การเปรียบเทียบผิวเคลือบ Immersion Silver, ENIG และ HASL สำหรับความน่าเชื่อถือของแผงวงจร PCBA แบบ HMLV

การเลือกการเคลือบผิวหน้าถือเป็นการตัดสินใจที่มีผลต่ออัตราผลผลิตผ่านครั้งแรกพอ ๆ กับการตัดสินใจเลือกวัสดุ สำหรับโปรแกรม PCBA แบบความหลากหลายสูง ปริมาณต่ำ (HMLV) — ซึ่งสายการผลิตเดียวอาจรันบอร์ดควบคุมอุตสาหกรรมในกะหนึ่ง และบอร์ดอินเทอร์เฟซ ATE สำหรับเซมิคอนดักเตอร์ในอีกกะหนึ่ง — การเลือกการเคลือบผิวที่ไม่เหมาะสมจะแสดงผลกระทบในขั้นตอนถัดไปในรูปแบบของโพรงประสาน (solder voiding) ความล้มเหลวแบบแผ่นดำ (black pad) หรือของเสียจากการหมดอายุการเก็บรักษา นานก่อนที่จะปรากฏเป็นการส่งคืนจากหน้างาน บทความนี้เปรียบเทียบนิกเกิลไม่ใช้ไฟฟ้าเคลือบทองแบบจุ่ม (ENIG), เงินแบบจุ่มและการทำผิวบัดกรีแบบฮอตแอร์ (HASL) ในด้านความสามารถในการบัดกรี ความแบนราบ พฤติกรรมการเก็บรักษา และความเข้ากันได้กับระยะพิทช์ละเอียด และจบด้วยกรอบการคัดเลือกสำหรับทีมประกอบที่จัดหาในงานอุตสาหกรรม วิทยาศาสตร์ชีวภาพ และอุปกรณ์ทดสอบเซมิคอนดักเตอร์

ความสามารถในการเชื่อมประสานและพฤติกรรมการเปียกตัว

การเคลือบผิวแต่ละแบบมีปฏิกิริยาต่อการพิมพ์ครีมประสานและการรีโฟลว์แตกต่างกัน ซึ่งส่งผลโดยตรงต่อปริมาณครีมประสานที่พิมพ์ด้วยหัวพิมพ์เจ็ตของ MYCRONIC และการควบคุมโปรไฟล์การรีโฟลว์บนเตาอบรุ่น JTR-1200D-N

เอนิกชั้นนิกเกิลถูกเคลือบเป็นชั้นกั้นอยู่ใต้ชั้นทองคำบาง ๆ ที่ได้จากกระบวนการชุบจุ่ม ทองคำจะละลายอย่างรวดเร็วเข้าสู่บัดกรีระหว่างกระบวนการรีโฟลว์ และการเปียกตัวจะถูกกำหนดโดยจุดต่อระหว่างนิกเกิลกับบัดกรีที่อยู่ด้านล่าง โดยทั่วไปจะให้มุมการเปียกตัวที่สม่ำเสมอและแบนราบทั่วทั้งแผง ซึ่งเป็นผลดีต่อการตรวจสอบด้วยระบบกล้องอัตโนมัติและการตรวจสอบครีมบัดกรีด้วย SPI เนื่องจากรูปทรงของครีมบัดกรีก่อนรีโฟลว์สามารถคาดการณ์รูปทรงของจุดบัดกรีหลังรีโฟลว์ได้อย่างแม่นยำ

เงินจุ่มเปียกได้ง่ายมาก — เงินสามารถเข้ากันได้กับการบัดกรีโดยไม่ต้องมีชั้นกั้นอินเตอร์เมทัลลิก ดังนั้นความเร็วในการเปียกจึงมักจะสูงและการก่อรูปของจุดเชื่อมต่อเป็นไปโดยตรง สิ่งนี้เป็นข้อได้เปรียบสำหรับชิ้นส่วนระยะพิทช์ละเอียดและความสูงลอยตัวต่ำ ซึ่งการลดความซับซ้อนของอินเตอร์เมทัลลิกช่วยลดตัวแปรหนึ่งในความน่าเชื่อถือของจุดเชื่อมต่อ ข้อแลกเปลี่ยนคือเงินมีความไวต่อสารปนเปื้อนในบรรยากาศที่มีซัลเฟอร์ก่อนการรีโฟลว์มากกว่า ซึ่งอาจทำให้เกิดการไม่เปียกตัวเฉพาะจุดได้ หากบอร์ดถูกเก็บหรือจัดการนอกเหนือจากเงื่อนไขที่แนะนำ

HASL(รวมถึง HASL แบบปราศจากสารตะกั่ว) จะทิ้งชั้นบัดกรีที่มีส่วนประกอบหลักเป็นดีบุกไว้บนแผ่นแพดโดยตรง ดังนั้นการเปียกตัวระหว่างการรีโฟลว์จึงเป็นการบัดกรีต่อบัดกรีโดยตรง ความสามารถในการบัดกรีโดยรวมมักยอดเยี่ยมและให้อภัยต่อความแปรผันของกระบวนการ ข้อจำกัดจะอยู่ในระดับรูปทรงเรขาคณิตของแพด ซึ่งจะกล่าวถึงด้านล่าง

ความเรียบแนวระนาบและความเข้ากันได้กับ BGA/QFN ระยะพิชช์ละเอียด

นี่คือจุดที่การเคลือบผิวทั้งสามแบบเริ่มแตกต่างกันอย่างชัดเจนที่สุด สำหรับโปรแกรม HMLV ที่ผสมผสานแพ็กเกจ BGA ระยะพิชช์ละเอียดและ QFN เข้ากับคอนเทนต์แบบทะลุรูรุ่นเก่าอยู่เป็นประจำบนแผงเดียวกัน

ความเสี่ยงด้านความเรียบของ HASLกระบวนการ HASL ทิ้งชั้นบัดกรีที่ไม่สม่ำเสมอตามธรรมชาติไว้ โดยมีความแปรผันของความระนาบร่วมทั่วทั้งแผง ซึ่งกลายเป็นข้อจำกัดที่แท้จริงเมื่อระยะพิทช์ต่ำกว่าประมาณ 0.5 มม. สำหรับ BGA ระยะพิทช์ 0.4 มม. และ QFN ระยะพิทช์ละเอียด ความไม่สม่ำเสมอของภูมิประเทศแผ่นรองจะเพิ่มความเสี่ยงของข้อต่อประสานที่ไม่เพียงพอหรือเชื่อมติดกัน3D SPIสามารถทำการทำเครื่องหมายก่อนการรีโฟลว์ได้แต่ไม่สามารถแก้ไขได้อย่างสมบูรณ์ — พื้นผิวแผดด้านล่างคือปัจจัยจำกัด ไม่ใช่ปริมาณของครีมประสาน โดยทั่วไป HASL ไม่เหมาะกับแพ็กเกจระยะพิชช์ละเอียดมากที่ใช้กันแพร่หลายในบอร์ดอินเทอร์เฟซของระบบทดสอบเซมิคอนดักเตอร์ (ATE)

ความเสี่ยงแผ่นรอง ENIG สีดำโหมดความล้มเหลวที่ทราบของ ENIG คือ "แผ่นรองสีดำ" — พื้นผิวนิกเกิลที่เกิดการกัดกร่อนอย่างรุนแรงซึ่งเกิดจากการแทนที่แบบกัลวานิกมากเกินไปในขั้นตอนการชุบทองแบบจุ่มที่ผู้ผลิตแผงวงจร ปัญหา black pad จะมองไม่เห็นในขั้นตอนตรวจสอบขาเข้าและมักจะแสดงออกมาเฉพาะเมื่อข้อต่อบัดกรีเปราะ ไม่เปียก หรือเปียกเพียงบางส่วนภายใต้ความเค้นเชิงกล — เป็นข้อกังวลอย่างแท้จริงสำหรับแพ็กเกจ BGA และ QFN ที่ไม่สามารถยืนยันความสมบูรณ์ของข้อต่อด้วยการมองเห็นหลังการรีโฟลว์ได้หากไม่มีการใช้เอกซเรย์ นี่เป็นข้อโต้แย้งที่หนักแน่นสำหรับการใช้ 3D AOI แบบวงปิดและออฟไลน์รังสีเอกซ์มุมเอียงเป็นขั้นตอนการตรวจสอบมาตรฐานบนแผ่นวงจรแบบละเอียดที่เคลือบผิว ENIG เนื่องจากโพรงอากาศและข้อต่อที่เปียกไม่สมบูรณ์ใต้แพ็กเกจ BGA/QFN ไม่สามารถตรวจพบได้ด้วยการตรวจสอบด้วยสายตาเพียงอย่างเดียว

ความเรียบสม่ำเสมอของการชุบเงินแบบแช่เนื่องจากการชุบเงินแบบจุ่มเป็นชั้นเคลือบบางที่มีความสม่ำเสมอโดยไม่มีขั้นตอนการปรับระดับพื้นผิว จึงให้ความเรียบได้ใกล้เคียงกับ ENIG มากกว่า HASL โดยไม่เกิดโหมดความล้มเหลวแบบแผ่นดำ ทำให้เป็นตัวเลือกที่ใช้กันอย่างแพร่หลายสำหรับแผ่นวงจรแบบระยะห่างละเอียดและความหนาแน่นสูง ซึ่งลักษณะผิวแผ่นรองบัดกรีที่เรียบและสม่ำเสมอมีความสำคัญมากกว่าการเก็บรักษาได้นาน

สภาวะการเก็บรักษาและอายุการเก็บรักษา

การเลือกผิวหน้าบัดกรีแยกไม่ออกจากแนวทางการจัดการและการควบคุมสต็อกบนไลน์การผลิตแบบ HMLV ซึ่งแผงวงจรจากลูกค้าที่ต่างกันและล็อตการผลิตที่ต่างกันอาจถูกวางรออยู่ในพื้นที่เตรียมชุดประกอบเป็นระยะเวลาที่แตกต่างกันก่อนเข้าสู่ขั้นตอนการประกอบ

HASLมีอายุการเก็บรักษาในทางปฏิบัติยาวนานที่สุดในบรรดาทั้งสามชนิด และค่อนข้างทนต่อการเก็บในสภาพแวดล้อมทั่วไป ซึ่งเป็นหนึ่งในเหตุผลที่ยังคงพบได้บ่อยในบอร์ดควบคุมอุตสาหกรรมที่คำนึงถึงต้นทุนและมีข้อกำหนดด้านระยะพิชช์ที่ไม่ซับซ้อน

เอนิกมีอายุการเก็บรักษาที่ดีภายใต้สภาวะการจัดเก็บมาตรฐานที่ป้องกัน ESD และความชื้น เนื่องจากการเคลือบทองช่วยปกป้องนิกเกิลจากการเกิดออกซิเดชัน; ความเสี่ยงของแผ่นดำ (black pad) เป็นตัวแปรที่ขึ้นอยู่กับกระบวนการผลิต มากกว่าที่จะเป็นตัวแปรที่ขึ้นอยู่กับระยะเวลาในการจัดเก็บ

เงินชุบแบบจุ่มมีอายุการเก็บรักษาที่แนะนำสั้นที่สุดในทั้งสามแบบ และไวต่อสภาพบรรยากาศในการเก็บรักษามากที่สุด — การสัมผัสกับกำมะถัน ความชื้น และการจัดการ (รอยนิ้วมือ สิ่งปนเปื้อนในอากาศ) สามารถทำให้ความสามารถในการเชื่อมประสานลดลงก่อนการรีโฟลว์ได้ โปรแกรมที่ใช้การชุบเงินแบบจุ่มมักต้องการวินัยในการจัดชุดชิ้นส่วนที่เข้มงวดมากขึ้น:การเก็บรักษาแบบสุญญากาศหรืออัดไนโตรเจนการติดตามล็อตแบบเข้าก่อนออกก่อน (FIFO) และเป้าหมายระยะเวลาการเก็บสต็อกที่สั้นลงระหว่างการรับสินค้าและการประกอบMES อัจฉริยะพร้อมการตรวจสอบย้อนกลับล็อตในระดับ UIDมีประโยชน์เป็นพิเศษในที่นี้ เนื่องจากช่วยให้สามารถติดตามและทำเครื่องหมายเวลาการจัดเตรียมเป็นรายล็อตได้ แทนที่จะต้องสมมติเอาเอง

เสร็จสิ้นการเลือกตามกลุ่มอุตสาหกรรม

สิ่งเหล่านี้เป็นแนวโน้มทั่วไปของอุตสาหกรรม ไม่ใช่กฎตายตัว — การเลือกใช้งานจริงควรขึ้นอยู่กับส่วนผสมของแพ็กเกจเฉพาะ ความต้องการด้านความเชื่อถือได้ และเป้าหมายด้านต้นทุนของแต่ละบอร์ด

ระบบอัตโนมัติในอุตสาหกรรมบอร์ดมักผสมผสานการใช้ HASL และ ENIG ตามระยะพิทช์ บอร์ดที่มีคอนเนกเตอร์เป็นหลัก ใช้ชิ้นส่วนกำลังแบบแยกเดี่ยว และ IC ที่มีระยะพิทช์หยาบ มักใช้ HASL ด้วยเหตุผลด้านต้นทุน ส่วนบอร์ดที่ติดตั้งไมโครคอนโทรลเลอร์หรือแพ็กเกจ FPGA แบบพิทช์ละเอียด มักระบุให้ใช้ ENIG หรือการชุบเงินแบบจุ่ม

วิทยาศาสตร์ชีวภาพอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ โดยเฉพาะแผงวงจรวินิจฉัยและเฝ้าติดตาม มีแนวโน้มเลือกใช้ ENIG หรือการชุบเงินแบบจุ่มอย่างสม่ำเสมอมากกว่า ซึ่งขับเคลื่อนโดยการผสานกันของ IC อินเทอร์เฟซเซ็นเซอร์แบบระยะพิทช์ละเอียด และข้อกำหนดด้านเอกสารที่พบได้ทั่วไปในห่วงโซ่อุปทานอุปกรณ์การแพทย์ที่อยู่ภายใต้ข้อบังคับ ซึ่งการเกิดรอยประสานที่มีความสม่ำเสมอและมีลักษณะเฉพาะที่ทราบแน่ชัดจะช่วยสนับสนุนบันทึกการรับรองความถูกต้องของกระบวนการ

อุปกรณ์ทดสอบเซมิคอนดักเตอร์ (ATE)บอร์ดอินเทอร์เฟซและบอร์ดโพรบมักระบุให้ใช้ ENIG หรือการชุบเงินแบบจุ่มเป็นค่าเริ่มต้นเกือบโดยอัตโนมัติ เนื่องจากมีการใช้แพ็กเกจ BGA และ QFN ระยะพิทช์ละเอียดอย่างแพร่หลาย และมีต้นทุนความเสียหายภาคสนามในเซลล์ทดสอบที่สูง เมื่อมีการระบุให้ใช้ ENIG บนบอร์ดเหล่านี้ การจับคู่กับการตรวจสอบเอ็กซเรย์มุมเอียงถือเป็นขั้นตอนควบคุมกระบวนการที่สมเหตุสมผล โดยคำนึงถึงช่องว่างในการตรวจจับแผ่นดำที่กล่าวถึงข้างต้น

เมทริกซ์การเลือกผิวสำเร็จ

ไม่มีการเคลือบผิวชนิดใดชนิดหนึ่งที่ถูกต้องเสมอไปสำหรับบอร์ดผสมในโปรแกรม HMLV การตัดสินใจควรกำหนดเป็นรายกลุ่มบอร์ด โดยพิจารณาความหนาแน่นของขา ระยะเวลาการเก็บรักษา และความสามารถในการตรวจสอบร่วมกัน แทนที่จะเลือกใช้การเคลือบผิวแบบเดียวกันทั้งสายผลิตภัณฑ์

รับคำแนะนำการเคลือบผิวหน้าสำหรับบอร์ดของคุณ

การเลือกผิวเคลือบที่เหมาะสมสำหรับบอร์ดแบบระยะพิชช์ละเอียดที่ใช้ได้หลายอุตสาหกรรมจะทำได้ง่ายขึ้นเมื่อมีข้อมูลกระบวนการที่จำเพาะต่อประเภทแพ็กเกจและปริมาณของคุณ — ระยะพิชช์ การผสมแผง ระยะเวลาการเก็บรักษา และความน่าเชื่อถือเป้าหมาย ล้วนเป็นปัจจัยที่ส่งผลแตกต่างกันไปขึ้นอยู่กับชนิดของผิวเคลือบส่งรายละเอียดโปรเจกต์ของคุณและทีมวิศวกรรมของเราจะตรวจสอบ BOM และการผสมผสานบอร์ดของคุณเพื่อให้คำแนะนำด้านการเคลือบผิวและกระบวนการที่เน้นการประกอบ

แหล่งข้อมูลที่เป็นประโยชน์

•แนวทางที่ครอบคลุมที่สุดสำหรับการเลือกผิวสำเร็จ

•มาตรฐาน IPC สำหรับ ENIG คืออะไร?

•การลดความเสี่ยงระดับความไวต่อความชื้น (MSL) ในการประกอบ SMT ความหนาแน่นสูง

•คู่มือการตรวจสอบด้วยสายตา IPC-A-610 ระดับคลาส 3 สำหรับชุดประกอบอุตสาหกรรมและการแพทย์