การเลือกผิวสำเร็จแบบใดจึงจะเหมาะสมกับแผงวงจรพิมพ์ (PCB) ของคุณเมื่อมีข้อกำหนดปลอดสารตะกั่ว?

แผงวงจรพิมพ์ (PCB) ปราศจากสารตะกั่วถูกเรียกร้องให้ใช้เป็นครั้งแรกเพื่อให้เป็นไปตามข้อกำหนดของ ROHS (Restriction Of Hazardous Substances) โดยสหภาพยุโรป (EU) ซึ่งกำหนดให้อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ทั้งหมดต้องปฏิบัติตามระเบียบ ROHS ดังนั้น การผลิต PCB จึงเริ่มเปลี่ยนจากการใช้สารตะกั่วไปเป็นแบบปราศจากสารตะกั่ว

ตะกั่วในจุดบัดกรีส่วนใหญ่มีแหล่งที่มาจากขาพินชุบของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ แผ่นรองบัดกรีบนแผ่น PCB ที่ผ่านการชุบ และตะกั่วบัดกรี เพื่อให้มั่นใจว่าปริมาณตะกั่วในจุดบัดกรีเป็นไปตามข้อกำหนดของ ROHS (ส่วนมวลต้องต่ำกว่า 0.1%)ผิวสำเร็จใช้กับแผงวงจรพิมพ์ (PCB) ดังนั้นจึงต้องรองรับการผลิตแบบปลอดสารตะกั่ว ขณะนี้มีการพัฒนาวิธีการเคลือบผิวหน้าหลายแบบเพื่อให้บรรลุการผลิตที่ปราศจากสารตะกั่ว และ ENIG, ImAg, ImSn และ OSP เป็นวิธีที่ถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายที่สุด

เนื่องจากผิวเคลือบแต่ละประเภทมีข้อดีและข้อเสียของตัวเอง จึงเป็นเรื่องสำคัญที่ต้องระบุให้ชัดเจนว่าประเภทของผิวเคลือบใดเหมาะสมที่สุดสำหรับโครงการของคุณ ดังนั้น บทความนี้จะเปรียบเทียบผิวเคลือบทั้งสี่ประเภทโดยอ้างอิงจากการวิเคราะห์สภาพการใช้งาน ต้นทุน ความเข้ากันได้กับข้อกำหนดปลอดสารตะกั่ว อายุการเก็บรักษา ความสามารถในการบัดกรี เป็นต้น เพื่อให้คุณสามารถเลือกผิวเคลือบที่เหมาะสมที่สุดสำหรับแผ่นวงจรพิมพ์ปลอดสารตะกั่วของคุณได้

เอนิก

ENIG เป็นคำย่อของ Electroless Nickel/Immersion Gold และโครงสร้างของมันจะแสดงไว้ด้านล่าง

• คำอธิบายทั่วไป

ในฐานะที่เป็นการเคลือบผิวปราศจากสารตะกั่ว ENIG มีจุดเด่นที่ชัดเจนหลายประการ รวมถึงอายุการเก็บรักษาที่ยาวนาน ความสามารถในการบัดกรีที่ยอดเยี่ยม และพื้นผิวที่เรียบ จุดด้อยสำคัญของมันอยู่ที่ต้นทุนที่ค่อนข้างสูงและความเสี่ยงของการเกิด “black pad”

• แผ่นรองสีดำ

แผ่นดำ (Black pad) แท้จริงแล้วเป็นข้อบกพร่องที่เกิดขึ้นกับจุดบัดกรีที่ใช้การชุบผิวแบบ ENIG ซึ่งมีสาเหตุมาจากการที่ชั้นนิกเกิลถูกกัดกร่อนอย่างรุนแรง เนื่องจากชั้นนิกเกิลที่เสียหายมีลักษณะเป็นสีเทาและดำ จึงถูกเรียกว่าแผ่นดำ (Black pad)

ข้อเสียหลักของแบล็กแพดอยู่ที่ความยากในการกำจัด นอกจากนี้ยังไม่สามารถตรวจสอบได้ด้วยตาเปล่า ดังนั้นจึงเพิ่มความเสี่ยงต่อความเชื่อถือได้ของผลิตภัณฑ์

• การอภิปรายข้อเสีย

a. ไม่เปียกน้ำ

การไม่เปียกชื้นเป็นสาเหตุโดยตรงของการเกิดแบล็กแพด โดยทั่วไปแล้ว แผ่น PCB ที่เคลือบ ENIG ซึ่งประสบปัญหาแบล็กแพดจะไม่สามารถทนต่อผลกระทบจากความเครียดได้ ส่งผลให้เมื่อผลิตภัณฑ์ผ่านการทดสอบวัฏจักรอุณหภูมิสูง-ต่ำ การทดสอบการสั่นสะเทือน และการเสียบเข้า-ถอดออกในชีวิตประจำวัน ข้อต่อประสานจะเกิดการแตกร้าว ทำให้ความน่าเชื่อถือของผลิตภัณฑ์ลดลง

b. แนวโน้มที่จะเกิดการกัดเซาะ

ข้อต่อบัดกรีที่เคลือบ ENIG มักถูกกัดกร่อนในสภาพความชื้นได้ง่ายกว่า เนื่องจากชั้นทองมีความบางมากและมีรูเข็ม อย่างไรก็ตาม ทองเองจะไม่ถูกกัดกร่อน แต่เป็นชั้นนิกเกิลที่อยู่ใต้ชั้นทองที่ได้รับความเสียหายจากการกัดกร่อน

• สรุป

อิม-สแน

Im-Sn เป็นคำย่อของ immersion tin ซึ่งได้มาจากปฏิกิริยาการแทนที่เพื่อสร้างชั้นดีบุกบริสุทธิ์บนผิวหน้าทองแดง เนื่องจากปฏิกิริยาการแทนที่ ความหนาของผิวเคลือบจึงมีข้อจำกัด โดยปกติจะอยู่ที่ 1μm

• การอภิปรายข้อเสีย

a. ไม่ทนต่อการจัดเก็บ

แม้ในอุณหภูมิปกติ ชั้นดีบุกและเนื้อโลหะทองแดงมีแนวโน้มจะแพร่ซึมเข้าหากัน ภายใต้อุณหภูมิห้อง ความเร็วการแพร่ของดีบุกจะคงอยู่ประมาณในช่วง 0.144 ถึง 0.166 นาโนเมตรต่อวินาที และสามารถเก็บไว้ที่อุณหภูมิห้องได้เป็นเวลา 30 วัน จากนั้นความหนาของดีบุกจะสูญเสียไป 0.23 ไมโครเมตรเพื่อเปลี่ยนเป็นสารประกอบระหว่างโลหะ (IMC) หลังการบัดกรีแบบรีโฟลว์ ความหนาของมันจะลดลงมากกว่า 0.8 ไมโครเมตร เมื่อจำเป็นต้องเก็บรักษาเป็นเวลา 180 วัน จะต้องทำการบัดกรีสามครั้ง ความหนาขั้นต่ำของ Im-Sn ต้องมากกว่า 1.28 ไมโครเมตร อย่างไรก็ตาม โดยทั่วไปมักไม่สามารถทำได้ และความหนาปกติจะอยู่เพียง 1.15 ไมโครเมตร

b. การเปลี่ยนสี

เนื่องจากอุณหภูมิเพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่องในกระบวนการบัดกรี ชั้น Im-Sn มีแนวโน้มที่จะเปลี่ยนสี ซึ่งเกิดจากสารปนเปื้อนอินทรีย์หรือการเกิดออกซิเดชันของดีบุก โดยทั่วไปแล้ว เมื่อชั้นดีบุกออกไซด์หนาขึ้น สีของมันก็จะเข้มขึ้น

c. ไม่เหมาะสำหรับการประกอบแบบระยะพิชช์ละเอียด

เนื่องจากสารละลายเคมีสำหรับการชุบดีบุกส่งผลเสียต่อซอลเดอร์มาสก์ส่วนใหญ่ ขนาดของซอลเดอร์มาสก์จึงต้องไม่เล็กเกินไป มิฉะนั้นจะเกิดการแตกหัก ดังนั้น Im-Sn จึงไม่เหมาะสำหรับการประกอบแบบฟายน์พิตช์

d. หนวดดีบุก

เส้นหนวดดีบุกเป็นปัญหาสำหรับ Im-Sn เช่นเดียวกับที่แผ่นดำเป็นปัญหาสำหรับ ENIG เส้นหนวดดีบุกมักเกิดขึ้นกับ Im-Sn และสามารถกำหนดระยะห่างระหว่างแผ่นให้มากกว่า 0.4 มม. ได้

e. การโจมตีด้วยวิธีการแก้ปัญหา

เนื่องจากการโจมตีจากสารเคมี หมึกที่เติมผ่านรูมักจะเกิดการแตกร้าวซึ่งมักซ่อนสารละลายบางส่วนไว้ และจะถูกบีบออกมาในระหว่างการบัดกรีแบบรีโฟลว์ ส่งผลให้รูปลักษณ์และความน่าเชื่อถือแย่ลงอย่างมาก

• สรุป

อิม-แอก

Im-Ag เป็นคำย่อของการชุบเงินแบบจุ่ม (immersion silver) ที่มีจุดมุ่งหมายเพื่อสร้างชั้นเงินขึ้นมาจากผลของสารละลาย แทนที่จะเป็นชั้นเงินบริสุทธิ์ Im-Ag จะมีสารอินทรีย์ผสมอยู่ โดยมีสัดส่วนมวลประมาณ 30%

• การอภิปรายข้อเสีย

a. ไมโครคาวิที

โพรงขนาดเล็กที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางน้อยกว่า 0.05 มม. มักเกิดขึ้นบนผิวหน้าของเงิน โพรงเหล่านี้จะทำให้ความแข็งแรงของจุดบัดกรีลดลงอย่างมาก ซึ่งจะเห็นได้ชัดเป็นพิเศษเมื่อแผ่น PCB ได้รับแรงกระแทก ส่งผลให้ผลิตภัณฑ์ปลายทางอาจล้มเหลวได้

b. การกัดเซาะแบบคืบคลาน

การกัดกร่อนแบบคืบคลานเป็นข้อบกพร่องสำคัญเมื่อใช้ Im-Ag เป็นผิวเคลือบ เนื่องจากการเชื่อมต่อแบบกัลวานิกเกิดจากการผสมผสานระหว่างทองแดงที่เปิดเผยบริเวณขอบของซอลเดอร์มาสก์กับพื้นผิวเงินพื้นที่กว้าง การกัดกร่อนทางไฟฟ้าเคมีจึงมีแนวโน้มเกิดขึ้นในสภาวะความชื้น

c. การย้ายถิ่นฐานของเงินสเตอร์ลิง

การเคลื่อนย้ายของเงินมักเกิดขึ้นกับวงจรฟิล์มหนาหรือภายในไอซี

d. การเปลี่ยนสี

สีของพื้นผิวแผ่นวงจรที่เคลือบผิวเงินแบบจุ่มมีแนวโน้มที่จะกลายเป็นสีเหลืองหรือดำหลังจากสัมผัสกับอากาศ การเปลี่ยนสีเกิดขึ้นในอากาศเป็นหลักเนื่องจากมีรูขนาดเล็กบนพื้นผิวของเงิน และการเปลี่ยนสีจะเกิดขึ้นเมื่อฮาโลเจนในอากาศทำปฏิกิริยากับรูของเงิน

นอกจากสาเหตุของการเปลี่ยนสีดังกล่าวแล้ว บางครั้งสีของผิวชิ้นงานจะเปลี่ยนไปหลังการบัดกรี มีปัจจัยสองประการที่ทำให้เกิดการเปลี่ยนสีหลังการบัดกรี ได้แก่ ความหนาของชั้นชุบและระยะเวลาในการสัมผัส ได้รับการพิสูจน์แล้วว่าการเพิ่มความหนาของชั้นชุบช่วยให้ทนต่อการเปลี่ยนสีได้ดีขึ้น และการลดระยะเวลาในการสัมผัสก็สามารถช่วยยับยั้งไม่ให้สีผิวชิ้นงานเปลี่ยนไปได้ในระดับหนึ่ง

• สรุป

OSP

OSPเป็นคำย่อของ Organic Solderability Preservatives (สารกันบัดกรีอินทรีย์) OSP คือชั้นฟิล์มอินทรีย์ที่เกิดขึ้นบนผิวทองแดงที่สะอาดด้วยวิธีทางเคมี ใช้เพื่อปกป้องผิวทองแดงไม่ให้เกิดการออกซิไดซ์ นอกจากนี้ยังสามารถทนต่อการช็อกทางความร้อนและคงความเปียกได้

• ความท้าทายที่ OSP จะเผชิญหลังการบัดกรี

ความท้าทายที่ 1

ภายใต้อุณหภูมิสูงของเตาอบบัดกรีแบบรีโฟลว์ การระเหยแทบไม่เกิดขึ้นทำให้มวลลดลงไม่น้อยกว่า 10% ซึ่งบ่งชี้ว่าสามารถใช้ความหนาต่ำสุดบน OSP ได้

ความท้าทาย#2

OSP จะไม่สลายตัวภายใต้อุณหภูมิ 260℃ ในกระบวนการนี้ OSP จะเปลี่ยนสถานะจากของแข็งเป็นก๊าซโดยตรงโดยไม่เกิดความร้อน

ความท้าทาย#3

OSP มักทำปฏิกิริยากับออกซิเจนในระหว่างกระบวนการบัดกรี

ความท้าทาย#4

ทันทีที่ OSP เข้าเตารีโฟลว์ บริเวณนั้นจะเปลี่ยนเป็นสีสนิมได้ง่ายและทำให้ความสามารถในการเชื่อมประสานลดลง

ความท้าทายที่ 5

OSP มักจะกำจัดออกได้ยากเมื่อใช้ฟลักซ์ ดังนั้นจึงควรใช้ฟลักซ์ที่มีความแรงมากกว่าแทน

• สรุป

PCBCart พร้อมช่วยคุณด้วยโซลูชัน PCB ออนไลน์

PCBCart มอบโซลูชันแบบครบวงจรสำหรับแผ่นวงจรพิมพ์ (PCB) ให้คุณ ครอบคลุมทั้งการผลิต PCB การประกอบ PCB และการจัดหาชิ้นส่วน คุณจะได้รับแผ่นวงจรที่ผลิตด้วยคุณภาพระดับสูงในราคาประหยัด คลิกปุ่มด้านล่างเพื่อเริ่มต้นโปรเจกต์ของคุณด้วยแผ่นวงจรคุณภาพสูง

การผลิตแผ่นวงจรพิมพ์คุณภาพเยี่ยมในราคาประหยัด