ในการผลิตอิเล็กทรอนิกส์สมัยใหม่ ความหนาแน่นสูงการประกอบเทคโนโลยีการติดตั้งแบบผิวหน้า (SMT)ช่วยให้สามารถผลิตผลิตภัณฑ์ที่มีขนาดกะทัดรัดและประสิทธิภาพสูงได้ในหลากหลายอุตสาหกรรม เช่น ยานยนต์ การแพทย์ และอิเล็กทรอนิกส์สำหรับผู้บริโภค อย่างไรก็ตาม ยิ่งขนาดของชิ้นส่วนเล็กลงและบรรจุภัณฑ์มีความซับซ้อนมากขึ้นเท่าใด ความเสี่ยงที่เกี่ยวข้องกับความชื้นก็ยิ่งสูงขึ้น และได้กลายเป็นหนึ่งในภัยคุกคามที่ร้ายแรงที่สุดต่อความน่าเชื่อถือของผลิตภัณฑ์ การจัดการความเสี่ยงเหล่านี้ทำได้ผ่านระดับความไวต่อความชื้น (Moisture Sensitivity Level: MSL) ความชื้นที่ถูกดูดซึมและไม่ได้รับการจัดการอย่างเหมาะสมอาจทำให้เกิดข้อผิดพลาดในการบัดกรีแบบรีโฟลว์ ลดผลผลิตในการผลิต และก่อให้เกิดความล้มเหลวแฝงหลังการผลิต
ความเข้าใจเกี่ยวกับ MSL และพฤติกรรมความชื้น
มาตรฐาน IPC/JEDEC J-STD-020 จัดประเภทชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ตามความไวต่อการสัมผัสความชื้น ระดับการจัดอันดับคือ MSL 1 (ไวต่อความชื้นน้อยที่สุด) ถึง MSL 6 (ไวต่อความชื้นมากที่สุด) และแต่ละระดับกำหนดเวลาอนุญาตให้สัมผัสบรรยากาศ ซึ่งเรียกอีกอย่างว่าอายุการวางบนพื้น (floor life) ภายใต้สภาวะแวดล้อมที่ควบคุมได้ (โดยทั่วไปคือ ≤30℃ และ ≤60% ความชื้นสัมพัทธ์)
คอมโพเนนต์ที่มีระดับ MSL สูงกว่า (เช่น BGA, QFN และ IC ระยะพิชช์ละเอียด) มีความไวต่อปัญหานี้เป็นพิเศษ เนื่องจากบรรจุภัณฑ์พลาสติกของมันเอื้อให้ความชื้นแพร่กระจายเข้าสู่โครงสร้างภายในได้ ความชื้นนี้จะระเหยออกอย่างรวดเร็วเมื่อถูกให้ความร้อนสูงระหว่างกระบวนการรีโฟลว์ (โดยทั่วไปไม่เกินประมาณ 260℃ ในกระบวนการไร้สารตะกั่ว) และสิ่งนี้ทำให้เกิดความดันภายใน
สิ่งนี้ส่งผลให้เกิดสิ่งที่เรียกว่าเอฟเฟกต์ป๊อปคอร์น ซึ่งอาจก่อให้เกิด:
การแตกร้าวของบรรจุภัณฑ์
การหลุดลอกระหว่างชั้น
ความเสียหายของการเชื่อมลวด
ความล้มเหลวแฝงเร้นและรอยแตกจิ๋วภายใน
ความเสี่ยงเหล่านี้ยังคงถูกขยายให้รุนแรงยิ่งขึ้นอย่างมากในชุดประกอบ SMT ความหนาแน่นสูง เมื่อความเค้นจากความร้อนและความใกล้ชิดเพิ่มสูงขึ้น
ความเสี่ยงจากความชื้นในวงจรชีวิตของการผลิต
ระหว่างการประกอบ SMT
ความชื้นอาจส่งผลกระทบต่อหลายส่วนในกระบวนการประกอบแผงวงจรพิมพ์ (PCB):
การกระโดดป๊อปคอร์นและเสียงแตกความชื้นที่กลายเป็นไอจะเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วเมื่อทำการลอยตัวใหม่
ข้อบกพร่องของจุดบัดกรี:ความชื้นส่งผลต่อพฤติกรรมของครีมประสาน ทำให้เกิดโพรงอากาศหรือรอยเชื่อมที่ไม่แข็งแรง
การหลุดลามิเนตและการบิดงอของแผงวงจรพิมพ์ (PCB)วัสดุรองพื้นอีพ็อกซี่ไม่สามารถกักเก็บความชื้นและจะบวมเมื่อโดนความร้อน
ปัญหาความถูกต้องของสัญญาณการแพร่กระจายของสัญญาณในวงจรความหนาแน่นสูงอาจช้าลงได้เนื่องจากความชื้น ซึ่งสามารถเพิ่มค่าการนำไฟฟ้าได้
นอกจากนี้ ความหนืดของครีมประสานและความสม่ำเสมอของการพิมพ์ผ่านสเตนซิลยังได้รับผลกระทบจากความชื้นสูง ซึ่งทำให้ความเสถียรของกระบวนการลดลง
ระหว่างกระบวนการทำงานแก้ไข
การซ่อมแซมทำให้เกิดวัฏจักรความร้อนซ้ำ ๆ ซึ่งเพิ่มความเป็นไปได้ของความเสียหายที่เกิดจากความชื้น
ชิ้นส่วนที่เกินอายุการใช้งานบนพื้นต้องถูกนำมาทำการแก้ไขใหม่
แม้แต่ความเครียดภายในก็สามารถถูกกระตุ้นได้ในรูปแบบของความร้อนเฉพาะจุดในกรณีที่ยังคงมีความชื้นหลงเหลืออยู่
การจัดการที่ไม่ถูกต้องอาจทำให้เกิดข้อบกพร่องที่ไม่สามารถตรวจพบได้ด้วยตาเปล่า
ความล้มเหลวภายในอาจต้องใช้เทคนิคการตรวจสอบขั้นสูง เช่น การเอกซเรย์หรือการตรวจสอบด้วยคลื่นเสียง
หลังการประกอบและการใช้งานภาคสนาม
แม้ในขณะที่ประกอบเสร็จแล้ว ปัญหาเรื่องความชื้นก็ยังคงเป็นปัญหาอยู่
การกัดกร่อนและการเกิดออกซิเดชัน: โลหะสามารถเกิดการกัดกร่อนได้จากการรวมกันของความชื้นและสารปนเปื้อนที่มีไอออน
การเติบโตของการหลุดล่อนเป็นชั้น: รอยร้าวขนาดเล็กที่มีอยู่แล้วอาจขยายตัวเพิ่มขึ้นตามเวลา
ความล้มเหลวทางไฟฟ้า: กระแสรั่วไหลหรือการลัดวงจรอาจเกิดจากความชื้น
ความเสี่ยงในระยะยาวจะยิ่งเพิ่มสูงขึ้นเมื่ออยู่ในสภาพแวดล้อมที่มีความชื้นหรือมีอุณหภูมิแปรปรวน
ความท้าทายด้านความชื้นในระดับแผงวงจรพิมพ์ (PCB)
แม้แต่แผงวงจรพิมพ์ก็ยังไวต่อการดูดซับความชื้น วัสดุ FR-4 ระบบเรซิน และชั้นใยแก้วมีความสามารถในการกักเก็บความชื้นซึ่งสามารถ:
นำไปสู่ความเค้นภายในจากวัฏจักรความร้อน
ทำให้เกิดการลอกตัวระหว่างชั้น
ลดความต้านทานของฉนวนและประสิทธิภาพทางไฟฟ้าให้เหลือน้อยที่สุด
การออกแบบ PCB เช่น ความหนาแน่นของ via โครงสร้างระนาบทองแดง หรือโครงสร้างของเลเยอร์ มีผลต่อการแพร่กระจายของความชื้น ความชื้นที่ถูกกักเก็บไว้ยังอาจต้องใช้เวลานานมากในการระเหยในบอร์ดที่มีความหนาแน่นสูง ทำให้การกำจัดทำได้ยากขึ้นและเพิ่มโอกาสการแตกร้าวภายใน
กลยุทธ์สำคัญในการลดความเสี่ยงของ MSL
การเก็บรักษาอย่างเหมาะสมและการบรรจุภัณฑ์แบบแห้ง
อุปกรณ์ที่ไวต่อความชื้น (MSDs) จะต้องบรรจุไว้ในถุงป้องกันความชื้น (MBBs) พร้อมด้วยสารดูดความชื้นและการ์ดแสดงระดับความชื้น (HICs)
แนวทางปฏิบัติที่ดีที่สุดได้แก่:
การลดความชื้นสัมพัทธ์ลงต่ำกว่า 10% ในการเก็บรักษาชิ้นส่วนที่มีความไวต่อสภาพแวดล้อม
การตรวจสอบความสมบูรณ์ของบรรจุภัณฑ์ในขณะรับสินค้า
การเก็บรักษาระยะยาวภายใต้สภาพแห้งโดยใช้ตู้เก็บแบบแห้งหรือการเก็บด้วยไนโตรเจน
การควบคุมอายุการใช้งานบนพื้นอย่างเข้มงวด
สิ่งสำคัญคือต้องเฝ้าติดตามระยะเวลาการสัมผัสเมื่อเปิด MBBs:
ใช้ระบบบาร์โค้ดหรือ MES ในการตรวจสอบแบบเรียลไทม์
ใช้การควบคุมสินค้าคงคลังแบบ FIFO (เข้าก่อน-ออกก่อน)
ชิ้นส่วนที่ไม่ได้ใช้งานจะต้องถูกปิดผนึกใหม่
ข้อบกพร่องที่เกี่ยวข้องกับความชื้นส่วนใหญ่เกิดจากความล้มเหลวในการควบคุมอายุการใช้งานบนพื้นผลิต
กระบวนการอบแบบมีการจัดการ
เมื่อเกิดการสัมผัสมากเกินไป ความชื้นส่วนเกินจะถูกกำจัดออกไปด้วยการอบ:
เงื่อนไขทั่วไป: 100-125℃ 24-48 ชั่วโมง (ขึ้นอยู่กับระดับของ MSL)
ใช้คำแนะนำของผู้ผลิตเพื่อป้องกันความเสียหายของชิ้นส่วน
อย่าอบนานเกินไป มิฉะนั้นความสามารถในการบัดกรีหรือผิวเคลือบของแผ่น PCB อาจเสียหายได้
การอบไม่สามารถทดแทนการเก็บรักษาอย่างถูกต้องได้ แต่ควรใช้เป็นการแก้ไขปัญหาภายหลังมากกว่า
การควบคุมการผลิตของสิ่งแวดล้อม
จำเป็นต้องรักษาสมดุลของสภาพแวดล้อมการผลิต
ความชื้นสัมพัทธ์ที่เหมาะสม: 40–60% RH
การดูดซับความชื้นจะเพิ่มขึ้นเมื่อความชื้นสัมพัทธ์สูง (＞60%)
สภาพอากาศที่อบอุ่นและแห้ง (ความชื้นสัมพัทธ์ต่ำ＜30%) จะเพิ่มความเสี่ยงของการเกิดการคายประจุไฟฟ้าสถิต (ESD)
สภาพแวดล้อมที่ควบคุมได้ช่วยลดความชื้นรวมถึงการเกิดไฟฟ้าสถิต
กระบวนการและการควบคุมการรีโฟลว์
ควรให้ความสำคัญกับการตรวจวัดอุณหภูมิอย่างเหมาะสม:
อัตราการเพิ่มความร้อนแบบค่อยเป็นค่อยไปช่วยขจัดการช็อกจากความร้อน
ความเค้นเฉพาะจุดลดลงได้ด้วยการให้ความร้อนอย่างสม่ำเสมอ
รับประกันความสามารถในการเปรียบเทียบด้วยการปรับเทียบเตาอบอย่างถูกต้อง
กระบวนการที่มีความเสถียรมีบทบาทสำคัญในการลดความล้มเหลวที่เกิดจากความชื้น
การออกแบบทนความชื้น
ความเสี่ยงสามารถรับมือได้ด้วยความช่วยเหลือจากการออกแบบ:
หากเป็นไปได้ ให้ใช้คอมโพเนนต์ที่มีระดับ MSL ต่ำกว่า
การออกแบบ PCB ช่วยลดการกักเก็บความชื้น
ลองนึกถึงการจัดวางบอร์ดในแนวตั้งในการใช้งานต่าง ๆ
ใช้การเคลือบผิวและการเคลือบป้องกันที่เหมาะสม
การเคลือบผิวแบบคอนฟอร์มอล (เช่น อะคริลิกหรือซิลิโคน) สามารถเป็นวิธีแก้ปัญหาที่มีประสิทธิภาพต่อความชื้นจากสภาพแวดล้อมได้
เทคโนโลยีขั้นสูงสำหรับการลดความชื้น
ในกรณีของแอปพลิเคชันที่ต้องการความเชื่อถือได้สูง แนวทางขั้นสูงประกอบด้วย:
ตู้เก็บแบบแห้ง (＜5% RH): เพิ่มอายุการเก็บรักษาของชิ้นส่วน
ระบบจัดเก็บ: กำจัดความชื้นและการเกิดออกซิเดชัน
การลามิเนตแบบสุญญากาศ: ลดรูภายในให้เหลือน้อยที่สุดในการผลิตแผงวงจรพิมพ์ (PCB)
ระบบติดตามอัตโนมัติ: ดูแลข้อกำหนด MSL
เทคโนโลยีเหล่านี้จะช่วยส่งเสริมความสม่ำเสมอและลดความผิดพลาดของมนุษย์ในกระบวนการผลิตที่ซับซ้อน
ความสำคัญของการป้องกันมากกว่าการแก้ไข
แม้ว่าการสัมผัสความชื้นจะสามารถแก้ไขได้ด้วยการอบและการทำงานซ้ำ แต่การป้องกันคือวิธีแก้ปัญหาที่ดีที่สุด การจัดการมากเกินไป การให้ความร้อน และการกู้คืนสภาพเดิมอาจเพิ่มต้นทุนและระยะเวลารอบการผลิต และยังอาจก่อให้เกิดความเสี่ยงเพิ่มเติม
ด้วยการนำมาตรการควบคุมความชื้นที่เหมาะสมมาใช้ตั้งแต่ระยะแรกของกระบวนการออกแบบ กล่าวคือ ในระหว่างการเลือกวัสดุ การจัดเก็บ และการประกอบ ผู้ผลิตสามารถเพิ่มอัตราผลผลิตและลดอัตราของเสียได้อย่างมาก รวมถึงเพิ่มความเชื่อถือได้ในระยะยาวด้วย
การลดความเสี่ยงของระดับความไวต่อความชื้น (MSL) ในการประกอบ SMT ความหนาแน่นสูงนั้นเกี่ยวข้องกับแนวทางสหวิทยาการตลอดวงจรชีวิต ตั้งแต่การเก็บรักษาชิ้นส่วนและการผลิตแผ่นวงจรพิมพ์ (PCB) ไปจนถึงการประกอบ การซ่อมแก้ไข และการปกป้องผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้าย แต่ละขั้นตอนเหล่านี้จำเป็นต้องถูกควบคุมอย่างเข้มงวดเพื่อหลีกเลี่ยงความล้มเหลวที่เกิดจากความชื้น
ด้วยการเปลี่ยนแปลงอย่างต่อเนื่องของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่มีความหนาแน่นสูงขึ้นและซับซ้อนมากขึ้น แนวคิดในการควบคุมความชื้นที่เกี่ยวข้องจึงไม่ใช่ทางเลือกอีกต่อไป แต่เป็นสิ่งจำเป็นต่อคุณภาพและความเชื่อถือได้
PCBCart ให้บริการสำหรับEMS,การประกอบแผงวงจรพิมพ์และการผลิตแผงวงจรพิมพ์ (PCB) เราจะช่วยลูกค้าลดความเสี่ยงด้าน MSL และส่งมอบผลลัพธ์ที่มีคุณภาพสูงและสม่ำเสมอในการใช้งาน SMT ขั้นสูง โดยมุ่งเน้นอย่างมากที่การควบคุมกระบวนการ การจัดการด้านสิ่งแวดล้อม และการปฏิบัติตามมาตรฐานอุตสาหกรรม
รับบริการประกอบแผงวงจร PCB ที่เชื่อถือได้ พร้อมการควบคุมความเสี่ยง MSL โดยผู้เชี่ยวชาญ
แหล่งข้อมูลที่เป็นประโยชน์
•คู่มือการใช้งานสารเคลือบป้องกันแบบคอนฟอร์มอล
•การออกแบบแผ่นรองชิ้นส่วน QFN
•การตรวจสอบด้วยเอกซเรย์อัตโนมัติ (AXI)
•แนวทางกระบวนการบัดกรีแบบรีโฟลว์
