การประกอบ PCB

PCBA เป็นคำย่อของ Printed Circuit Board Assembly ซึ่งหมายถึงกระบวนการบัดกรีชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ลงบนแผ่นวงจรพิมพ์ (PCB) เพื่อประกอบเป็นระบบวงจรที่สมบูรณ์ นับเป็นขั้นตอนสำคัญในการผลิตผลิตภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์

โดยหลักๆ แล้วใช้เทคโนโลยีแบบ Through-Hole Technology (THT), Surface Mount Technology (SMT) และเทคโนโลยีแบบผสมผสาน THT คือการบัดกรีชิ้นส่วนโดยเสียบขาผ่านรู SMT คือการบัดกรีชิ้นส่วนลงบนพื้นผิว PCB โดยตรง และเทคโนโลยีแบบผสมผสานเป็นการรวมทั้งสองอย่างเข้าด้วยกัน

ขั้นตอนต่างๆ ได้แก่ การเตรียมวัสดุ การตรวจสอบ PCB SMT (การพิมพ์วางบัดกรี การวางชิ้นส่วน การบัดกรีแบบรีโฟลว์) THT (การประมวลผลขา การบัดกรีแบบคลื่น) การเชื่อม การทดสอบคุณภาพ การทำความสะอาดและการเคลือบ และการประกอบขั้นสุดท้าย

มันเชื่อมต่อส่วนประกอบต่างๆ เข้าด้วยกันตามการออกแบบ ทำให้สามารถใช้งานฟังก์ชันต่างๆ เช่น การประมวลผลสัญญาณและการแปลงพลังงานได้ นับเป็นขั้นตอนสำคัญในการเปลี่ยนการออกแบบให้กลายเป็นผลิตภัณฑ์จริง

กระบวนการพื้นฐานนั้นคล้ายคลึงกัน แต่จะมีการปรับเปลี่ยนตามความซับซ้อนของผลิตภัณฑ์ ประเภทของชิ้นส่วน ขนาดการผลิต ฯลฯ ตัวอย่างเช่น ผลิตภัณฑ์ที่มีความแม่นยำสูงที่ผลิตในปริมาณน้อยอาจมีการตรวจสอบด้วยมือเพิ่มเติม ในขณะที่การผลิตจำนวนมากจะเน้นไปที่ระบบอัตโนมัติ

THT ย่อมาจาก Through-Hole Technology ซึ่งเป็นเทคโนโลยีที่ใช้ชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ที่มีขาเสียบเข้าไปในรูเพื่อทำการบัดกรี ข้อดี: มีความแข็งแรงทางกลสูง เหมาะสำหรับชิ้นส่วนที่ใช้กระแสไฟฟ้าสูง ข้อเสีย: กินพื้นที่มาก ประสิทธิภาพต่ำ

SMT ย่อมาจาก Surface Mount Technology ซึ่งมีข้อดีคือ ความหนาแน่นในการประกอบสูง ขนาดชิ้นส่วนเล็ก เหมาะสำหรับการผลิตแบบอัตโนมัติ ประสิทธิภาพสูง และต้นทุนต่ำ

เทคโนโลยีไฮบริดถูกนำมาใช้เมื่อผลิตภัณฑ์ต้องการใช้ประโยชน์จากทั้งกำลังไฟฟ้าสูง/ความแข็งแรงเชิงกลของ THT และความหนาแน่นสูง/ขนาดเล็กของ SMT เช่น โมดูลพลังงานที่มีทั้งตัวเหนี่ยวนำแบบเจาะรูและชิปแบบติดตั้งบนพื้นผิว

ต้นทุนการผลิตได้รับอิทธิพลจากหลายปัจจัย เช่น ต้นทุนของชิ้นส่วน จำนวนชั้น/ขนาด/ความซับซ้อนของกระบวนการผลิตบนแผงวงจรพิมพ์ ความยากในการประกอบ ปริมาณการผลิต ข้อกำหนดในการทดสอบ เป็นต้น การผลิตในปริมาณมากจะช่วยลดต้นทุนต่อหน่วย ในขณะที่กระบวนการที่ซับซ้อนจะเพิ่มต้นทุน

อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สำหรับผู้บริโภค: ต้นทุนต่ำ ความหนาแน่นสูง ขนาดเล็ก; การควบคุมทางอุตสาหกรรม: ความเสถียร การป้องกันการรบกวน; อุปกรณ์ทางการแพทย์: ความแม่นยำและความน่าเชื่อถือสูง ต้องปฏิบัติตามมาตรฐานอย่างเคร่งครัด

วัสดุทั่วไป เช่น FR-4 (มีคุณสมบัติทางไฟฟ้า/เชิงกลที่ดีสำหรับผลิตภัณฑ์ทั่วไป) และ CEM-1 (ต้นทุนต่ำกว่า แต่ประสิทธิภาพด้อยกว่า) ค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนส่งผลต่อความน่าเชื่อถือของข้อต่อบัดกรี ความแตกต่างที่มากอาจทำให้เกิดปัญหาความเครียดได้

เลือกตามความซับซ้อนของวงจร: วงจรสองชั้นสำหรับวงจรที่ไม่ซับซ้อน วงจรหลายชั้นสำหรับวงจรที่ซับซ้อนกว่า จำนวนชั้นที่มากขึ้นจะให้พื้นที่สำหรับการเดินสายมากขึ้น แต่ต้นทุนก็จะสูงขึ้นเช่นกัน พร้อมข้อกำหนดที่เข้มงวดมากขึ้นสำหรับการจัดเรียงชั้น

แผงวงจรพิมพ์ (PCB) ที่มีขนาดใหญ่เกินไปจะเกินขีดจำกัดของอุปกรณ์ ในขณะที่แผงวงจรพิมพ์ที่มีขนาดเล็กเกินไปจะทำให้การจัดการ/การบัดกรีทำได้ยาก ส่งผลต่อการจัดวางชิ้นส่วนและการระบายความร้อน

ขนาด รูปร่าง และระยะห่างของแผ่นรองบัดกรีมีผลโดยตรงต่อคุณภาพการบัดกรี แผ่นรองบัดกรีที่เล็กเกินไปจะทำให้เกิดการบัดกรีแห้ง ในขณะที่ระยะห่างที่แคบเกินไปจะทำให้เกิดการลัดวงจร

การปรับระดับผิวบัดกรีด้วยลมร้อน (HASL): ต้นทุนต่ำ แต่ความเรียบไม่ดี ส่งผลต่อการบัดกรีที่มีระยะห่างระหว่างจุดละเอียด; การเคลือบทองด้วยนิกเกิลแบบไม่ใช้ไฟฟ้า (ENIG): บัดกรีได้ดี ความแม่นยำสูง ต้นทุนสูง; สารกันเสียการบัดกรีแบบอินทรีย์ (OSP): ปกป้องทองแดง ต้นทุนปานกลาง ข้อกำหนดในการจัดเก็บที่เข้มงวด

การตรวจสอบด้วยสายตา (รอยขีดข่วน การเสียรูป) การทดสอบด้วยหัววัดแบบเคลื่อนที่/ICT (การเชื่อมต่อ) การวิเคราะห์ทางโลหะวิทยา (โครงสร้างภายใน/การชุบ)

การทำความสะอาดเพื่อกำจัดสิ่งสกปรก แผงวงจรพิมพ์ที่ผ่านการบำบัดด้วย OSP จำเป็นต้องอบเพื่อกำจัดความชื้นและป้องกันฟองอากาศจากการบัดกรี

ไฟล์ออกแบบ เช่น ไฟล์ Gerber ระบุเค้าโครงของชิ้นส่วนและตำแหน่งของแผ่นรอง ซึ่งเป็นพื้นฐานสำหรับการประกอบเพื่อให้มั่นใจได้ว่าการออกแบบเป็นไปตามข้อกำหนด

ไม่สามารถติดตั้งชิ้นส่วนได้ เกิดไฟฟ้าลัดวงจร/วงจรเปิด สัญญาณรบกวน การระบายความร้อนไม่ดี ส่งผลให้การทำงานล้มเหลวหรือมีปัญหาด้านประสิทธิภาพ

การจัดวางส่วนประกอบอย่างเหมาะสม (หลีกเลี่ยงพื้นที่หนาแน่น/เข้าถึงยาก) การออกแบบแผ่นรองที่เหมาะสมที่สุด ความเข้ากันได้กับ SMT/THT รูสำหรับกำหนดตำแหน่ง และการเดินสายเพื่อหลีกเลี่ยงมุมแหลมและเส้นทางยาว

พิจารณาประสิทธิภาพทางไฟฟ้า (การจับคู่พารามิเตอร์), ความเข้ากันได้ของแพ็คเกจกับแผ่นรอง, ความน่าเชื่อถือ, ต้นทุน และความเสถียรของแหล่งจ่ายไฟ

แพ็คเกจแบบเจาะรู (เช่น DIP) เหมาะสำหรับ THT (Through-Hole) แต่ใช้พื้นที่มาก แพ็คเกจแบบติดตั้งบนพื้นผิว (เช่น SOP/BGA) เหมาะสำหรับ SMT (Surface-Mount) มีความหนาแน่นสูง แต่บัดกรียากกว่า (เช่น BGA ต้องการการควบคุมอุณหภูมิที่แม่นยำ)

คุณสมบัติการบัดกรีที่ไม่ดีทำให้เกิดรอยต่อแห้งและการบัดกรีที่ไม่สมบูรณ์ สายไฟที่เกิดการออกซิเดชันหรือมีคราบน้ำมันจำเป็นต้องได้รับการเตรียมการก่อน (การทำความสะอาด การเคลือบดีบุก)

การบัดกรีแบบรีโฟลว์เหมาะสำหรับชิ้นส่วน SMT ส่วนการบัดกรีแบบคลื่นเหมาะสำหรับชิ้นส่วนแบบทะลุรูและชิ้นส่วน SMT ขนาดใหญ่ โดยปกติแล้วข้อกำหนดจะระบุถึงกระบวนการที่ใช้งานร่วมกันได้

หลักการเข้าก่อนออกก่อน (FIFO), การควบคุมอุณหภูมิและความชื้น (20-25℃, 40%-60%RH), การสุ่มตัวอย่างอย่างสม่ำเสมอ และการทดสอบ/การกำจัดส่วนประกอบที่หมดอายุ/ต้องสงสัย

การทำงานของวงจรผิดปกติ (พารามิเตอร์ไม่ถูกต้อง ชิปเสียหาย) ไฟฟ้าลัดวงจร/โอเวอร์โหลด และความเสียหายต่อแผงวงจรพิมพ์และส่วนประกอบอื่นๆ

การตรวจสอบด้วยสายตา (ความเสียหาย การเกิดออกซิเดชันของตะกั่ว) การทดสอบพารามิเตอร์ทางไฟฟ้า (มัลติมิเตอร์/มิเตอร์ LCR) และการทดสอบการทำงานของส่วนประกอบที่สำคัญ (เช่น การตรวจสอบการโปรแกรมชิป)

ความเครียดจากความร้อนที่มากเกินไปอาจทำให้เกิดรอยแตกร้าวภายในข้อต่อบัดกรีในชิป หรือทำให้ฉนวนในตัวเก็บประจุเสียหาย ส่งผลให้พารามิเตอร์เปลี่ยนแปลงหรือเกิดความล้มเหลว ต้องควบคุมอุณหภูมิและระยะเวลาให้เหมาะสม

สัญลักษณ์แสดงขั้ว (เช่น ตัวเก็บประจุ ±, ลูกศรไดโอด) จะถูกทำเครื่องหมายไว้บนแผ่นวงจรพิมพ์ (PCB) การติดตั้งด้วยตนเองต้องตรวจสอบด้วยสายตา ส่วนอุปกรณ์อัตโนมัติจำเป็นต้องตั้งค่าพารามิเตอร์ขั้วให้ถูกต้อง

ต้องควบคุมอุณหภูมิ/ความชื้น (±2℃, 40%-60%RH) และการป้องกัน ESD (พื้นกันไฟฟ้าสถิต, สายรัดข้อมือ, ชุดทำงาน) เพื่อหลีกเลี่ยงการเปลี่ยนแปลงของพารามิเตอร์และความเสียหายจาก ESD

หลักการ: การพิมพ์วางบัดกรี → การวางชิ้นส่วน → การให้ความร้อนเพื่อละลายบัดกรี → การทำให้เย็นลงเพื่อบัดกรี โปรไฟล์อุณหภูมิ: อุ่นก่อน (1-3℃/วินาที ถึง 150-180℃), คงอุณหภูมิ (180-200℃, 60-120 วินาที), การหลอม (สูงสุด 217-235℃, 30-90 วินาที), การทำให้เย็นลง (3-6℃/วินาที)

หลักการ: ตะกั่วเหลวจะก่อตัวเป็นคลื่น และขาของชิ้นส่วน PCB จะถูกบัดกรีเมื่อไหลผ่าน เหมาะสำหรับชิ้นส่วนแบบ Through-hole และชิ้นส่วน SMT ขนาดใหญ่

การใช้งาน: การสร้างต้นแบบ การซ่อมแซม และพื้นที่เข้าถึงยากสำหรับระบบอัตโนมัติ ข้อควรระวัง: หัวแร้ง 20-60 วัตต์ ลวดบัดกรี 0.5-1.0 มม. อุณหภูมิ 300-350 องศาเซลเซียส เวลา 3-5 วินาที ทำความสะอาดก่อน และตรวจสอบหลังการใช้งาน

เลือกใช้ตามกระบวนการ: น้ำยาบัดกรีไร้สารตะกั่ว (Sn-Ag-Cu, 217-227℃) สำหรับการบัดกรีแบบรีโฟลว์; แท่งบัดกรีมีสารตะกั่ว/ไร้สารตะกั่ว (Sn-Pb, 183℃ สำหรับแบบมีสารตะกั่ว) สำหรับการบัดกรีแบบคลื่น; ลวดบัดกรีสำหรับการบัดกรีด้วยมือ โดยพิจารณาจากความสามารถในการเปียกและต้นทุน

ควบคุมพารามิเตอร์ของกระบวนการ (โปรไฟล์อุณหภูมิ เวลาในการบัดกรี) ปรับเทียบอุปกรณ์ ฝึกอบรมบุคลากร ใช้วัสดุที่มีคุณภาพ ตรวจสอบด้วย AOI/X-Ray และแก้ไขข้อบกพร่องอย่างทันท่วงที

รอยเชื่อมแห้ง: ปรับอุณหภูมิ เพิ่มเวลา ทำความสะอาดพื้นผิว; ไฟฟ้าลัดวงจร: ลดปริมาณตะกั่ว ปรับการออกแบบให้เหมาะสม; การเชื่อมติดกัน: ปรับปริมาณตะกั่วและโปรไฟล์อุณหภูมิ; ตะกั่วไม่เพียงพอ: เพิ่มปริมาณตะกั่ว ปรับกระบวนการให้เหมาะสม; ตะกั่วหยาบ: เพิ่มฟลักซ์ ปรับอุณหภูมิ

หน้าที่: กำจัดออกไซด์ ลดแรงตึงผิว ปรับปรุงการเปียกน้ำ ประเภท: อนินทรีย์ (มีฤทธิ์สูง กัดกร่อน ต้องทำความสะอาด) อินทรีย์ (มีฤทธิ์ปานกลาง กัดกร่อนต่ำ ต้องทำความสะอาด) เรซิน (ทั่วไป ไม่กัดกร่อน ไม่ต้องทำความสะอาด) เลือกตามกระบวนการและผลิตภัณฑ์

ค่า Tg เป็นตัวกำหนดความทนทานต่อความร้อนของวัสดุตั้งต้น วัสดุ FR-4 มาตรฐานมีค่า Tg ประมาณ 130-140℃ ในขณะที่วัสดุที่มีค่า Tg สูง (≥170℃) สามารถทนต่ออุณหภูมิสูงสุดของการหลอมเหลวได้ถึง 250℃ ซึ่งช่วยลดความเสี่ยงต่อการแยกชั้น กระบวนการผลิตแบบไร้สารตะกั่วต้องการค่า Tg ≥150℃

กระบวนการ SMT มาตรฐาน: 4/4 มิล (0.1/0.1 มม.); กระบวนการ HDI สามารถทำได้ถึง 2/2 มิล (0.05/0.05 มม.) ด้วยการฉายแสงที่มีความแม่นยำสูงและการชุบทองแดงแบบไร้กระแสไฟฟ้า

ปฏิบัติตามมาตรฐาน IPC-7351: ความกว้างของแผ่นรอง QFP เพิ่มขึ้น +0.1-0.2 มม. เมื่อเทียบกับความกว้างของขา; แผ่นรอง 0603 แนะนำให้ใช้ขนาด 0.65×0.65 มม. สำหรับการใช้สารบัดกรี 0.04-0.06 มก. ต่อแผ่นรอง

โลหะผสม SAC305 (96.5Sn/3.0Ag/0.5Cu) มีจุดหลอมเหลวที่ 217℃ ซึ่งสูงกว่าจุดหลอมเหลวของดีบุก-ตะกั่ว (183℃) ถึง 34℃ จึงต้องใช้อุณหภูมิการหลอมซ้ำที่สูงขึ้น

ส่วนประกอบ 0402: แผ่นสเตนซิลขนาด 0.12 มม.; ระยะห่างระหว่างขา 0.5 มม. BGA: แผ่นสเตนซิลขนาด 0.1 มม. พร้อมช่องเปิดแผ่นรอง 85% เพื่อป้องกันการเกิดเม็ดตะกั่ว

IPC-A-610: การเยื้องตำแหน่งของวางบัดกรี ≤25% ของความกว้างของแผ่นรอง; ≤0.1 มม. สำหรับ QFP ระยะห่าง 0.4 มม.

เครื่องสแกนเลเซอร์ระดับไฮเอนด์ (เช่น Fuji NXT) มีค่า Cpk≥1.33, ความแม่นยำในการวัด XY ±25μm, ความแม่นยำในการวัด θ ±0.5° เหมาะสำหรับชิ้นส่วนขนาด 0201 และ BGA ระยะห่าง 0.3 มม.

แรงกดในการติดตั้ง MLCC: 0.3-0.5N (เสี่ยงต่อการแตกร้าวหากใช้แรงกดสูงกว่านี้); ขั้ว QFP: 0.8-1.2N เพื่อความเรียบเสมอกัน

ปรับความแม่นยำในการวางให้เหมาะสม (±0.05 มม.) ตรวจสอบให้แน่ใจว่าปริมาณของสารบัดกรีมีความสมมาตร และอัตราการเพิ่มอุณหภูมิในการหลอมละลาย ≤3℃/วินาที เพื่อลดความแตกต่างของอุณหภูมิให้น้อยที่สุด

อุ่นก่อน (150-180℃): เพิ่มอุณหภูมิ 1-2℃/วินาที; คงอุณหภูมิ (180-210℃): 60-90 วินาที; อุณหภูมิสูงสุดในการหลอม 245-255℃, ≥217℃ เป็นเวลา 60-90 วินาที; ลดอุณหภูมิ 2-4℃/วินาที

ไนโตรเจน (O₂＜500ppm) ช่วยลดการเกิดออกซิเดชันและปรับปรุงการเปียก แต่จะเพิ่มต้นทุนกระบวนการ 15-20% เหมาะสำหรับงานที่ต้องการความน่าเชื่อถือสูง

มาตรฐาน IPC-A-610 ระดับ 3: พื้นที่ช่องว่าง ≤10% ของพื้นที่ลูกบัดกรี; สำหรับการใช้งานที่สำคัญ (เช่น ยานยนต์) ต้องมีช่องว่าง ≤5%

การบัดกรีแบบสองคลื่น: คลื่นปั่นป่วนจะจุ่มลงไปในแผ่น PCB หนา 1/3-1/2 นิ้ว; ความสูงของคลื่นเรียบจะอยู่ที่ 0.5-1 มิลลิเมตรใต้ก้นแผ่น PCB

ฟลักซ์แบบไม่ต้องทำความสะอาด: ปริมาณของแข็งน้อยกว่า 5%; ฟลักซ์ที่มีปริมาณของแข็งสูง (มากกว่า 10%) ช่วยเพิ่มความสามารถในการเปียก แต่เพิ่มความเสี่ยงต่อการเกิดคราบตกค้าง จึงจำเป็นต้องใช้สารทำความสะอาดที่เหมาะสม

ที่อุณหภูมิของหม้อบัดกรี 245-255℃ ความเร็ว 1.2-1.8 เมตร/นาที สำหรับแผ่น PCB ทองแดงหนา ต้องใช้ความเร็ว 1 เมตร/นาที ในการเติมรูเชื่อมต่อ

การบัดกรีแบบไร้สารตะกั่ว: อุณหภูมิปลายหัวแร้ง 350-380℃ เวลาสัมผัส ≤3 วินาที ความร้อนสูงเกินไปจะทำให้แผ่นรองหลุดลอกหรือเกิดออกซิเดชันของตะกั่ว

ระบบจัดตำแหน่งด้วยแสง (ความแม่นยำ ±25 μm) พร้อมอุปกรณ์จับยึดสำหรับรีบอลล์ ช่วยให้มั่นใจได้ว่าค่าเบี่ยงเบนระหว่างลูกบัดกรีและแผ่นรองมีค่าน้อยกว่า 0.1 มม.

ตั้งอุณหภูมิก่อนใช้งานที่ 150-180℃ อุณหภูมิในการปรับแต่งที่ 320-350℃ ความเร็วลม 4-6 (20-30 ลิตร/นาที) เพื่อป้องกันการเสียรูปของตะกั่ว

สารละลายในน้ำ: เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม แต่ต้องใช้ความร้อนสูง (60-80℃) และมีความเสี่ยงต่อการกัดกร่อน; ตัวทำละลาย (เช่น NMP): มีประสิทธิภาพ แต่ต้องใช้อุปกรณ์ป้องกันการระเบิด และมีข้อจำกัดเกี่ยวกับสารประกอบอินทรีย์ระเหยง่าย (VOC)

IPC-TM-650: ปริมาณไอออนตกค้าง 10⁹Ω

ระบบ AOI ความเร็วสูงสามารถตรวจจับข้อบกพร่องของชิ้นส่วน 0402 ได้ ≥95% และตรวจจับการเชื่อมต่อ/ขาขาดของ QFP ได้มากกว่า 98% แต่มีปัญหาในการตรวจจับช่องว่างภายในของ BGA

เทคโนโลยีเอ็กซ์เรย์แบบไมโครโฟกัสให้ความละเอียด 5 ไมโครเมตร สามารถตรวจจับข้อต่อ BGA ที่มีระยะห่าง 0.3 มิลลิเมตร และส่วนภายในของแผงวงจรพิมพ์ 20 ชั้นได้

เทคโนโลยี ICT ความแม่นยำสูง ตรวจจับการเปิดวงจรได้ต่ำกว่า 0.1Ω โดยมีค่าความต้านทานหน้าสัมผัสแบบ bed-of-nails น้อยกว่า 100mΩ

IPC-J-STD-033: ส่วนประกอบระดับ MSL 3 ทนอุณหภูมิ 30℃/ความชื้นสัมพัทธ์ 60% ≤168 ชั่วโมง; หากเกินกว่านั้น ให้อบที่อุณหภูมิ 125℃ เป็นเวลา 4-8 ชั่วโมง

ข้อต่อ 0603: แรงดึงขั้นต่ำ ≥1.5N; สายไฟ QFP: แรงเฉือน ≥5N ตามมาตรฐาน IPC-9701

IPC-A-600: ≤1.5%; แผงวงจรพิมพ์แบบประกอบ BGA ≤0.7% เพื่อป้องกันการเชื่อมต่อแห้ง

อุปกรณ์ CMOS มีความไวต่อ HBM น้อยกว่า 2000V สภาพแวดล้อมการผลิตต้องรักษาแรงดันไฟฟ้าสถิตให้น้อยกว่า 100V โดยใช้สายรัดข้อมือและเครื่องกำจัดประจุไอออน

ต้นทุนวัสดุ 40-50%, ต้นทุนการผลิต (รวมค่าเสื่อมราคา) 30-40%, ต้นทุนการตรวจสอบ 10-20% ต้นทุนต่อหน่วยสูงกว่าการผลิตจำนวนมาก 30-50%