เทคโนโลยีการติดตั้งแบบผิวหน้า (SMT)ถูกนำมาใช้ในการผลิตอิเล็กทรอนิกส์สมัยใหม่เพื่อให้สามารถออกแบบวงจรที่มีความหนาแน่นสูงและรองรับการประกอบอัตโนมัติความเร็วสูง อย่างไรก็ตาม ยิ่งขนาดของชิ้นส่วนเล็กลงและความหนาแน่นของแผงวงจรสูงขึ้นเท่าใด ความเป็นไปได้ที่จะเกิดความผิดพลาดในการประกอบก็ยิ่งสูงขึ้นเท่านั้น ปรากฏการณ์ PCB tombstoning หรือที่รู้จักกันในชื่อ Manhattan effect เป็นหนึ่งในข้อบกพร่องที่เกิดขึ้นบ่อยที่สุดของการบัดกรีแบบรีโฟลว์ ปรากฏการณ์นี้เกิดขึ้นเมื่อชิ้นส่วนแบบติดตั้งบนพื้นผิวขนาดเล็กด้านหนึ่งยกตัวขึ้นและตั้งฉากอยู่บนแผ่นรองบัดกรีระหว่างกระบวนการบัดกรี แม้ว่าข้อบกพร่องนี้จะเกิดกับชิ้นส่วนที่มีขนาดเล็กมาก แต่ก็อาจทำให้เกิดวงจรเปิด ลดความน่าเชื่อถือของผลิตภัณฑ์ และทำให้ค่าใช้จ่ายในการแก้ไขงานสูงขึ้น จึงมีความจำเป็นต้องทำความเข้าใจถึงสาเหตุที่ทำให้เกิด tombstoning ตลอดจนวิธีการป้องกันเพื่อให้ได้ความมั่นคงการประกอบแผงวงจรพิมพ์และอัตราการผลิตที่ได้ผลผลิตสูง
อะไรคือการเกิดทอมบ์สโตนบนแผงวงจรพิมพ์ (PCB)?
การล้มตั้งของชิ้นส่วนบนแผงวงจร (PCB tombstoning) เป็นข้อบกพร่องในการบัดกรีที่ขั้วต่อด้านหนึ่งของชิ้นส่วนแบบติดตั้งบนผิวหน้า (surface-mount component) หลุดออกจากแผ่นรองบัดกรี ในขณะที่อีกด้านหนึ่งยังคงถูกบัดกรีอยู่ ส่งผลให้ชิ้นส่วนตั้งชันขึ้นมาเหมือนหลุมศพ ข้อบกพร่องนี้มักเกิดขึ้นในขั้นตอนการรีโฟลว์ของการประกอบ SMT เมื่อครีมประสานบัดกรีหลอมรวมและก่อให้เกิดแรงเปียกบนทั้งสองด้านของชิ้นส่วน เมื่อแรงดังกล่าวสมดุลกัน ชิ้นส่วนจะราบเรียบ เมื่อแรงไม่เท่ากัน ด้านที่มีแรงมากกว่าจะดึงชิ้นส่วนให้โก่งขึ้น
ปัญหานี้พบได้บ่อยที่สุดกับอุปกรณ์พาสซีฟขนาดเล็ก เช่น ตัวต้านทานแบบชิป ตัวเก็บประจุเซรามิกหลายชั้น และตัวเหนี่ยวนำขนาดจิ๋ว แพ็กเกจอย่าง 0201 และ 0402 มีความอ่อนไหวเป็นพิเศษ เนื่องจากน้ำหนักที่เบาทำให้แรงตึงผิวสามารถหมุนตัวอุปกรณ์ได้ก่อนที่ข้อต่อประสานจุดที่สองจะก่อตัวขึ้น
กระบวนการเกิดทอมบ์สโตนระหว่างการรีโฟลว์
ในกระบวนการรีโฟลว์บัดกรี เนื้อบัดกรีบนแผ่นรอง PCB จะถูกหลอมละลายเพื่อสร้างการเชื่อมต่อทางโลหะวิทยาระหว่างขั้วต่อของชิ้นส่วนกับแผ่นรอง โดยในอุดมคติแล้ว ข้อต่อทั้งสองด้านควรถึงจุดหลอมเหลวเกือบจะพร้อมกัน หากด้านหนึ่งหลอมละลายก่อน เนื้อบัดกรีที่หลอมเหลวจะสร้างแรงเปียกที่มากกว่า ซึ่งดึงชิ้นส่วนให้เข้าหาแผ่นรองด้านนั้น ชิ้นส่วนจะหมุนและตั้งขึ้นในแนวตั้งหากอีกด้านหนึ่งยังไม่เกิดการรีโฟลว์ ความไม่สมดุลนี้อาจเกิดจากปัจจัยหลายอย่างทั้งในกระบวนการและการออกแบบ
สาเหตุหลักของการเกิดทอมบ์สโตนบนแผงวงจรพิมพ์ (PCB)
หนึ่งในสาเหตุสำคัญคือการทาเนื้อประสานบัดกรีไม่สม่ำเสมอเมื่อมีการพิมพ์สเตนซิลแผ่นรองที่มีปริมาณครีมประสานมากกว่า ตะกั่วบัดกรีหลอมเหลวที่ได้จะเกิดแรงตึงผิวที่แข็งแกร่งกว่าบนแผ่นรองนั้น
Tombstoning ยังอาจเกิดจากความไม่สมดุลทางความร้อนระหว่างการรีโฟลว์ความไม่สม่ำเสมอของการกระจายตัวของทองแดง, ระนาบกราวด์ขนาดใหญ่ที่เชื่อมต่อกับแพดเพียงจุดเดียว หรือสนามอุณหภูมิที่ไม่ซิงโครไนซ์ อาจทำให้ข้อต่อหนึ่งร้อนเร็วกว่าข้อต่ออีกอันได้
ความเสี่ยงยิ่งทวีความรุนแรงขึ้นจากปัญหาการออกแบบแผ่นรองอาจเกิดปริมาณตะกั่วบัดกรีหรือพฤติกรรมการให้ความร้อนที่ไม่เท่ากันได้เมื่อแผ่นรองมีขนาด ระยะห่าง หรือการเชื่อมต่อทองแดงที่แตกต่างกัน
อีกปัจจัยหนึ่งคือการวางชิ้นส่วนไม่ถูกต้องเมื่อชิ้นส่วนไม่ได้วางอยู่ตรงกึ่งกลางของแผ่นรองบัดกรี ตะกั่วบัดกรีด้านหนึ่งอาจยึดปลายขั้วและดึงอุปกรณ์ให้ยกตัวขึ้น
แม้แต่สภาพวัตถุมีความสำคัญ ความเร็วในการเปียกถูกส่งผลโดยความไวของฟลักซ์ ความหนืดของน้ำยาประสาน และการเคลือบผิวหน้า PCBการยึดเกาะของบัดกรีอาจไม่สามารถเกิดขึ้นได้เนื่องจากการปนเปื้อน การเกิดออกซิเดชัน หรือสภาวะการจัดเก็บที่ไม่เหมาะสม
ผลกระทบของการเกิดทอมบ์สโตนต่อการประกอบแผงวงจรพิมพ์
ปรากฏการณ์ทอมบ์สโตนส่งผลต่อประสิทธิภาพทางไฟฟ้าและกระบวนการผลิต อุปกรณ์ชิ้นส่วนจะก่อให้เกิดวงจรเปิดและทำให้อุปกรณ์ไม่สามารถทำงานได้อย่างถูกต้อง เนื่องจากขั้วต่อด้านใดด้านหนึ่งไม่ได้เชื่อมต่อ ในกรณีอื่น ๆ การสัมผัสกันเพียงบางส่วนจะทำให้เกิดสัญญาณที่ติด ๆ ดับ ๆ ซึ่งตรวจหาหรือวินิจฉัยได้ยาก
ข้อบกพร่องยังทำให้การผลิตมีต้นทุนสูง แผงวงจรที่เกิดอาการทอมบ์สโตนจำเป็นต้องได้รับการตรวจสอบ ซ่อมแซม หรือเปลี่ยนใหม่ ซึ่งทำให้ปริมาณการผลิตลดลงและอัตราผลิตสำเร็จในการผลิตลดลง
มาตรการป้องกันที่เหมาะสม
ความร่วมมืออย่างใกล้ชิดระหว่างการผลิตแผงวงจรพิมพ์สาร วัสดุ และการกำกับดูแลกระบวนการประกอบเป็นสิ่งจำเป็นเพื่อให้มั่นใจว่าการป้องกันจะประสบความสำเร็จ
หนึ่งในปัจจัยที่สำคัญที่สุดคือการออกแบบแผ่นรองแบบสมดุลแผ่นรองต้องมีขนาดและระยะห่างเท่ากัน และขั้วต่อทั้งสองต้องสามารถซ้อนทับบนแผ่นรองได้มากพอเพื่อให้การเปียกติดมีความเสถียร
การพิมพ์ครีมประสานบัดกรีที่มีความเสถียรก็มีความสำคัญเช่นกัน การใช้ความหนาของสเตนซิลที่เหมาะสม การออกแบบช่องเปิดของสเตนซิลอย่างถูกต้อง และการตรวจสอบสเตนซิลอย่างสม่ำเสมอ ถูกนำมาใช้เพื่อให้ได้ปริมาณของบัดกรีที่เท่ากันบนแผ่นรองแต่ละแผ่น
โปรไฟล์การรีโฟลว์ที่ควบคุมได้อย่างดีช่วยให้ข้อต่อหลอมละลายพร้อมกัน การเริ่มต้นอย่างช้า ๆ พื้นที่แช่ที่คงที่ และอุณหภูมิสูงสุดที่ถูกต้อง ช่วยลดความแปรปรวนทางความร้อนทั่วทั้งแผงวงจรพิมพ์ (PCB)
การหยิบและวางอย่างแม่นยำช่วยลดความเสี่ยงของการเกิดทอมบ์สโตนได้มากยิ่งขึ้น การปรับเทียบเครื่องจักร การตั้งค่าแรงดันหัวฉีดให้ถูกต้อง และความเร็วในการวางชิ้นส่วนที่เหมาะสม ถูกนำมาใช้เพื่อให้ชิ้นส่วนยังคงอยู่กึ่งกลางบนแผ่นรองของมัน
อีกขั้นตอนหนึ่งคือการทำความสะอาดวัสดุการทำความสะอาดแผ่นรองบัดกรีและขาของชิ้นส่วนด้วยการกำจัดฝุ่น คราบน้ำมัน และออกไซด์ ช่วยเพิ่มการเปียกตัวของบัดกรีและความน่าเชื่อถือของจุดบัดกรี
สามารถตรวจพบส่วนประกอบที่ถูกยกเลิกใช้งานได้เร็วยิ่งขึ้นในกระบวนการผลิตโดยใช้เทคโนโลยีการตรวจสอบรวมถึงการตรวจสอบด้วยระบบออปติคัลอัตโนมัติและระบบเอกซเรย์เพื่อให้มั่นใจว่ามาตรการแก้ไขจะถูกดำเนินการอย่างทันท่วงที
การปรับปรุงกระบวนการเพิ่มเติม
การปรับปรุงกระบวนการเพิ่มเติมสามารถช่วยลดปัญหาชิ้นส่วนตั้งชัน (tombstoning) ในการประกอบแผงวงจรความหนาแน่นสูงได้มากยิ่งขึ้น เพื่อให้ได้มวลความร้อนที่ใกล้เคียงกันในชิ้นส่วนแอคทีฟ วิศวกรอาจประเมินสมดุลของทองแดงรอบ ๆ ชิ้นส่วนพาสซีฟ อัตราการให้ความร้อนที่ไม่สม่ำเสมอในกระบวนการรีโฟลว์สามารถปรับสมดุลได้โดยการเพิ่มโครงสร้างระบายความร้อน (thermal relief) หรือเปลี่ยนความกว้างของลายทองแดง นอกจากนี้ยังสามารถใช้เพื่อคาดการณ์ความไม่สมดุลของการเปียกประสานที่อาจเกิดขึ้นในระยะเริ่มต้นของการผลิต โดยใช้เครื่องมือจำลองและการทบทวนการออกแบบ ซึ่งช่วยให้ผู้ออกแบบสามารถแก้ไขฟุตพริ้นต์หรือระยะห่างได้ตั้งแต่ขั้นตอนเริ่มต้นของการพัฒนา
การตรวจสอบกระบวนการและการฝึกอบรมก็มีประโยชน์เช่นกัน ระหว่างการผลิต ควรให้ผู้ปฏิบัติงานตรวจสอบการจัดแนวของสเตนซิล สภาพของครีมบัดกรี และความแม่นยำของการวางชิ้นส่วนในช่วงเวลาที่สม่ำเสมอ การตรวจสอบอุณหภูมิของเตาอบและความเร็วของสายพานลำเลียงช่วยให้มั่นใจว่าโปรไฟล์การรีโฟลว์มีความสม่ำเสมอระหว่างแต่ละล็อต การควบคุมเหล่านี้ร่วมกับการใช้วัสดุอย่างสม่ำเสมอและการออกแบบแผ่น PCB อย่างรอบคอบ ช่วยให้ได้รอยบัดกรีที่สมดุลและลดโอกาสที่ชิ้นส่วนจะยกตัวขึ้นระหว่างการรีโฟลว์ได้อย่างมีนัยสำคัญ ด้วยการออกแบบที่เหมาะสม การควบคุมกระบวนการ และการสนับสนุนด้านการผลิต บริษัทอิเล็กทรอนิกส์สามารถจัดการปัญหา tombstoning และรักษาความสม่ำเสมอของคุณภาพในงานประกอบ PCB ปัจจุบันได้
ด้วยลักษณะที่มีขนาดเล็กลงและซับซ้อนมากขึ้นเรื่อย ๆ ของผลิตภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์ ปัญหาข้อบกพร่องในการประกอบ เช่น การยกตัวของชิ้นส่วน (tombstoning) จึงทวีความสำคัญมากขึ้น ความผิดปกตินี้มักเกิดจากแรงเปียกที่ไม่สมดุล อันเป็นผลมาจากปริมาณครีมประสานที่ไม่สม่ำเสมอ ความแปรปรวนด้านความร้อน ปัญหาการออกแบบแผ่นรองบัดกรี หรือความคลาดเคลื่อนในการวางชิ้นส่วน ผ่านการออกแบบเลย์เอาต์ PCB ที่เหมาะสม การพิมพ์สเตนซิลคุณภาพสูง การปรับแต่งโปรไฟล์การรีโฟลว์ให้เหมาะสม และการควบคุมกระบวนการอย่างเข้มงวด ผู้ผลิตสามารถลดการเกิดการยกตัวของชิ้นส่วนและเพิ่มความน่าเชื่อถือโดยรวมของผลิตภัณฑ์ได้อย่างมาก
PCBCart ให้บริการประกอบแผงวงจรพิมพ์ (PCB Assembly) และการผลิตแผงวงจรพิมพ์ (PCB Fabrication) ระดับมืออาชีพ โดยมีสายการผลิต SMT ที่พัฒนามาอย่างดี มาตรการควบคุมคุณภาพที่เข้มงวด และความเชี่ยวชาญด้านวิศวกรรมอันหลากหลาย PCBCart ช่วยให้ลูกค้าลดจำนวนข้อบกพร่องในการประกอบและรับประกันคุณภาพผลิตภัณฑ์ที่สม่ำเสมอ ด้วยการให้บริการตรวจสอบการออกแบบ PCB และการวิเคราะห์ความสามารถในการผลิต การพิมพ์ครีมประสานที่แม่นยำ และกระบวนการบัดกรีแบบรีโฟลว์ที่ปรับให้เหมาะสม
รับบริการประกอบแผงวงจร PCB ที่เชื่อถือได้—ขอใบเสนอราคาของคุณวันนี้
แหล่งข้อมูลที่เป็นประโยชน์
•การผลิตสเตนซิลเลเซอร์
•ตรวจสอบ DFM ฟรี
•แนวทางกระบวนการบัดกรีแบบรีโฟลว์
•การตรวจสอบด้วยแสงอัตโนมัติ (AOI)
