กระบวนการบัดกรีของแผงวงจรเป็นขั้นตอนสำคัญในการรับรองการเชื่อมต่อทางไฟฟ้าที่เชื่อถือได้ระหว่างชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์และแผงวงจร กระบวนการบัดกรีที่ดีไม่เพียงช่วยให้มั่นใจได้ถึงการทำงานปกติของวงจรเท่านั้น แต่ยังช่วยปรับปรุงเสถียรภาพและอายุการใช้งานของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ได้อย่างมาก ตั้งแต่การบัดกรีแบบแมนนวลธรรมดาไปจนถึงการบัดกรีแบบรีโฟลว์อัตโนมัติขั้นสูง ทุกรายละเอียดของกระบวนการบัดกรีมีความสำคัญอย่างยิ่ง
1 ความสำคัญของการบัดกรีแผงวงจร
ชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์บนแผงวงจรจะต้องเชื่อมต่อกับวงจรอย่างแน่นหนาผ่านการบัดกรีเพื่อให้สามารถส่งสัญญาณและการทำงานได้ ในระหว่างกระบวนการผลิต ข้อบกพร่อง เช่น การบัดกรีเสมือนและการบัดกรีเย็นอาจเกิดขึ้นเนื่องจากพารามิเตอร์การเชื่อมที่ไม่ถูกต้องและการเกิดออกซิเดชันของพินส่วนประกอบ ในระหว่างการใช้อุปกรณ์ ปัจจัยด้านสิ่งแวดล้อมในระยะยาว- เช่น การสั่นสะเทือนและอุณหภูมิสูงอาจทำให้ข้อต่อบัดกรีคลายตัวและแตกร้าว ปัญหาเหล่านี้อาจทำให้การเชื่อมต่อวงจรไม่ดี สัญญาณหยุดชะงัก และแม้กระทั่งอุปกรณ์ทำงานผิดปกติ ตัวอย่างเช่น หากชิปบนเมนบอร์ดของโทรศัพท์มือถือไม่ได้รับการบัดกรีอย่างแน่นหนา อาจทำให้เกิดการขัดข้องบ่อยครั้งและไม่สามารถสื่อสารได้ตามปกติ ดังนั้นการเรียนรู้กระบวนการบัดกรีที่ถูกต้องจึงมีความสำคัญอย่างยิ่งในการรับรองประสิทธิภาพและความน่าเชื่อถือของแผงวงจร
2 เครื่องมือและวัสดุทั่วไปสำหรับการเชื่อม
(1) เครื่องมือเชื่อม
หัวแร้งไฟฟ้า: เป็นเครื่องมือที่ใช้กันทั่วไปสำหรับการเชื่อมด้วยมือ แบ่งออกเป็นประเภทการทำความร้อนภายในและประเภทความร้อนภายนอก หัวแร้งไฟฟ้าทำความร้อนภายในมีประสิทธิภาพการทำความร้อนสูงและอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว เหมาะสำหรับการบัดกรีชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ขนาดเล็ก หัวแร้งไฟฟ้าที่ให้ความร้อนภายนอกมีกำลังสูงและเหมาะสำหรับการบัดกรีส่วนประกอบขนาดใหญ่- หรือทำการบัดกรี-ในพื้นที่ขนาดใหญ่ กำลังของหัวแร้งไฟฟ้าโดยทั่วไปอยู่ระหว่าง 20W-60W ซึ่งสามารถเลือกได้ตามความต้องการในการบัดกรี ตัวอย่างเช่น ส่วนประกอบการบัดกรีที่ยึดบนพื้นผิวมักจะใช้หัวแร้งไฟฟ้าขนาด 20-30W ในขณะที่อุปกรณ์จ่ายไฟในการบัดกรีต้องใช้หัวแร้งไฟฟ้าขนาด 40W ขึ้นไป
ปืนลมร้อน: ใช้เป็นหลักในการเชื่อมและถอดประกอบชิ้นส่วนที่ยึดบนพื้นผิว เป่าลมร้อนเพื่อละลายโลหะบัดกรี สามารถปรับอุณหภูมิและความเร็วลมของปืนลมร้อนได้ และส่วนประกอบต่างๆ มีข้อกำหนดที่แตกต่างกันสำหรับอุณหภูมิและความเร็วลม ตัวอย่างเช่น เมื่อเชื่อมตัวต้านทานและตัวเก็บประจุแบบยึดพื้นผิวขนาดเล็ก โดยทั่วไปอุณหภูมิจะตั้งไว้ที่ 300-350 องศา และความเร็วลมจะตั้งไว้ที่ 2-3 ระดับ เมื่อบัดกรีชิปที่บรรจุ BGA ควรตั้งอุณหภูมิไว้ที่ 350-400 องศา และความเร็วลมควรตั้งไว้ที่ 4-5 ระดับ
อุปกรณ์บัดกรีแบบ Reflow: ใช้กันอย่างแพร่หลายในการผลิตจำนวนมาก โดยจะละลายสารบัดกรีบนแผงวงจรโดยการให้ความร้อนในอากาศในเตาเผา หรือใช้รังสีอินฟราเรดเพื่อให้เกิดการบัดกรีระหว่างส่วนประกอบและแผงวงจร อุปกรณ์บัดกรีแบบรีโฟลว์มีข้อดีของการควบคุมอุณหภูมิที่แม่นยำ ความสม่ำเสมอในการเชื่อมที่ดี และประสิทธิภาพการผลิตสูง ซึ่งสามารถตอบสนองความต้องการ-การผลิตขนาดใหญ่ได้
(2) วัสดุเชื่อม
ลวดบัดกรี: ประกอบด้วยโลหะผสมดีบุกและฟลักซ์ โดยทั่วไปประกอบด้วยลวดบัดกรีตะกั่วดีบุกและลวดบัดกรีไร้สารตะกั่ว- ลวดบัดกรีตะกั่วดีบุกมีจุดหลอมเหลวต่ำและประสิทธิภาพการเชื่อมที่ดี แต่ตะกั่วเป็นพิษและไม่เอื้อต่อการปกป้องสิ่งแวดล้อม ลวดบัดกรีไร้สารตะกั่วส่วนใหญ่ประกอบด้วยโลหะผสมทองแดงดีบุกและวัสดุอื่นๆ โดยมีจุดหลอมเหลวสูงซึ่งตรงตามข้อกำหนดด้านสิ่งแวดล้อม ปัจจุบันมีการใช้กันอย่างแพร่หลาย เส้นผ่านศูนย์กลางของลวดบัดกรีมีหลายข้อกำหนด เช่น 0.5 มม. 0.8 มม. 1.0 มม. เป็นต้น และควรเลือกเส้นผ่านศูนย์กลางที่เหมาะสมตามขนาดของพินส่วนประกอบ
ผงบัดกรี: ส่วนผสมที่ทำโดยการผสมผงบัดกรีโลหะผสม ฟลักซ์ และสารเติมแต่งอื่นๆ ซึ่งส่วนใหญ่ใช้ในเทคโนโลยีการยึดพื้นผิว น้ำยาบัดกรีมีความหนืดที่อุณหภูมิห้อง และสามารถใช้ติดส่วนประกอบเข้ากับแผงวงจรได้ หลังจากการบัดกรีแบบรีโฟลว์ ผงบัดกรีจะละลายจนเกิดเป็นข้อต่อประสาน สารบัดกรีประเภทต่างๆ เหมาะสำหรับกระบวนการเชื่อมและส่วนประกอบต่างๆ ตัวอย่างเช่น สารบัดกรีที่ไม่ทำความสะอาดสามารถลดกระบวนการทำความสะอาดและปรับปรุงประสิทธิภาพการผลิตได้
ฟลักซ์: สามารถกำจัดออกไซด์ออกจากพื้นผิวโลหะ ลดแรงตึงผิวของโลหะบัดกรี ปรับปรุงความลื่นไหลและการเปียกของโลหะบัดกรี และทำให้การบัดกรีมั่นคงยิ่งขึ้น ฟลักซ์การบัดกรีแบ่งออกเป็นประเภทกรด เป็นกลาง และด่าง ฟลักซ์บัดกรีที่เป็นกรดมีฤทธิ์รุนแรง แต่มีฤทธิ์กัดกร่อนสูง ฟลักซ์บัดกรีที่เป็นกลางไม่มีฤทธิ์กัดกร่อนและเหมาะสำหรับสถานการณ์การบัดกรีส่วนใหญ่ ฟลักซ์บัดกรีอัลคาไลน์ส่วนใหญ่ใช้สำหรับการบัดกรีโลหะเฉพาะ ในการบัดกรีแบบอิเล็กทรอนิกส์ ขัดสนมักใช้เป็นฟลักซ์ที่เป็นกลาง
3 วิธีการเชื่อม
(1) การเชื่อมด้วยมือ
การเตรียมการ: เปิดหัวแร้งโดยเปิดเครื่อง เลือกปลายหัวแร้งที่เหมาะสมตามส่วนประกอบของการบัดกรี และทาบัดกรีบางๆ บนปลายหัวแร้งเพื่อป้องกันการเกิดออกซิเดชัน ในขณะเดียวกันให้เตรียมลวดบัดกรีและฟลักซ์
การเชื่อม: ใช้ปลายหัวแร้งเพื่อให้ความร้อนแก่หมุดขององค์ประกอบและแผ่นบัดกรีของแผงวงจร เพื่อให้ทั้งสองเข้าถึงอุณหภูมิการเชื่อมในเวลาเดียวกัน จากนั้นให้ติดต่อลวดบัดกรีกับบริเวณที่ให้ความร้อน รอให้ลวดบัดกรีละลายอย่างเหมาะสม แล้วถอดลวดบัดกรีออก สุดท้าย ให้ถอดปลายหัวแร้งออกและปล่อยให้หัวแร้งเย็นและแข็งตัวตามธรรมชาติ ในระหว่างกระบวนการเชื่อมควรให้ความสำคัญกับการควบคุมเวลาในการเชื่อม โดยทั่วไปเวลาในการเชื่อมสำหรับจุดเชื่อมแต่ละจุดคือ 2-3 วินาทีเพื่อหลีกเลี่ยงไม่ให้ส่วนประกอบหรือแผ่นอิเล็กโทรดเสียหายเนื่องจากใช้เวลานานเกินไป สำหรับส่วนประกอบที่ยึดบนพื้นผิว สามารถใช้เทคนิค "การบัดกรีแบบลาก" ซึ่งเกี่ยวข้องกับการชุบดีบุกครั้งแรกบนแผ่นบัดกรี จากนั้นจัดแนวหมุดส่วนประกอบกับแผ่นบัดกรีที่ชุบดีบุกโดยใช้ปลายหัวแร้ง ให้ความร้อนเพื่อละลายบัดกรี และการลากปลายหัวแร้งเพื่อกระจายการบัดกรีบนหมุดและแผ่นบัดกรีให้เท่ากัน
(2) การเชื่อมปืนลมร้อน
การยึดส่วนประกอบ: ใช้เทปทนความร้อนสูง-หรือสารบัดกรีเพื่อยึดส่วนประกอบในตำแหน่งที่ถูกต้องบนแผงวงจร โดยตรวจสอบให้แน่ใจว่าหมุดของส่วนประกอบอยู่ในแนวเดียวกับแผ่นบัดกรี
การเชื่อมด้วยความร้อน: เปิดปืนลมร้อน ตั้งอุณหภูมิและความเร็วลมที่เหมาะสม จัดตำแหน่งช่องลมของปืนลมร้อนให้ตรงกับส่วนประกอบ รักษาระยะห่างที่เหมาะสม และให้ความร้อนแก่ส่วนประกอบและแผ่นบัดกรีอย่างสม่ำเสมอ หลังจากที่วางบัดกรีละลาย ให้ปิดปืนลมร้อน และรอให้ข้อต่อบัดกรีเย็นลงตามธรรมชาติ เมื่อเชื่อมด้วยปืนลมร้อน สิ่งสำคัญคือต้องหลีกเลี่ยงอุณหภูมิที่สูงเกินไปหรือใช้เวลานานในการทำความร้อนเพื่อป้องกันความเสียหายต่อส่วนประกอบ
(3) การบัดกรีแบบรีโฟลว์
การเคลือบสารบัดกรี: โดยการพิมพ์สกรีนหรือการจ่าย ให้ใช้สารประสานบนแผ่นบัดกรีของแผงวงจรอย่างสม่ำเสมอ
การติดตั้งส่วนประกอบ: ใช้เครื่องยึดบนพื้นผิวเพื่อติดตั้งชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์บนแผ่นบัดกรีที่เคลือบด้วยสารบัดกรีอย่างแม่นยำ
การบัดกรีแบบรีโฟลว์: ส่งแผงวงจรที่มีส่วนประกอบติดอยู่เข้าไปในเตาบัดกรีแบบรีโฟลว์ และให้ความร้อนตามกราฟอุณหภูมิที่ตั้งไว้ เส้นโค้งอุณหภูมิของการบัดกรีแบบรีโฟลว์โดยทั่วไปแบ่งออกเป็นสี่ขั้นตอน: โซนอุ่น, โซนฉนวน, โซนรีโฟลว์ และโซนทำความเย็น โซนอุ่นเครื่องจะใช้เพื่อเพิ่มอุณหภูมิของแผงวงจรอย่างช้าๆ ทำให้ตัวทำละลายในสารบัดกรีระเหยออกไป โซนฉนวนช่วยให้แน่ใจว่าแผงวงจรและส่วนประกอบมีอุณหภูมิสม่ำเสมอ ช่วยขจัดสิ่งสกปรกออกจากสารบัดกรี โซนรีโฟลว์เป็นขั้นตอนสำคัญของการบัดกรี โดยที่อุณหภูมิถึงจุดหลอมเหลวของสารบัดกรี ส่งผลให้ผงบัดกรีละลายและทำให้หมุดและแผ่นส่วนประกอบเปียก โซนทำความเย็นจะเย็นลงอย่างรวดเร็วและทำให้ข้อต่อบัดกรีแข็งตัว ทำให้เกิดการเชื่อมต่อที่แน่นหนา