กระบวนการต้านอนุมูลอิสระของแผงวงจรพิมพ์

ในฐานะที่เป็นส่วนประกอบหลักของผลิตภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์ ประสิทธิภาพและคุณภาพของแผงวงจรพิมพ์ส่งผลโดยตรงต่อความเสถียรและความน่าเชื่อถือของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ทั้งหมด ในบรรดาปัจจัยหลายประการที่ส่งผลต่อประสิทธิภาพของแผงวงจรพิมพ์ ความสามารถในการต้านอนุมูลอิสระมีบทบาทสำคัญ

อันตรายจากการเกิดออกซิเดชันของแผงวงจรพิมพ์

แผงวงจรพิมพ์ส่วนใหญ่ประกอบด้วยเส้นนำไฟฟ้า พื้นผิวฉนวน และส่วนประกอบอิเล็กทรอนิกส์ต่างๆ ในการใช้งานประจำวัน แผงวงจรพิมพ์ต้องเผชิญกับความท้าทายด้านสิ่งแวดล้อมต่างๆ และการเกิดออกซิเดชันเป็นปัญหาที่ไม่สามารถมองข้ามได้ ออกซิเจน ความชื้น และมลพิษต่างๆ ในอากาศสามารถทำปฏิกิริยาทางเคมีกับสายไฟโลหะบนแผงวงจรพิมพ์ ทำให้เกิดการกัดกร่อน ความต้านทานเพิ่มขึ้น การส่งสัญญาณไม่เสถียร และแม้แต่วงจรขัดข้อง โดยเฉพาะชิ้นส่วนโลหะ เช่น เส้นฟอยล์ทองแดงและข้อต่อบัดกรีบนแผงวงจรพิมพ์ มีแนวโน้มที่จะทำปฏิกิริยากับออกซิเจนในอากาศ ทำให้เกิดออกไซด์ ออกไซด์เหล่านี้สามารถเพิ่มความต้านทานของวงจร รบกวนความเสถียรของการส่งสัญญาณ และในกรณีที่รุนแรงอาจทำให้วงจรขาด ส่งผลให้อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ทำงานไม่ถูกต้อง

กระบวนการต้านอนุมูลอิสระ

หน้ากากประสานอินทรีย์

นี่เป็นกระบวนการต่อต้าน-การออกซิเดชันของแผงวงจรพิมพ์ที่ใช้กันทั่วไป ซึ่งสร้างฟิล์มป้องกันอินทรีย์บางๆ บนพื้นผิวของแผงวงจรพิมพ์เพื่อแยกโลหะออกจากอากาศ ดังนั้นจึงออกฤทธิ์ต้าน-ผลการเกิดออกซิเดชัน หลักการนี้ขึ้นอยู่กับพันธะเคมี จากตัวอย่าง azole OSP ทั่วไป วงแหวนอิมิดาโซลในสารประกอบอินทรีย์อัลคิลเบนซิมิดาโซลสามารถสร้างพันธะประสานงานกับอิเล็กตรอน 3d10 ของอะตอมทองแดง ซึ่งทำให้เกิดสารเชิงซ้อนทองแดงอัลคิลเบนซิมิดาโซล ในระหว่างกระบวนการเคลือบ ชั้นแรกจะถูกเคลือบชั้นแรกซึ่งจะดูดซับทองแดง จากนั้นชั้นที่สองของโมเลกุลเคลือบอินทรีย์จะรวมกับทองแดง และกระบวนการนี้จะถูกทำซ้ำจนกระทั่งเกิดโครงสร้างที่ประกอบด้วยโมเลกุลเคลือบอินทรีย์จำนวนมาก ในที่สุด ชั้นป้องกันที่มีความหนาโดยทั่วไประหว่าง 0.2-0.5 µ m จะถูกสร้างขึ้นบนพื้นผิวทองแดง นอกจากนี้ เนื่องจากแรงดึงดูดของ van der Waals ระหว่างหมู่อัลคิลสายยาว-และการมีอยู่ของวงแหวนเบนซีน ฟิล์มป้องกันนี้จึงมีความต้านทานความร้อนได้ดีและมีอุณหภูมิในการสลายตัวสูง ในสภาพแวดล้อมการเชื่อมที่อุณหภูมิสูงในเวลาต่อมา ฟิล์มป้องกันนี้สามารถเอาออกได้อย่างง่ายดายและรวดเร็วด้วยฟลักซ์ ช่วยให้พื้นผิวทองแดงที่สะอาดที่สัมผัสถูกยึดติดกับสารบัดกรีหลอมเหลวในระยะเวลาอันสั้นมาก ก่อให้เกิดข้อต่อประสานที่มั่นคง

กระบวนการ OSP มีต้นทุนค่อนข้างต่ำและไม่ซับซ้อน ทำให้เหมาะสำหรับการผลิตขนาดใหญ่- และสามารถรักษาความสามารถในการบัดกรีของแผ่นบัดกรีได้ดีทำให้มั่นใจในคุณภาพการเชื่อม แต่ก็มีข้อเสียอยู่บ้าง เช่น ชั้นฟิล์มบางทำให้มีเวลาเก็บรักษาที่จำกัด และประสิทธิภาพของสารต้านอนุมูลอิสระมีแนวโน้มที่จะลดลงตามเวลาและการเปลี่ยนแปลงสิ่งแวดล้อม ไม่ทนต่ออุณหภูมิสูง มีข้อจำกัดในสถานการณ์ที่ต้องใช้กระบวนการที่อุณหภูมิสูง-หลายอย่าง สภาพแวดล้อมการเชื่อมมีข้อกำหนดที่เข้มงวด และปัจจัยต่างๆ เช่น สิ่งเจือปนและความชื้นในสภาพแวดล้อมอาจส่งผลต่อประสิทธิภาพและคุณภาพการเชื่อมได้อย่างง่ายดาย

ทองคำแช่

กระบวนการนี้เกี่ยวข้องกับการสะสมชั้นนิกเกิลบนพื้นผิวของแผงวงจรพิมพ์ ตามด้วยชั้นทองคำ ชั้นนิกเกิลสามารถป้องกันการแพร่กระจายของทองแดงได้ ในขณะที่ชั้นทองมีความต้านทานการเกิดออกซิเดชันและการนำไฟฟ้าได้ดี ซึ่งสามารถปรับปรุงประสิทธิภาพและความน่าเชื่อถือของแผงวงจรพิมพ์ได้อย่างมาก กระบวนการชุบทองนิกเกิลด้วยสารเคมีอยู่ในขั้นตอนที่สมบูรณ์ โดยมีปริมาณเพียงพอ เหมาะสำหรับการบัดกรีแบบไร้สารตะกั่ว- อย่างไรก็ตาม ต้นทุนของกระบวนการนี้ค่อนข้างสูง และพื้นผิวไม่เรียบพอ ทำให้ยากต่อการเชื่อมส่วนประกอบที่มีระยะพิทช์ละเอียด

ดื่มด่ำไปกับเงิน

กระบวนการเงินแช่สามารถสร้างชั้นเงินที่สม่ำเสมอบนพื้นผิวของแผงวงจรพิมพ์ โดยมีความต้านทานต่อออกซิเดชันและการบัดกรีที่ดี ชั้นเงินไม่มีชั้นนิกเกิล ดังนั้นเงินแช่จึงไม่แข็งแรงเท่ากับการชุบนิกเกิลแบบไม่ใช้ไฟฟ้า/ทองแช่ ชั้นเงินจะเกิดการกัดกร่อนแบบคู่เมื่อสัมผัสกับอากาศ ภายใต้ปฏิกิริยาออกซิเดชันทางเคมี 4Ag+O ₂ → 2Ag ₂ O ก่อให้เกิดชั้นออกไซด์สีเหลือง ในการกัดกร่อนทางเคมีไฟฟ้า Ag+H ₂ S → Ag ₂ S+H ₂ จะทำให้เกิดซัลไฟด์สีดำ เมื่อความชื้นสัมพัทธ์มากกว่า 60% อัตราการกัดกร่อนจะเพิ่มขึ้นสามเท่า ในสภาพแวดล้อมที่มีกำมะถัน- เช่น บรรจุภัณฑ์ยาง การเปลี่ยนสีที่มองเห็นได้อาจเกิดขึ้นได้ภายใน 24 ชั่วโมง

จุ่มดีบุก

กระบวนการดีบุกแช่ครอบคลุมพื้นผิวของแผงวงจรพิมพ์ด้วยชั้นดีบุก ซึ่งสามารถป้องกันการเกิดออกซิเดชันได้อย่างมีประสิทธิภาพ เนื่องจากวัสดุบัดกรีทั้งหมดทำจากดีบุก ชั้นดีบุกจึงสามารถจับคู่กับโลหะบัดกรีทุกประเภทได้ อย่างไรก็ตาม แผงวงจรพิมพ์ที่ได้รับการบำบัดด้วยกระบวนการจุ่มดีบุกในอดีตมีแนวโน้มที่จะเกิดปัญหาของหนวดดีบุก และในระหว่างกระบวนการบัดกรี ปรากฏการณ์ของหนวดดีบุกและการโยกย้ายของดีบุกทำให้เกิดความท้าทายร้ายแรงต่อความน่าเชื่อถือ ต่อมา ด้วยการเติมสารเติมแต่งอินทรีย์ลงในสารละลายแช่ดีบุก โครงสร้างของชั้นดีบุกก็ถูกเปลี่ยนเป็นอนุภาค เอาชนะปัญหาที่กล่าวมาข้างต้น- และมีเสถียรภาพทางความร้อนและความสามารถในการเชื่อมที่ดี ระยะเวลาการเก็บรักษาแผ่นดีบุกแบบแช่มีจำกัด และหากปล่อยทิ้งไว้นานเกินไป ดีบุกออกไซด์จะก่อตัวบนพื้นผิว ซึ่งจะส่งผลต่อผลการเชื่อม ดังนั้นจึงจำเป็นต้องปฏิบัติตามลำดับการแช่ดีบุกในระหว่างการประกอบอย่างเคร่งครัด

การปรับระดับอากาศร้อน

การปรับระดับอากาศร้อนหรือที่เรียกว่าการปรับระดับการบัดกรีด้วยลมร้อนหรือที่เรียกกันทั่วไปว่าการพ่นดีบุก กระบวนการนี้เกี่ยวข้องกับการเคลือบพื้นผิวของแผงวงจรพิมพ์ด้วยตะกั่วดีบุกหลอมเหลว ปัจจุบันนี้มีการใช้-การบัดกรีแบบไร้สารตะกั่วมากขึ้น จากนั้นจึงใช้การทำความร้อนด้วยลมอัดเพื่อปรับระดับการบัดกรี ทำให้เกิดเป็นชั้นเคลือบที่สามารถต้านทานการเกิดออกซิเดชันของทองแดงได้อย่างมีประสิทธิภาพ และให้ความสามารถในการบัดกรีที่ดีเยี่ยม ในระหว่างการปรับอากาศร้อน ตัวประสานจะทำปฏิกิริยากับทองแดงเพื่อสร้างสารประกอบโลหะดีบุกทองแดงที่จุดเชื่อมต่อ กระบวนการนี้แบ่งออกเป็นประเภทแนวตั้งและแนวนอน โดยทั่วไปประเภทแนวนอนถือว่าได้เปรียบมากกว่า เนื่องจากมีการเคลือบที่สม่ำเสมอมากกว่าและความสามารถในการผลิตอัตโนมัติ กระบวนการทั่วไปประกอบด้วยขั้นตอนต่างๆ เช่น การกัดด้วยไมโคร การอุ่น การเคลือบฟลักซ์ การพ่นดีบุก และการทำความสะอาด กระบวนการปรับระดับลมร้อนมีความสมบูรณ์ โดยมีต้นทุนค่อนข้างต่ำและมีความสามารถในการบัดกรีที่ดี เหมาะสำหรับการบัดกรีแบบไร้สารตะกั่ว- แต่พื้นผิวไม่เรียบเพียงพอ ทำให้ยากต่อการเชื่อมส่วนประกอบที่มีระยะพิทช์ละเอียด และตะกั่วที่มี HASL ก็ประสบปัญหาด้านสิ่งแวดล้อมเช่นกัน

บราวนิ่ง

ในกระบวนการผลิตแผงวงจรพิมพ์หลาย- ชั้น การรักษาพื้นผิวฟอยล์ทองแดงด้านในมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อคุณภาพการเคลือบ และกระบวนการเกิดสีน้ำตาลก็ถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลาย แกนกลางของมันคือการสร้างฟิล์มคอปเปอร์ออกไซด์หรือฟิล์มคิวรัสออกไซด์ที่มีรูพรุนบนพื้นผิวของทองแดงผ่านปฏิกิริยาออกซิเดชันทางเคมี ภายใต้การกระทำของสารออกซิแดนท์ที่เป็นด่าง ทองแดงจะเกิดปฏิกิริยาออกซิเดชัน โดยมี 2Cu+4OH ⁻+O ₂ → 2CuO+2H ₂ O, Cu+2OH ⁻ → Cu ₂ O+H ₂ O+2e ⁻ บราวนิ่งไม่เพียงแต่ให้การยึดเกาะระหว่างชั้นที่ดีเท่านั้น แต่ยังช่วยเพิ่มความสามารถในการเปียกของเรซินในระหว่างกระบวนการเคลือบอีกด้วย โครงสร้างที่มีรูพรุนของชั้นสีน้ำตาลจะเพิ่มพื้นที่ผิวของฟอยล์ทองแดง ช่วยให้เรซินแทรกซึมและเติมเต็มรูพรุน ลดฟองและช่องว่างในระหว่างการเคลือบ เพิ่มแรงกัดเชิงกล และลดความเสี่ยงในการหลุดร่อน ในการหมุนเวียนความร้อนของแผงวงจรพิมพ์ ความเค้นสามารถกระจายได้เท่าๆ กันมากขึ้น ช่วยลดความเสี่ยงของการแยกชั้นระหว่างชั้นและเพิ่มความน่าเชื่อถือทางความร้อน อย่างไรก็ตาม หากไม่ได้รับการควบคุมอย่างเหมาะสม การเกิดออกซิเดชันที่มากเกินไปอาจทำให้ชั้นออกไซด์หนาและเปราะเกินไป ส่งผลให้ความแข็งแรงในการยึดเกาะลดลง การออกซิเดชันที่ไม่สม่ำเสมอสามารถนำไปสู่แรงยึดเกาะที่ไม่สอดคล้องกัน และเพิ่มความเสี่ยงของการหลุดล่อน หากมีการปนเปื้อนของสีน้ำตาลก่อนการเคลือบครั้งต่อไป เช่น การดูดซับความชื้นหรือความเสียหายต่อฟิล์มออกไซด์ ก็อาจทำให้ความแข็งแรงในการยึดเกาะลดลงเช่นกัน ความหนาของชั้นออกไซด์มักจะถูกควบคุมระหว่าง 0.5-1.5 μm ก่อนที่จะเกิดสีน้ำตาล จะใช้กระบวนการกัดกรดขนาดเล็กเพื่อกำจัดออกไซด์และสารมลพิษอินทรีย์ออกจากพื้นผิวทองแดง สารกัดกร่อนขนาดเล็กทั่วไป ได้แก่ ระบบแอมโมเนียมเพอร์ซัลเฟตหรือกรดซัลฟูริกไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์ สารละลายบราวนิ่งมักประกอบด้วยอัลคาไลน์ออกซิแดนท์ สารก่อให้เกิดสารเชิงซ้อน และความคงตัว ด้วยการปรับสภาวะออกซิเดชัน ทำให้ได้อัตราส่วน CuO/CuO ₂ O ที่เหมาะสมที่สุด เพื่อสร้างสมดุลระหว่างความแข็งแรงในการยึดเกาะและความต้านทานความร้อน พื้นผิวทองแดงหลังการเกิดสีน้ำตาลมีแนวโน้มที่จะเกิดความชื้นหรือมลพิษทางอากาศ และมักจะต้องมีการบำบัดด้วยสารต้านอนุมูลอิสระก่อนการเคลือบ เช่น การใช้ชั้นป้องกันอินทรีย์ เช่น เบนโซไตรอาโซลหรือสารต้านอนุมูลอิสระอื่นๆ รวมถึงการเก็บรักษาในที่แห้งเพื่อหลีกเลี่ยงการดูดซึมความชื้นและลดความเสี่ยงในการเสื่อมสภาพ

มาตรการอื่น ๆ สำหรับความต้านทานการเกิดออกซิเดชันของแผงวงจรพิมพ์

การเลือกใช้วัสดุ

การเลือกพื้นผิวและวัสดุโลหะคุณภาพสูง-ถือเป็นสิ่งสำคัญในกระบวนการผลิตแผงวงจรพิมพ์ พื้นผิวคุณภาพสูงมีคุณสมบัติเป็นฉนวนที่ดีและมีเสถียรภาพ ซึ่งสามารถป้องกันการบุกรุกของออกซิเจนและความชื้นได้อย่างมีประสิทธิภาพ ในขณะเดียวกัน การใช้การเคลือบโลหะที่มีคุณสมบัติต้านอนุมูลอิสระอย่างเข้มข้น เช่น การชุบทอง การชุบเงิน การชุบดีบุก ฯลฯ สามารถสร้างฟิล์มป้องกันบนพื้นผิวของวงจรโลหะได้ เพื่อป้องกันการเกิดปฏิกิริยาออกซิเดชั่น ตัวอย่างเช่น ในผลิตภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์ระดับไฮเอนด์-บางรายการ ฟอยล์ทองแดงที่ปราศจากออกซิเจนซึ่งมีความต้านทานการเกิดออกซิเดชันที่ดีเยี่ยมจะถูกนำมาใช้เป็นวัสดุหุ้มทองแดง- เพื่อเพิ่มความต้านทานการเกิดออกซิเดชันโดยรวมของแผงวงจรพิมพ์

การควบคุมสิ่งแวดล้อม

การจัดเก็บและสภาพแวดล้อมการใช้งานที่เหมาะสมมีความสำคัญเท่าเทียมกันสำหรับการต้านทานการเกิดออกซิเดชันของแผงวงจรพิมพ์ ในระหว่างการผลิต การจัดเก็บ และการขนส่งแผงวงจรพิมพ์ ควรควบคุมอุณหภูมิและความชื้นของสภาพแวดล้อมอย่างเข้มงวดเพื่อหลีกเลี่ยงไม่ให้แผงวงจรพิมพ์สัมผัสกับอุณหภูมิสูง ความชื้นสูง หรือสภาพแวดล้อมที่มีสารมลพิษ ตัวอย่างเช่น การเก็บแผงวงจรพิมพ์ในสภาพแวดล้อมที่มีความชื้นสัมพัทธ์ควบคุมระหว่าง 40% -60% และควบคุมอุณหภูมิระหว่าง 20 องศา -25 องศา จะทำให้อัตราออกซิเดชันช้าลงได้อย่างมีประสิทธิภาพ ในเวลาเดียวกัน ให้เลือกวัสดุบรรจุภัณฑ์ที่เหมาะสม เช่น ถุงกันความชื้น กล่องโฟม ฯลฯ เพื่อให้มั่นใจในความสมบูรณ์และคุณภาพของแผงวงจรพิมพ์ สำหรับบอร์ดเปลือยที่ยังไม่ได้ประกอบ บรรจุภัณฑ์สูญญากาศสามารถแยกอากาศได้อย่างมีประสิทธิภาพและชะลอกระบวนการออกซิเดชั่น

การเพิ่มประสิทธิภาพกระบวนการผลิต

การเพิ่มประสิทธิภาพกระบวนการผลิตสามารถลดเวลาการสัมผัสของแผงวงจรพิมพ์ในการออกอากาศในระหว่างกระบวนการผลิต และยังลดความเสี่ยงต่อการเกิดออกซิเดชันอีกด้วย ตัวอย่างเช่น การใช้อุปกรณ์อัตโนมัติเพื่อดำเนินการเปลี่ยนจากการกัดเป็นหน้ากากประสานอย่างรวดเร็ว จึงสามารถหลีกเลี่ยงเวลารอที่ไม่จำเป็นได้ การใช้สารละลายต้านอนุมูลอิสระเพื่อรักษาพื้นผิวทองแดงในระหว่างขั้นตอนเฉพาะของการผลิตแผงวงจรพิมพ์สามารถให้การปกป้องพื้นผิวทองแดงชั่วคราวในระยะเวลาอันสั้นจนกว่ากระบวนการต่อไปจะเริ่มต้นขึ้น