บทความหนึ่งเข้าใจ | พื้นฐานในการเลือกกระบวนการแปรรูปพื้นผิวในโรงงาน PCB คืออะไร

วัตถุประสงค์พื้นฐานที่สุดของการเคลือบพื้นผิว PCB คือเพื่อให้มั่นใจว่าสามารถเชื่อมได้ดีหรือมีคุณสมบัติทางไฟฟ้าที่ดี เนื่องจากทองแดงในธรรมชาติมักจะอยู่ในรูปของออกไซด์ในอากาศ จึงไม่น่าจะคงสภาพเป็นทองแดงดั้งเดิมได้เป็นเวลานาน ดังนั้นจึงจำเป็นต้องเคลือบด้วยทองแดง

มีกระบวนการเคลือบผิว PCB มากมาย กระบวนการทั่วไป ได้แก่ สารป้องกันการเชื่อมแบบอินทรีย์ (OSP) แบบแบน, ทองชุบนิกเกิลทั้งแผ่น, เสินจิน, เสินซี, เสินหยิน, นิกเกิลเคมี, ทอง และการชุบทองแข็งด้วยไฟฟ้า อาการ

1. อากาศร้อนแบนราบ (กระป๋องสเปรย์)

กระบวนการทั่วไปของกระบวนการปรับระดับอากาศร้อนมีดังนี้: การกัดกร่อนระดับไมโคร → การอุ่นล่วงหน้า → การเชื่อมเคลือบ → การพ่นกระป๋อง → การทำความสะอาด

อากาศร้อนมีลักษณะแบนราบ หรือที่เรียกว่าการเชื่อมด้วยอากาศร้อน (หรือที่รู้จักกันทั่วไปว่าการพ่นดีบุก) ซึ่งเป็นกระบวนการเคลือบดีบุกหลอมเหลวที่เชื่อมไว้บนพื้นผิว PCB และใช้ความร้อนเพื่ออัดอากาศให้เรียบ (การเป่า) เพื่อสร้างชั้นป้องกันการเกิดออกซิเดชันของทองแดง นอกจากนี้ยังให้ชั้นเคลือบที่เชื่อมได้ดี รอยเชื่อมทั้งหมดและทองแดงจากอากาศร้อนจะก่อตัวเป็นสารประกอบระหว่างโลหะทองแดงและดีบุกที่จุดหลอมเหลว PCB มักจะจมอยู่ในน้ำเชื่อมที่หลอมละลาย มีดลมจะเป่าของเหลวที่เชื่อมให้แบนราบก่อนที่จะเชื่อม

ระดับลมร้อนแบ่งออกเป็นสองประเภท ได้แก่ แนวตั้งและแนวนอน โดยทั่วไปเชื่อกันว่าแนวนอนจะดีกว่า โดยทั่วไปแล้วชั้นลมร้อนแนวนอนจะมีความเสถียรค่อนข้างสูง ซึ่งทำให้สามารถผลิตแบบอัตโนมัติได้

ข้อดี: เวลาเก็บรักษานานขึ้น; หลังจาก PCB เสร็จสมบูรณ์ พื้นผิวของทองแดงจะเปียกหมด (ดีบุกถูกปกคลุมหมดก่อนการเชื่อม); เหมาะสำหรับการเชื่อมตะกั่ว กระบวนการที่สมบูรณ์ ต้นทุนต่ำ เหมาะสำหรับการตรวจสอบด้วยสายตาและการทดสอบไฟฟ้า

ข้อเสีย: ไม่เหมาะสำหรับการเข้าเล่มแบบเส้นตรง เนื่องจากปัญหาความเรียบของพื้นผิว จึงมีข้อจำกัดในการใช้งาน SMT และไม่เหมาะสำหรับการออกแบบสวิตช์สัมผัส เมื่อพ่นดีบุก ทองแดงจะละลายและทำให้แผ่นมีอุณหภูมิสูง โดยเฉพาะแผ่นหนาหรือบาง การพ่นดีบุกมีข้อจำกัด ทำให้กระบวนการผลิตไม่สะดวก

2. สารป้องกันการเชื่อมอินทรีย์ (OSP)

กระบวนการทั่วไปมีดังนี้: การขจัดไขมัน –> การกัดละเอียด –> การดอง –> การทำความสะอาดด้วยน้ำบริสุทธิ์ –> การเคลือบอินทรีย์ –> การทำความสะอาด และการควบคุมกระบวนการนั้นทำได้ค่อนข้างง่ายเพื่อแสดงกระบวนการบำบัด

OSP เป็นกระบวนการปรับสภาพพื้นผิวแผ่นทองแดงบนแผงวงจรพิมพ์ (PCB) ตามข้อกำหนดของระเบียบ RoHS OSP ย่อมาจาก Organic Solderability Preservatives หรือที่รู้จักกันในชื่อ Organic Solderability Preservatives หรือที่รู้จักกันในชื่อ Preflux ในภาษาอังกฤษ พูดง่ายๆ คือ OSP คือฟิล์มอินทรีย์ที่ปลูกทางเคมีบนพื้นผิวทองแดงเปลือยที่สะอาด ฟิล์มนี้มีคุณสมบัติต้านการเกิดออกซิเดชัน ทนต่อความร้อน และทนต่อความชื้น เพื่อปกป้องพื้นผิวทองแดงในสภาพแวดล้อมปกติไม่ให้เป็นสนิม (เช่น การเกิดออกซิเดชันหรือการวัลคาไนซ์) อย่างไรก็ตาม ในการเชื่อมที่อุณหภูมิสูง ฟิล์มป้องกันนี้จะต้องถูกกำจัดออกอย่างรวดเร็วด้วยฟลักซ์ เพื่อให้พื้นผิวทองแดงที่สะอาดและสัมผัสกับตะกั่วหลอมเหลวสามารถรวมเข้ากับจุดบัดกรีที่หลอมละลายได้อย่างรวดเร็วและกลายเป็นจุดบัดกรีที่แข็งแรง

ข้อดี: กระบวนการนี้ง่าย พื้นผิวเรียบ เหมาะสำหรับการเชื่อมแบบไร้สารตะกั่วและ SMT ง่ายต่อการแก้ไข กระบวนการผลิตสะดวก เหมาะสำหรับการทำงานแบบแนวนอน บอร์ดนี้เหมาะสำหรับการประมวลผลหลายรูปแบบ (เช่น OSP+ENIG) ต้นทุนต่ำ เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม

ข้อเสีย: ข้อจำกัดของจำนวนครั้งการเชื่อมแบบรีโฟลว์ (การเชื่อมหลายชั้น ฟิล์มจะถูกทำลาย ซึ่งโดยทั่วไปแล้วสามารถทำได้ 2 ครั้ง) ไม่เหมาะสำหรับเทคโนโลยีการจีบและการมัดลวด การตรวจจับด้วยสายตาและการตรวจจับด้วยไฟฟ้าไม่สะดวก ต้องใช้ระบบป้องกันก๊าซ N2 สำหรับ SMT การทำงานซ้ำของ SMT ไม่เหมาะกับการใช้งาน ความต้องการพื้นที่จัดเก็บสูง

3. แผ่นทั้งหมดชุบนิกเกิลทอง

การชุบนิกเกิลเพลทคือการชุบนิกเกิลบนตัวนำบนพื้นผิว PCB ก่อน แล้วจึงชุบด้วยทองคำ การชุบนิกเกิลมีวัตถุประสงค์หลักเพื่อป้องกันการแพร่กระจายระหว่างทองคำและทองแดง การชุบนิกเกิลด้วยไฟฟ้ามีสองประเภท ได้แก่ การชุบทองแบบอ่อน (ทองคำบริสุทธิ์ ผิวทองดูไม่สดใส) และการชุบทองแบบแข็ง (ผิวเรียบและแข็ง ทนทานต่อการสึกหรอ มีองค์ประกอบอื่นๆ เช่น โคบอลต์ ทำให้ผิวทองดูสดใสกว่า) ทองคำแบบอ่อนส่วนใหญ่ใช้สำหรับบรรจุชิปลวดทอง ส่วนทองคำแบบแข็งส่วนใหญ่ใช้ในการเชื่อมต่อทางไฟฟ้าแบบไม่ต้องเชื่อม

ข้อดี: เก็บรักษาได้นาน >12 เดือน เหมาะสำหรับการออกแบบสวิตช์สัมผัสและการผูกลวดทอง เหมาะสำหรับการทดสอบทางไฟฟ้า

จุดอ่อน: ต้นทุนสูงกว่า ทองหนากว่า นิ้วที่ชุบด้วยไฟฟ้าต้องใช้ตัวนำลวดที่ออกแบบเพิ่มเติม เนื่องจากความหนาของทองไม่สม่ำเสมอ เมื่อนำไปเชื่อม อาจทำให้จุดบัดกรีเปราะเนื่องจากทองหนาเกินไป ส่งผลต่อความแข็งแรง ปัญหาความสม่ำเสมอของพื้นผิวการชุบด้วยไฟฟ้า ทองนิกเกิลที่ชุบด้วยไฟฟ้าไม่ปกคลุมขอบลวด ไม่เหมาะสำหรับการยึดติดลวดอะลูมิเนียม

4. จมทอง

กระบวนการทั่วไปคือ: การดอง การทำความสะอาด -> การกัดกร่อนระดับจุลภาค -> การชะล้างเบื้องต้น -> การกระตุ้น -> การชุบนิกเกิลแบบไม่ใช้ไฟฟ้า -> การชะล้างทองด้วยสารเคมี มีถังเคมี 6 ถังในกระบวนการ ซึ่งเกี่ยวข้องกับสารเคมีเกือบ 100 ชนิด และกระบวนการนี้มีความซับซ้อนมากขึ้น

ทองคำจมจะถูกหุ้มด้วยโลหะผสมนิกเกิลทองที่มีความหนาและมีคุณสมบัติทางไฟฟ้าที่ดีบนพื้นผิวทองแดง ซึ่งสามารถปกป้องแผงวงจรพิมพ์ (PCB) ได้ยาวนาน นอกจากนี้ ยังมีความทนทานต่อสภาพแวดล้อมที่กระบวนการปรับสภาพพื้นผิวอื่นๆ ไม่มี นอกจากนี้ ทองคำจมยังสามารถป้องกันการสลายตัวของทองแดง ซึ่งเป็นประโยชน์ต่อการประกอบแบบไร้สารตะกั่ว

ข้อดี: ไม่เป็นสนิมง่าย สามารถเก็บไว้ได้นาน พื้นผิวเรียบ เหมาะสำหรับการเชื่อมพินช่องว่างขนาดเล็กและส่วนประกอบที่มีจุดบัดกรีขนาดเล็ก นิยมใช้กับแผงวงจร PCB ที่มีปุ่ม (เช่น แผงวงจรโทรศัพท์มือถือ) สามารถเชื่อมแบบรีโฟลว์ได้หลายครั้งโดยไม่สูญเสียความสามารถในการเชื่อมมากนัก สามารถใช้เป็นวัสดุฐานสำหรับการเดินสายแบบ COB (Chip On Board) ได้

ข้อเสีย: ต้นทุนสูง ความแข็งแรงในการเชื่อมต่ำ เนื่องจากใช้กระบวนการชุบนิกเกิลแบบไม่เคลือบด้วยไฟฟ้า จึงเกิดปัญหาแผ่นโลหะดำได้ง่าย ชั้นนิกเกิลจะเกิดออกซิเดชันเมื่อเวลาผ่านไป และความน่าเชื่อถือในระยะยาวก็เป็นอีกปัญหาหนึ่ง

5. ดีบุกจมน้ำ

เนื่องจากตะกั่วบัดกรีในปัจจุบันทั้งหมดใช้ดีบุกเป็นส่วนประกอบหลัก จึงสามารถจับคู่ชั้นดีบุกกับตะกั่วบัดกรีได้ทุกประเภท กระบวนการจมดีบุกสามารถสร้างสารประกอบอินเตอร์เมทัลลิกโลหะทองแดง-ดีบุกแบบแบน ซึ่งทำให้ดีบุกจมมีความสามารถในการบัดกรีที่ดีเช่นเดียวกับการปรับระดับด้วยลมร้อน โดยไม่เกิดปัญหาความแบนจากการปรับระดับด้วยลมร้อน แผ่นดีบุกไม่สามารถเก็บไว้ได้นานเกินไป และต้องดำเนินการประกอบตามลำดับการจมดีบุก

ข้อดี: เหมาะสำหรับการผลิตแบบเส้นแนวนอน เหมาะสำหรับการแปรรูปแบบเส้นละเอียด เหมาะสำหรับการเชื่อมแบบไร้สารตะกั่ว โดยเฉพาะอย่างยิ่งเหมาะสำหรับเทคโนโลยีการจีบ มีความเรียบดีมาก เหมาะสำหรับ SMT

ข้อเสีย: จำเป็นต้องมีสภาวะการเก็บรักษาที่ดี โดยควรไม่เกิน 6 เดือน เพื่อควบคุมการเติบโตของผงดีบุก ไม่เหมาะสำหรับการออกแบบสวิตช์สัมผัส ในกระบวนการผลิต กระบวนการเชื่อมจะมีฟิล์มต้านทานค่อนข้างสูง มิฉะนั้นจะทำให้ฟิล์มต้านทานหลุดลอก สำหรับการเชื่อมหลายครั้ง การป้องกันด้วยก๊าซ N2 ถือเป็นวิธีที่ดีที่สุด การวัดทางไฟฟ้าก็เป็นปัญหาเช่นกัน

6. เงินจม

กระบวนการชุบเงินเป็นกระบวนการระหว่างการเคลือบแบบออร์แกนิกและการชุบนิกเกิล/ทองแบบไม่ใช้ไฟฟ้า ซึ่งค่อนข้างง่ายและรวดเร็ว แม้ในสภาวะที่สัมผัสกับความร้อน ความชื้น และมลภาวะ เงินก็ยังคงสามารถเชื่อมได้ดี แต่ความเงางามจะลดลง การชุบเงินไม่มีความแข็งแรงทางกายภาพที่ดีเท่ากับการชุบนิกเกิล/ทองแบบไม่ใช้ไฟฟ้า เนื่องจากไม่มีนิกเกิลอยู่ใต้ชั้นเงิน

ข้อดี: กระบวนการง่าย เหมาะสำหรับการเชื่อมแบบไร้สารตะกั่ว SMT พื้นผิวเรียบมาก ต้นทุนต่ำ เหมาะสำหรับเส้นที่ละเอียดมาก

ข้อเสีย: ความต้องการในการจัดเก็บสูง ก่อให้เกิดมลพิษได้ง่าย ความแข็งแรงในการเชื่อมมีแนวโน้มที่จะเกิดปัญหา (ปัญหาโพรงขนาดเล็ก) มักเกิดปรากฏการณ์อิเล็กโตรไมเกรชันและปรากฏการณ์การกัดของทองแดงใต้ฟิล์มต้านทานการเชื่อมได้ง่าย การวัดค่าทางไฟฟ้าก็เป็นปัญหาเช่นกัน

7. นิกเกิลแพลเลเดียมเคมี

เมื่อเทียบกับการตกตะกอนของทองคำแล้ว แพลเลเดียมมีชั้นพิเศษคั่นระหว่างนิกเกิลและทองคำ แพลเลเดียมสามารถป้องกันปรากฏการณ์การกัดกร่อนที่เกิดจากปฏิกิริยาการแทนที่ และเตรียมพร้อมสำหรับการตกตะกอนของทองคำได้อย่างสมบูรณ์ ทองคำถูกเคลือบด้วยแพลเลเดียมอย่างแน่นหนา จึงมีพื้นผิวสัมผัสที่ดี

ข้อดี: เหมาะสำหรับการเชื่อมแบบไร้สารตะกั่ว พื้นผิวเรียบมาก เหมาะสำหรับงาน SMT รูทะลุสามารถเจาะด้วยนิกเกิลโกลด์ได้ เก็บรักษาได้นาน สภาพการเก็บรักษาไม่รุนแรง เหมาะสำหรับการทดสอบระบบไฟฟ้า เหมาะสำหรับการออกแบบหน้าสัมผัสสวิตช์ เหมาะสำหรับการผูกลวดอลูมิเนียม เหมาะสำหรับแผ่นหนา ทนทานต่อการกัดกร่อนจากสภาพแวดล้อม

8. การชุบทองแข็งด้วยไฟฟ้า

เพื่อปรับปรุงความทนทานต่อการสึกหรอของผลิตภัณฑ์ เพิ่มจำนวนการใส่และถอดและการชุบทองแข็งด้วยไฟฟ้า

การเปลี่ยนแปลงของกระบวนการเคลือบผิว PCB อาจไม่มากนัก ดูเหมือนจะเป็นเรื่องที่เกิดขึ้นค่อนข้างไกล แต่ควรสังเกตว่าการเปลี่ยนแปลงที่ช้าในระยะยาวจะนำไปสู่การเปลี่ยนแปลงครั้งใหญ่ หากมีการเรียกร้องด้านสิ่งแวดล้อมมากขึ้น กระบวนการเคลือบผิว PCB จะเปลี่ยนแปลงไปอย่างมากในอนาคตอย่างแน่นอน