เหตุใดแผงวงจรพิมพ์ (PCB) ที่เก็บไว้นานจึงเกิดการลัดวงจรที่รูเปิด (Via)?

เหตุใดแผงวงจรพิมพ์ (PCB) ที่เก็บไว้นาน 4 ปี จึงแสดงอาการลัดวงจรที่รูเปิด (open vias) ซึ่งเกิดขึ้นเฉพาะในชั้นภายใน และเหตุใดอาการเหล่านี้จึงหายไปหลังจากอบ?

คำอธิบายเชิงวิศวกรรมจาก ริช ฟูล จอย

เมื่อแผงวงจรพิมพ์ (PCB) ที่เก็บไว้นานสี่ปีเกิดการลัดวงจรขึ้นอย่างกะทันหัน โดยกระจุกตัวอยู่ที่รูเปิด และผลการทดสอบบ่งชี้ว่าเป็นการลัดวงจรภายในชั้น และการลัดวงจรเหล่านั้นหายไปหลังจากอบแล้ว กลไกความล้มเหลวนั้นแทบจะไม่ใช่การเชื่อมต่อทองแดงถาวร

จากมุมมองด้านวิศวกรรมความน่าเชื่อถือ รูปแบบนี้บ่งชี้อย่างชัดเจนถึงการนำไฟฟ้าชั่วคราวที่เกิดจากความชื้นซึ่งเสริมด้วยการปนเปื้อนของไอออน ไม่ใช่การลัดวงจรของโลหะชั้นในเชิงโครงสร้าง

บทความนี้อธิบายปรากฏการณ์ดังกล่าวอย่างชัดเจนและเป็นขั้นตอน

1. เหตุใดการลัดวงจรจึงกระจุกตัวอยู่ที่จุดเชื่อมต่อแบบเปิด?

ที่ RICH FULL JOY รูเปิด (รูที่ไม่มีการปิดผนึกด้วยมาสก์บัดกรี) ถือเป็นจุดที่สิ่งแวดล้อมสามารถเข้าสู่ตัวอุปกรณ์ได้ เนื่องจาก:

• วงแหวนทองแดงและปากท่อสัมผัสกับอากาศ
• ไม่มีชั้นเคลือบป้องกันการบัดกรีที่จะช่วยป้องกันความชื้นหรือสิ่งปนเปื้อนได้
• ช่องเปิดต่างๆ ช่วยส่งเสริมการกักเก็บความชื้นโดยแรงดึงดูดของเส้นเลือดฝอย
• ทองแดงที่สัมผัสกับอากาศมีแนวโน้มที่จะสะสมคราบไอออนิกได้ง่ายกว่า (รอยนิ้วมือ ฝุ่นละออง สารเคมีที่ระเหยออกมาจากบรรจุภัณฑ์ และการปนเปื้อนจากการสัมผัส)

ภายใต้สภาวะที่มีความชื้นสูง ฟิล์มอิเล็กโทรไลต์บางๆ (น้ำ + ไอออนที่ละลายอยู่) สามารถก่อตัวขึ้นที่บริเวณช่องเปิดของวงจรได้

ฟิล์มดังกล่าวสามารถนำไฟฟ้าได้ชั่วคราวระหว่างตัวนำที่อยู่ติดกัน หรือจากตัวนำแบบรูเจาะไปยังส่วนประกอบทองแดงที่อยู่ใกล้เคียง

ดังนั้น รูเปิดต่างๆ จึงกลายเป็นจุดที่เสี่ยงต่อความผิดปกติทางไฟฟ้าที่เกิดจากความชื้นมากที่สุดหลังจากเก็บรักษาเป็นเวลานาน

2. เหตุใดผลการทดสอบจึงแสดงว่าการลัดวงจรเป็นความผิดพลาดในชั้นภายใน?

นี่ไม่ได้หมายความว่าจะมีสะพานโลหะเกิดขึ้นเฉพาะภายในแผงวงจรพิมพ์เท่านั้น

แต่ในทางกลับกัน มันสะท้อนถึงจุดที่เส้นทางไฟฟ้าสิ้นสุดลงในที่สุด:

• ช่องว่างไฟฟ้าที่เล็กที่สุดในงานออกแบบหลายแบบมักจะอยู่ภายในชั้นภายใน
  • ระยะห่างระหว่าง vias กับระนาบ
  • การกำหนดเส้นทางชั้นในที่หนาแน่นใกล้กับท่อส่งผ่าน
• ระนาบพลังงานและระนาบกราวด์มีความต้านทานต่ำมากและทำหน้าที่เป็น "ตัวดูดซับไฟฟ้า" โดยธรรมชาติ

เมื่อความชื้นก่อให้เกิดเส้นทางนำไฟฟ้าชั่วคราวใกล้กับช่องเปิดของรูเชื่อมต่อหรือตามผนังของรูเชื่อมต่อ กระแสไฟรั่วจะมักเชื่อมต่อกับระนาบภายในหรือลายวงจรชั้นใน ซึ่งทำให้เครื่องทดสอบรายงานว่าเกิดการลัดวงจรในชั้นใน

ดังนั้น จุดเริ่มต้นจึงเป็นช่องเปิด แต่จุดปิดมักจะเป็นส่วนประกอบทองแดงชั้นใน

3. เหตุใดการอบจึงช่วยขจัดปัญหาไฟฟ้าลัดวงจรได้?

นี่คือเบาะแสสำคัญในการวินิจฉัยโรค

การอบช่วยขับไล่ความชื้นที่ดูดซับไว้จาก:

• ระบบเรซิน PCB
• ผ่านทางอินเทอร์เฟซ
• บริเวณพื้นผิวรอบๆ รูเปิด

เมื่อความชื้นระเหย:

• ฟิล์มอิเล็กโทรไลต์ยุบตัวลง
• เส้นทางการนำไฟฟ้าของไอออนขาด
• ค่าความต้านทานไฟฟ้ากลับสู่ระดับปกติ

สิ่งนี้พิสูจน์ได้ว่าการลัดวงจรเกิดจากการรั่วไหลของกระแสไฟฟ้าที่เกิดจากความชื้น ไม่ใช่การเชื่อมต่อทองแดงกับทองแดงอย่างถาวร

ถ้าเป็นสะพานโลหะ การอบก็จะไม่ทำให้มันหายไป

4. กลไกความล้มเหลวใดบ้างที่สอดคล้องกับพฤติกรรมนี้?

จากประสบการณ์ภาคสนามของโครงการ RICH FULL JOY สาเหตุที่พบได้บ่อยที่สุด ได้แก่:

• การนำไฟฟ้าแบบไอออนิกที่เกิดจากความชื้น (น่าจะเป็นไปได้มากที่สุด)
  • เส้นทางนำไฟฟ้าชั่วคราวจะเกิดขึ้นเมื่อความชื้นรวมตัวกับสารตกค้างที่เป็นไอออน
• การเคลื่อนย้ายทางไฟฟ้าเคมีในระยะเริ่มต้น (ECM)
  • ในระยะแรก เส้นทางการนำไฟฟ้าจะขึ้นอยู่กับความชื้นและสามารถย้อนกลับได้
  • หากสัมผัสกับความชื้นและกระแสไฟฟ้าซ้ำๆ กัน อาจทำให้เกิดโครงสร้างโลหะถาวรได้

นี่หมายความว่าแผงวงจรของคุณอยู่ในขั้นที่มีความเสี่ยงแต่ยังสามารถแก้ไขได้ แต่การสัมผัสกับความชื้นซ้ำๆ อาจทำให้ความเสียหายนั้นถาวรได้ในระยะยาว

5. RICH FULL JOY แนะนำวิธีการควบคุมความเสี่ยงนี้อย่างไร

การควบคุมทันที

• ก่อนใช้งานแผ่นรองอบ
• ทดสอบซ้ำหลังจากอบเสร็จ
• ปิดผนึกในบรรจุภัณฑ์สุญญากาศทันที พร้อมสารดูดความชื้นและแผ่นแสดงระดับความชื้น (HIC)

การควบคุมการจัดเก็บ

• ลดระยะเวลาที่ช่องเปิดสัมผัสกับอากาศให้น้อยที่สุด
• เก็บในที่ที่มีความชื้นต่ำ
• หลีกเลี่ยงการสัมผัสรูเปิดด้วยมือเปล่า

การปรับปรุงการออกแบบ/กระบวนการ (สำหรับล็อตต่อๆ ไป)

• ควรหลีกเลี่ยงการใช้ vias แบบเปิดหากเป็นไปได้ → ให้ใช้ vias แบบมีหลังคาคลุม หรือ vias ที่อุดและปิดแล้ว
• เพิ่มระยะห่างในบริเวณที่เชื่อมต่อกับระนาบสำหรับวงจรที่สำคัญ
• ปรับปรุงการควบคุมความสะอาดเพื่อลดสารตกค้างของไอออน

บทสรุปทางวิศวกรรมขั้นสุดท้าย

เมื่อแผงวงจรพิมพ์ (PCB) ที่เก็บไว้นานแสดงการลัดวงจรที่รูเปิดซึ่งดูเหมือนจะเป็นข้อบกพร่องภายในชั้น และการลัดวงจรเหล่านั้นหายไปหลังจากอบ สาเหตุหลักเกือบจะแน่นอนว่าเป็นการนำไฟฟ้าของไอออนที่เกิดจากความชื้น ไม่ใช่การลัดวงจรทองแดงภายในอย่างถาวร

ที่ RICH FULL JOY เรามองว่านี่เป็นปัญหาที่ไวต่อสภาพแวดล้อมในการจัดเก็บ ซึ่งจัดการได้ด้วยการควบคุมความชื้น ความสะอาด และบรรจุภัณฑ์ ไม่ใช่ข้อบกพร่องทางโครงสร้างของการผลิตแผงวงจรพิมพ์ (PCB)