ยุคปัจจุบันกำลังเป็นสักขีพยานถึงความเร็วสูงของการบูรณาการ และการผลิตรวมถึงการผลิตชิ้นส่วนตะกั่วในปริมาณมหาศาลให้มีขนาดเล็กลง เมื่อกล่าวถึงการประกอบ SMT (Surface Mount Technology) ชิ้นส่วนจะต้องผ่านกระบวนการหลายขั้นตอน รวมถึงการเตรียมชิ้นส่วนล่วงหน้า การวางชิ้นส่วน การบัดกรี การทดสอบ และการบรรจุภัณฑ์ ตลอดทั้งกระบวนการ การเกิด ESD (Electrostatic Discharge) อาจทำให้เกิดความเสียหายในระดับต่าง ๆ ซึ่งจะลดประสิทธิภาพของการประกอบ SMT อย่างไรก็ตาม ในกระบวนการบัดกรี ความชื้นภายในชิ้นส่วนอาจกลายเป็นไอและก่อให้เกิดแรงดัน ทำให้เกิดรอยร้าวภายในชิ้นส่วนและอาจแพร่กระจายออกไป ส่งผลให้ท้ายที่สุดอาจเกิดการลัดวงจร ลดความน่าเชื่อถือของผลิตภัณฑ์ ดังนั้น ความเสียหายที่เกิดจาก ESD บนข้อต่อบัดกรีจึงรุนแรงมากจนต้องให้ความสนใจอย่างเพียงพอ ซึ่งเป็นประเด็นที่กล่าวถึงในบทความนี้
แหล่งกำเนิดของ ESD
ไฟฟ้าสถิตเกิดขึ้นจากสามแหล่งหลัก ได้แก่ การเสียดสี การเหนี่ยวนำ และร่างกายมนุษย์
a. ESD จากแรงเสียดทาน
ในฐานะที่เป็นรูปแบบหนึ่งของพลังงานไฟฟ้า ไฟฟ้าสถิตมักจะคงอยู่บนผิวของวัตถุ และการเกิดขึ้นของมันมีสาเหตุมาจากความไม่สมดุลระหว่างประจุบวกและประจุลบภายในช่วงหนึ่งโดยเฉพาะ โดยทั่วไปแล้ว ไฟฟ้าสถิตจะเกิดจากการถ่ายโอนอิเล็กตรอนและไอออน เมื่อเกิดการเสียดสีระหว่างวัตถุฉนวนสองชิ้น พลังงานไฟฟ้าบนผิวของวัตถุชิ้นหนึ่งจะถูกถ่ายโอนไปยังผิวของอีกชิ้นหนึ่ง ซึ่งจะทำให้วัตถุชิ้นนั้นมีประจุลบ การคายประจุไฟฟ้าสถิต (ESD) ที่เกิดจากการเสียดสีมักจะเกี่ยวข้องกับความสะอาดของผิววัตถุ ขนาดของวัตถุ และสภาพแวดล้อม
b. ESD โดยการเหนี่ยวนำ
วัตถุที่สามารถก่อให้เกิดการเหนี่ยวนำได้คือสื่อนำไฟฟ้าและตัวกลางไดอิเล็กทริกในสนามไฟฟ้าสถิต เมื่อมีสื่อนำไฟฟ้าอยู่รอบวัตถุที่มีประจุ จะเกิดการมีขั้วบนสื่อนำไฟฟ้าเนื่องจากอิทธิพลของสนามไฟฟ้าสถิต ส่งผลให้เกิดประจุจากการเหนี่ยวนำที่มีขั้วตรงข้ามและมีค่าที่เท่ากัน ซึ่งจะเพิ่มความเป็นไปได้ของการเกิดการคายประจุไฟฟ้าสถิต (ESD)
c. ESD โดยร่างกายมนุษย์
ร่างกายมนุษย์ถือเป็นแหล่งกำเนิดหลักของไฟฟ้าสถิต (ESD) ตลอดกระบวนการประกอบ SMT ทั้งหมด เมื่อมนุษย์เคลื่อนไหว แรงเสียดทานที่เกิดจากรองเท้าหรือเสื้อผ้าจะทำให้วัตถุมีประจุไฟฟ้า นอกจากนี้ อุณหภูมิ การเคลื่อนที่ด้วยความเร็วสูง และการแตกหักก็จะทำให้เกิดไฟฟ้าสถิต (ESD) ได้เช่นกัน
ในความเป็นจริงแล้ว ไฟฟ้าสถิตมักพบได้ในชีวิตประจำวันของผู้คน แต่โดยทั่วไปก่อให้เกิดความเสียหายเพียงเล็กน้อย อย่างไรก็ตาม หากมีการใช้งานวงจรรวม (IC) และวัสดุพอลิเมอร์ขั้นสูงบ่อยครั้ง ความเสียหายจากการคายประจุไฟฟ้าสถิต (ESD) จะเพิ่มสูงขึ้น ดังนั้น การจัดทำแผนการป้องกัน ESD ในกระบวนการประกอบ SMT จึงมีความสำคัญอย่างยิ่ง
ความเสียหายจากไฟฟ้าสถิตต่อจุดบัดกรี
ข้อต่อบัดกรีมีบทบาทสำคัญอย่างยิ่งในระบบทั้งหมดของผลิตภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์ เนื่องจากทำหน้าที่รับผิดชอบในการเชื่อมต่อระหว่างการทำงานของวงจร ปัจจุบัน วงจรมีความหนาแน่นสูงขึ้นเรื่อย ๆ พร้อมกับจำนวนข้อต่อบัดกรีที่เพิ่มขึ้นอย่างมาก หากข้อต่อบัดกรีเพียงจุดเดียวเกิดปัญหา ระบบวงจรทั้งหมดก็จะล้มเหลว ข้อบกพร่องของข้อต่อบัดกรีส่วนใหญ่เกิดจากข้อบกพร่องที่เกิดขึ้นในกระบวนการประกอบ SMT เมื่ออุณหภูมิแวดล้อมผันผวนหรือกระแสไฟของวงจรทั้งหมดไม่เสถียร อุปกรณ์จะร้อนขึ้นจนความล้าจากความร้อนยิ่งทำให้ประสิทธิภาพของผลิตภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์ลดลง นอกจากนี้ เมื่ออุณหภูมิรอบ ๆ ข้อต่อบัดกรีเปลี่ยนแปลง ความเค้นความร้อนจะเกิดขึ้นภายในข้อต่อบัดกรี
ข้อบกพร่องอีกประการหนึ่งของจุดบัดกรีคือโพรงอากาศ โพรงอากาศหมายถึงฟองอากาศขนาดเล็กภายในจุดบัดกรี ซึ่งเกิดจากการขยายตัวของสารประกอบหรืออากาศที่ตกค้างอยู่ในครีมประสาน แม้ว่าการตรวจสอบด้วยสายตาจะสามารถใช้เพื่อค้นหาโพรงอากาศบางส่วนที่อยู่ด้านนอกของจุดบัดกรีได้ แต่โพรงอากาศที่เกิดขึ้นระหว่างกระบวนการบัดกรีจะกลายเป็นภัยคุกคามอย่างใหญ่หลวงจนยากที่จะตรวจพบ อย่างไรก็ตาม โพรงอากาศเกิดขึ้นจากกระบวนการตามธรรมชาติหลายขั้นตอน ซึ่งหมายความว่าไม่สามารถหลีกเลี่ยงได้ ในอีกด้านหนึ่ง โพรงอากาศสามารถยับยั้งการเกิดรอยร้าวหรือเปลี่ยนเส้นทางการขยายตัวของรอยร้าวได้ แต่อีกด้านหนึ่ง โพรงอากาศจะทำให้อายุการใช้งานของผลิตภัณฑ์ปลายทางสั้นลง
มาตรการเพื่อลดผลกระทบเชิงลบของจุดบัดกรี
การป้องกัน ESD อยู่ในลำดับต้น ๆ ของปัญหาที่อาจเกิดขึ้นระหว่างกระบวนการประกอบ SMT ผู้ปฏิบัติงานจำเป็นต้องมีความรู้เพียงพอเกี่ยวกับการป้องกัน ESD และตระหนักอย่างเต็มที่ถึงวัตถุประสงค์และมาตรการเฉพาะของการป้องกัน ESD นอกจากนี้ ผู้ปฏิบัติงานทุกคนต้องได้รับการฝึกอบรมให้มีความเชี่ยวชาญและรักษาความตระหนักในระดับสูงเกี่ยวกับการป้องกัน ESD
• มาตรการป้องกัน ESD #1: ตัวนำและฉนวน
หากมีการเกิดไฟฟ้าสถิตบนตัวนำ ควรถูกระบายออกให้ทันเวลาโดยผ่านช่องทางหลายอย่าง เช่น อุปกรณ์และเครื่องมือต่าง ๆ ช่องทางการรั่วไหลของไฟฟ้าสถิตสามารถทำได้โดยการต่อลงดินด้วยตัวนำ เพื่อให้ประจุไฟฟ้าสถิตถูกปลดปล่อยออกจากตัวนำ สามารถติดตั้งสายป้องกันไฟฟ้าสถิตเพื่อช่วยในการป้องกัน ESD และควรติดตั้งแยกอิสระจากกัน เพื่อแยกสายดินของระบบไฟฟ้ากำลังออกจากสายดินป้องกันไฟฟ้าสถิต เนื่องจากประจุไฟฟ้าไม่สามารถเคลื่อนที่ได้ในฉนวน มาตรการป้องกัน ESD สำหรับตัวนำจึงไม่สามารถใช้กับฉนวนได้ ดังนั้นจึงมักใช้วิธีการทำให้ประจุเป็นกลางสำหรับการป้องกัน ESD ของฉนวน โดยใช้พัดลมไอออนเพื่อสร้างไอออนบวกและลบ เพื่อให้ประจุไฟฟ้าสถิตถูกทำให้เป็นกลาง ภายในสภาพแวดล้อมเดียวกัน เมื่ออุณหภูมิของสภาพแวดล้อมลดลงจะทำให้ความชื้นดีขึ้น ซึ่งส่งผลต่อความสามารถในการนำไฟฟ้าของตัวนำ เมื่อค่าการนำไฟฟ้าเพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่องและความชื้นก็เพิ่มขึ้นด้วย จะเอื้อต่อการป้องกัน ESD ในสภาพแวดล้อมดังกล่าว ดังนั้น การเพิ่มความชื้นและลดอุณหภูมิในพื้นที่เสี่ยงจึงเป็นมาตรการป้องกัน ESD ที่เหมาะสมที่สุด
• มาตรการป้องกัน ESD #2: อุปกรณ์ป้องกัน ESD
เพื่อหยุดการเกิดไฟฟ้าสถิตในระดับมาก และเพื่อระบายไฟฟ้าสถิตที่มีอยู่ อุปกรณ์ป้องกัน ESD ควรมีค่าการนำไฟฟ้าที่เพียงพอ และสามารถควบคุมความเร็วของการรั่วไหลของ ESD ได้ เพื่อหลีกเลี่ยงไม่ให้ไฟฟ้าสถิตรั่วไหลมากเกินไป
• มาตรการป้องกัน ESD #3: วงจรป้องกัน
การเพิ่มวงจรป้องกันเข้าไปในมาตรการป้องกัน ESD นั้นถือเป็นเรื่องปกติ อย่างไรก็ตาม วงจรป้องกันไม่เป็นที่ยอมรับในวงจรที่มีขนาดเล็กและมีความหนาแน่นสูง
เมื่อกล่าวถึงมาตรการป้องกัน ESD มีปัจจัยมากมายที่ต้องนำมาพิจารณาในการตัดสินใจ เพื่อให้สามารถใช้มาตรการป้องกัน ESD ที่เหมาะสมที่สุดได้
ป.ล. เคล็ดลับบางประการสำหรับการสร้างจุดบัดกรีที่มีประสิทธิภาพสูงสุดในกระบวนการประกอบ SMT
เมื่อผลิตภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์มีขนาดเล็กลงอย่างต่อเนื่องและมีฟังก์ชันหลากหลายมากขึ้น การวิเคราะห์หาสาเหตุของข้อบกพร่องในกระบวนการประกอบ SMT จึงยิ่งทำได้ยากขึ้น ปัญหาข้อต่อประสานเป็นประเด็นสำคัญในกระบวนการประกอบ SMT ดังนั้นปัญหาข้อต่อประสานจึงสามารถจัดการได้โดยการตั้งค่าเส้นโค้งอุณหภูมิการรีโฟลว์บัดกรีให้เหมาะสม
โพรงอากาศสามารถเร่งความเร็วในการขยายตัวของรอยร้าว และทำให้ความแข็งแรงของข้อต่อบัดกรีลดลง การใช้วิอาบอด (Blind Via) บนแผ่นวงจรพิมพ์ (PCB: Printed Circuit Board) จะทำให้เกิดโพรงอากาศ ซึ่งยังอาจเกิดจากการใช้เทคโนโลยีที่ไม่เหมาะสมได้ด้วย ภายในวิอาบอดจะมีอากาศอยู่ และปริมาตรของอากาศจะขยายตัวเมื่อได้รับความร้อน นอกจากนี้ ขณะที่ครีมประสานกำลังหลอมละลาย อากาศบางส่วนจะถูกขับออกไป แต่อากาศที่ไม่ถูกขับออกจะกลายเป็นโพรงอากาศภายในข้อต่อบัดกรี
นอกจากนี้ การเกิดโพรงยังเกี่ยวข้องโดยตรงกับอุณหภูมิการบัดกรี ควรยืดระยะเวลาอุณหภูมิการอุ่นล่วงหน้าให้อยู่ในช่วง 90 ถึง 120 วินาที เพื่อให้อากาศและความชื้นที่มีอยู่ในครีมประสานระเหยออกไปได้อย่างสมบูรณ์ ซึ่งสามารถลดโอกาสการเกิดโพรงได้ หรือการลดแรงตึงผิวของครีมประสานก็สามารถช่วยขับไล่ฟองอากาศในสภาพแวดล้อมที่มีอุณหภูมิสูงได้
