ขนาดของจุดประสานบัดกรีในอุปกรณ์ไมโครอิเล็กทรอนิกส์ที่มีแนวโน้มเล็กลงเรื่อย ๆ ทำให้ต้องรองรับภาระทางกล ไฟฟ้า และอุณหพลศาสตร์ที่มากขึ้น พร้อมทั้งมีความต้องการด้านความเชื่อถือได้ที่สูงขึ้น เทคโนโลยีการบรรจุภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์ เช่น SMT (Surface Mount Technology), CSP (Chip-Scale Package) และเทคโนโลยี BGA (Ball Grid Array) จำเป็นต้องสร้างการเชื่อมต่อทางไฟฟ้าและการยึดทางกลที่แข็งแรงระหว่างวัสดุต่างชนิดกันผ่านจุดประสานบัดกรี ดังนั้นคุณภาพและความเชื่อถือได้ของการเชื่อมต่อจึงเป็นตัวกำหนดคุณภาพและความเชื่อถือได้ของผลิตภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์ ความล้มเหลวของจุดประสานบัดกรีเพียงจุดเดียวอาจทำให้ผลิตภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์เสียหายทั้งหมดได้ ดังนั้น วิธีการรับประกันคุณภาพของจุดประสานบัดกรีจึงเป็นประเด็นที่สำคัญอย่างยิ่งสำหรับผลิตภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์สมัยใหม่
ตะกั่วบัดกรีแบบดั้งเดิมชนิด SnPb มีส่วนผสมของ Pb (ตะกั่ว) ซึ่งเมื่อรวมกับสารประกอบเคมีของตะกั่วแล้ว จะกลายเป็นสารพิษที่มีความเป็นพิษสูงมากจนการใช้งานในระยะยาวจะก่อให้เกิดความเสียหายอย่างรุนแรงต่อชีวิตของผู้คนและสิ่งแวดล้อม จนถึงปัจจุบัน ตะกั่วบัดกรีปลอดสารตะกั่วกำลังเข้ามาแทนที่ตะกั่วบัดกรีที่มีตะกั่วอย่างต่อเนื่องเนื่องจากข้อดีด้านการปกป้องสิ่งแวดล้อม อย่างไรก็ตาม กระบวนการผลิตแบบปลอดสารตะกั่วนั้นแตกต่างจากการผลิตแบบมีตะกั่วใน…กระบวนการประกอบแผงวงจรพิมพ์ (PCBA - Printed Circuit Board Assembly)ด้วยพารามิเตอร์ที่ได้รับการปรับเปลี่ยน ดังนั้น การทำความเข้าใจอย่างถ่องแท้เกี่ยวกับการเปรียบเทียบระหว่างกระบวนการผลิตการบัดกรีแบบมีสารตะกั่วและการบัดกรีปลอดสารตะกั่วใน PCBA จึงมีความสำคัญอย่างยิ่ง เพื่อให้มั่นใจว่าประสิทธิภาพและฟังก์ชันการทำงานของผลิตภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์จะไม่ถูกลดทอนลงเนื่องจากข้อกังวลด้านสิ่งแวดล้อม
การเปรียบเทียบคุณสมบัติระหว่างบัดกรีปลอดสารตะกั่วและบัดกรีที่มีสารตะกั่ว
• บัดกรีปลอดสารตะกั่วมีจุดหลอมเหลวสูงกว่าบัดกรีที่มีสารตะกั่ว
a. จุดหลอมเหลวของบัดกรียูเทคติกตะกั่วแบบดั้งเดิม (Sn37Pb) คือ 183°C.
ข.จุดหลอมเหลวของบัดกรียูเทคติกปลอดสารตะกั่ว(SAC387) คือ 217°C.
เนื่องจากบัดกรียูเทคติกปลอดสารตะกั่ว (SAC387) มีจุดหลอมเหลวสูงกว่าบัดกรียูเทคติกผสมตะกั่วแบบดั้งเดิม (Sn37Pb) อยู่ 34°C ผลที่ตามมาคือ:
1).อุณหภูมิที่สูงขึ้นหลังจากนั้นทำให้บัดกรีถูกออกซิไดซ์ได้ง่าย โดยมีสารประกอบเคมีที่เติบโตอย่างรวดเร็วระหว่างโลหะ
2). ส่วนประกอบบางชนิด เช่น ชิ้นส่วนที่มีแพ็กเกจพลาสติกหรือคาปาซิเตอร์อิเล็กโทรไลต์ มักได้รับผลกระทบจากอุณหภูมิการบัดกรีมากกว่าส่วนประกอบอื่น ๆ
3).โลหะผสม SAC จะทำให้ชิ้นส่วนได้รับความเค้นมากขึ้น ส่งผลให้ชิ้นส่วนที่มีค่าคงที่ไดอิเล็กทริกต่ำมีโอกาสเกิดความล้มเหลวได้มากขึ้น
4). มีพื้นผิวสำหรับการบัดกรีหลายประเภทที่ใช้ได้บนพื้นผิวบัดกรีปลอดสารตะกั่วของชิ้นส่วน การใช้ดีบุกในตะกั่วบัดกรีถูกนำมาใช้มากกว่าเนื่องจากมีต้นทุนต่ำ อย่างไรก็ตาม มักเกิดชั้นออกซิเดชันบาง ๆ บนผิวของดีบุก นอกจากนี้ ความเครียดอาจเกิดขึ้นหลังการชุบไฟฟ้า ส่งผลให้มีแนวโน้มเกิดหนวดดีบุกขึ้น
• บัดกรีปลอดสารตะกั่วมีคุณสมบัติการเปียกที่แย่กว่าบัดกรีที่มีตะกั่ว
เมื่อเทียบกับบัดกรีที่มีสารตะกั่วแล้ว บัดกรีปลอดสารตะกั่วมีคุณสมบัติการเปียกตัวที่ต่ำกว่าบัดกรีที่มีสารตะกั่วอย่างเห็นได้ชัด การเปียกตัวที่ไม่ดีมักทำให้ข้อต่อบัดกรีมีประสิทธิภาพไม่เพียงพอที่จะตอบสนองข้อกำหนดในด้านความสามารถในการปรับเทียบตัวเอง ความแข็งแรงต่อแรงดึง และความแข็งแรงต่อแรงเฉือน การเปียกตัวที่ไม่ดีอาจทำให้อัตราการถูกปฏิเสธของข้อต่อบัดกรีสูงขึ้นได้ หากไม่มีการปรับเปลี่ยนเพื่อชดเชยข้อเสียนี้
• การเปรียบเทียบระหว่างบัดกรีปลอดสารตะกั่วกับบัดกรีที่มีสารตะกั่วในด้านคุณสมบัติทางกายภาพ
ตารางด้านล่างแสดงให้เห็นถึงความแตกต่างของลักษณะทางกายภาพระหว่างบัดกรีปลอดสารตะกั่วและบัดกรีที่มีสารตะกั่ว
|
รายการ
|
Sn37Pb
|
SAC387
|
Sn0.7Cu
|
| ความหนาแน่น (กรัม/ลบ.ม.)2) |
8.5 |
3.5 |
3.31 |
| จุดหลอมเหลว (°C) |
183 |
217 |
๒๒๗ |
| ความต้านทานจำเพาะ (เมกะโอห์ม-ซม.) |
15 |
11 |
10-15 |
| ค่าการนำไฟฟ้า (IACS) |
11.5 |
15.6 |
/ |
| CTE (×10-4) |
23.9 |
23.5 |
/ |
| การนำความร้อน (W/m·1k·1s) |
50 |
73 |
/ |
| แรงตึงผิว 260°C (mN/m) |
481 |
548 |
491 |
| อายุความล้า |
3 |
1 |
2 |
| กำลังรับแรงเฉือน (MPa) |
23 |
27 |
20-23 |
ดังที่แสดงไว้ในตารางข้างต้น การใช้บัดกรีปลอดสารตะกั่วจะส่งผลกระทบในทางลบต่อความน่าเชื่อถือของจุดบัดกรีอย่างแน่นอน เนื่องจากความแตกต่างด้านสมรรถนะของบัดกรีเมื่อเทียบกับการผลิตบัดกรีตะกั่วแบบดั้งเดิม จากมุมมองด้านผลกระทบทางกล บัดกรีปลอดสารตะกั่วทั่วไปจะมีความแข็งมากกว่าบัดกรีตะกั่ว นอกจากนี้ ออกไซด์บนผิวหน้า คราบฟลักซ์ และเศษโลหะผสมที่เกิดขึ้น อาจทำให้ประสิทธิภาพการสัมผัสทางไฟฟ้าและค่าความต้านทานสัมผัสแย่ลง ดังนั้น การเปลี่ยนกระบวนการผลิตผลิตภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์จากการใช้ตะกั่วไปเป็นปลอดสารตะกั่ว จึงไม่ใช่เพียงการทดแทนกันโดยตรงทั้งในด้านไฟฟ้าและด้านกล เนื่องมาจากเหตุผลต่อไปนี้:
a. เนื่องจากตะกั่วมีความอ่อนตัวค่อนข้างมาก รอยบัดกรีที่ได้จากกระบวนการผลิตปลอดตะกั่วจึงมีความแข็งมากกว่ารอยบัดกรีที่ได้จากกระบวนการผลิตที่ใช้ตะกั่ว ส่งผลให้มีความทนทานสูงกว่าและการเปลี่ยนรูปน้อยกว่า ซึ่งอย่างไรก็ตาม จะทำให้รอยบัดกรีปลอดตะกั่วมีความเชื่อถือได้สูงอย่างแน่นอน
b. เนื่องจากบัดกรีปลอดสารตะกั่วมีคุณสมบัติการเปียกที่ไม่ดี จึงทำให้เกิดข้อบกพร่องมากขึ้น รวมถึงช่องว่าง การเคลื่อนที่ผิดตำแหน่ง และการตั้งตัวในลักษณะหลุมศพ
ความกังวลอย่างรอบด้านเกี่ยวกับการผลิตที่ปราศจากสารตะกั่ว
เมื่อเปลี่ยนจากการใช้บัดกรีที่มีสารตะกั่วเป็นบัดกรีปลอดสารตะกั่ว ความแตกต่างที่เด่นชัดที่สุดอยู่ที่ปริมาณดีบุกที่สูงมาก (>95% โดยน้ำหนัก) ดังนั้นประเด็นต่อไปนี้จึงควรได้รับการให้ความสำคัญเป็นอันดับแรก
• การเติบโตของทินวิสเกอร์
เส้นหนวดดีบุกเติบโตจากส่วนที่อ่อนแอของชั้นออกไซด์ดีบุกในรูปของผลึกเดี่ยวดีบุก แสดงลักษณะเป็นเสารูปทรงกระบอกหรือเส้นใยทรงกระบอก ความเสียหายที่เกิดขึ้นได้แก่:
a. อาจเกิดการลัดวงจรระหว่างขาใกล้เคียงกัน
b. อาจเกิดอิทธิพลเชิงลบต่อคุณลักษณะที่มีความถี่สูง
ความเค้นจากแรงกดมีอยู่ในชั้นบัดกรีดีบุก ซึ่งถือเป็นสาเหตุสำคัญของการเกิดหนวดดีบุก ตัวอย่างเช่น เมื่อเกิดโลหะผสม Cu6Sn5 จำนวนมากที่มีรูปร่างไม่สม่ำเสมอ จะทำให้เกิดข้อบกพร่องจำนวนมาก รวมถึงการสะสมของความเค้นจากแรงกดบนชั้นดีบุก การเสียรูปของขาอุปกรณ์ และความไม่สอดคล้องกันของค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อน (CTE) ซึ่งทั้งหมดนี้จะนำไปสู่การเกิดหนวดดีบุก โลหะผสมที่มีดีบุกสูงจะทำให้เกิดหนวดดีบุก โดยเฉพาะอย่างยิ่งในดีบุกบริสุทธิ์ อย่างไรก็ตาม โลหะผสมหลายชนิด เช่น Pb หรือ Bi สามารถหยุดยั้งหรือขัดขวางการเติบโตของหนวดดีบุกได้
เส้นใยดีบุกอาจทำให้เกิดการลัดวงจรบนชิ้นส่วนที่มีลายวงจรละเอียด เช่น QFP ดังนั้นดีบุกบริสุทธิ์จึงสามารถชุบลงบนผลิตภัณฑ์เกรดต่ำและชิ้นส่วนที่มีอายุการใช้งานน้อยกว่า 5 ปีได้ สำหรับผลิตภัณฑ์ที่มีความเชื่อถือได้สูงและชิ้นส่วนที่อายุการใช้งานต้องมากกว่า 5 ปี ควรชุบนิกเกิลชั้นแรกที่มีความหนาน้อยกว่า 1μm จากนั้นจึงชุบชั้นดีบุกที่มีความหนา 2-3μm
• การเติบโตของเดนไดรต์โลหะ
เดนไดรต์โลหะมีลักษณะกระบวนการเติบโตที่แตกต่างจากหนวดดีบุก เดนไดรต์โลหะเกิดจากการอิเล็กโตรไมเกรชันของไอออนในกระบวนการไฟฟ้าเคมี เดนไดรต์โลหะจะทำให้เกิดการลัดวงจรซึ่งจะนำไปสู่ความล้มเหลวของวงจร
• การสร้าง CAF
เส้นใยแอโนดิกนำไฟฟ้า (CAF) เป็นรูปแบบความล้มเหลวอีกประเภทหนึ่งที่เกิดจากปฏิกิริยาไฟฟ้าเคมี CAF เกิดขึ้นภายในแผ่น PCB โดยมีสาเหตุจากเส้นใยแอโนดิกที่นำไฟฟ้าและมีทองแดงเจริญเติบโตจากขั้วแอโนดไปยังขั้วแคโทด
CAF เติบโตขึ้นในระดับหนึ่งเมื่อขั้วแอโนดและแคโทดเชื่อมต่อกันโดยเกิดการลัดวงจรระหว่างขั้วทั้งสอง สุดท้ายจะนำไปสู่หายนะอย่างร้ายแรง CAF เป็นหายนะสำหรับการประกอบแผงวงจรพิมพ์ความหนาแน่นสูงและการใช้ตะกั่วบัดกรีปลอดสารตะกั่วที่มีอุณหภูมิสูงกว่าจะยิ่งทำให้ปัญหานี้เกิดขึ้นได้ง่ายขึ้น
• โรคดีบุก
โรคดีบุกเกิดจากการเปลี่ยนเฟสโพลีมอร์ฟแบบเกิดขึ้นเองของดีบุกบริสุทธิ์ เมื่ออุณหภูมิต่ำกว่า 13°C ดีบุกบริสุทธิ์จะเกิดการเปลี่ยนจากดีบุกสีขาว (มีความหนาแน่น 7.30 กรัม/ซม.3) ได้มาจากโครงสร้างสี่เหลี่ยมจัตุรัสแบบศูนย์กลางไปเป็นดีบุกสีเทา (มีความหนาแน่น 5.77 กรัม/ซม.³3) ในโครงสร้างลูกบาศก์แบบมีจุดศูนย์กลาง ตามทฤษฎีแล้ว การเกิดสนิมดีบุกจะนำไปสู่ความเสี่ยงด้านความเชื่อถือได้ที่อาจเกิดขึ้น แต่แทบไม่ค่อยพบเห็นเนื่องจากมีสิ่งเจือปนผสมอยู่ในดีบุก
ปัญหาที่กล่าวถึงข้างต้นเป็นข้อบกพร่องที่อาจเกิดขึ้นได้เมื่อมีการใช้บัดกรีปลอดสารตะกั่ว อย่างไรก็ตาม ปัญหาเหล่านี้สามารถขจัดได้ตราบใดที่มีการใช้ประโยชน์จากเทคโนโลยีการบัดกรีขั้นสูงในกระบวนการผลิตแผงวงจรพิมพ์ประกอบ (PCBA)
PCBCart นำเสนอเทคนิคการผลิตการบัดกรีด้วยตะกั่วและการบัดกรีปลอดตะกั่วสำหรับ PCBA
