ในอิเล็กทรอนิกส์สมัยใหม่ ชุดประกอบแผงวงจรพิมพ์ (PCBA) ทำหน้าที่เป็นแกนหลักของอุปกรณ์เกือบทุกชนิด ตั้งแต่อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สำหรับผู้บริโภคไปจนถึงระบบยานยนต์และระบบอุตสาหกรรม วายาส (via) ซึ่งเป็นโครงสร้างทองแดงชุบขนาดเล็กที่เชื่อมต่อชั้นต่าง ๆ ของแผงวงจรพิมพ์ (PCB) มีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการเชื่อมต่อทางไฟฟ้าและการส่งสัญญาณ อย่างไรก็ตาม ภายใต้การเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิซ้ำ ๆ วายาสมักกลายเป็นจุดอ่อน ส่งผลให้เกิดความขัดข้องแบบไม่ต่อเนื่อง วงจรเปิด หรือการล้มเหลวของการทำงานโดยสมบูรณ์ การทำความเข้าใจว่าวายาล้มเหลวระหว่างการไซเคิลความร้อนด้วยเหตุใดจึงเป็นสิ่งสำคัญต่อการปรับปรุงความเชื่อถือได้ การยืดอายุการใช้งาน และการลดอัตราความล้มเหลวในสภาพแวดล้อมที่มีความต้องการสูง
การเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิเป็นช่วง ๆ คืออะไร และเหตุใดจึงทำให้วิอาสเกิดความเครียด?
การไซเคิลทางความร้อน (Thermal cycling) หมายถึงกระบวนการให้ความร้อนและทำให้แผ่น PCB เย็นลงซ้ำๆ ระหว่างการทำงานหรือการทดสอบ การเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิทำให้วัสดุในแผ่น PCB ขยายตัวและหดตัวเป็นจังหวะ เกิดความเค้นทางอุณหกล‑กลศาสตร์ (thermomechanical stress) ขึ้น แตกต่างจากช็อกความร้อนระยะสั้น การไซเคิลทางความร้อนระยะยาวจะทำให้เกิดความล้าและความเสียหายสะสม โดยเฉพาะบริเวณรอยต่อของวัสดุและจุดไม่ต่อเนื่องของโครงสร้าง วีอาส์ (vias) มีความเปราะบางเป็นพิเศษ เนื่องจากประกอบด้วยชั้นทองแดงชุบและวัสดุฉนวนไดอิเล็กทริกที่มีค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อน (CTE) แตกต่างกันอย่างมาก
สำหรับวัสดุแผ่น PCB ทั่วไปอย่างเช่น FR‑4 ค่า CTE ในระนาบอยู่ที่ประมาณ 13–17 ppm/°C ในขณะที่ค่า CTE ในทิศทางความหนา (แกน Z) สามารถสูงถึง 60–70 ppm/°C ตรงกันข้าม ทองแดงมีค่า CTE ประมาณ 16–17 ppm/°C ความไม่สอดคล้องกันอย่างมากตามแนวแกน Z นี้ทำให้เกิดความเค้นดึงและเฉือนอย่างมีนัยสำคัญต่อผนังรูวายาเมื่ออุณหภูมิเปลี่ยนแปลง เมื่อผ่านไปหลายร้อยหรือหลายพันรอบ ความเค้นจะไปกระจุกตัวที่จุดอ่อน และท้ายที่สุดจะนำไปสู่การเริ่มต้นและการลุกลามของรอยร้าว
กลไกความล้มเหลวหลักของเวียภายใต้การผ่านรอบอุณหภูมิ
1. การแตกร้าวของบาร์เรลที่เกิดจากความไม่สอดคล้องของสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อน
โหมดความล้มเหลวที่พบบ่อยที่สุดคือการแตกร้าวของบาร์เรล ซึ่งเกิดขึ้นในชั้นทองแดงชุบของรูเวีย การขยายตัวตามแกน Z ของวัสดุไดอิเล็กทริกมีค่ามากกว่าทองแดงอย่างมาก ระหว่างการให้ความร้อน วัสดุจะดันบาร์เรลของเวียออกไปด้านนอก; ระหว่างการเย็นตัว วัสดุจะดึงกลับเข้าด้านใน การยืดและการอัดซ้ำ ๆ แบบนี้ทำให้ชั้นทองแดงเกิดความล้า รอยร้าวมักเริ่มจากผนังด้านในของรูเวีย แพร่กระจายไปตามขอบเกรน และในที่สุดทำให้เส้นทางการนำไฟฟ้าขาดออก
วิอาสที่มีอัตราส่วนมิติสูง (อัตราส่วนความลึกต่อเส้นผ่านศูนย์กลาง > 8:1) มีแนวโน้มที่จะเกิดความล้มเหลวประเภทนี้เป็นพิเศษ วิอาสที่แคบและลึกทำให้การชุบให้สม่ำเสมอทำได้ยาก ส่งผลให้มีความหนาทองแดงน้อยลงบริเวณกึ่งกลางของบาร์เรล บริเวณที่บางกว่าจะเกิดความเค้นสะสมสูงกว่าและแตกร้าวได้ง่ายขึ้นภายใต้การไซเคิลความร้อน
2. ความล้มเหลวในบลายด์ไวอา เบอรีด์ไวอา และสแตกไวอา
ในแผงวงจรพิมพ์ HDI (High‑Density Interconnect),รูวายบอดผ่านบางส่วน, รูวายบอดฝังภายในและไมโครเวียแบบซ้อนมีความเสี่ยงต่อการเสียหายที่เป็นเอกลักษณ์ เวียแบบบอดมักมีการชุบทองแดงที่บางกว่าบริเวณคอใกล้ผิว ซึ่งกลายเป็นจุดแตกหักเมื่อวัสดุฐานที่ขยายตัวกดดันเข้าหามัน เวียแบบซ้อนมักล้มเหลวที่รอยต่อระหว่างชั้น ทำให้เกิดการเชื่อมต่อที่มีความต้านทานสูงหรือวงจรขาด
มาตรฐาน IPC เน้นย้ำถึงข้อกังวลด้านความน่าเชื่อถือสำหรับโครงสร้างเหล่านี้ วิธีการ IPC‑TM‑650 ข้อ 2.6.27 กำหนดให้มีการทดสอบการปั่นรอบอุณหภูมิและการรีโฟลว์เพื่อยืนยันว่าการเปลี่ยนแปลงค่าความต้านทานต้องไม่เกิน 5% เพื่อให้มั่นใจถึงความทนทานต่อความล้าจากความร้อนอย่างเพียงพอ
3. คุณภาพการชุบเคลือบที่ไม่ดีและข้อบกพร่องด้านโครงสร้าง
ความเชื่อถือได้ของเวียขึ้นอยู่กับคุณภาพของการชุบทองแดงอย่างมาก ข้อบกพร่องที่พบได้ทั่วไปได้แก่ ความหนาทองแดงที่ไม่สม่ำเสมอ โพรงอากาศ สิ่งแปลกปลอม และความหนาของชุบทองแดงที่ไม่เพียงพอ สิ่งที่เรียกว่า “เอฟเฟกต์กระดูกสุนัข” หมายถึงชั้นทองแดงที่บางกว่าในบริเวณกลางปลอกเวียเมื่อเทียบกับบริเวณปากเวียด้านบนและด้านล่าง ความไม่สม่ำเสมอเช่นนี้ก่อให้เกิดจุดรวมความเค้นตามธรรมชาติ ซึ่งเร่งการเติบโตของรอยร้าวภายใต้การวัฏจักรทางความร้อน
ช่องว่างหรือช่องโหว่ในชั้นเคลือบทองแดงจะยิ่งลดความแข็งแรงทางกลและการนำไฟฟ้า แม้ช่องว่างขนาดเล็กก็สามารถขยายตัวภายใต้ความเค้นแบบเป็นรอบ ๆ ทำให้เกิดความล้มเหลวอย่างรวดเร็ว โดยทั่วไปอุตสาหกรรมแนะนำให้มีความหนาของชั้นเคลือบทองแดงอย่างน้อย 25 μm (1 mil) เพื่อให้ประสิทธิภาพของ via มีความเสถียรภายใต้ความเค้นจากความร้อน
4. การเลือกวัสดุและประสิทธิภาพของซับสเตรตที่ไม่เพียงพอ
วัสดุแผ่นรองมีผลโดยตรงต่อความน่าเชื่อถือของเวียภายใต้การผ่านรอบอุณหภูมิ วัสดุที่มีค่า Tg (อุณหภูมิการเปลี่ยนผ่านแก้ว) ต่ำจะอ่อนตัวลงที่อุณหภูมิค่อนข้างต่ำ ทำให้ความเสี่ยงต่อการเสียรูป การหลุดล่อน และการแตกร้าวของเวียเพิ่มขึ้น การดูดซับความชื้นในระดับสูงยังสามารถทำให้เกิดการกลายเป็นไอภายในระหว่างการรีโฟลว์หรือการทำงานที่อุณหภูมิสูง ซึ่งจะทำลายโครงสร้างเวียจากภายใน
การใช้ลามิเนตที่มีค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อน (CTE) ต่ำช่วยลดความแตกต่างของการขยายตัวระหว่างซับสเตรตกับทองแดง ทำให้ความเค้นทางความร้อน‑กลลดลง วัสดุประสิทธิภาพสูงที่มีค่า CTE สมดุลและมีเสถียรภาพทางความร้อนสูงช่วยเพิ่มอัตราการอยู่รอดของเวียได้อย่างมีนัยสำคัญระหว่างการไซเคิลอุณหภูมิ
5. การแยกชั้นภายในและการลอกตัวของพื้นผิว Interface
โหมดความล้มเหลวอีกประการหนึ่งคือการแยกชั้นด้านใน (ILS) ซึ่งรวมถึงการแยกตัวของฟอยล์ทองแดง การหลุดล่อนระหว่างทองแดงฟลัชกับทองแดงชุบไฟฟ้า หรือการแยกตัวที่บริเวณรอยต่อระหว่างทองแดงกับวัสดุฐาน แตกต่างจากการแตกร้าวของบาร์เรลที่เกิดจากความไม่สอดคล้องกันของสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อน (CTE) ตามแกน Z, ILS เกิดจากการขยายตัวในระนาบของเรซินที่ดันเข้าหาบาร์เรลของเวีย การชุบด้วยทองแดงหนาและมีคุณภาพสูงสามารถทนต่อการเปลี่ยนรูปนี้และช่วยชะลอหรือป้องกันการแยกชั้นได้ การชุบที่บางหรือไม่แข็งแรงทำให้เกิดการเสียรูปแบบพลาสติกและความเค้นดึงสูง ซึ่งกระตุ้นให้เกิดความล้มเหลวจากการแยกตัว
วิธีที่การเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิแบบวัฏจักรเร่งให้เกิดความล้มเหลวของเวีย
การไหลเวียนความร้อนแบบเป็นรอบเร่งให้เกิดความล้มเหลวผ่านกลไกที่เชื่อมโยงกันสามประการ:
ความเมื่อยล้าสะสมการขยายตัวและหดตัวทางความร้อนแบบย้อนกลับได้ทำให้เกิดการรับน้ำหนักแบบวัฏจักร ซึ่งทำให้ทองแดงและรอยต่ออ่อนแอลงเมื่อเวลาผ่านไป
ความเค้นรวมตัว: ข้อบกพร่อง การเปลี่ยนแปลงทางเรขาคณิต และความไม่สอดคล้องกันของวัสดุ ทำให้เกิดจุดความเค้นเฉพาะที่ซึ่งรอยร้าวเริ่มต้นและเติบโตขึ้น
การเสื่อมสภาพของวัสดุอุณหภูมิสูงจะเร่งการคืบตัว การออกซิเดชัน และการเสื่อมสภาพที่รอยต่อ ในขณะที่อุณหภูมิต่ำจะเพิ่มความเปราะ ทำให้วัสดุมีแนวโน้มแตกหักได้ง่ายขึ้น
ปัจจัยเหล่านี้เมื่อรวมกันแล้ว จะทำให้ข้อบกพร่องเล็กน้อยในการผลิตหรือการออกแบบ กลายเป็นความล้มเหลวอย่างร้ายแรงตลอดวงจรชีวิตของผลิตภัณฑ์
โซลูชันด้านการออกแบบและการผลิตเพื่อปรับปรุงความเชื่อมั่นของเวีย
เพื่อช่วยลดความล้มเหลวของเวียระหว่างการไล่ระดับอุณหภูมิ วิศวกรและผู้ผลิตสามารถนำกลยุทธ์ต่อไปนี้ไปใช้ได้
เพิ่มประสิทธิภาพผ่านเรขาคณิตลดอัตราส่วนกว้างยาวโดยการเพิ่มเส้นผ่านศูนย์กลางของวิอาสำหรับโครงสร้างที่ลึกขึ้น หลีกเลี่ยงอัตราส่วนกว้างยาวที่สูงเกินไปซึ่งส่งผลเสียต่อความสม่ำเสมอของการชุบเคลือบ
ปรับปรุงกระบวนการชุบเคลือบ: ใช้การชุบแบบพัลส์และอิเล็กโทรไลต์ความหนืดต่ำที่มีการกวนเพื่อให้ได้ความหนาทองแดงที่สม่ำเสมอ ปฏิบัติตามมาตรฐาน IPC สำหรับความหนาการชุบขั้นต่ำ
เลือกวัสดุสมรรถนะสูง: เลือกใช้แผ่นรองวงจรที่มีค่า Tg สูง, ค่า CTE ต่ำ และการดูดซึมความชื้นต่ำ เพื่อลดความเค้นจากความร้อนและความไม่เสถียรของวัสดุ
ใช้โครงสร้างผ่านที่มีความทนทาน: ให้ใช้ไมโครเวียที่มีอัตราส่วนความลึกต่อเส้นผ่านศูนย์กลางต่ำกว่าในงานออกแบบ HDI ใช้กระบวนการอัดเติมเวียแบบควบคุม (ชนิดนำไฟฟ้าหรือไม่ใช่นำไฟฟ้า) เพื่อเพิ่มความแข็งแรงทางกลและป้องกันการไหลซึมของบัดกรี
เข้มงวดการทดสอบความเชื่อถือได้: ดำเนินการทดสอบการวัฏจักรความร้อนแบบเร่งตามมาตรฐาน IPC‑9701 และ IPC‑TM‑650 เพื่อค้นหาจุดอ่อนให้ได้ตั้งแต่ระยะแรก พร้อมทั้งติดตามการเปลี่ยนแปลงของค่าความต้านทานแบบเรียลไทม์ระหว่างการทดสอบ
บทสรุป
สัญญาณผ่านรูทะลุ (via) มักล้มเหลวระหว่างการไซเคิลความร้อนเป็นหลักเนื่องมาจากความไม่สอดคล้องกันของค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อน (CTE) ระหว่างทองแดงกับวัสดุฐาน การออกแบบที่ไม่เหมาะสม คุณภาพการชุบที่ไม่เพียงพอ และการเลือกใช้วัสดุที่ไม่เหมาะสม ปัจจัยเหล่านี้นำไปสู่การแตกร้าวของผนังรู (barrel cracking) การแยกตัวของชั้นใน การลอกตัวที่รอยต่อ และความล้าเชิงโครงสร้าง เมื่ออุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ต้องทำงานในสภาพแวดล้อมที่รุนแรงมากขึ้นเรื่อย ๆ โดยเฉพาะในงานยานยนต์ อุตสาหกรรม และการใช้งานกลางแจ้ง ความเชื่อถือได้ของ via ภายใต้การไซเคิลความร้อนจึงกลายเป็นปัจจัยชี้ขาดต่อสมรรถนะของระบบและอายุการใช้งาน
ด้วยการจัดการที่สาเหตุรากฐานผ่านการเพิ่มประสิทธิภาพของวัสดุ การออกแบบที่แข็งแกร่ง การผลิตที่มีความแม่นยำ และการทดสอบความน่าเชื่อถืออย่างเข้มงวด จึงสามารถลดความล้มเหลวของ via ได้อย่างมาก และทำให้ประสิทธิภาพของ PCBA คงที่ตลอดหลายพันรอบของวัฏจักรความร้อน
สำหรับบริการผลิตแผ่นวงจรพิมพ์ (PCB) ระดับมืออาชีพที่ให้ความสำคัญกับความน่าเชื่อถือของรูทะลุ (via) ความเสถียรทางความร้อน และการปฏิบัติตามมาตรฐานคุณภาพระดับสากลPCBCartมีคุณสมบัติครบถ้วนการผลิตแผงวงจรพิมพ์และโซลูชันการประกอบแผงวงจร PCBCart ผสานรวมเทคโนโลยีการชุบขั้นสูง การควบคุมกระบวนการที่เข้มงวด และการทดสอบความเชื่อถือได้อย่างครอบคลุม เพื่อช่วยให้คุณสร้างแผงวงจรพิมพ์ (PCB) ที่ทนทานและมีอายุการใช้งานยาวนาน ซึ่งยังคงทำงานได้อย่างน่าเชื่อถือแม้อยู่ภายใต้สภาวะการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิอย่างรุนแรง ไม่ว่าจะเป็นงานด้านอุปโภคบริโภค ยานยนต์ หรืออุตสาหกรรม PCBCart ให้การสนับสนุนโครงการของคุณด้วยโซลูชันการเชื่อมต่อที่เชื่อถือได้และมีคุณภาพสูง ตั้งแต่ขั้นตอนการออกแบบไปจนถึงการส่งมอบ
แหล่งข้อมูลที่เป็นประโยชน์
•เคล็ดลับการออกแบบ PCB เพื่อใช้ประโยชน์จากศักยภาพของ PCBCart ให้ดียิ่งขึ้นและประหยัดต้นทุน
•วิธีการรับประกันคุณภาพของแผงวงจรพิมพ์ (PCB)
•กระบวนการผลิตแผงวงจรพิมพ์ (PCB) — คู่มือทีละขั้นตอน
•ข้อกำหนดเกี่ยวกับไฟล์ออกแบบแผงวงจรพิมพ์ (PCB) เพื่อให้การประกอบแผงวงจรพิมพ์ (PCB Assembly) เป็นไปอย่างราบรื่น
