีแบบคลื่นปลอดสารตะกั่วคือ
a. โลหะผสม Sn3.0Ag0.5Cu (ย่อว่า SAC305)ในขณะนี้มันเป็นองค์ประกอบที่ถูกนำไปใช้กันอย่างแพร่หลายในอุตสาหกรรม โดยมีช่วงจุดหลอมเหลวตั้งแต่ 217°C ถึง 220°C Sn3.8Ag0.7Cu (เรียกย่อว่า SAC387) เป็นองค์ประกอบผลึกเดี่ยวของโลหะผสม SnAgCu ที่มีจุดหลอมเหลว 217°C
b. โลหะผสม Sn0.7Cuในฐานะที่เป็นธาตุผลึกเดี่ยวของโลหะผสมตระกูล SnCu โลหะผสม Sn0.7Cu มีจุดหลอมเหลวที่ 227°C ซึ่งสูงกว่าของ SAC305 อยู่ 9°C ดังนั้น เมื่ออุณหภูมิการบัดกรีเกิน 250°C จะไม่เหมาะสำหรับการบัดกรีแบบรีโฟลว์อีกต่อไป
หน้าต่างกระบวนการสำหรับการบัดกรีแบบคลื่น
• การบัดกรีแบบคลื่นด้วยตะกั่ว
a. เกี่ยวกับบัดกรียูเทคติกของ Sn37Pb:
1). อุณหภูมิการบัดกรีแบบคลื่นเมื่อพูดถึงอุณหภูมิการบัดกรีของโลหะผสมยูเทคติก Sn37Pb ควรสูงกว่าอุณหภูมิหลอมเหลว 37°C ดังนั้น อุณหภูมิการบัดกรีตามทฤษฎีคือ 220°C (183°C บวก 37°C)
อุณหภูมิการบัดกรีไม่เท่ากับอุณหภูมิของอ่างบัดกรีในกระบวนการบัดกรี ระหว่างกระบวนการบัดกรีแบบคลื่นทั้งหมด อุณหภูมิการหลอมละลายจะเป็นอุณหภูมิกึ่งกลางระหว่างอุณหภูมิของอ่างบัดกรีกับอุณหภูมิการทำงานของชิ้นงานที่ถูกบัดกรี เพื่อให้มั่นใจในความเปียกติดที่ดีเยี่ยมของโลหะประสาน หลังจากที่โลหะประสานถึงอุณหภูมิต่ำสุดที่ให้ความเปียกติดได้แล้ว จำเป็นต้องเพิ่มอุณหภูมิของอ่างบัดกรีต่อไปให้อยู่ใกล้เคียงประมาณ 250°C เพื่อชดเชยการสูญเสียความร้อนอื่น ๆ เพื่อให้สามารถเกิดสมดุลความร้อนได้ในกระบวนการบัดกรีแบบคลื่น
2). เวลาในการบัดกรีแบบคลื่นเพื่อให้ได้ผลลัพธ์การบัดกรีแบบคลื่นที่เหมาะสม ข้อต่อบัดกรีควรถูกแช่อยู่ในคลื่นบัดกรีเป็นเวลา 2 ถึง 4 วินาที
b. สำหรับบัดกรี Sn36Pb2Ag สามารถตั้งค่าช่วงกระบวนการเวฟโซลเดอริงโดยอ้างอิงจากบัดกรี Sn37Pb ได้
• การบัดกรีแบบคลื่นไร้สารตะกั่ว
การเลือกอุณหภูมิของการบัดกรีแบบคลื่นไร้สารตะกั่วเป็นวิธีการสำคัญในการแก้ปัญหาการเปียกไม่เพียงพอของประสานไร้สารตะกั่ว ตามช่วงอุณหภูมิที่ให้การเปียกดีที่สุดระหว่างการบัดกรีแบบคลื่น โดยทั่วไปจะเลือกใช้อุณหภูมิที่สูงกว่าจุดหลอมเหลวสูงสุด 50°C ดังนั้น หน้าต่างกระบวนการบัดกรีไร้สารตะกั่วที่แนะนำและใช้กันโดยทั่วไปสำหรับให้ได้การเปียกที่ดีที่สุดจึงแสดงไว้ดังต่อไปนี้
a. เกี่ยวกับบัดกรี SAC305:
1). อุณหภูมิการบัดกรีแบบคลื่น: 250°C ถึง 260°C
2). เวลาในการบัดกรีแบบคลื่น: ช่วงเวลาที่แนะนำคือ 3 ถึง 5 วินาที
b. เกี่ยวกับโลหะผสม Sn0.7Cu:
1). อุณหภูมิการบัดกรีแบบคลื่น: 260°C ถึง 270°C
2). เวลาในการบัดกรีแบบคลื่น: เทียบเท่ากับ SAC305
ฟลักซ์และการอุ่นล่วงหน้า
|
รายการ
|
การบัดกรีแบบคลื่นด้วยตะกั่ว
|
การบัดกรีแบบคลื่นปราศจากสารตะกั่ว
|
ประเภทฟลักซ์และ
น้ำหนักเคลือบ |
1. เบสแอลกอฮอล์กรดอินทรีย์ฟลักซ์แบบไม่ต้องทำความสะอาดใช้ในกระบวนการบัดกรีคลื่นตะกั่วที่มีความไวต่อปฏิกิริยาต่ำ
2. ปริมาณฟลักซ์ที่ใช้แล้วควรถูกควบคุมให้อยู่ในช่วงตั้งแต่ 300 ถึง 750 มก./ดีเอ็ม2. |
1. ฟลักซ์ฐานน้ำกรดอินทรีย์ถูกใช้ในกระบวนการบัดกรีแบบคลื่นปลอดสารตะกั่วที่มีความไวต่อปฏิกิริยาสูง
2. น้ำหนักของสารเคลือบเทียบเท่ากับที่ใช้ในการบัดกรีคลื่นด้วยตะกั่ว |
| อุณหภูมิอุ่นล่วงหน้า |
เมื่อสิ้นสุดการอุ่นล่วงหน้า ควรควบคุมอุณหภูมิผิวหน้าของแผ่น PCB ให้อยู่ในช่วง 70 ถึง 80°C |
เมื่อสิ้นสุดการอุ่นล่วงหน้า อุณหภูมิพื้นผิวของแผ่น PCB ควรถูกควบคุมให้อยู่ในช่วง 100 ถึง 130°C |
| โหมดอุ่นเครื่อง |
สามารถใช้โซนการอุ่นล่วงหน้าได้ตั้งแต่หนึ่งถึงสามโซนตามสภาพการใช้งานจริง โดยแต่ละโซนการอุ่นล่วงหน้ามีความยาว 600 มม.
1. ในโซนอุ่นล่วงหน้าแรก ใช้ชุดทำความร้อนอินฟราเรดคลื่นกลาง ซึ่งสามารถให้พลังงานอินฟราเรดและความยาวคลื่นที่เหมาะสมเพื่อกระตุ้นสารออกฤทธิ์ในฟลักซ์ และยับยั้งไม่ให้ตัวทำละลายระเหยออกจากวัสดุในระยะเริ่มต้น
2. โซนอุ่นล่วงหน้าที่สองและสามใช้ประโยชน์จากการให้ความร้อนด้วยการพาความร้อนแบบบังคับ เพื่อให้สามารถกำจัดตัวทำละลายส่วนเกินได้ก่อนที่จะผ่านกระบวนการบัดกรีแบบคลื่น |
สามารถใช้โซนการอุ่นล่วงหน้าได้ตั้งแต่หนึ่งถึงสี่โซนตามสภาพการใช้งานจริง โดยแต่ละโซนการอุ่นล่วงหน้ามีความยาว 600 มม.
1. ในโซนอุ่นล่วงหน้าแรก ใช้หน่วยทำความร้อนอินฟราเรดคลื่นกลาง ซึ่งสามารถให้พลังงานอินฟราเรดและความยาวคลื่นที่เหมาะสมเพื่อกระตุ้นสารออกฤทธิ์ในฟลักซ์ และยับยั้งไม่ให้ตัวทำละลายระเหยออกจากวัสดุในระยะเริ่มต้น
2. โซนอุ่นล่วงหน้าลำดับที่สองถึงสี่ใช้การให้ความร้อนแบบการพาความร้อนแบบบังคับ เพื่อกำจัดน้ำส่วนเกินก่อนที่จะเข้าสู่กระบวนการบัดกรีแบบคลื่น |
เส้นโค้งเวลา-อุณหภูมิของการบัดกรีแบบคลื่น
พารามิเตอร์กระบวนการของเทคโนโลยีการบัดกรีแบบคลื่นมุ่งเน้นไปที่เส้นโค้งเวลา-อุณหภูมิของการบัดกรีแบบคลื่น
• การบัดกรีแบบคลื่นด้วยตะกั่ว
เส้นโค้งเวลา-อุณหภูมิแสดงไว้ด้านล่างเมื่อใช้บัดกรี Sn37Pb เป็นบัดกรีในการบัดกรีแบบคลื่น
• การบัดกรีแบบคลื่นปราศจากสารตะกั่ว
เนื่องจากบัดกรีปลอดสารตะกั่วอย่างเช่น SAC305 มีคุณสมบัติการเปียกตัวที่แย่กว่า Sn37Pb ทำให้มักเกิดข้อบกพร่องของรูทะลุเมื่อมีการบัดกรีแบบคลื่นกับอุปกรณ์ชนิดรูทะลุ ดังนั้นจึงจำเป็นต้องมีการปรับเปลี่ยนเส้นโค้งเวลา–อุณหภูมิสำหรับการบัดกรีแบบคลื่นปลอดสารตะกั่ว ซึ่งแสดงไว้ในรูปด้านล่าง
การควบคุมสิ่งเจือปนทองแดงในการบัดกรีแบบคลื่น
ในอ่างบัดกรีของการบัดกรีแบบคลื่น เมื่อปริมาณทองแดงเปลี่ยนไป 0.2% โดยน้ำหนัก อุณหภูมิของเฟสของเหลวจะเปลี่ยนไปได้มากถึง 6°C การเปลี่ยนแปลงที่มากเช่นนี้จะทำให้ประสิทธิภาพของบัดกรีเหลวเปลี่ยนแปลงอย่างมากในแง่ของความไม่สม่ำเสมอของสมรรถนะ นอกจากนี้ ความลื่นไหลของบัดกรียังลดลง ทำให้สมรรถนะทางกลของกระบวนการบัดกรีแบบคลื่นเสียหาย พร้อมทั้งทำให้เกิดข้อบกพร่องในการบัดกรีเพิ่มขึ้น เช่น การลัดวงจรจากสะพานบัดกรี ดังนั้น การควบคุมปริมาณสิ่งเจือปนของทองแดงในอ่างบัดกรีจึงมีความสำคัญอย่างยิ่ง
• การบัดกรีแบบคลื่นด้วยตะกั่ว
การควบคุมปริมาณทองแดงในอ่างบัดกรีของการบัดกรีแบบคลื่นตะกั่วนั้นอิงตามปรากฏการณ์ทางกายภาพสองประการต่อไปนี้:
a. ความแตกต่างของความหนาแน่นเมื่อธาตุทองแดงถูกหลอมละลายในอ่างบัดกรี ทองแดงจะคงอยู่ในรูปของสารประกอบโลหะเคมีของ Cu6สน5เนื่องจากความหนาแน่นของ Sn37Pb คือ 8.5 กรัม/ซม.³3และของทองแดง6สน58.3 กรัม/ซม.3ส่วนหลังลอยอยู่บนผิวหน้าของของเหลว Sn37Pb ในอ่างบัดกรี
b. ความแตกต่างของจุดหลอมเหลว. จุดหลอมเหลวของ Cu6Sn5สูงกว่าของ Sn37Pb อยู่ 5 ถึง 10°C และสูงกว่าของ SnPb อยู่ 5 ถึง 10°C ดังนั้นอุณหภูมิของบ่อบัดกรีจึงสามารถลดลงให้ต่ำกว่าจุดหลอมเหลวของ Cu6Sn5 ได้ จากนั้นจึงใช้เครื่องมือพิเศษในการตักบรอนซ์ของทองแดงและดีบุกออกเพื่อนำไปกำจัดในภายหลัง สุดท้ายจะใช้ตะกั่วบัดกรีเชิงนิเวศดั้งเดิมที่มีความบริสุทธิ์สูงมาเติมลงในบ่อบัดกรี
• การบัดกรีแบบคลื่นปราศจากสารตะกั่ว
ระหว่างกระบวนการบัดกรีแบบคลื่นปลอดสารตะกั่ว เมื่อปริมาณทองแดงซึ่งเป็นสิ่งเจือปนในอ่างบัดกรีถึง 1.55(wt)% ขอแนะนำให้ปรับปรุงคุณภาพของโลหะประสาน เนื่องจากเมื่อค่าดังกล่าวถูกเกินไปแล้ว ความเปียกติดของโลหะผสมปลอดสารตะกั่วส่วนใหญ่จะลดลงอย่างมาก
a. สำหรับการบัดกรีแบบคลื่นไร้สารตะกั่ว สารประกอบเคมี SnCu Cu6สน5ที่มีความหนาแน่น 8.3 กรัม/ซม.3ซึ่งมีค่าสูงกว่า SnAgCu และ SnCu ทั้งสองชนิด ทำให้สารประกอบเคมี SnCu เกิดเป็น Cu6สน5ไม่สามารถลอยตัวได้เนื่องจากถูกกระจายอยู่ในบัดกรีเหลว ทำให้เกิดข้อบกพร่องในการบัดกรีจำนวนมาก
b. สำหรับการบัดกรีแบบคลื่นที่ปราศจากสารตะกั่ว เมื่อความเร็วของการละลายทองแดงลงในอ่างบัดกรีและทองแดงที่ถูกดึงออกจากอ่างบัดกรีโดยแผ่น PCB หักล้างกับผลของการเจือจางจากตะกั่วบัดกรีที่เติมใหม่แล้ว ปริมาณทองแดงในอ่างบัดกรีจะเข้าสู่ภาวะสมดุลแบบไดนามิก และต้องทำการบัดกรีทันทีภายใต้การปกป้องของไนโตรเจน
PCBCart นำเสนอเทคนิคการผลิตการบัดกรีด้วยตะกั่วและการบัดกรีปลอดตะกั่วสำหรับการประกอบแผงวงจรพิมพ์ (PCB Assembly)
