หนึ่งในผิวเคลือบที่ใช้กันอย่างแพร่หลายที่สุดบนแผงวงจรพิมพ์ (PCB) ในการผลิตอิเล็กทรอนิกส์ปัจจุบันคือ นิกเกิลไม่ใช้ไฟฟ้าชุบทอง (Electroless Nickel Immersion Gold: ENIG) ด้วยความเรียบเนียนที่ยอดเยี่ยม ความทนทานต่อการออกซิเดชันสูง และความสามารถในการใช้งานกับชิ้นส่วนระยะพิชช์ละเอียด ENIG จึงถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในผลิตภัณฑ์รวมถึงแผงวงจร HDIชุดประกอบ BGA อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ยานยนต์ อุปกรณ์ทางการแพทย์ และอุปกรณ์การสื่อสาร
เมื่อแอสเซมบลีอิเล็กทรอนิกส์มีความซับซ้อนและมีขนาดกะทัดรัดมากขึ้น แผงวงจรพิมพ์จะถูกนำไปผ่านรอบการรีโฟลว์หลายครั้งมากขึ้นเรื่อย ๆ แผงวงจรพิมพ์จะต้องผ่านการรีโฟลว์หลายครั้งที่อุณหภูมิสูงระหว่างการประกอบ SMT แบบสองด้านการเปลี่ยนชิ้นส่วน การปฏิบัติการซ่อมแซม และการทำโปรไฟล์ความร้อนซ้ำๆ แม้ว่า ENIG จะแสดงสมรรถนะที่ดีในงานประยุกต์ใช้ที่ท้าทายหลายประเภท แต่การเผชิญกับวัฏจักรความร้อนซ้ำๆ เป็นเวลานานอาจส่งผลกระทบต่อความสามารถในการเชื่อมประสาน คุณสมบัติเชิงกล และความน่าเชื่อถือของ ENIG
จะเกิดอะไรขึ้นระหว่างรอบการรีโฟลว์หลายครั้ง?
รอบการรีโฟลว์: กระบวนการให้ความร้อนกับครีมประสานเพื่อให้หลอมละลายและสร้างการเชื่อมต่อทางไฟฟ้าระหว่างชิ้นส่วนอุปกรณ์และแผ่นรองบนแผงวงจรพิมพ์ (PCB) อุณหภูมิสูงสุดของการรีโฟลว์โดยทั่วไปในการผลิตปลอดสารตะกั่วอยู่ระหว่าง 240°C ถึง 260°C ซึ่งทำให้เกิดความเค้นทางความร้อนอย่างมากต่อผิวเคลือบของแผงวงจรพิมพ์ (PCB)
การเคลือบผิวแบบ ENIG ประกอบด้วยชั้นโลหะสองชั้น:
นิกเกิลแบบไม่ใช้กระแสไฟฟ้า: ทำหน้าที่เป็นชั้นกั้นการแพร่กระจายระหว่างทองแดงและบัดกรี
การชุบทองแบบจุ่ม: ป้องกันไม่ให้นิกเกิลเกิดการออกซิไดซ์ก่อนการบัดกรี
เมื่อทำการบัดกรี ชั้นทองคำบาง ๆ จะหลอมละลายเข้าไปในบัดกรี และบัดกรีจะสัมผัสกับชั้นนิกเกิลที่อยู่ใต้ทองคำ ส่วนต่อประสานนี้จะเปลี่ยนแปลงอย่างต่อเนื่องเมื่อมีการรีโฟลว์ซ้ำ ซึ่งอาจส่งผลต่อความเชื่อถือได้ในระยะยาว
การเติบโตของสารประกอบระหว่างโลหะ
ผลกระทบที่สำคัญอย่างหนึ่งของการผ่านกระบวนการรีโฟลว์หลายรอบต่อ ENIG คือการเกิดสารประกอบระหว่างโลหะอย่างต่อเนื่อง
เมื่อบัดกรีหลอมเหลวสัมผัสกับชั้นนิกเกิล จะเกิดสารประกอบของนิกเกิลและดีบุก (Ni₃Sn₄) ที่บริเวณรอยต่อของจุดบัดกรี การเติบโตของชั้นสารประกอบระหว่างโลหะ (IMC) เป็นสิ่งสำคัญต่อการเชื่อมต่อของการยึดติดบัดกรี อย่างไรก็ตาม หากมีการก่อตัวของ IMC มากเกินไป ความน่าเชื่อถือของรอยต่อจะลดลง
การศึกษาที่มีการให้สัมผัสการรีโฟลว์ซ้ำ ๆ แสดงให้เห็นว่าในแต่ละครั้งที่มีการรีโฟลว์ ความหนาของชั้นสารประกอบระหว่างโลหะ (IMC) จะเพิ่มขึ้น และความต้านทานไฟฟ้าของข้อต่อประสานก็เพิ่มขึ้นตามไปด้วย ด้วยเหตุนี้ ข้อต่อประสานเมื่อถูกเผชิญกับความเค้นทางความร้อนอาจเปราะและไม่สามารถต้านทานความล้าทางกลได้ดีเท่าที่ควร
การเติบโตของสารประกอบระหว่างโลหะมากเกินไปอาจส่งผลให้:
ความเปราะของรอยบัดกรี
ความแข็งแรงทางกลที่ลดลง
มีความเสี่ยงสูงขึ้นต่อการเกิดรอยร้าวในระบบท่อ
ลดความทนทานต่อภาวะช็อกจากความร้อนและความเสถียร
โดยทั่วไปแล้ว ข้อต่อประสานบนพื้นผิวเคลือบ ENIG จะแสดงอัตราการเติบโตของสารประกอบระหว่างโลหะ (IMC) ที่ช้ากว่าพื้นผิวเคลือบทองแดงชนิดอื่น ๆ แต่การผ่านกระบวนการรีโฟลว์ซ้ำหลายรอบยังคงอาจทำให้ข้อต่อประสานอ่อนแอลงได้เมื่อเวลาผ่านไป โดยเฉพาะอย่างยิ่งในสภาพแวดล้อมการทำงานที่รุนแรง
การเสริมฟอสฟอรัสและการเสื่อมสภาพของอินเทอร์เฟซ
ฟอสฟอรัสมีอยู่ในช่วงฟอสฟอรัสปานกลางถึงสูงในชั้นนิกเกิลแบบไม่ใช้ไฟฟ้าในกระบวนการ ENIG การให้ความร้อนซ้ำ ๆ ทำให้ฟอสฟอรัสสะสมที่บริเวณรอยต่อ และทำให้นิกเกิลแพร่กระจายเข้าสู่บัดกรี
บริเวณที่มีฟอสฟอรัสสูงเช่นนี้อาจเปราะได้เมื่อผ่านการให้ความร้อนหลายครั้ง ทำให้มีโอกาสเกิดการล้มเหลวที่บริเวณรอยต่อ รอยร้าวอาจก่อตัวขึ้นที่บริเวณรอยต่อที่เชื่อมได้ไม่ดีนักเมื่อมีความเค้นเพิ่มเติมถูกนำไปใช้ระหว่างการใช้งาน
การสะสมของฟอสฟอรัสอาจนำไปสู่:
การยึดติดของบัดกรีไม่แข็งแรง
ความเปียกชื้นที่ลดลง
เขตการแตกหักเปราะ
ข้อต่อบัดกรีที่ไม่สามารถเชื่อมติดได้อย่างเหมาะสม - ความล้มเหลวของข้อต่อบัดกรี
ดังนั้นจึงเป็นสิ่งสำคัญที่จะต้องมีเคมี ENIG ที่เสถียรและการควบคุมกระบวนการชุบที่ดีเพื่อให้มั่นใจถึงประสิทธิภาพการประกอบที่ดี
ปัญหาแผ่นดำและการเชื่อมประสาน (Solderability)
ปัญหาความเชื่อถือได้ที่พบบ่อยของ ENIG คือปรากฏการณ์ “แผ่นดำ” เมื่อเกิดการกัดกร่อนมากเกินไปบนชั้นนิกเกิลระหว่างกระบวนการชุบทองแบบจุ่ม จะทำให้เกิดผิวสีเข้มที่มีฟอสฟอรัส ซึ่งรบกวนกระบวนการเชื่อมประสาน ส่งผลให้เกิด “แผ่นดำ”
แม้ว่าข้อบกพร่องแบบแบล็กแพดอาจไม่ปรากฏให้เห็นได้เสมอระหว่างการตรวจสอบ แต่กระบวนการรีโฟลว์ก็สามารถทำให้ปัญหารุนแรงขึ้นได้เช่นกัน โดยการเพิ่มความเค้นทางความร้อนให้กับบริเวณรอยต่อที่อ่อนแออยู่แล้ว อันเป็นผลมาจากจำนวนรอบของการรีโฟลว์ บางครั้งรอยเชื่อมประสานอาจดูดีในตอนแรก แต่จะล้มเหลวภายหลังเนื่องจากการสั่นสะเทือน การเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิซ้ำ ๆ หรือแรงกระแทกทางกล
นอกเหนือจากปัญหาแผ่นดำแล้ว การผ่านกระบวนการรีโฟลว์หลายรอบยังสามารถทำให้ความสามารถในการเชื่อมประสานลดลงได้เนื่องจาก:
การเกิดออกซิเดชันของนิกเกิล
การปนเปื้อนบนพื้นผิว
การก่อตัวของ IMC มากเกินไป
ประสิทธิภาพการเปียกชื้นที่ลดลง
ปัญหาความเชื่อถือได้กำลังมีความสำคัญมากขึ้นเนื่องจากความสามารถในการพกพาที่เพิ่มขึ้น การย่อส่วน และความซับซ้อนของผลิตภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์
ความท้าทายในการประกอบแบบปลอดสารตะกั่ว
เมื่อใช้บัดกรีปลอดสารตะกั่ว จำนวนรอบของการรีโฟลว์หลายรอบจะเพิ่มขึ้น กระบวนการบัดกรีปลอดสารตะกั่วต้องใช้ อุณหภูมิที่สูงกว่า และระยะเวลาที่นานกว่าเหนือจุดหลอมเหลว เมื่อเทียบกับการบัดกรีแบบดั้งเดิมที่ใช้ดีบุก-ตะกั่ว
สภาวะความร้อนที่สุดขั้วเหล่านี้เร่งให้เกิดขึ้นเร็วขึ้น:
การละลายของนิกเกิล
การเติบโตของสารประกอบระหว่างโลหะ
การเกิดออกซิเดชัน
ความล้าเนื่องจากความร้อน
ดังนั้น พื้นผิว ENIG จึงมีแนวโน้มเสื่อมสภาพได้มากกว่าในสภาวะไร้สารตะกั่วหลังการผ่านการไหลเวียนความร้อน ซึ่งมีความสำคัญอย่างยิ่งสำหรับการใช้งานที่ต้องการอายุการใช้งานยาวนาน เช่น ในอุตสาหกรรมยานยนต์ การบินและอวกาศ หรืออิเล็กทรอนิกส์อุตสาหกรรม
วิธีลดความล้มเหลวที่เกี่ยวข้องกับการรีโฟลว์
สภาวะการรีโหลวหลายครั้งมักทำให้ผู้ผลิตต้องใช้มาตรการป้องกันหลายประการเพื่อให้มั่นใจถึงความเชื่อถือได้ของผิวเคลือบ ENIG
การควบคุมกระบวนการอย่างเข้มงวด
มีการควบคุมความหนาของนิกเกิล ความหนาของทอง ปริมาณฟอสฟอรัส และเคมีของการชุบอย่างใกล้ชิดเพื่อให้โอกาสการเกิดแบล็กแพดและปัญหาความสามารถในการบัดกรีลดลงให้น้อยที่สุด
โปรไฟล์การไหลกลับที่ปรับให้เหมาะสม
สิ่งสำคัญคือการหลีกเลี่ยงการได้รับความร้อนที่ไม่จำเป็น วิธีที่ดีที่สุดวิธีหนึ่งที่ผู้ผลิตสามารถลดอุณหภูมิสูงสุด เวลาที่สูงกว่าจุดหลอมเหลว และรอบการทำงานซ้ำที่ไม่จำเป็น คือการจำกัดสภาวะที่สุดโต่งเหล่านี้ให้ได้มากที่สุด
การจัดเก็บอย่างเหมาะสมและการควบคุมความชื้น
ประสิทธิภาพการบัดกรีอาจได้รับผลกระทบในทางลบจากความชื้นและการปนเปื้อน ความน่าเชื่อถือระหว่างกระบวนการรีโฟลว์ซ้ำจะเพิ่มขึ้นได้ด้วยการจัดเก็บที่เหมาะสม การจัดเก็บในตู้เก็บแบบแห้ง และการจัดการชิ้นส่วนที่ไวต่อความชื้น
การเคลือบผิวทางเลือก
หากประสิทธิภาพการทำงานที่อุณหภูมิสูงเป็นข้อกำหนดที่สำคัญสำหรับการใช้งาน ผู้ผลิตบางรายอาจพิจารณาใช้ ENEPIG หรือการชุบเงินแบบจุ่ม ขึ้นอยู่กับข้อกำหนดของการประกอบ
ENIG ยังคงเป็นหนึ่งในกระบวนการเคลือบผิวแผ่นวงจรพิมพ์ (PCB) ที่เชื่อถือได้และหลากหลายที่สุดในกระบวนการผลิตอิเล็กทรอนิกส์ปัจจุบัน ความเรียบสม่ำเสมอสูง ความทนทานต่อการกัดกร่อนที่ดี และความเข้ากันได้กับขนาดระยะห่างลายวงจรที่ละเอียด ช่วยเอื้อให้สามารถผลิต PCB ความหนาแน่นสูงและการประกอบ SMT ขั้นสูงได้
แต่การทำรีโฟลว์หลายรอบอาจนำมาซึ่งปัญหาด้านความเชื่อถือได้จำนวนมาก การได้รับความร้อนหลายครั้งส่งเสริมการเติบโตของสารประกอบระหว่างโลหะ การสะสมตัวของฟอสฟอรัส ความเปราะของจุดบัดกรี และในบางกรณียังอาจทำให้ปัญหาแผ่นดำแฝงรุนแรงขึ้นอีกด้วย ผลกระทบเหล่านี้ยิ่งทวีความรุนแรงมากขึ้นเมื่ออยู่ในสภาพแวดล้อมปลอดสารตะกั่ว เนื่องจากต้องใช้ อุณหภูมิที่สูงกว่าในระหว่างกระบวนการ
เพื่อรับประกันความทนทานของจุดบัดกรีในระยะยาว ผู้ผลิตจำเป็นต้องเพิ่มประสิทธิภาพคุณภาพของการชุบ ENIG โปรไฟล์การรีโฟลว์ และการจัดการความร้อนตลอดกระบวนการประกอบการบัดกรีทั้งหมด
ด้วยการพัฒนาของผลิตภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์ไปสู่ความหนาแน่นและความซับซ้อนที่สูงขึ้น การทำงานร่วมกับพันธมิตรด้านการผลิตแผ่นวงจรพิมพ์ (PCB) ที่มีประสบการณ์จึงมีความสำคัญมากยิ่งขึ้น PCBCart มอบบริการระดับมืออาชีพบริการประกอบและผลิตแผงวงจรพิมพ์ (PCB)ด้วยระบบการควบคุมคุณภาพอย่างเข้มงวดที่รองรับการใช้งานด้านความน่าเชื่อถือสูงในกระบวนการผลิตอิเล็กทรอนิกส์
แหล่งข้อมูลที่มีประโยชน์
•การแนะนำและการเปรียบเทียบการเคลือบผิวหน้าแผ่น PCB
•แนวทางที่ครอบคลุมที่สุดสำหรับการเลือกผิวสำเร็จ
•การเปรียบเทียบระหว่างกระบวนการผลิตการบัดกรีด้วยตะกั่วและการบัดกรีปลอดตะกั่วใน PCBA
•ปัจจัยที่มีผลต่อคุณภาพการบัดกรี SMT และมาตรการปรับปรุง
