ทองแดงถูกเลือกให้เป็นวัสดุนำไฟฟ้าโดยแผงวงจรพิมพ์ (PCB: Printed Circuit Board) เนื่องจากมีคุณสมบัติการนำไฟฟ้าและสมบัติทางกายภาพที่ยอดเยี่ยม อย่างไรก็ตาม ผิวหน้าทองแดงมีแนวโน้มที่จะเกิดการออกซิไดซ์เมื่อสัมผัสกับอากาศ ทำให้เกิดชั้นออกไซด์ที่แข็งและบางบนผิวหน้า ซึ่งมักทำให้เกิดความบกพร่องกับจุดบัดกรี และต่อมาจะลดความน่าเชื่อถือของผลิตภัณฑ์และทำให้อายุการเก็บรักษาสั้นลง ดังนั้นจึงมีความจำเป็นอย่างยิ่งที่จะต้องใช้มาตรการป้องกันเพื่อหยุดยั้งไม่ให้ผิวหน้าทองแดงเกิดการออกซิไดซ์ ซึ่งเป็นเหตุผลดั้งเดิมของการเกิดขึ้นของการเคลือบผิว ที่ต้องทนความร้อนและสามารถบัดกรีได้ จนถึงปัจจุบัน การเคลือบผิวของ PCB ได้พัฒนาอย่างรวดเร็วและมีการแบ่งประเภทจำนวนมาก และการเลือกประเภทที่เหมาะสมยังคงเป็นประเด็นสำคัญ ดังนั้นบทความนี้จะกล่าวถึงหน้าที่ของการเคลือบผิว PCB การจำแนกประเภท และแนะนำหลักการบางประการในการเลือกใช้งาน
การเคลือบผิวแผ่นวงจรพิมพ์ (PCB) คืออะไร?
•ความสำคัญของการเคลือบผิวแผงวงจรพิมพ์ (PCB)
เพื่อป้องกันไม่ให้ผิวหน้าทองแดงของแผ่นแพดบนแผ่น PCB เกิดการออกซิไดซ์และปนเปื้อนก่อนกระบวนการบัดกรี จึงมีความสำคัญอย่างยิ่งที่จะต้องเคลือบผิวหน้า (หรือที่เรียกว่าการฟินิชผิวหน้า) บนทองแดงเพื่อทำหน้าที่เป็นชั้นป้องกัน
ทองแดงมีคุณสมบัติการนำไฟฟ้าและคุณสมบัติทางกายภาพที่ดีเป็นอันดับสอง (อันดับหนึ่งคือเงิน) อีกทั้งยังมีแหล่งทรัพยากรที่อุดมสมบูรณ์และมีต้นทุนต่ำ จึงถูกเลือกให้เป็นวัสดุนำไฟฟ้าสำหรับแผงวงจรพิมพ์ (PCB) อย่างไรก็ตาม ในฐานะที่เป็นโลหะที่มีความไวต่อปฏิกิริยา ทองแดงออกซิไดซ์ได้ง่ายมาก ทำให้เกิดชั้นออกไซด์ (คอปเปอร์ออกไซด์หรือคิวพรัสออกไซด์) บนผิวหน้า ซึ่งก่อให้เกิดข้อบกพร่องที่จุดบัดกรี ส่งผลให้ความน่าเชื่อถือของผลิตภัณฑ์ลดลงและอายุการเก็บรักษาสั้นลง
จากสถิติพบว่า 70% ของข้อบกพร่องบนแผงวงจรพิมพ์ (PCB) เกิดจากจุดบัดกรีเนื่องมาจากสองสาเหตุดังต่อไปนี้:
เหตุผลข้อที่ 1: มลพิษและการเกิดออกซิเดชันที่เกิดขึ้นกับแผ่นรองบนแผงวงจรพิมพ์ (PCB) มักทำให้การบัดกรีไม่สมบูรณ์และเกิดข้อต่อบัดกรีเย็น
เหตุผลข้อที่ 2ชั้นการแพร่กระจายมีแนวโน้มที่จะเกิดขึ้นเนื่องจากการแพร่ระหว่างเงินและทองแดง ในขณะที่สารประกอบระหว่างโลหะ (IMC) มีแนวโน้มที่จะเกิดขึ้นระหว่างดีบุกและทองแดง ทำให้บริเวณรอยต่อมีสภาพหลวมและเปราะบาง
ดังนั้น พื้นผิวทองแดงที่พร้อมสำหรับการบัดกรีควรมีการเคลือบชั้นป้องกันที่มีสมบัติในการบัดกรีได้หรือมีหน้าที่เป็นฉนวน เพื่อให้สามารถลดหรือหลีกเลี่ยงข้อบกพร่องได้
•ข้อกำหนดเกี่ยวกับการเคลือบผิวหน้าแผงวงจรพิมพ์ (PCB)
การเคลือบผิวบนแผ่นรอง PCB ควรมีความเข้ากันได้กับข้อกำหนดต่อไปนี้:
a. ทนความร้อน
ภายใต้อุณหภูมิสูงระหว่างการบัดกรี การเคลือบผิวหน้าก็ควรสามารถป้องกันไม่ให้ผิวหน้าของแผ่นรอง PCB เกิดการออกซิไดซ์ และช่วยให้บัดกรีสัมผัสกับทองแดงได้โดยตรง
ความทนทานต่อความร้อนของสารเคลือบผิวอินทรีย์หมายถึงสมรรถนะของจุดหลอมเหลวและอุณหภูมิการสลายตัวด้วยความร้อน จุดหลอมเหลวของสารเคลือบผิวควรใกล้เคียงหรือ ต่ำกว่าของดีบุก ในขณะที่อุณหภูมิการสลายตัวด้วยความร้อนควรสูงกว่าจุดหลอมเหลวและอุณหภูมิการบัดกรีของบัดกรีมาก เพื่อให้พื้นผิวทองแดงไม่เกิดการออกซิเดชันระหว่างการบัดกรี
b. ความครอบคลุม
โดยพื้นฐานแล้ว การเคลือบผิวหน้าของแผ่นวงจรพิมพ์ (PCB surface finish) จะสามารถปกคลุมพื้นผิวแผ่นทองแดงได้อย่างสมบูรณ์โดยไม่เกิดการออกซิไดซ์หรือปนเปื้อนทั้งก่อนและระหว่างการบัดกรี เคลือบผิวจะไม่เคลื่อนตัว ไม่สลายตัว และไม่ลอยอยู่บนผิวของจุดบัดกรี ดังนั้น เพื่อให้แน่ใจว่าน้ำประสานที่หลอมละลายสามารถบัดกรีลงบนแผ่นรองบัดกรี (pad) ได้อย่างสมบูรณ์ แรงตึงผิวของสารเคลือบผิวที่หลอมละลายควรมีค่าน้อย และอุณหภูมิการสลายตัวควรสูง เพื่อให้มั่นใจได้ถึงความสามารถในการเคลือบปกคลุมที่ดีทั้งก่อนและระหว่างการบัดกรี
ค. เศษตกค้าง
คราบตกค้างในที่นี้หมายถึงคราบที่หลงเหลืออยู่บนพื้นผิวของแผ่นรองบัดกรีหรือจุดบัดกรีหลังจากกระบวนการบัดกรี โดยทั่วไปแล้วคราบตกค้างเหล่านี้เป็นอันตรายและควรถูกกำจัดออกไป ซึ่งเป็นเหตุผลว่าทำไมจึงมักมีการทำความสะอาดหลังการบัดกรี
d. การกัดกร่อน
ความกัดกร่อนในที่นี้หมายถึงการกัดกร่อนที่เกิดจากตะกั่วบัดกรีตกค้างต่อพื้นผิวแผงวงจรหลังการบัดกรี เช่น วัสดุฐานของแผ่น PCB หรือชั้นโลหะ
e. ประเด็นด้านสิ่งแวดล้อม
ปัจจุบัน ความกังวลด้านสิ่งแวดล้อมกำลังได้รับความสนใจจากอุตสาหกรรมมากขึ้นเรื่อย ๆ เมื่อกล่าวถึงการเคลือบผิวบนแผงวงจรพิมพ์ (PCB) น้ำทิ้งที่เกิดขึ้นระหว่างกระบวนการเคลือบ รวมถึงหลังการทำความสะอาดและการบัดกรี ควรต้องสามารถกำจัดได้ง่ายและเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม
การจำแนกประเภทการเคลือบผิว PCB ทำได้อย่างไร?
•อิงตามเทคโนโลยีการผลิต
ตามเทคโนโลยีการผลิต การเคลือบผิวของแผ่นวงจรพิมพ์ (PCB) สามารถแบ่งออกได้เป็นการเคลือบผิวแบบสารเคลือบและการเคลือบผิวแบบโลหะ
a. การเคลือบผิว
การเคลือบผิวหมายถึงกระบวนการเติมชั้นเคลือบบาง ๆ ที่ทนความร้อนและสามารถบัดกรีได้ลงบนผิวทองแดงด้วยวิธีทางกายภาพ คุณสมบัติหลักของการเคลือบผิวอยู่ที่ความจริงที่ว่าสามารถให้ผิวทองแดงบริสุทธิ์สำหรับการบัดกรีในระหว่างกระบวนการบัดกรีได้ การเคลือบผิว เช่น HASL (Hot Air Solderability Level) หรือสารเคลือบป้องกันความสามารถในการบัดกรีแบบออร์แกนิก (OSP)เป็นของการจัดประเภทนี้
b. การเคลือบโลหะ
การเคลือบโลหะหมายถึงกระบวนการที่ทำให้เกิดชั้นเคลือบโลหะที่ทนความร้อนและสามารถบัดกรีได้บนผิวทองแดงบริสุทธิ์ของแผ่นรองบนแผงวงจรพิมพ์ (PCB) ด้วยวิธีการชุบนิกเกิลแบบไม่ใช้ไฟฟ้าและการชุบด้วยไฟฟ้า เช่น ENIG (Electroless Nickel Immersion Gold), ENEPIG (Electroless Nickel Electroless Palladium Immersion Gold), Immersion Gold เป็นต้น
•ตามผลการใช้งาน
ตามผลของการใช้งาน การเคลือบผิวสามารถแบ่งออกเป็นสามประเภท ได้แก่ ฟลักซ์บัดกรีที่บัดกรีบนสารเคลือบบนชั้นฉนวน ฟลักซ์บัดกรีที่บัดกรีบนสารเคลือบโลหะบนชั้นการแพร่ และฟลักซ์บัดกรีที่บัดกรีบนชั้นฉนวนของสารเคลือบโลหะ
หมวดหมู่#1: ฟลักซ์บัดกรีถูกบัดกรีลงบนชั้นเคลือบบนชั้นฉนวน
คุณสมบัติเด่นของการเคลือบผิวประเภทนี้คือ เมื่อบัดกรีที่อุณหภูมิสูงแล้ว ตะกั่วบัดกรีที่หลอมเหลวจะลอยตัวอยู่บนผิวของตะกั่วบัดกรีหลังจากแยกออกจากทองแดง อย่างไรก็ตาม จะมีการเกิดชั้นสารประกอบระหว่างโลหะ (IMC) ที่บริเวณรอยต่อการบัดกรี ซึ่งจะเพิ่มโอกาสการเกิดข้อบกพร่อง
หมวดหมู่#2: ฟลักซ์บัดกรีถูกบัดกรีบนสารเคลือบโลหะบนชั้นการแพร่
การมาถึงของเทคโนโลยีประเภทนี้มีเป้าหมายเพื่อล้มเลิกการใช้ IMC แต่ก็มีข้อเสียที่เห็นได้ชัด ด้านหนึ่ง เทคโนโลยีนี้มักก่อให้เกิดการแพร่กระจาย อีกด้านหนึ่ง มักทำให้บอร์ดมีความเปราะ ซึ่งต่อมาจะกระตุ้นให้เกิดข้อบกพร่องในวงจร
หมวดหมู่#3: ฟลักซ์บัดกรีถูกบัดกรีบนชั้นฉนวนของการเคลือบโลหะ
ข้อดีหลักของเทคโนโลยีประเภทนี้คือการบัดกรีจะทำบนพื้นผิวของชั้นฉนวนที่เคลือบโลหะแทนที่จะทำโดยตรงบนพื้นผิวทองแดง ดังนั้นจึงจะไม่เกิด IMC ที่เสถียรที่บริเวณรอยต่อและจะไม่เกิดการแพร่กระจายระหว่างโลหะ
วิธีการเลือกการเคลือบผิวแผ่นวงจรพิมพ์ (PCB)
จำเป็นต้องให้ความสำคัญอย่างยิ่งกับการเคลือบผิวหน้าของแผ่นวงจรพิมพ์ (PCB) เนื่องจากเกี่ยวข้องโดยตรงกับความสามารถในการบัดกรี ความน่าเชื่อถือ และอายุการเก็บรักษาของ PCB โดยควรเลือกใช้ให้เหมาะสมเป็นพิเศษตามสภาพการใช้งานและสาขาการประยุกต์ใช้งาน
เนื่องจากคุณสมบัติและผลการใช้งานของสารเคลือบผิวที่แตกต่างกัน จึงควรเลือกใช้ให้สอดคล้องกับความต้องการในการใช้งานและสาขาการใช้งานเฉพาะระหว่างการใช้งานกระบวนการผลิตแผงวงจรพิมพ์ (PCB)และความซับซ้อนกับต้นทุนในการผลิตไม่สามารถเป็นเกณฑ์การตัดสินหลักได้
โดยทั่วไปแล้ว สำหรับผลิตภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์ที่ใช้ในอุตสาหกรรมพลเรือนหรืออุตสาหกรรมทั่วไป ควรเลือกใช้การเคลือบผิวที่ฟลักซ์บัดกรีสามารถบัดกรีได้โดยไม่ต้องมีชั้นฉนวน เช่น HASL, OSP เป็นต้น
ในด้านการใช้งานที่มุ่งเน้นความเชื่อถือได้สูงและอายุการเก็บรักษาที่ยาวนาน เช่น การแพทย์ การขนส่ง การทหาร การบินและอวกาศ เป็นต้น อย่างไรก็ตาม ควรเลือกการเคลือบผิวที่ฟลักซ์บัดกรีถูกบัดกรีบนชั้นฉนวน เช่นENIG และ ENEPIG.
