การประกอบแผงวงจรพิมพ์ทองแดงหนา: การเอาชนะความท้าทายสำคัญในกระบวนการผลิต

แผงวงจรพิมพ์ทองแดงหนา(PCB) ที่มีความหนาทองแดงตั้งแต่ 2oz ถึง 10oz และมากกว่านั้น ได้กลายเป็นสิ่งจำเป็นในโลกอิเล็กทรอนิกส์ปัจจุบันที่ต้องการความหนาแน่นกำลังไฟฟ้าและความเชื่อถือได้ด้านการจัดการความร้อนที่สูงขึ้น แผงวงจรเหล่านี้ถูกนำไปใช้ในยานยนต์ไฟฟ้าหลายประเภท ระบบพลังงานหมุนเวียน (RE) และระบบอิเล็กทรอนิกส์กำลัง (PE) แผ่นฐานกำลังสูงเหล่านี้สามารถทนต่อกระแสไฟฟ้าสูง ให้สมบัติเชิงกลที่ดียิ่งขึ้นในงานที่ต้องรับน้ำหนัก และด้วยการลดการสูญเสียแบบความต้านทาน จึงสามารถทดแทนบัสบาร์ที่มีโครงสร้างซับซ้อนได้ด้วย

อย่างไรก็ตาม ลักษณะเฉพาะของวัสดุที่ทำให้ทองแดงหนามีความน่าใช้อย่างยิ่งสำหรับการจ่ายพลังงาน กลับก่อให้เกิดความท้าทายทางเทคนิคอย่างมากในกระบวนการขั้นปลายเทคโนโลยีการติดตั้งบนพื้นผิว (SMT)และเทคโนโลยีแบบรูทะลุ (THT)กระบวนการประกอบ เพื่อเปลี่ยนจากทองแดงมาตรฐาน 1oz ไปเป็นทองแดงหนา 2oz ขึ้นไป จำเป็นต้องปรับเปลี่ยนพารามิเตอร์ทางเคมี กล และความร้อนอย่างพื้นฐาน โดยไม่ให้เกิดข้อบกพร่องที่มีต้นทุนสูง

การจัดการความร้อนและโปรไฟล์การรีโฟลว์

เอฟเฟกต์ฮีตซิงก์ขนาดมหึมา

คุณสมบัติทางความร้อนเป็นความท้าทายหลักในการประกอบ แผ่นทองแดงที่มีความหนาถือเป็นปัจจัยสำคัญที่สุดในการเพิ่มความจุความร้อนของแผงวงจรอย่างมีนัยสำคัญ รอยทองแดงที่หนาและระนาบภายในทำหน้าที่เป็นฮีตซิงก์ที่มีประสิทธิภาพสูงและช่วยระบายความร้อนออกจากแผ่นบัดกรีอย่างรวดเร็วในระหว่างกระบวนการรีโฟลว์ การให้ความร้อนกับแผ่นบัดกรีและระยะเวลาที่จำเป็นไม่สามารถทำได้ด้วยการตั้งค่าเตารีโฟลว์แบบดั้งเดิมเพื่อให้ถึงอุณหภูมิของจุดหลอมเหลว 217°C ของตะกั่วบัดกรีปลอดสารตะกั่วชนิด SAC305 ซึ่งเป็นกระแสหลัก

รอยบัดกรีเย็นรุนแรง

การที่บัดกรีไม่หลอมละลายอย่างเพียงพอมักทำให้เกิดจุดบัดกรีเย็น ปัญหาการเปียกตัว ช่องว่างขนาดไมโครภายใน และข้อบกพร่องแบบหัวบนหมอน ข้อบกพร่องเหล่านี้จะลดความสามารถในการรองรับกระแสไฟฟ้าและความแข็งแรงเชิงโครงสร้าง และเป็นอันตรายที่มองไม่เห็นซึ่งอาจทำให้อุปกรณ์ล้มเหลวขณะทำงานที่กระแสสูง

กลยุทธ์การปรับแต่งโปรไฟล์ให้เหมาะสม

วิศวกรจำเป็นต้องพัฒนาเส้นโค้งอุณหภูมิการรีโฟลว์แบบปรับแต่งเฉพาะเพื่อแก้ไขปัญหานี้ โดยใช้เวลาแช่ (soaking time) ที่ยาวขึ้นเพื่อให้อุณหภูมิสม่ำเสมอกับชิ้นส่วนทองแดงหนา และใช้อัตราการให้ความร้อนในระดับปานกลางเพื่อป้องกันความเสียหายต่อชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ที่ไวต่อความร้อน ในกรณีของแผ่นวงจรทองแดงหนาเป็นพิเศษ จะมีการใช้ระบบอุ่นล่วงหน้าด้วยอินฟราเรดเฉพาะจุดหรือระบบบัดกรีแบบเฟสไอระเหย เพื่อให้มั่นใจว่ามีการให้ความร้อนอย่างสม่ำเสมอกับทั้งแผ่นวงจร

ภูมิประเทศของซอลเดอร์มาสก์และการเคลือบไม่สมบูรณ์

แผ่นทองแดงหนาทำให้เกิดพื้นผิวที่ไม่เรียบสม่ำเสมอ ในขณะที่แผงวงจรมาตรฐานให้พื้นผิวเรียบสำหรับการเคลือบซอลเดอร์มาสก์ได้อย่างง่ายดาย ลายทองแดงบนวัสดุฉนวนมีความนูนเด่นชัดและมีผนังด้านข้างตั้งฉากที่สูงชันที่ความหนา 3oz หรือ 5oz

การพิมพ์มาสก์บัดกรีแบบใช้ของเหลวไวแสงแบบดั้งเดิมมีความยากลำบากในการยึดเกาะให้สม่ำเสมอบนขอบแนวตั้ง หมึกเคลือบจะไหลผ่านมุมร่องรอยที่แหลม ทำให้บริเวณทองแดงเปิดออกหรือมีเพียงชั้นเคลือบบางๆ การพิมพ์สกรีนยังทิ้งช่องว่างของอากาศไว้ข้างร่องรอยที่หนาและซ่อนโพรงไว้ ในขั้นตอนการฉายแสงและล้างลายต่อมา การฉายรังสีอัลตราไวโอเลตที่ไม่เพียงพอจะทำให้เกิดการกัดเซาะใต้ฟิล์มมาสก์ ซึ่งจะทำให้เกิดการแตกร้าว การลอก และการแยกชั้นภายใต้อุณหภูมิการรีโฟลว์ที่สูง ผู้ผลิตใช้การถ่ายภาพด้วยเลเซอร์โดยตรงและการพิมพ์หลายชั้นร่วมกับหมึกพิมพ์ที่ปรับให้เหมาะสม เพื่อให้ได้การเคลือบฉนวนที่เสถียรและสมบูรณ์ และหลีกเลี่ยงความเสี่ยงของอาร์คไฟฟ้า

การเยื้องศูนย์ของชิ้นส่วนและการยกตัวของชิ้นส่วน

สาเหตุเป็นเพราะการจัดวางลายทองแดงที่ไม่สมดุลซึ่งเกิดจากการออกแบบการเดินสายและการจัดวางอุปกรณ์ ทำให้แผ่นวงจรเกิดการโก่งตัวอย่างรุนแรง การขยายและหดตัวของโครงสร้างทองแดงหนานั้นรุนแรงกว่าวัสดุฐาน FR-4 หรือโพลิอิไมด์มาก ในกระบวนการกดอัดและการรีโฟลว์ เนื่องจากสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนไม่สอดคล้องกัน จึงเกิดความเค้นภายในสูง ซึ่งส่งผลต่อความเรียบของแผ่นวงจร เครื่องวางชิ้นส่วนอัตโนมัติไม่สามารถคงความเสถียรในการวางชิ้นส่วนได้ ทำให้เกิดการวางชิ้นส่วนคลาดเคลื่อนและวงจรขาด

ความไม่สมดุลของความร้อนเป็นอีกสาเหตุหนึ่งของความล้มเหลวแบบ tombstoning หากแผ่นรองของขาอุปกรณ์ด้านหนึ่งต่อกับเพลนทองแดงหนาสำหรับจ่ายไฟ และแผ่นรองอีกด้านต่อกับลายทองแดงบางสำหรับจ่ายไฟ ลายทองแดงที่บางจะร้อนและทำให้บัดกรีหลอมตัวได้เร็วมาก เมื่อเทียบกับด้านที่เป็นทองแดงหนาซึ่งร้อนช้ากว่า แรงตึงผิวของบัดกรีจึงไม่สมดุล ทำให้อุปกรณ์เอียงและถูกยกตัวขึ้น ความล้มเหลวในการประกอบลักษณะนี้สามารถลดลงได้อย่างมีประสิทธิภาพด้วยการวางเลย์เอาต์ทองแดงดัมมีอย่างเหมาะสม และการออกแบบ thermal relief ตามมาตรฐาน

การออกแบบสเตนซิลและการพิมพ์บัดกรีด้วยครีมประสาน

พื้นผิวของครีมประสานไม่สม่ำเสมอและมีส่วนผสมทั้งขนาดใหญ่และขนาดเล็กปะปนกัน ทำให้ยากต่อการได้มาซึ่งการพิมพ์ครีมประสานที่มีความเสถียร อย่างไรก็ตาม แผ่นสเตนซิลแบบแบนทั่วไปไม่สามารถแนบแน่นได้ในกรณีที่ผิวหน้าของสเตนซิลมีความผันผวน เพราะจะเกิดการบริดจ์ของครีมประสานและความขัดข้องจากการลัดวงจรเมื่อทำการพิมพ์ด้วยครีมประสาน

มีการใช้ลายฉลุแบบขั้นพิเศษและแบบกลึง 3 มิติให้เหมาะสมกับความสูงของพื้นผิวที่ต่างกัน เพื่อให้ได้ตำแหน่งการพิมพ์บัดกรีที่แม่นยำและปริมาณการเคลือบที่เท่ากัน การชุบผิวหน้าแบบนิกเกิลไม่ใช้ไฟฟ้าพร้อมทองเคลือบ (Electroless Nickel Immersion Gold) และแบบเงินเคลือบ (Immersion Silver) ยังช่วยปรับปรุงคุณภาพการบัดกรีของแผ่นรองขนาดใหญ่บนแผ่นวงจรทองแดงหนาอีกด้วย

ความท้าทายด้านความน่าเชื่อถือของการติดตั้ง SMT และวิอาแบบอัตโนมัติ

ยิ่งแผ่นทองแดงหนาหนักมีน้ำหนักมากและมีความหนามากเท่าใด ก็ยิ่งทำให้อุปกรณ์ประกอบอัตโนมัติทำงานได้ยากขึ้นเท่านั้น และยังทำให้สายพานลำเลียงเกิดการสั่นสะเทือน ประสิทธิภาพการดูดด้วยสุญญากาศลดลง และการระบุตำแหน่งไม่แม่นยำ เนื่องจากการโก่งตัวเฉพาะจุดของแผ่นบอร์ด

ในขณะเดียวกัน ชั้นทองแดงหนาที่ใช้ก่อให้เกิดแรงกดดันทางความร้อนและทางกลอย่างรุนแรงต่อรูทะลุชุบโลหะและเวีย รอยแตกร้าวบนผนังรูและความเสียหายต่อเรซินที่เกิดจากการหดตัวและการแยกชั้นหลังจากการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิซ้ำ ๆ เป็นผลมาจากอัตราการขยายตัวที่แตกต่างกันระหว่างผนังท่อทองแดงกับเรซินโดยรอบ จึงมีการใช้วัสดุฐานที่มีค่า Tg สูง การขยายตัวต่ำ การออกแบบเวียที่มีอัตราส่วนความสูงต่อเส้นผ่านศูนย์กลางต่ำ และการจัดเรียงเวียระบายความร้อนแบบอัดเติมเต็ม เพื่อคงไว้ซึ่งความทนทานของโครงสร้าง

การก่อรูปฟิลเลตบัดกรีแบบทะลุรู

ขั้วต่อแบบรูทะลุและบัสบาร์ยังคงถูกใช้งานอย่างแพร่หลายในผลิตภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์กำลังสูงเพื่อป้องกันการสั่นสะเทือนและรองรับกระแสไฟฟ้าสูง การกระจายความร้อนไม่สม่ำเสมอทำให้เป็นเรื่องยากที่จะเป็นไปตามข้อกำหนดมาตรฐานของการเติมประสานในแนวตั้ง ชั้นทองแดงภายในที่หนาสามารถนำความร้อนได้อย่างรวดเร็วระหว่างกระบวนการบัดกรีแบบคลื่นและแบบเลือกเฉพาะ ทำให้บัดกรีเหลวแข็งตัวค้างอยู่กลางรู รอยต่อที่ไม่ได้รับการเติมเต็มจะไม่ให้ฟิลเลตประสานที่ดี การเพิ่มเวลาให้ความร้อน การเพิ่มอุณหภูมิของบัดกรี และการเพิ่มการอุ่นล่วงหน้าช่วยให้ผลการเติมดีขึ้น แต่ต้องแลกมากับความเสี่ยงที่เพิ่มขึ้นของการลามิเนตบอร์ดหลุดล่อนและความเสียหายจากความร้อนสูงเกินไปของชิ้นส่วน

การบรรลุความเป็นเลิศด้านการประกอบด้วย PCBCart

การผลิตและการประกอบแผงวงจรพิมพ์ทองแดงหนา 2 ออนซ์ขึ้นไป ต้องอาศัยพาร์ทเนอร์ด้านการประกอบที่มีความรู้เกี่ยวกับวัสดุ อุปกรณ์การทำโปรไฟล์ความร้อนที่ล้ำสมัย และความสามารถในการตรวจสอบที่ยอดเยี่ยม

PCBCart เป็นบริษัทชั้นนำด้านบริการประกอบและผลิตแผงวงจรพิมพ์ (PCB) แบบเทิร์นคีย์ครบวงจร ที่มีความสามารถทางวิศวกรรมและอุปกรณ์ทันสมัยเพียงพอสำหรับจัดการโครงการที่ใช้ทองแดงหนา ไม่ว่าจะเป็นการวิเคราะห์การออกแบบเพื่อการผลิต (DFM) ตั้งแต่เริ่มต้น เพื่อให้ได้การระบายความร้อนที่ดีที่สุด การถ่วงสมดุลทองแดง หรือการปรับแต่งสเตนซิลการประกอบ SMT ความแม่นยำสูง หรือการตรวจสอบด้วยระบบออปติคอลอัตโนมัติ หรือการตรวจสอบยืนยันด้วยการวิเคราะห์ด้วยเอ็กซ์เรย์ PCBCart รับรองผลผลิตการผลิตสูงสุดและความน่าเชื่อถือที่พิสูจน์ได้ในการใช้งานจริง ร่วมเป็นพันธมิตรกับ PCBCart เพื่อเปลี่ยนผ่านอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลังสูงของคุณจากการออกแบบเชิงแนวคิดไปสู่การผลิตจำนวนมากอย่างไร้ที่ติอย่างราบรื่น

แหล่งข้อมูลที่เป็นประโยชน์
•กระบวนการผลิต PCB คู่มือทีละขั้นตอน
•กระบวนการประกอบแผงวงจรพิมพ์
•ข้อกำหนดไฟล์ออกแบบ PCB สำหรับการขอใบเสนอราคารวดเร็วและการผลิตประกอบ PCB
•วิธีประเมินผู้ผลิตแผงวงจรพิมพ์ (PCB) หรือผู้ประกอบแผงวงจรพิมพ์ (PCB)
•การเปรียบเทียบระหว่างการบัดกรีแบบคลื่นกับการบัดกรีแบบรีโฟลว์