เครื่องวิเคราะห์เลือดและฮาร์ดแวร์วินิจฉัยพึ่งพาPCBA ที่มีความเสถียรสูงและสัญญาณรบกวนต่ำสำหรับการตรวจวัดแบบอิเล็กโทรเคมีและแบบออปติคัลที่มีความแม่นยำสูง แม้ความผิดปกติเล็กน้อยของจุดบัดกรี—โดยเฉพาะโพรงอากาศใต้ชิ้นส่วน BGA/QFN—ก็อาจทำให้การเชื่อมต่อทางไฟฟ้าเสื่อมลง การระบายความร้อนด้อยประสิทธิภาพ และก่อให้เกิดความล้มเหลวของอุปกรณ์ก่อนเวลาอันควร การประกอบแบบ SMT ที่ปราศจากสารตะกั่ว (ส่วนใหญ่เป็น SAC305, Sn96.5/Ag3/Cu0.5) ยิ่งทำให้การเกิดโพรงอากาศรุนแรงขึ้นเนื่องจากอุณหภูมิรีโฟลว์ที่สูงขึ้น (240°C–250°C),ความตึงผิวของบัดกรีที่สูงขึ้นและการระเหยของฟลักซ์อย่างรุนแรง ในฐานะผู้ให้บริการ EMS ที่ได้รับการรับรองตามมาตรฐาน IATF 16949 เรานำเอาโปรโตคอลระดับยานยนต์ที่มุ่งสู่ศูนย์ข้อบกพร่องมาใช้กับเครื่องมือแพทย์ โดยส่งมอบอัตราช่องว่างของ BGA ต่ำกว่า 10% อย่างสม่ำเสมอผ่านการเพิ่มประสิทธิภาพสเตนซิลแบบมุ่งเป้า การปรับโปรไฟล์การรีโฟลว์อย่างแม่นยำ และการตรวจสอบด้วยเอกซเรย์อย่างเข้มงวด
ฟิสิกส์ของการเกิดฟองโพรงในการประกอบ SMT ปราศจากตะกั่ว
การเกิดโพรงในรอยประสานบัดกรีปลอดสารตะกั่วเกิดจากการกักเก็บก๊าซระหว่างการรีโฟลว์ โดยมีแหล่งก๊าซหลักสามแหล่ง:
การระเหยของฟลักซ์: น้ำประสานบัดกรีแบบครีม (ฟลักซ์ประมาณ 50% โดยปริมาตร) จะปล่อย CO₂, H₂O และไอระเหยอินทรีย์ที่อุณหภูมิ 150°C–220°C
การระเหยของความชื้น: แผ่นฐาน PCB (FR-4) และชิ้นส่วนต่าง ๆ ดูดซับความชื้น; เมื่ออุณหภูมิ >200°C ไอน้ำจะขยายตัวอย่างรุนแรง
การลดออกไซด์ฟลักซ์ทำปฏิกิริยากับพื้นผิว Cu/OSP/ENIG ทำให้เกิดก๊าซขนาดเล็ก
ตัวกระตุ้นที่รุนแรงที่ปราศจากสารตะกั่ว
แรงตึงผิวที่สูงกว่า: SAC305 (≈4.60×10⁻³ N/260°C) สูงกว่า Sn-Pb อยู่ 15% ทำให้การลอยตัวและการหลุดออกของฟองอากาศยากขึ้น
หน้าต่างอุณหภูมิที่แคบ: จุดหลอมเหลวของ SAC305 = 217°C; อุณหภูมิพีคของการรีโฟลว์ = 235°C–245°C (ค่าความคลาดเคลื่อน ±5°C) ทำให้เหลือระยะปลอดภัยสำหรับการไล่ก๊าซน้อยมาก
คลื่นความร้อนรุนแรงยาวนาน: ระยะเวลาที่สูงกว่าจุดหลอมเหลว (TAL = 60–90 วินาที) ที่ยาวนานขึ้นจะเพิ่มการสลายตัวของฟลักซ์และการเกิดก๊าซ
สำหรับเครื่องวิเคราะห์เลือด ช่องว่าง BGA/QFN >10% มีความเสี่ยงการลอยค่า/การเปลี่ยนแปลงของค่าความต้านทานไฟฟ้า(ส่งผลกระทบต่อสัญญาณเซ็นเซอร์ระดับต่ำ) และจุดร้อนทางความร้อน(บ่อนทำลายความเสถียรของ LED/เลเซอร์)
กลยุทธ์ที่ 1: การปรับแต่งรูเปิดของสเตนซิลเพื่อการลดช่องว่าง
การออกแบบสเตนซิลควบคุมปริมาณประสานและเส้นทางการระบายก๊าซโดยตรง ซึ่งมีความสำคัญอย่างยิ่งสำหรับ BGA ระยะพิทช์ละเอียด (พิทช์ 0.4–0.8 มม.) ในแผงวงจร PCBA สำหรับงานวินิจฉัย กฎการออกแบบสเตนซิลที่ปรับให้เหมาะสมของเรามีดังนี้:
1. รูปร่างรูเปิดของหน้ากากบัดกรี (แนะนำให้ใช้แผ่นรองแบบ NSMD)
วงกลมมาตรฐาน → กระจกหน้าต่าง / เบสโฮม: แบ่งช่องเปิดทรงกลมขนาดใหญ่เป็นสี่ช่องสี่เหลี่ยมเล็ก (แบบกระจกหน้าต่าง) หรือสี่เหลี่ยมมุมโค้ง (แบบฐานเบสบอลโฮมเพลต) ช่วยลดปริมาณบัดกรีลง 20–30% และสร้างช่องทางให้ก๊าซระบายออก
ขนาดรูรับแสง: 80–90% ของเส้นผ่านศูนย์กลางแผ่นรอง BGA (แผ่นรอง NSMD; ช่องเปิดมาสก์บัดกรีกว้างกว่าแผ่นทองแดง 0.05–0.1 มม.)
2. ความหนาและวัสดุของสเตนซิล
ความหนา: 100–120μm สำหรับ BGA ระยะห่างขา 0.4–0.8 มม. (ช่วยให้ปริมาณการพิมพ์และการปลดปล่อยคงที่สมดุล)
วัสดุ: สเตนเลสสตีลขัดด้วยกระแสไฟฟ้า (การปลดปล่อยเนื้อแป้งดีกว่า ลดช่องว่างจุลภาค)
3. การเลือกใช้ครีมประสานบัดกรี
น้ำประสานบัดกรี SAC305 ชนิดโพรงอากาศต่ำ: ฟลักซ์พร้อมด้วยสารระเหย ≤8%(การสร้างก๊าซที่ลดลง) และความเสถียรที่อุณหภูมิสูง (รองรับอุณหภูมิ 245°C)
ระดับกิจกรรม: ปานกลาง-สูง (ROM1/ROL0) สำหรับผิวเคลือบเกรดการแพทย์ (ENIG/ImAg/OSP).
กลยุทธ์ที่ 2: การกำหนดโปรไฟล์การรีโฟลว์ปลอดสารตะกั่วอย่างแม่นยำ
โปรไฟล์การรีโฟลว์เป็นปัจจัยกระบวนการเพียงหนึ่งเดียวที่ส่งผลกระทบมากที่สุดต่อการควบคุมโพรงอากาศ เราใช้ประยุกต์ใช้โปรไฟล์ Ramp-Soak-Spike (RSS)ปรับให้เหมาะสมสำหรับ SAC305 และมวลความร้อนของ PCBA ทางการแพทย์
1. โซนอุ่นล่วงหน้า (150°C–180°C, 60–90 วินาที)
อัตราการเพิ่มลด: 1.0–1.5°C/s (≤2°C/s เพื่อลดการเดือดของฟลักซ์อย่างรวดเร็ว)
วัตถุประสงค์ให้ความร้อนแก่อะไหล่ประกอบอย่างสม่ำเสมอ กำจัดความชื้นส่วนใหญ่ และค่อย ๆ กระตุ้นฟลักซ์ ขั้นตอนนี้มีความสำคัญอย่างยิ่งสำหรับบอร์ดเครื่องวิเคราะห์เลือดที่มีอาร์เรย์ BGA/QFN หนาแน่นและมวลความร้อนผสมกัน
2. โซนแช่ (180°C–210°C, 60–90 วินาที)
อุณหภูมิ190°C ±5°C (ต่ำกว่าจุดหลอมเหลวของ SAC305 สูงกว่าค่ากระตุ้นฟลักซ์)
วัตถุประสงค์: ทำให้ฟลักซ์ทำงานสมบูรณ์ ละลายออกไซด์ และไล่ก๊าซระเหยออกอย่างเต็มที่ก่อนที่บัดกรีจะหลอมละลาย การแช่นาน (90 วินาที) ช่วยลดโพรงอากาศได้ 30–40% ในแผงวงจรวิเคราะห์ที่มีมวลความร้อนสูง
3. โซนรีโฟลว์ (พีค) (235°C–245°C, 10–20 วินาที)
อุณหภูมิสูงสุด: 240°C ±5°C (SAC305 ที่เหมาะสมที่สุด; ≤250°C เพื่อป้องกันการเสื่อมสภาพของชิ้นส่วน)
TAL (เวลาเหนือจุดหลอมเหลว >217°C): 60–70 วินาที (สร้างสมดุลระหว่างการเปียกของบัดกรีและการระบายก๊าซ)
บรรยากาศ: ไนโตรเจน (O₂ ≤500ppm) สำหรับแผงวงจรพิมพ์ทางการแพทย์ (PCBA)—ช่วยเพิ่มการเปียกตัวของประสานขึ้น 20% และลดโพรงอากาศลง 50%
4. โซนทำความเย็น (217°C → 75°C, 2.0–3.0°C/วินาที)
ทางลาดควบคุม: หลีกเลี่ยงการทำให้เย็นลงอย่างรวดเร็ว (>4°C/วินาที) ซึ่งจะกักเก็บก๊าซตกค้างไว้
วัตถุประสงค์ทำให้บัดกรีแข็งตัวอย่างสม่ำเสมอ ลดความเครียดทางความร้อนให้น้อยที่สุด และป้องกันการเกิดรอยร้าวขนาดเล็ก
การตรวจสอบโปรไฟล์
ตำแหน่งการติดตั้งเทอร์โมคัปเปิล: อยู่ใต้ลูกบอล BGA โดยตรงและบริเวณสุดขั้วทางความร้อนของบอร์ด (มีความสำคัญอย่างยิ่งต่อแผงวงจร PCBA ของเครื่องวิเคราะห์เลือดที่ใช้ BGA ขนาดใหญ่)
เอกซเรย์ชิ้นงานแรกตรวจสอบการกระจายของช่องว่างและปรับโปรไฟล์ให้เหมาะสมก่อนการผลิตจำนวนมาก
กลยุทธ์ที่ 3: การตรวจสอบเอ็กซเรย์แบบออฟไลน์และเป้าหมายอัตราช่องว่าง 10%
สำหรับฮาร์ดแวร์การวินิจฉัยทางการแพทย์ เราบังคับใช้เกณฑ์ที่เข้มงวดกว่ามาตรฐาน IPC-A-610 ระดับคลาส 3(ช่องว่างสูงสุด 25%):
1. การตั้งค่าการตรวจสอบ
อุปกรณ์: เอ็กซเรย์ 2D/3D แบบออฟไลน์ (ความละเอียด 5μm) พร้อมซอฟต์แวร์วิเคราะห์ช่องว่างอัตโนมัติ
ความคุ้มครอง: การตรวจสอบอุปกรณ์ BGA/QFN ทั้งหมด 100% (มีความสำคัญอย่างยิ่งต่อวงจรความแม่นยำของเครื่องวิเคราะห์เลือด)
2. เกณฑ์การยอมรับ (ระดับทางการแพทย์)
พื้นที่กลวงสูงสุด≤10% ของพื้นที่บอล BGA แต่ละลูก
ไม่มีช่องว่างตรงกลาง: ฟองอากาศที่ไม่รวมอยู่ใน 50% กึ่งกลางของลูกบอล BGA (จุดวิกฤตของความเค้นทางความร้อน/กล)
อัตราช่องว่างเฉลี่ย≤5% ในทุกลูกบอลของ BGA (การควบคุมกระบวนการทางสถิติ)
3. การดำเนินการแก้ไขแบบวงปิด
อัตราว่างเปล่า 5–10%: ปรับเวลาแช่รีโฟลว์เพิ่มอีก 10 วินาที หรือเพิ่มอุณหภูมิสูงสุดอีก 5°C
อัตราค่าว่าง >10%: ประเมินการออกแบบสเตนซิล ครีมบัดกรี หรือผิวหน้าของแผ่นวงจรพิมพ์ (PCB) ใหม่อีกครั้ง
การตรวจสอบผลลัพธ์และความเชื่อถือได้
สำหรับแผงวงจร PCBA ของเครื่องวิเคราะห์เลือด (BGA ระยะพิทช์ 0.4 มม., ผิวชุบ ENIG) กระบวนการแบบบูรณาการของเรามอบ:
อัตราช่องว่าง BGA: สม่ำเสมอที่ 3–8% (ต่ำกว่าเป้าหมาย 10% อย่างมาก)
การกระจายตัวของช่องว่าง: ช่องว่าง 95% มีพื้นที่น้อยกว่า 5% ไม่มีช่องว่างตรงกลาง
ความน่าเชื่อถือ: การผ่านการทดสอบวัฏจักรอุณหภูมิ 1000 ครั้ง (-40°C → 125°C) โดยไม่เกิดความล้มเหลวทางไฟฟ้าหรือการลอยของค่าความต้านทาน
การปฏิบัติตาม: เป็นไปตามมาตรฐาน IPC-A-610 ระดับคลาส 3 พร้อมการตรวจสอบย้อนกลับ MES แบบเต็มรูปแบบ (ล็อต/หมายเลขซีเรียลของชิ้นส่วน)
บทสรุป
การลดโพรงอากาศในกระบวนการ SMT แบบไร้สารตะกั่วในเครื่องวิเคราะห์เลือดและฮาร์ดแวร์วินิจฉัยสามารถแก้ไขได้ผ่านการการเพิ่มประสิทธิภาพสเตนซิล การทำโปรไฟล์การรีโฟลว์อย่างแม่นยำ และการตรวจสอบด้วยเอกซเรย์อย่างเข้มงวดกระบวนการควบคุมข้อบกพร่องเป็นศูนย์ที่พัฒนามาจากอุตสาหกรรมยานยนต์ของเราสามารถถ่ายโอนไปใช้กับเครื่องมือแพทย์ได้อย่างไร้รอยต่อ ช่วยให้มั่นใจในความสมบูรณ์ของจุดบัดกรี ความเสถียรทางไฟฟ้า และความเชื่อถือได้ในระยะยาว โดยการมุ่งเน้นช่องว่าง BGA ≤10%(เข้มงวดกว่ามาตรฐานอุตสาหกรรม) เราลดความเสี่ยงต่อการตรวจวัดความแม่นยำและประสิทธิภาพด้านอุณหภูมิ ซึ่งมีความสำคัญอย่างยิ่งต่ออุปกรณ์วินิจฉัยที่เกี่ยวข้องกับชีวิต
แหล่งข้อมูลที่เป็นประโยชน์
•มาตรการที่มีประสิทธิภาพในการควบคุมคุณภาพของข้อต่อบัดกรีแบบบอลกริดอาร์เรย์ (BGA)
•ปัญหาลูกประสานของชิ้นส่วน BGA และวิธีหลีกเลี่ยง
•จะแก้ปัญหาข้อต่อบัดกรีในการผลิต SMT ได้อย่างไร?
•การประยุกต์ใช้เทคโนโลยีการติดตั้งแบบผิวหน้า (SMT) กับแพ็กเกจแบบตะแกรงบอลกริด (BGA)
