ปัญหาหลัก: บอร์ดเดียว แต่มีความต้องการใช้สารประสานสองแบบที่ไม่เข้ากัน
แผงวงจรแปลงพลังงานสำหรับการใช้งานในอุตสาหกรรม—ไดรฟ์มอเตอร์ โมดูล DC-DC แพลตฟอร์มไดรเวอร์เกตแบบแยก—มักผสานการใช้ทองแดงหนา 3–6 ออนซ์ทองแดงมีลอจิกแบบระยะพิชช์ละเอียดอยู่ในพื้นที่เททองเพสต์ แผ่นบอร์ดเพียงแผ่นเดียวอาจติดตั้งอุปกรณ์ BGA ระยะพิชช์ 0.5 มม. ควบคู่กับแพดจ่ายกำลังขนาด 8 มม.² สำหรับคอมโพเนนต์ TO-263 หรือ D²PAK เรขาคณิตทั้งสองแบบมีความต้องการปริมาตรเพสต์ที่ขัดแย้งกันโดยตรง และสเตนซิลความหนาเดียวไม่สามารถตอบสนองทั้งสองแบบได้
ด้วยแผ่นสเตนซิลมาตรฐานขนาด 150 µm กฎทางฟิสิกส์นั้นไม่ปรานี:
แผ่นรอง BGA ระยะพิชช์ละเอียดได้รับความสูงของครีมบัดกรีที่ถูกต้อง แต่เฉพาะเมื่ออัตราส่วนพื้นที่ของช่องเปิดมากกว่า 0.66 เท่านั้น ที่ระยะพิชช์ 0.5 มม. นั่นมักหมายความว่าขนาดช่องเปิดอยู่ที่ขีดจำกัดแล้ว
แผ่นรองพลังงานบนแผ่นสเตนซิลเดียวกันจะขาดการป้อนประสาน การพิมพ์ประสานหนา 150 ไมโครเมตรบนแผ่นระบายความร้อนขนาด 6 มม.² ให้ปริมาณประสานไม่เพียงพอที่จะทนต่อความเค้นความร้อนแบบวัฏจักรของคอนเวอร์เตอร์ที่ทำงานที่อุณหภูมิเคส 85°C
มีครีมบัดกรีส่วนเกินบนแผ่นรองจ่ายไฟ(โดยการเปิดสเตนซิลให้รองรับเรขาคณิตด้านกำลังไฟ) ทำให้เกิดการเชื่อมต่อสะพานข้ามบริเวณฟิลด์ BGA ระหว่างการรีโฟลว์
ผลลัพธ์คือกระบวนการที่สามารถปรับจูนให้เหมาะกับโดเมนลอจิกหรือโดเมนพลังงานอย่างใดอย่างหนึ่งได้ แต่ไม่อาจปรับให้เหมาะกับทั้งสองอย่างพร้อมกันได้อย่างน่าเชื่อถือ
วิศวกรรมสเตนซิลแบบขั้นบันได: การจับคู่ช่องเปิดกับเรขาคณิต
สเต็ปสเตนซิลแก้ไขความขัดแย้งนี้โดยการกัดขึ้นรูปให้แผ่นฟอยล์แผ่นเดียวมีความหนาเปลี่ยนแปลงเฉพาะจุด ตรรกะการออกแบบยึดตามกฎสองข้อดังนี้:
โซนระยะพิชช์ละเอียด:โดยทั่วไปแล้วจะลดขนาดช่องเปิดให้เหลือประมาณ 80–90% ของพื้นที่แผ่นรอง ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับระยะห่างของแพ็กเกจ การออกแบบแผ่นรอง และความหนาของสเตนซิล ในบริเวณที่มีการลดระดับ (โดยทั่วไป 100–120 µm) จะปรับการลดขนาดช่องเปิดให้เหมาะสมเพื่อรักษาอัตราส่วนพื้นที่ให้อยู่ในเกณฑ์ที่ยอมรับได้ และควบคุมความสูงของปริมาณบัดกรีที่พิมพ์ลงไป
โซนแผ่นพลังงาน:รูเปิดจะถูกคงไว้ที่การเปิด 100% ตลอดความหนาฟอยล์ 150–200 µm ทั้งหมด ทำให้สามารถถ่ายโอนปริมาณครีมประสานได้เต็มปริมาตรลงบนแผ่นรองระบายความร้อนขนาดใหญ่โดยไม่ถูกจำกัดด้วยรูเปิด
ในบริเวณ BGA ระยะพิชช์ละเอียด แผ่นสเตนซิลอาจลดระดับความหนาลงเหลือประมาณ 110 µm พร้อมทั้งลดขนาดช่องเปิด เพื่อให้ได้ปริมาณครีมประสานที่ควบคุมได้และเหมาะสมสำหรับระยะพิชช์ละเอียดการประกอบ. โซนแผ่นจ่ายกำลัง (power pad) ยังคงความหนาฟอยล์เต็ม 180–200 µm พร้อมช่องเปิดที่มีขนาดใหญ่ขึ้นเพื่อเพิ่มปริมาณบัดกรีให้สูงสุดสำหรับความน่าเชื่อถือด้านการระบายความร้อนและความแข็งแรงทางกล ความแตกต่างของความสูง 70 µm ระหว่างสองโซนนี้เป็นสิ่งที่สเตนซิลระดับเดียวแบบมาตรฐานไม่สามารถรองรับได้
การตรวจสอบการพิมพ์บัดกรีสองระดับความสูงนี้ต้องใช้ระบบการวัดแบบวงปิด ระบบ SPI แบบ 3 มิติความเร็วสูงของเราจะจับข้อมูลปริมาตรของครีมประสานที่แผ่นรองแต่ละชนิดหลังการพิมพ์ ก่อนที่จะมีการวางชิ้นส่วนใด ๆ เมื่อความสูงหรือปริมาตรของครีมประสานที่วัดได้อยู่นอกขีดจำกัดการควบคุมกระบวนการที่กำหนดไว้สำหรับทั้งแผ่นรองกำลังไฟและชิ้นส่วนขาแน่น ระบบ SPI สามารถสั่งให้มีการทำความสะอาดสเตนซิลอัตโนมัติก่อนที่บอร์ดจะเข้าสู่ขั้นตอนการวางชิ้นส่วน ซึ่งช่วยป้องกันแหล่งที่มาที่ใหญ่ที่สุดเพียงแหล่งเดียวของความล้มเหลวของจุดบัดกรีในชุดประกอบทองแดงหนา: แผ่นรองระบายความร้อนไม่ได้เติมเต็มจนถึงขั้นตอนรีโฟลว์
การออกแบบอาร์เรย์วิอาความร้อน: การหาปริมาณการลดลงของอุณหภูมิจังชัน
แถวของรูผ่านสำหรับการระบายความร้อนมีหน้าที่แตกต่างจากรูผ่านสำหรับสัญญาณไฟฟ้า บทบาทของมันคือการสร้างเส้นทางการนำความร้อนที่มีความต้านทานต่ำจากแผ่นสัมผัสของชิ้นส่วนที่เปิดโล่งผ่านสแต็กของแผงวงจรไปยังฮีตซิงก์หรือระนาบทองแดงที่อยู่ด้านตรงข้าม สำหรับแผงวงจรตัวแปลงพลังงานที่ทำงานในอุณหภูมิแวดล้อมที่สูง ความหนาแน่นของรูผ่านที่ไม่เพียงพอเป็นปัจจัยโดยตรงที่ทำให้ MOSFET หรือไดโอดเกิดความเสียหายก่อนกำหนด
กฎการออกแบบที่ควบคุมอาร์เรย์ของรูนำความร้อนในเลย์เอาต์ที่เป็นไปตามมาตรฐาน IPC-2152
เส้นผ่านศูนย์กลางดอกสว่าน:ช่วงที่มีประสิทธิผลคือ 0.25–0.35 มม. ต่ำกว่า 0.25 มม. แรงคาแพลลารีในระหว่างกระบวนการเติมเวียไม่เพียงพอที่จะให้การเติมที่สม่ำเสมอ สูงกว่า 0.35 มม. เวียจะทำหน้าที่เป็นตัวดึงประสานระหว่างการรีโฟลว์ ดูดดึงเนื้อประสานออกจากแผ่นรองระบายความร้อน
ผ่านกลยุทธ์การเติมการเติมเอพ็อกซีที่เป็นสื่อนำไฟฟ้าหรือไม่เป็นสื่อนำไฟฟ้าตามด้วยการชุบฝาปิดทองแดงจะทำให้ได้พื้นผิวที่เรียบเหมาะสำหรับการติดตั้งชิ้นส่วนแบบ via-in-pad รูเวียที่ไม่ได้ถูกเติมสามารถยอมรับได้เฉพาะเมื่อบริเวณเวียนั้นอยู่ภายนอกขอบเขตแผ่นรองของชิ้นส่วน
ผ่านความหนาแน่นและผลกระทบทางความร้อนการจำลองทางความร้อนตามมาตรฐาน IPC-2152 แสดงให้เห็นว่าการเพิ่มจำนวนรูผ่านระบายความร้อนโดยทั่วไปจะช่วยลดความต้านทานความร้อน แม้ว่าระดับของการปรับปรุงที่แท้จริงจะขึ้นอยู่กับความหนาของแผ่น PCB น้ำหนักทองแดง รูปทรงของรูผ่าน และสภาวะการระบายความร้อน ประโยชน์ที่ได้รับจะค่อย ๆ ลดลงเมื่อความหนาแน่นของรูผ่านเพิ่มขึ้น ที่ความหนาแน่นของรูผ่านต่ำ แถวของรูผ่านระบายความร้อนจะทำหน้าที่หลักเป็นเส้นทางถ่ายเทความร้อนพื้นฐาน เมื่อความหนาแน่นของรูผ่านเพิ่มขึ้น การลดลงของอุณหภูมิจังชันที่สามารถวัดได้จะมีแนวโน้มเกิดขึ้นมากขึ้น โดยขึ้นอยู่กับการกระจายกำลังไฟและโครงสร้างบอร์ด การเพิ่มความหนาแน่นของรูผ่านไปที่ประมาณ 8–10 รูผ่าน/ซม.² สามารถให้การปรับปรุงด้านความร้อนที่สังเกตได้ในดีไซน์ทองแดง 3–4 ออนซ์หลายกรณี แม้ว่าการลดอุณหภูมิจริงจะขึ้นอยู่กับการสูญเสียกำลังของอุปกรณ์ การไหลของอากาศ และโครงสร้างบอร์ด สำหรับดีไซน์ทองแดง 5–6 ออนซ์ที่มีกำลังสูง ความหนาแน่นของรูผ่านในช่วง 12–16 รูผ่าน/ซม.² อาจให้ประโยชน์ด้านความร้อนอย่างมีนัยสำคัญ ในบางการใช้งาน พบว่ามีการลดอุณหภูมิที่จังชันเป็นเลขสองหลักก่อนที่ผลตอบแทนจะเริ่มลดลงอย่างชัดเจน เมื่อเกิน 16 รูผ่าน/ซม.² การเพิ่มรูผ่านเพิ่มเติมจะให้ผลด้านความร้อนที่ลดลง ขณะเดียวกันก็เริ่มกระทบต่อความแข็งแรงทางกลของบริเวณแผ่นแพด
ในการประกอบโมดูลกำลังที่มีการบันทึกไว้ที่ PCBCart — ซึ่งเป็นเกตไดรเวอร์สามเฟสสำหรับเซอร์โวไดรฟ์อุตสาหกรรม — การเพิ่มความหนาแน่นของรูระบายความร้อนจาก 6 รู/cm² เป็น 14 รู/cm² ภายในแพดเปิดขนาด 120 mm² ทำให้อุณหภูมิจังก์ชันที่วัดได้ลดลง 18°C ที่โหลดพิกัด จาก 94°C Tj เหลือ 76°C Tj ภายใต้สภาวะแวดล้อมที่อุณหภูมิ 70°C
การบัดกรีเลือกเฉพาะจุดแบบบรรยากาศไนโตรเจนสำหรับอุปกรณ์กำลังแบบ THT แบบพาสซีฟ
ตัวแปลงกำลังอุตสาหกรรมใช้ตัวเหนี่ยวนำและหม้อแปลงแบบรูทะลุ เนื่องจากรูปทรงเรขาคณิตและขนาดเส้นลวดที่ต้องการสำหรับคอมโพเนนต์กระแสสูงและค่าความเหนี่ยวนำสูงไม่สามารถทำได้ในรูปแบบ SMT คอมโพเนนต์เหล่านี้จะวางอยู่บนพื้นที่ทองแดงขนาดใหญ่ ซึ่งมักจะเชื่อมต่อกับเพลนจ่ายไฟในหลายเลเยอร์ และมวลความร้อนนั้นก่อให้เกิดความท้าทายในการบัดกรีที่กระบวนการรีโฟลว์ไม่สามารถแก้ไขได้
โหมดความล้มเหลวหลักในการบัดกรีแบบ THT สำหรับเพาเวอร์พาสซีฟคือการเติมรูไม่สมบูรณ์ซึ่งเกิดจากการเกิดออกซิเดชันของทองแดง บนแผ่นวงจรหนา 6 ออนซ์ พื้นที่ผิวของถังทองแดงภายในรู PTH มีขนาดมาก พื้นผิวทองแดงที่เกิดออกซิเดชันจะเพิ่มความต้านทานการเปียกอย่างมาก: พื้นผิวทองแดงที่เกิดออกซิเดชันจะแสดงมุมสัมผัสที่สูงกว่ามากและมีพฤติกรรมการเปียกที่แย่กว่าพื้นผิวทองแดงที่ได้รับการปกป้องอย่างเหมาะสมและบัดกรีในบรรยากาศไนโตรเจนที่มีออกซิเจนต่ำ ส่งผลให้การไหลของประสานและประสิทธิภาพการเติมรูลดลง ความแตกต่างของมุมสัมผัส 27° นั้นสอดคล้องกับการลดลงอย่างสามารถวัดได้ของความสูงการไต่ของประสานภายในถัง ซึ่งนำไปสู่การเติมรูไม่เพียงพอโดยตรง
เครื่องบัดกรีแบบคลื่นเลือกเฉพาะรุ่น ZSWHPS-11-2 ของเราจัดการกับปัญหานี้ด้วยม่านไนโตรเจนปิดล้อมรอบหัวฉีดบัดกรี พารามิเตอร์การทำงานสำหรับแอสเซมบลี THT ทองแดงหนา:
อัตราการไหลของ N₂:80–120 ลิตร/นาที ที่ปลอกหัวฉีด โดยรักษาความเข้มข้นของ O₂ ให้ต่ำกว่า 500 ppm ในโซนบัดกรีที่ทำงานอยู่
อุณหภูมิการบัดกรี:265°C ±3°C สำหรับ Sn-Ag-Cu บนแผ่นวงจรทองแดง 5–6 oz (เพิ่มจากมาตรฐาน 255°C เพื่อชดเชยการดูดซับความร้อน)
เวลาแช่ต่อข้อต่อ:4.5–6.0 วินาทีสำหรับบอร์ดหลายชั้นที่มีระนาบทองแดงภายใน
การใช้การบัดกรีแบบคลื่นเฉพาะจุดแทนการใช้แบบคลื่นทั้งแผง ช่วยหลีกเลี่ยงการช็อกทางความร้อนต่อชิ้นส่วน SMT ใกล้เคียงที่ผ่านการรีโฟลว์แล้วและไม่ได้ถูกออกแบบให้ทนต่ออุณหภูมิของการบัดกรีแบบคลื่น
การตรวจสอบด้วยเอกซเรย์: ผ่านอัตราการเติมและการยอมรับช่องว่าง BGA
ข้อบกพร่องสองประเภทในชุดประกอบตัวแปลงพลังงานทองแดงหนาไม่สามารถมองเห็นได้ด้วยการตรวจสอบด้วยสายตาและจำเป็นต้องใช้การวิเคราะห์ด้วยเอกซเรย์เป็นวิธีการตรวจจับหลัก
อัตราการเติมเวียระบายความร้อน:การเติมอีพ็อกซีภายในเวียไม่เพียงพอจะทำให้เกิดช่องว่างภายใน ซึ่งลดค่าการนำความร้อนได้อย่างมาก เวียที่กลวงแทบไม่ช่วยถ่ายเทความร้อน ไม่ว่าตำแหน่งของมันจะอยู่ตรงไหนภายในแพด ผู้ผลิตหลายรายกำหนดข้อกำหนดการเติมเวียขั้นต่ำที่ประมาณ 75% หรือมากกว่าเมื่อพิจารณาจากพื้นที่หน้าตัด สำหรับโครงสร้างเวียที่มีความสำคัญด้านการระบายความร้อน ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับวัตถุประสงค์ด้านความเชื่อถือได้และข้อกำหนดของลูกค้า ระบบเอกซเรย์อัตโนมัติของเราจะทำการสุ่มตัวอย่างทางสถิติของอาร์เรย์เวียในแต่ละแผงวงจร และจะทำการแจ้งเตือนฟิลด์เวียใด ๆ ที่มีเวียที่ตรวจสอบแล้วมากกว่า 5% ต่ำกว่าค่าขั้นต่ำ 75%
การตรวจจับช่องว่างใน BGAสำหรับชุดประกอบโมดูลกำลังที่ต้องการความเชื่อมั่นสูง ผู้ผลิตมักใช้เกณฑ์รูโพรงภายในบัดกรี BGA ที่เคร่งครัด โดยมักตั้งเป้าระดับรูโพรงให้ต่ำกว่าขีดจำกัดสูงสุดที่ระบุไว้ในสเปกของลูกค้าหรือคำแนะนำจากอุตสาหกรรม ในข้อมูลกระบวนการเปรียบเทียบจาก BGA 256 บอลบนบอร์ดตัวแปลงกำลังทองแดงหนา 4 ออนซ์ การวิเคราะห์ด้วยเอกซ์เรย์แสดงให้เห็นช่องว่างด้านความสามารถในการตรวจจับระหว่างวิธีการเชิงแสงกับเอกซ์เรย์ได้อย่างชัดเจน การตรวจสอบด้วยเอกซ์เรย์แสดงให้เห็นความสามารถในการตรวจจับที่สูงกว่า AOI อย่างมากสำหรับตำหนิบางประเภทที่ซ่อนอยู่ เช่น รูโพรงในบัดกรี BGA และการเติมประสานไม่เต็มบริเวณ thermal via โดยสามารถระบุสภาวะตำหนิที่มักตรวจพบได้ยากหรือแทบเป็นไปไม่ได้ด้วยวิธีเชิงแสง—ตำหนิทั้งสองประเภทไม่สามารถมองเห็นได้ด้วย AOI เลย การลัดวงจรของบัดกรีใต้ชิ้นส่วน QFN แสดงอัตราการตรวจจับด้วยเอกซ์เรย์ที่ 94% เทียบกับ 31% สำหรับ AOI ขณะที่จุดบัดกรีเย็นบนแผ่นรองกำลังถูกตรวจพบได้ 87% ด้วยเอกซ์เรย์ เทียบกับ 22% ด้วยการตรวจสอบเชิงแสง รูปแบบนี้มีความสอดคล้องกัน: ตำหนิที่ก่อให้เกิดผลกระทบต่อการล้มเหลวภาคสนามสูงที่สุดในชุดประกอบตัวแปลงกำลัง คือประเภทตำหนิที่การตรวจสอบเชิงแสงไม่สามารถมองเห็นได้เลย
การออกแบบชุดประกอบทองแดงหนาให้ประสบความสำเร็จตั้งแต่การทดลองครั้งแรก
การประกอบแผงวงจรพิมพ์ทองแดงหนา (Heavy copper PCBA) ไม่ใช่กระบวนการ SMT มาตรฐานที่เพียงแค่ใช้ทองแดงหนาขึ้น แต่เป็นระเบียบวินัยด้านการผลิตเฉพาะทางที่ต้องอาศัยการตัดสินใจอย่างสอดประสานกันในหลายด้าน ทั้งการออกแบบสเตนซิล สถาปัตยกรรมของเวีย บรรยากาศของการบัดกรีแบบเฉพาะจุด และวิธีการตรวจสอบ ความผิดพลาดในด้านใดด้านหนึ่งจะส่งผลกระทบและลุกลามไปยังด้านอื่น ๆ
กระบวนการควบคุมที่ผ่านการรับรองตามมาตรฐาน IATF 16949 ความสามารถด้านสเต็ปสเตนซิล การตรวจสอบปริมาณครีมประสานแบบ 3 มิติด้วยระบบปิดลูป การบัดกรีแบบเวฟเลือกเฉพาะจุดในสภาวะแก๊สไนโตรเจน (N₂) และการตรวจสอบด้วยเอกซเรย์ 100% สำหรับโมดูลกำลังของเรา ถูกออกแบบให้ทำงานร่วมกันเป็นระบบ ไม่ใช่เป็นสถานีแยกอิสระ
พร้อมที่จะตรวจสอบความถูกต้องของการออกแบบตัวแปลงพลังงานของคุณก่อนผลิตชิ้นงานแรกแล้วหรือยัง?
ขอการตรวจสอบโปรไฟล์การรีโฟลว์ส่งข้อมูลโครงสร้างซ้อนของบอร์ดและสเปกทางความร้อนของชิ้นส่วนของคุณเพื่อรับการจำลองทางความร้อนและการประเมินปริมาตรการพิมพ์บัดกรีฟรีจากทีมวิศวกรรมกระบวนการของเรา
แหล่งข้อมูลที่เป็นประโยชน์
•น้ำหนักทองแดงส่งผลต่อความสามารถในการบัดกรีในโครงการ PCBA ทองแดงหนาอย่างไร?
•การประกอบแผงวงจรพิมพ์ทองแดงหนา: การเอาชนะความท้าทายสำคัญในกระบวนการผลิต
•สเต็ปสเตนซิลคืออะไร?
•กระบวนการผลิตแผงวงจรพิมพ์ (PCB) — คู่มือทีละขั้นตอน
•กระบวนการประกอบแผงวงจรพิมพ์ (PCBA)
