เหตุใดจึงใช้ทองคำแทนเงินและทองแดงในการผลิต PCB?

แผงวงจรพิมพ์ (PCB) เป็นกระดูกสันหลังของอิเล็กทรอนิกส์ โดยทำหน้าที่รองรับกลไกและเชื่อมต่อไฟฟ้าระหว่างส่วนประกอบต่างๆ แผ่นรองและแผงวงจรพิมพ์มักทำจากทองแดง ซึ่งจะเกิดออกซิเดชันได้ง่ายเมื่อสัมผัสกับอากาศ การเกิดออกซิเดชันนี้อาจทำให้การบัดกรีและประสิทธิภาพทางไฟฟ้าลดลง ดังนั้น จึงใช้การเคลือบพื้นผิว เช่น เคลือบทอง เคลือบเงิน หรือเคลือบสารอินทรีย์ เพื่อป้องกันทองแดงจากการกัดกร่อน

บทความนี้จะอธิบายเหตุผลเบื้องหลังการใช้การชุบทองราคาแพงเทียบกับเงินหรือทองแดงราคาถูกกว่าในการผลิต PCB

ภาพรวมของการตกแต่งพื้นผิว PCB ทั่วไป

รอยทองแดงที่เปิดเผยบน PCB จะถูกชุบด้วยสารเคลือบโลหะหรือฟิล์มอินทรีย์เพื่อป้องกันการเกิดออกซิเดชัน พื้นผิวโลหะที่ได้รับความนิยม ได้แก่:

• การแช่เงิน – กระบวนการชุบเงินด้วยสารเคมี
• สารกันเสียสำหรับบัดกรีอินทรีย์ (OSP) – ฟิล์มป้องกันอินทรีย์
• นิกเกิล/ทองแบบอิเล็กโทรไลต์ – นิกเกิลชุบไฟฟ้าเป็นฐานทอง
• นิกเกิลไร้ไฟฟ้า/ทองคำแช่ (ENIG) – นิกเกิลไร้ไฟฟ้าแล้วแช่ทองคำ

ในจำนวนนี้ ENIG และนิกเกิล/ทองแบบอิเล็กโทรไลต์ใช้ทองเพื่อเพิ่มความทนทานต่อการกัดกร่อนและการนำไฟฟ้าให้สูงสุด แต่ทองยังเป็นวัสดุเคลือบผิวที่มีราคาแพงที่สุดอีกด้วย

ความจำเป็นในการเคลือบผิว PCB

PCB ทำหน้าที่เป็นแพลตฟอร์มสำหรับการติดตั้งและเชื่อมต่อส่วนประกอบอิเล็กทรอนิกส์ เส้นทองแดงที่แกะสลักบน PCB ทำหน้าที่เป็นเส้นทางนำสัญญาณและพลังงาน

อย่างไรก็ตาม ทองแดงจะก่อตัวเป็นออกไซด์ของทองแดงที่ไม่นำไฟฟ้าได้ง่ายเมื่อสัมผัสกับออกซิเจนและความชื้น การเกิดออกซิเดชันนี้สามารถเริ่มต้นได้ในระหว่างการผลิต PCB เมื่อทองแดงสัมผัสกับออกซิเจน

กระบวนการออกซิเดชันยังคงดำเนินต่อไปในขณะที่ทองแดงเปล่าถูกทิ้งไว้ให้สัมผัสกับสภาพแวดล้อมโดยรอบ โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับแผ่นบัดกรีที่ต้องบัดกรีในภายหลังเพื่อติดส่วนประกอบ การก่อตัวของออกไซด์บนแผ่นบัดกรีทำให้การบัดกรีลดลง

นอกจากนี้ การเกิดออกซิเดชันยังเพิ่มความต้านทานไฟฟ้า ซึ่งทำให้การเชื่อมต่อไฟฟ้าเสียหาย จุดบัดกรีที่ไม่ดีอาจส่งผลให้อุปกรณ์ทำงานล้มเหลวหรือลดความน่าเชื่อถือลงได้

ดังนั้น พื้นผิว PCB จึงทำหน้าที่หลายอย่าง:

• ป้องกันการเกิดออกซิเดชันของทองแดงก่อนการบัดกรี
• เปิดใช้งานการสร้างข้อต่อบัดกรีที่เชื่อถือได้
• รักษาความต้านทานการสัมผัสที่ข้อต่อให้ต่ำ
• ปกป้องทองแดงจากการกัดกร่อนตลอดอายุการใช้งานของผลิตภัณฑ์

เหตุใดจึงใช้ทองในการผลิต PCB

ทองคำมีข้อได้เปรียบที่เป็นเอกลักษณ์ซึ่งทำให้ทองคำเป็นโลหะที่เหมาะสำหรับทำพื้นผิว PCB ในแอปพลิเคชันต่างๆ มากมาย:

ทนต่อการกัดกร่อนได้ดีเยี่ยม

ทองคำเป็นโลหะเฉื่อยสูงและไม่เกิดออกซิเดชันหรือกัดกร่อนภายใต้สภาพการใช้งานทั่วไปหรือสภาพแวดล้อมโดยรอบ จึงช่วยรักษาความบริสุทธิ์และสภาพการนำไฟฟ้าของทองคำชุบไว้ได้ตลอดอายุการใช้งานของผลิตภัณฑ์หลายทศวรรษ

ค่าการนำไฟฟ้าสูง

ทองคำมีค่าการนำไฟฟ้าสูงสุดรองจากเงินและทองแดง แต่ทั้งเงินและทองแดงก็มีแนวโน้มที่จะเกิดการกัดกร่อนบนพื้นผิว การนำไฟฟ้าที่ยอดเยี่ยมของทองคำรวมกับความต้านทานการกัดกร่อน

ตัวเลือกการฝากที่ยืดหยุ่น

การเคลือบทองสามารถทำได้ง่ายบน PCB ผ่านกระบวนการต่างๆ เช่น การชุบแบบไม่ใช้ไฟฟ้าหรือการชุบแบบอิเล็กโทรไลต์ สามารถควบคุมความหนาได้ตามต้องการ

ความสามารถในการบัดกรีที่โดดเด่น

ทองคำช่วยให้เกิดการเชื่อมประสานที่เชื่อถือได้สูงโดยไม่มีปัญหาเรื่องการเปียกน้ำ ความสามารถในการบัดกรียังคงอยู่เหมือนเดิมตลอดช่วงระยะเวลาการเก็บรักษา

อายุการเก็บรักษานาน

ทองคำยังคงความบริสุทธิ์และคุณสมบัติไว้ได้ตลอดไป ทำให้ PCB ชุบทองมีอายุการใช้งานยาวนานเป็นพิเศษ

เงินฝากเหนียว

ทองคำมีสารเคลือบที่เหนียวซึ่งมีแนวโน้มที่จะแตกหรือหักภายใต้ความเค้นที่เกิดจากการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิน้อยลง

ความสามารถในการยึดลวด

การเคลือบทองช่วยให้สามารถยึดลวดได้แน่น ซึ่งเป็นสิ่งสำคัญสำหรับไมโครอิเล็กทรอนิกส์

ความสามารถในการทำซ้ำได้

การเคลือบทองช่วยให้สามารถทำงานซ้ำและซ่อมแซมได้หลายรอบโดยไม่สูญเสียความสมบูรณ์หรือคุณสมบัติของพื้นผิว

ความเข้ากันได้แบบไร้สารตะกั่ว

ทองคำเข้ากันได้ดีกับสารบัดกรีและกระบวนการบัดกรีแบบปลอดตะกั่ว

ข้อเสียของการเคลือบผิวด้วยเงินและทองแดง

เงินและทองแดงมีข้อดีหลายประการ เช่น มีค่าการนำไฟฟ้าสูงกว่าและมีต้นทุนต่ำกว่าเมื่อเทียบกับการชุบทอง อย่างไรก็ตาม ทั้งเงินและทองแดงก็มีข้อจำกัดบางประการ:

การเกิดออกซิเดชันและการกัดกร่อน: เงินและทองแดงสามารถเกิดออกซิเดชันและกัดกร่อนได้ง่ายในสภาพแวดล้อมโดยรอบ ส่งผลให้มีความต้านทานการสัมผัสเพิ่มขึ้นและบัดกรีได้ยากขึ้นตามกาลเวลา

ความน่าเชื่อถือในการบัดกรีต่ำ: การก่อตัวของออกไซด์จะขัดขวางการชุบแข็งที่เหมาะสมเมื่อบัดกรี อินเทอร์เฟซโลหะที่ไม่เหมือนกันกับตะกั่วบัดกรียังเพิ่มความเสี่ยงต่อความล้มเหลวอีกด้วย

อายุการเก็บรักษาที่ลดลง: ผลกระทบจากการเกิดออกซิเดชันและการกัดกร่อนบนพื้นผิวของเงินและทองแดงจะเริ่มขึ้นทันทีหลังจากการชุบ ซึ่งจำเป็นต้องบัดกรีทันทีหลังจากการชุบ

การยึดติดด้วยลวดที่ด้อยกว่า: ความเสี่ยงจากออกซิเดชันก่อให้เกิดความท้าทายในการยึดติดลวดกับพื้นผิวเงิน/ทองแดงเมื่อเปรียบเทียบกับทอง

ความน่าเชื่อถือของการหมุนเวียนความร้อน: ออกไซด์ของเงินและคอปเปอร์มีแนวโน้มที่จะเสียหายภายใต้ความผันผวนของอุณหภูมิมากกว่าทองคำที่มีความเหนียว

ข้อจำกัดด้านสิ่งแวดล้อม：การทำให้สารเคลือบเงินหมองลงอาจทำให้เกิดสารประกอบเงินที่เป็นพิษออกสู่สิ่งแวดล้อมระหว่างการใช้งานและการกำจัด

ต้นทุนตลอดอายุการใช้งานที่สูงขึ้น: ปัญหาการกัดกร่อนและการบัดกรีที่เกิดขึ้นบ่อยครั้งกับพื้นผิวเงิน/ทองแดงส่งผลให้มีต้นทุนการซ่อมแซม การทำงานซ้ำ และการรับประกันที่สูงขึ้น

กระบวนการขัดผิว PCB สำหรับทอง

ทองแช่นิกเกิลแบบไม่ใช้ไฟฟ้า (ENIG)

การชุบนิกเกิลแบบไม่ใช้ไฟฟ้า (ENIG) เป็นการเคลือบพื้นผิวที่ใช้กันอย่างแพร่หลายสำหรับแผงวงจรพิมพ์ (PCB) โดยประกอบด้วยกระบวนการสองขั้นตอน ได้แก่ การเคลือบชั้นนิกเกิลและทองลงบนเส้นทองแดงของ PCB ต่อไปนี้คือรายละเอียดของกระบวนการ ENIG และคุณลักษณะสำคัญ:

การชุบนิกเกิลด้วยไฟฟ้า

• ในขั้นตอนแรก แถบทองแดงของ PCB จะถูกจุ่มลงในอ่างสารเคมีที่มีสารละลายเกลือนิกเกิล ตัวรีดิวซ์ และสารทำให้คงตัว
• ไอออนของนิกเกิลในสารละลายจะถูกลดลงโดยการเร่งปฏิกิริยาลงบนพื้นผิวทองแดง ทำให้เกิดชั้นนิกเกิลที่ปราศจากไฟฟ้าซึ่งมีความสม่ำเสมอและต่อเนื่อง
• ความหนาของชั้นนิกเกิลโดยทั่วไปจะอยู่ระหว่าง 3-6 ไมโครเมตร (ไมโครเมตร) ความหนานี้ให้การปกคลุมที่ดีและทำหน้าที่เป็นเกราะป้องกันการแพร่กระจายระหว่างชั้นทองแดงและชั้นทองคำ

การสะสมทองคำด้วยการแช่

• หลังจากการชุบนิกเกิลแล้ว PCB จะถูกจุ่มลงในสารละลายที่มีเกลือทองคำ
• ไอออนทองคำในสารละลายจะถูกทำให้ลดลงทางเคมี โดยเกิดชั้นทองคำบางๆ ที่เคลือบอยู่บนพื้นผิวของนิกเกิลผ่านกระบวนการแช่
• ชั้นทองโดยทั่วไปจะมีความหนาตั้งแต่ 0.03-0.15 μm ซึ่งให้การเคลือบป้องกันที่บางแต่มีประสิทธิภาพ

คุณสมบัติหลักและประโยชน์ของ ENIG

1. กำแพงการแพร่กระจาย: ชั้นนิกเกิลทำหน้าที่เป็นกำแพงการแพร่กระจาย ป้องกันไม่ให้ทองแดงเคลื่อนตัวเข้าไปในชั้นทองและในทางกลับกัน กำแพงนี้ช่วยรักษาความสมบูรณ์ของชั้นทองและป้องกันการก่อตัวของสารประกอบอินเตอร์เมทัลลิกที่อาจส่งผลกระทบต่อความน่าเชื่อถือของข้อต่อบัดกรี
2. ความสามารถในการบัดกรี: ENIG ให้ความสามารถในการบัดกรีที่ยอดเยี่ยมเนื่องจากพื้นผิวทองที่เรียบและเรียบ ชั้นทองช่วยให้ตะกั่วบัดกรีเปียกระหว่างขั้นตอนการประกอบ ทำให้มั่นใจได้ว่าจุดบัดกรีจะเชื่อมติดได้อย่างน่าเชื่อถือ
3. การป้องกันการกัดกร่อน: ทองคำมีความทนทานต่อการเกิดออกซิเดชันและการกัดกร่อนสูง จึงให้ชั้นป้องกันที่เชื่อถือได้สำหรับนิกเกิลและทองแดงที่อยู่ด้านล่าง ความต้านทานการกัดกร่อนนี้มีความสำคัญโดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับ PCB ที่ใช้ในสภาพแวดล้อมที่รุนแรงหรือสัมผัสกับความชื้น
4. ความเรียบของพื้นผิว: กระบวนการ ENIG ส่งผลให้พื้นผิวเรียบและเรียบ ซึ่งเป็นสิ่งสำคัญสำหรับส่วนประกอบที่ใช้เทคโนโลยีการติดตั้งบนพื้นผิวแบบระยะพิทช์ละเอียด (SMT) พื้นผิวทองที่เรียบช่วยให้มั่นใจได้ว่าวางส่วนประกอบได้อย่างแม่นยำและเชื่อมประสานได้อย่างน่าเชื่อถือ
5. ประสิทธิภาพไฟฟ้าที่ดี: ENIG มีการนำไฟฟ้าที่ดีและความต้านทานการสัมผัสต่ำ จึงเหมาะสำหรับการใช้งานดิจิทัลความถี่สูงและความเร็วสูง
6. ความเข้ากันได้ของการยึดด้วยลวด: ชั้นทองใน ENIG เข้ากันได้กับเทคนิคการยึดด้วยลวดที่ใช้สำหรับเชื่อมต่อชิปเซมิคอนดักเตอร์กับ PCB พื้นผิวทองที่เรียบช่วยให้เชื่อมต่อด้วยลวดได้อย่างน่าเชื่อถือ

โดยรวมแล้ว Electroless Nickel Immersion Gold (ENIG) มอบพื้นผิวที่น่าเชื่อถือและอเนกประสงค์สำหรับ PCB ให้การบัดกรีที่ยอดเยี่ยม ทนทานต่อการกัดกร่อน และประสิทธิภาพทางไฟฟ้า การใช้งานแพร่หลายในอุตสาหกรรมต่างๆ รวมถึงอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สำหรับผู้บริโภค โทรคมนาคม อวกาศ และอุปกรณ์ทางการแพทย์

คุณสมบัติของกระบวนการ PCB ชุบทอง

ปัญหาการบัดกรี

แม้ว่าชั้นชุบทองจะแสดงให้เห็นถึงความเสถียรทางเคมีที่ดี ความเสถียรนี้ยังหมายถึงว่าทองไม่สามารถสร้างโลหะผสมที่ดีได้ง่ายด้วยการบัดกรี ส่งผลให้คุณภาพของจุดบัดกรีได้รับผลกระทบ
ในระหว่างกระบวนการบัดกรี หากชั้นทองหนาเกินไป ทองอาจละลายเข้าไปในตะกั่วบัดกรี ส่งผลให้จุดบัดกรีเปราะบาง ปรากฏการณ์นี้เรียกว่า “การเปราะของทอง”

ข้อจำกัดการใช้งาน

เนื่องจากปัญหาเรื่องการบัดกรี การชุบทองจึงมักไม่ใช้ในพื้นที่ที่ต้องใช้การบัดกรีมาก แต่จะใช้ที่จุดสัมผัสของขั้วต่อหรือพื้นที่ที่ใช้สำหรับเชื่อมสายอลูมิเนียมแทน
ในพื้นที่ที่จำเป็นต้องบัดกรี มักใช้การบำบัดพื้นผิวแบบทางเลือก เช่น การใช้สารกันเสียในการบัดกรีอินทรีย์ (OSP) การบัดกรีแบบปลอดตะกั่ว หรือโลหะผสมดีบุก-ตะกั่ว

การพิจารณาการออกแบบ

เมื่อออกแบบ PCB ที่มีการชุบทอง จำเป็นต้องพิจารณาอย่างรอบคอบถึงความหนาของชั้นทองและตำแหน่งการใช้งาน เพื่อให้แน่ใจว่าสามารถใช้ประโยชน์จากทองได้ในขณะที่หลีกเลี่ยงข้อเสียในการบัดกรี
ดังนั้น แม้ว่า PCB ชุบทองจะมีประสิทธิภาพเหนือกว่าในด้านต่างๆ ก็ตาม แต่ก็ยังมีข้อจำกัดในแง่ของประสิทธิภาพการบัดกรี ข้อจำกัดเหล่านี้ต้องได้รับความเอาใจใส่เป็นพิเศษในระหว่างขั้นตอนการออกแบบและการผลิต

การใช้งานหลักของ PCB ชุบทอง

ตัวอย่างบางส่วนของแอปพลิเคชันที่สำคัญที่ต้องอาศัย PCB ชุบทอง ได้แก่:

• การบินและอวกาศและอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์บนเครื่องบิน: ความน่าเชื่อถือของทองคำรับประกันประสิทธิภาพตลอดอายุการใช้งานในการปฏิบัติภารกิจอวกาศ
• อุปกรณ์ทางการแพทย์: สารเคลือบทองป้องกันการกัดกร่อนในอุปกรณ์ที่ปลูกถ่ายและการวินิจฉัย
• อิเล็กทรอนิกส์ใต้น้ำ: ทองคำสามารถทนต่อสภาวะแรงดันสูงและเกลือที่พบในอุปกรณ์สมุทรศาสตร์ได้
• วงจรดิจิทัลความเร็วสูง: การนำไฟฟ้าของทองช่วยให้การส่งข้อมูลไม่มีข้อผิดพลาดได้สูงสุดถึงความถี่หลาย GHz
• โมดูลไมโครเวฟและเรดาร์: การชุบทองทำให้เกิดการสูญเสียที่ความถี่ไมโครเวฟต่ำที่สุด
• ขั้วต่อและรีเลย์แบบเครื่องกลไฟฟ้า: จุดสัมผัสที่ใช้ทองคำแท้สามารถรองรับรอบการสลับได้นับล้านรอบ
• ระบบโฟโตนิกส์/ออปโตอิเล็กทรอนิกส์: การเคลือบทองช่วยให้สะท้อนแสงได้สูง ซึ่งจำเป็นในเครื่องมือออปติกที่มีความแม่นยำ

สรุป

โดยสรุปแล้ว ทองคำเป็นวัสดุเคลือบผิว PCB ที่เหมาะสำหรับการใช้งานที่ต้องการความน่าเชื่อถือ ความนำไฟฟ้า ความทนทานต่อการกัดกร่อน ความสามารถในการบัดกรี และประสิทธิภาพในการยึดติดลวด ต้นทุนวัสดุเริ่มต้นที่สูงกว่าของทองคำนั้นสมเหตุสมผลเนื่องจากคุณภาพของผลิตภัณฑ์ที่เพิ่มขึ้น อายุการใช้งานที่ยาวนานขึ้น และความเสี่ยงต่อความล้มเหลวที่ลดลงในระบบที่สำคัญ ซึ่งทำให้ทองคำมีค่าควรแก่การนำไปใช้งานในการทำให้ระบบอิเล็กทรอนิกส์รุ่นต่อไปสามารถก้าวข้ามขีดจำกัดของประสิทธิภาพและความทนทานได้ต่อไป

กระทู้ที่เกี่ยวข้อง

1.กระบวนการผลิต PCB คืออะไร?
2.ข้อดีและข้อเสียของการตกแต่งพื้นผิว PCB
3.คู่มือที่ครอบคลุมเกี่ยวกับการตกแต่งพื้นผิว PCB: การเลือก คุณสมบัติ และการพิจารณาความน่าเชื่อถือ