SMCs (Surface Mount Components) ได้รับความนิยมเพิ่มขึ้นอย่างมากในอุตสาหกรรมการผลิตอิเล็กทรอนิกส์ เนื่องจากมีข้อดีคือขนาดเล็ก ต้นทุนต่ำ และมีความเชื่อถือได้สูง จนถึงปัจจุบัน SMCs ยังคงอาศัยการบัดกรีแบบรีโฟลว์เป็นวิธีหลักในการยึดติดลงบน PCB (Printed Circuit Boards) และประสิทธิภาพของการบัดกรีแบบรีโฟลว์ก็มีความสัมพันธ์โดยตรงกับประสิทธิภาพของผลิตภัณฑ์ปลายทาง อย่างไรก็ตาม ลูกประสาน (solder balls) ซึ่งเป็นข้อบกพร่องที่พบได้บ่อยในกระบวนการประกอบ SMT (Surface Mount Technology) นั้นเกิดขึ้นได้จากหลายสาเหตุและควบคุมได้ยาก จนกลายเป็นประเด็นสำคัญในกระบวนการประกอบ SMT
โดยทั่วไปแล้ว ลูกบอลบัดกรีจะมีเส้นผ่านศูนย์กลางอยู่ในช่วง 0.2 มม. ถึง 0.4 มม. และมักพบได้บริเวณด้านข้างของชิปคอมโพเนนต์ บางครั้งลูกบอลบัดกรีอาจพบได้รอบ ๆ ขาของ IC และคอนเน็กเตอร์ ในด้านหนึ่ง ลูกบอลบัดกรีส่งผลต่อรูปลักษณ์ของผลิตภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์ ในอีกด้านหนึ่ง ลูกบอลบัดกรีอาจหลุดออก ทำให้ SMDs (Surface Mount Devices) เกิดการลัดวงจร ซึ่งจะลดความน่าเชื่อถือของผลิตภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์ลงอย่างมาก และสร้างปัญหาอย่างยิ่งสำหรับแผงวงจรพิมพ์ที่ประกอบแล้วซึ่งมีความหนาแน่นสูงและใช้ขาแบบละเอียด
จนถึงปัจจุบัน PCBCart ได้กลายเป็นผู้ให้บริการโซลูชัน PCB มืออาชีพ ครอบคลุมการผลิตแผ่นวงจรพิมพ์ (PCB fabrication) การจัดหาชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ (components sourcing) และการประกอบแบบ SMT (SMT assembly) ภายหลังจากความพยายามและการมุ่งมั่นมากว่า 20 ปี วิศวกรกระบวนการจากคลังสินค้าของเราได้ศึกษามาตรการสำคัญอย่างต่อเนื่องเพื่อเอาชนะปัญหาลูกบอลประสานในกระบวนการประกอบ SMTและได้สรุปมาตรการที่มีประโยชน์บางประการขึ้นอยู่กับการวิเคราะห์เชิงลึกของสาเหตุการเกิดลูกประสาน
แม้ว่าลูกประสานจะถูกเปิดเผยให้เห็นในที่สุดหลังจากการบัดกรีแบบรีโฟลว์ แต่แต่ละขั้นตอนในกระบวนการประกอบทั้งหมดก็ “มีส่วนร่วม” เล็กน้อยต่อการก่อตัวสุดท้ายของมัน ขั้นแรก อาจมีครีมประสานบางส่วนหลงเหลืออยู่นอกแผ่นรองบัดกรี อันเป็นผลมาจากการยุบตัวหรือการถูกบีบ จากนั้นครีมประสานส่วนที่เหลือมักจะไหลมารวมกันรอบ ๆ แผ่นรองบัดกรี โดยเฉพาะบริเวณด้านข้างทั้งสองด้านของชิ้นส่วนแบบชิป สุดท้ายครีมประสานส่วนที่เหลือจะหลอมละลายในเตารีโฟลว์และกลายเป็นลูกประสานเมื่ออุณหภูมิลดลง หากมีครีมประสานถูกบีบออกมามากเกินไป ก็จะเกิดลูกประสานมากขึ้น
เป็นที่ชัดเจนว่าลูกประสานเกิดขึ้นจากสาเหตุต่าง ๆ มากมายระหว่างกระบวนการประกอบ SMT โดยทั่วไปสามารถแบ่งสาเหตุออกได้เป็นสองประเภทคือ สาเหตุด้านวัสดุ และสาเหตุด้านเทคโนโลยี
• สาเหตุเชิงวัตถุ
→ ครีมประสานบัดกรี
a. สัมประสิทธิ์ทิกโซโทรปีต่ำ;
b. การยุบตัวแบบเย็นหรือการยุบตัวแบบมีความร้อนเล็กน้อย;
c. ฟลักซ์มากเกินไปหรืออุณหภูมิกิจกรรมต่ำ;
d. การเกิดออกซิเดชันของผงดีบุกหรืออนุภาคโลหะไม่สม่ำเสมอ;
e. ดูดซับความชื้น
→ แผงวงจรพิมพ์
a. ระยะห่างระหว่างแผ่นรอง PCB มีขนาดเล็ก;
b. แผ่นรองหรือชิ้นส่วนที่มีคุณสมบัติการบัดกรีต่ำ;
→ สเตนซิล
a. ผนังเปิดที่มีเสี้ยน
→ ใบมีดขูด
a. น้ำหนักน้อยเกินไป;
b. ใบมีดขูดบิดเบี้ยว
• สาเหตุทางเทคโนโลยี
a. จำนวนมากเกินไป;
b. มีคงเหลือของครีมบัดกรีอยู่ระหว่างสเตนซิลและแผ่น PCB;
c. พลังงานไม่สมดุลหรือการตั้งค่าอุณหภูมิการบัดกรีไม่เหมาะสม;
d. ความดันการติดตั้งสูงเกินไป;
e. มีช่องว่างมากเกินไประหว่าง PCB และสเตนซิล;
f. ใบมีดขูดที่มีมุมเล็ก
g. แผ่นฉลุที่มีช่องเปิดขนาดเล็ก
h. มีการทาฟลักซ์บัดกรีไม่ถูกต้อง
i. สาเหตุอื่น ๆ รวมถึงบุคลากร อุปกรณ์ และสภาพแวดล้อม
มาตรการที่ 1: เลือกใช้ครีมประสานที่สอดคล้องกับข้อกำหนดของ SMT
การเลือกใช้ครีมประสานมีผลโดยตรงต่อคุณภาพการบัดกรี ลูกประสานมักเกิดขึ้นเมื่อครีมประสานมีปริมาณโลหะไม่เหมาะสม มีการออกซิเดชัน มีอนุภาคสารประกอบระหว่างโลหะ (IMC) และมีความหนาบนแผ่นรองบัดกรีไม่ถูกต้อง ก่อนการตัดสินใจเลือกใช้ครีมประสาน จำเป็นต้องมีการทดลองใช้งานเพื่อยืนยันว่าสามารถนำไปใช้ในการประกอบ SMT ปริมาณมากได้ ครีมประสานที่สอดคล้องกับข้อกำหนดของ SMT ควรมีคุณลักษณะดังต่อไปนี้:
a. ปริมาณโลหะสูง
โดยปกติแล้ว เนื้อหาของโลหะในครีมประสานจะอยู่ที่ประมาณ 88% ถึง 92% เมื่อปริมาณโลหะในครีมประสานเพิ่มขึ้น ความหนืดของครีมประสานก็จะเพิ่มขึ้นตามไปด้วย ซึ่งสามารถรับมือกับความเค้นที่เกิดจากการระเหยได้อย่างมีประสิทธิภาพ นอกจากนี้ ปริมาณโลหะที่สูงขึ้นยังทำให้ผงโลหะมีความหนาแน่นมากขึ้น ทำให้ผงโลหะรวมตัวกันได้ง่ายแทนที่จะแยกออกจากกัน อีกทั้งปริมาณโลหะที่สูงขึ้นยังช่วยป้องกันไม่ให้ครีมประสานยุบตัวลง ทำให้เกิดลูกประสานได้ยากขึ้น
b. การออกซิเดชันของครีมประสานบัดกรีแบบควบคุม
สำหรับเนื้อประสานแบบครีมแล้ว ปริมาณออกไซด์ของโลหะที่สูงขึ้นจะทำให้ความต้านทานการรวมตัวกันระหว่างผงโลหะสูงขึ้นเสมอ ส่งผลให้ความเปียกตัวระหว่างเนื้อประสานแบบครีม แพด และชิ้นส่วน SMD ไม่เพียงพอ ทำให้ความสามารถในการบัดกรีลดลง ได้มีการสรุปว่า การเกิดลูกประสานมีความแปรผันโดยตรงกับปริมาณออกไซด์ของโลหะ ดังนั้นจึงควรควบคุมปริมาณออกไซด์ในเนื้อประสานแบบครีมอย่างเข้มงวดให้ต่ำกว่า 0.05% เพื่อป้องกันไม่ให้เกิดลูกประสาน
c. ขนาดอนุภาคโลหะที่ใหญ่กว่า
ยิ่งขนาดอนุภาคโลหะเล็กลงเท่าใด พื้นที่ผิวรวมของครีมบัดกรีก็จะยิ่งมากขึ้นเท่านั้น ส่งผลให้เกิดการออกซิเดชันสูงขึ้น ซึ่งเพิ่มโอกาสในการเกิดลูกประสาน (solder ball)
d. ความหนาของครีมบัดกรีบนแผ่นรองบัดกรีลดลง
ความหนาปกติของครีมประสานบนแผ่นแพดอยู่ระหว่าง 0.1 มม. ถึง 0.2 มม. เมื่อครีมประสานบนแผ่นแพดหนาเกินไป มักเกิดจากการยุบตัว ทำให้เกิดลูกบอลประสาน
e. ปริมาณฟลักซ์และความสามารถในการทำงานที่ควบคุมได้
ปริมาณฟลักซ์ที่สูงเกินไปมักทำให้ครีมบัดกรียุบตัวบางส่วน ส่งผลให้เกิดลูกประสาน หากฟลักซ์มีสมบัติกิจกรรมต่ำ จะมีประสิทธิภาพไม่ดีในการกำจัดออกไซด์ ทำให้เกิดลูกประสาน
f. การเก็บรักษาและการใช้งานอย่างเหมาะสม
โดยทั่วไปแล้ว ควรเก็บรักษาบัดกรีแบบครีมไว้ในช่วงอุณหภูมิ 0 ถึง 10℃ ก่อนนำไปใช้งาน บัดกรีแบบครีมจะต้องผ่านการอุ่นให้ร้อนขึ้น และต้องไม่ถูกนำไปใช้จนกว่าอุณหภูมิของมันจะสูงขึ้นถึงอุณหภูมิห้องอย่างสมบูรณ์ ควรกวนให้เข้ากันตามคำแนะนำที่กำหนดไว้ หลังจากตักบัดกรีแบบครีมออกจากขวดในปริมาณที่เพียงพอแล้ว ต้องปิดฝาทันที แผงวงจรที่ผ่านการพิมพ์บัดกรีแล้วจะต้องผ่านกระบวนการรีโฟลว์ภายในสองชั่วโมง
มาตรการที่ 2: ควรออกแบบช่องเปิดของสเตนซิลให้เหมาะสม
ควรออกแบบความหนาของสเตนซิลให้เหมาะสมและต้องควบคุมอัตราส่วนของช่องเปิดอย่างเข้มงวด ความหนาของสเตนซิลถูกกำหนดโดยชิ้นส่วน SMD ที่มีระยะพิทช์เล็กที่สุดบนแผงวงจรพิมพ์ (PCB) ควรเลือกใช้สเตนซิลที่ค่อนข้างบางและหลีกเลี่ยงการใช้สเตนซิลที่หนา
อาจเกิดข้อบกพร่องบางอย่างขึ้นได้เมื่อช่องเปิดของสเตนซิลมีอัตราส่วนและรูปทรงของช่องเปิดที่ไม่เหมาะสม ส่งผลให้เกิดลูกบอลประสาน เมื่อช่องเปิดมีอัตราส่วนที่ไม่เหมาะสม ครีมประสานมักจะถูกพิมพ์ลงบนซอลเดอร์มาสก์ ทำให้เกิดลูกบอลประสานขึ้นในระหว่างกระบวนการรีโฟลว์ประสาน
มาตรการที่ 3: ควรปรับปรุงคุณภาพการทำความสะอาดสเตนซิล
การปรับปรุงคุณภาพการทำความสะอาดสเตนซิลเป็นประโยชน์ต่อการปรับปรุงคุณภาพการพิมพ์ ในกระบวนการพิมพ์ครีมประสาน ควรทำความสะอาดพื้นผิวสเตนซิลอย่างระมัดระวัง และกำจัดครีมประสานที่ตกค้างให้ทันท่วงที เพื่อป้องกันไม่ให้เกิดลูกประสานระหว่างกระบวนการรีโฟลว์บัดกรี อย่างไรก็ตาม หากทำความสะอาดสเตนซิลไม่เหมาะสม ครีมประสานที่เหลืออยู่ที่ด้านล่างของช่องเปิดสเตนซิลจะสะสมรอบ ๆ ช่องเปิด ทำให้มีแนวโน้มเกิดลูกประสานได้
มาตรการที่ 4: ควรลดความเครียดจากการยึดติด
ที่จริงแล้ว ความเครียดจากการติดตั้งก็เป็นสาเหตุสำคัญที่ทำให้เกิดลูกบอลประสานเช่นกัน แต่กลับไม่ได้รับความสนใจจากผู้คนมากนัก ความเครียดจากการติดตั้งถูกกำหนดโดยปัจจัยบางอย่าง เช่น ความหนาของ PCB ความสูงของชิ้นส่วน และการตั้งค่าความดันหัวดูดของเครื่องติดตั้งชิป หากความเครียดจากการติดตั้งสูงเกินไป ครีมประสานจะถูกบีบออกนอกแผ่นแพด และครีมประสานที่ถูกบีบออกมานั้นจะกลายเป็นลูกบอลประสานหลังการบัดกรีแบบรีโฟลว์ เพื่อแก้ปัญหานี้ สามารถลดความเครียดจากการติดตั้งลงให้อยู่ในระดับที่ชิ้นส่วนสามารถวางลงบนครีมประสานที่พิมพ์บนแผ่นแพดได้ และสามารถถูกกดลงอย่างเหมาะสม ชิ้นส่วนแต่ละชนิดต้องการระดับความเครียดจากการติดตั้งที่แตกต่างกัน และควรกำหนดให้เหมาะสม
มาตรการที่ 5: ควรเพิ่มความสามารถในการบัดกรีของชิ้นส่วนและแผ่นรองบัดกรี
ความสามารถในการบัดกรีของชิ้นส่วนและแผ่นรองบัดกรีส่งผลโดยตรงต่อการเกิดของลูกบอลประสาน หากทั้งชิ้นส่วนและแผ่นรองบัดกรีเกิดการออกซิเดชันอย่างรุนแรง ฟลักซ์บางส่วนอาจถูกใช้ไปกับออกไซด์ในปริมาณมาก ทำให้เกิดลูกบอลประสานได้เช่นกันเนื่องจากการบัดกรีไม่สมบูรณ์และการเปียกไม่ดี ดังนั้นจึงต้องรับประกันคุณภาพขาเข้า (incoming quality) ของชิ้นส่วนและแผงวงจรพิมพ์ (PCB)
มาตรการที่ 6: ควรปรับให้เหมาะสมกับเส้นโค้งอุณหภูมิการบัดกรี
ลูกประสานถูกผลิตขึ้นอย่างแท้จริงในกระบวนการรีโฟลว์บัดกรี ซึ่งมีกระบวนการอยู่สี่ขั้นตอน ได้แก่ การอุ่นล่วงหน้า การเพิ่มอุณหภูมิ การรีโฟลว์บัดกรี และการทำให้เย็นลง วัตถุประสงค์ของการอุ่นล่วงหน้าและการเพิ่มอุณหภูมิคือการลดผลกระทบจากความร้อนต่อแผงวงจรพิมพ์ (PCB) และชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ เพื่อให้มั่นใจว่าเนื้อประสานแบบครีมที่หลอมละลายสามารถระเหยออกบางส่วนได้ ป้องกันไม่ให้อุณหภูมิเพิ่มสูงขึ้นเร็วเกินไปจนทำให้เกิดการยุบตัวหรือการกระเด็น ซึ่งเป็นสาเหตุหลักของการเกิดลูกประสาน
เพื่อให้ได้กราฟอุณหภูมิที่เหมาะสมในเตาอบรีโฟลว์ วิธีการแก้ไขคือควบคุมอุณหภูมิของการบัดกรีแบบรีโฟลว์และป้องกันไม่ให้อุณหภูมิเพิ่มสูงขึ้นเร็วเกินไปในช่วงอุ่นล่วงหน้า ความเร็วในการเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิควรถูกควบคุมไว้ที่ 2℃/วินาที หรือต่ำกว่า และอุณหภูมิของครีมประสาน (solder paste) ชิ้นส่วน และแผ่นรองบัดกรีควรเพิ่มขึ้นให้อยู่ในช่วง 120℃ ถึง 150℃ ผลลัพธ์คือสามารถลดผลกระทบจากความร้อนต่อชิ้นส่วนในช่วงการบัดกรีแบบรีโฟลว์ได้
มาตรการที่ 7: องค์ประกอบอื่น ๆ ควรได้รับการควบคุมอย่างเหมาะสม
โดยปกติแล้ว อุณหภูมิที่เหมาะสมสำหรับการพิมพ์ครีมประสานจะอยู่ในช่วง 18 ถึง 28℃ และค่าความชื้นสัมพัทธ์ (RH) อยู่ในช่วง 40% ถึง 70% หากอุณหภูมิสูงเกินไป ครีมประสานจะมีความหนืดต่ำลง; หากค่าความชื้นสัมพัทธ์สูงเกินไป ครีมประสานจะดูดซับความชื้นมากขึ้น ผลลัพธ์ของทั้งสองกรณีนี้คือการเกิดลูกประสาน (solder ball) ดังนั้นจึงควรควบคุมอุณหภูมิและค่าความชื้นสัมพัทธ์ในพื้นที่การผลิตให้เหมาะสม
กระบวนการเกิดข้อบกพร่องของลูกบอลประสาน (solder ball) มีความซับซ้อนมากและเกิดขึ้นได้จากสาเหตุหลากหลาย ดังนั้นจึงจำเป็นต้องพิจารณาปัจจัยต่าง ๆ อย่างรอบด้านเพื่อป้องกันไม่ให้เกิดลูกบอลประสานโดยไม่พึงประสงค์ โดยสรุปแล้ว แผ่นสเตนซิลควรถูกออกแบบอย่างแม่นยำ โดยมีพารามิเตอร์ของช่องเปิดที่สอดคล้องกับข้อกำหนดของ SMT; ควรมีการเก็บรักษาและใช้งานครีมประสานตามข้อกำหนดที่เข้มงวด; แรงกดในการวางชิ้นส่วนควรถูกควบคุมให้อยู่ในระดับที่เหมาะสม; และควรมีการปรับให้เหมาะสมกับโปรไฟล์อุณหภูมิของการบัดกรีแบบรีโฟลว์
จากประสบการณ์การประกอบ SMT กว่า 20 ปีของ PCBCart พบว่า 60% ถึง 80% ของลูกประสานเกิดจากแรงกดในการวางชิ้นส่วนที่ไม่เหมาะสม ดังนั้นจึงต้องให้ความสำคัญอย่างยิ่งกับการตั้งค่าแรงกดบนเครื่องวางชิป เพื่อไม่ให้ครีมประสานถูกบีบออกนอกแผ่นรองบัดกรี ซึ่งจะเพิ่มโอกาสในการเกิดลูกประสาน
ชิ้นส่วนติดตั้งบนพื้นผิว (SMCs) มีข้อได้เปรียบอย่างมากในการผลิตอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ รวมถึงขนาดเล็ก ต้นทุนต่ำ และความเชื่อถือได้สูง อย่างไรก็ตาม หนึ่งในความท้าทายของการประกอบแบบ SMT คือการเกิดลูกประสาน ซึ่งส่งผลต่อคุณภาพและประสิทธิภาพของผลิตภัณฑ์ ข้อบกพร่องดังกล่าวมักทำให้เกิดการลัดวงจร โดยเฉพาะในแผงวงจรความหนาแน่นสูง วิธีการแก้ไขปัญหานี้รวมถึงการเลือกใช้ครีมประสานอย่างเหมาะสม การปรับแต่งการออกแบบสเตนซิล และการควบคุมกระบวนการบัดกรีแบบรีโฟลว์
PCBCart ใช้ประสบการณ์กว่า 20 ปีในงานประกอบ SMT เพื่อลดการเกิดลูกบอลประสานและยกระดับคุณภาพผลิตภัณฑ์ วิศวกรผู้เชี่ยวชาญของเราดำเนินมาตรการเชิงรุกเพื่อให้มั่นใจถึงประสิทธิภาพสูงและความเชื่อถือได้ ร่วมเป็นพันธมิตรกับ PCBCart สำหรับการผลิตแผงวงจรพิมพ์ของคุณและสัมผัสกับการควบคุมคุณภาพที่ยอดเยี่ยม ติดต่อเราได้วันนี้เพื่อขอใบเสนอราคาเต็มรูปแบบ และค้นพบว่าวิธีการที่ปรับให้เหมาะกับคุณของเราสามารถเพิ่มความสำเร็จในการประกอบของคุณได้อย่างไร
ขอใบเสนอราคารวมชิ้นส่วน SMT จากผู้เชี่ยวชาญของคุณตอนนี้
แหล่งข้อมูลที่เป็นประโยชน์
•ความเข้าใจอย่างครบถ้วนเกี่ยวกับกระบวนการประกอบ SMT ช่วยให้คุณลดต้นทุนการผลิต | PCBCart
•วิศวกรกระบวนการ SMT ทำอะไรบ้าง?
•การเปรียบเทียบ AOI, ICT และ AXI และช่วงเวลาที่ควรใช้งานระหว่างการประกอบ PCB SMT
•การตรวจสอบและการทดสอบที่ใช้ในกระบวนการประกอบ SMT
•มาตรการที่มีประสิทธิผลในการปรับปรุงคุณภาพการประกอบ SMT
•วิธีป้องกันความเสียหายจากไฟฟ้าสถิต (ESD) ในกระบวนการประกอบ SMT
