สารบัดกรีแบบวาง (Solder Paste) กับสารบัดกรีแบบฟลักซ์ (Solder Flux): ความแตกต่างที่สำคัญในการประกอบแผงวงจรพิมพ์ (PCB)

บทนำ

คุณภาพการบัดกรีเป็นตัวกำหนดความน่าเชื่อถือของผลิตภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์ทุกชิ้น อย่างไรก็ตาม หนึ่งในประเด็นที่มักสร้างความสับสนในการประกอบแผงวงจรพิมพ์ (PCB) เกี่ยวข้องกับวัสดุพื้นฐานสองชนิด ได้แก่ น้ำยาบัดกรีและฟลักซ์บัดกรี วิศวกรและทีมจัดซื้อจัดจ้างมักถามว่าทำไมบางกระบวนการจึงต้องใช้น้ำยาบัดกรี ในขณะที่บางกระบวนการใช้เพียงฟลักซ์อย่างเดียว คำตอบไม่ได้อยู่ที่การทดแทนกัน แต่เป็นการทำความเข้าใจว่าวัสดุเหล่านี้ทำหน้าที่ในระดับการทำงานที่แตกต่างกันในลำดับชั้นของการบัดกรี

บทความนี้จะอธิบายความแตกต่างระหว่างน้ำยาประสานและฟลักซ์ประสาน บทบาทของแต่ละอย่าง และวิธีการทำงานร่วมกันในการผลิตแผงวงจรพิมพ์ ระดับมือ อาชีพ

สารบัดกรีแบบวางคืออะไร?

ความหมายและฟังก์ชันพื้นฐาน

สารบัดกรีแบบวาง ( Solder paste)เป็นวัสดุผสมที่ประกอบด้วยอนุภาคโลหะผสมบัดกรีขนาดเล็กมากที่แขวนลอยอยู่ในตัวกลางฟลักซ์ ทำหน้าที่เป็นวัสดุเชื่อมต่อหลักในการบัดกรีแบบรีโฟลว์ในเทคโนโลยีการติดตั้งบนพื้นผิว (SMT) สารบัดกรีแบบวางทำหน้าที่สำคัญสองอย่างพร้อมกัน คือ ให้สารเติมเต็มที่เป็นโลหะซึ่งสร้างพันธะทางไฟฟ้าและทางกล และให้กิจกรรมทางเคมีที่จำเป็นเพื่อให้เกิดการเปียกตัวอย่างเหมาะสม ความสามารถสองประการนี้ทำให้สารบัดกรีแบบวางเป็นหัวใจสำคัญของสายการประกอบ SMT สมัยใหม่

ส่วนประกอบของน้ำยาประสาน

ส่วนประกอบของโลหะบัดกรีโดยทั่วไปประกอบด้วยสูตรที่ใช้ดีบุกเป็นหลัก เช่น Sn63Pb37 สำหรับการใช้งานที่มีตะกั่ว หรือ SAC305 (Sn96.5Ag3Cu0.5) สำหรับกระบวนการไร้ตะกั่ว ระบบฟลักซ์ในเนื้อบัดกรีประกอบด้วยสารกระตุ้น ตัวทำละลาย และสารควบคุมความหนืดที่ควบคุมความหนืดและพฤติกรรมแบบทิกโซโทรปิก ส่วนประกอบฟลักซ์แบบบูรณาการนี้เองที่ทำให้เนื้อบัดกรีสามารถเตรียมพื้นผิวโลหะทางเคมีในระหว่างรอบการหลอมละลาย อัตราส่วนของโลหะต่อฟลักซ์ ซึ่งโดยทั่วไปอยู่ที่ 85-90% โดยน้ำหนัก จะส่งผลโดยตรงต่อประสิทธิภาพการพิมพ์และการขึ้นรูปข้อต่อ

บทบาทของสารบัดกรีในการประกอบ SMT

ในกระบวนการผลิต SMTนั้น สารบัดกรีจะถูกวางลงบนแผ่นรอง PCB ผ่านการพิมพ์แบบสเตนซิล จากนั้นชิ้นส่วนต่างๆ จะถูกวางลงบนสารบัดกรีที่วางไว้ ซึ่งจะช่วยยึดเกาะชั่วคราวในระหว่างการใช้งาน ในระหว่างกระบวนการรีโฟลว์ สารบัดกรีจะเปลี่ยนผ่านขั้นตอนทางความร้อนที่แตกต่างกัน: การให้ความร้อนล่วงหน้าจะกระตุ้นฟลักซ์ การแช่จะช่วยปรับสมดุลความร้อน การรีโฟลว์จะหลอมโลหะผสมเพื่อสร้างรอยต่อ และการเย็นตัวจะทำให้การเชื่อมต่อแข็งตัว สารบัดกรีเป็นวัสดุเชื่อมต่อโครงสร้าง ไม่ใช่เพียงแค่ตัวช่วยในการประมวลผลเท่านั้น

ฟลักซ์บัดกรีคืออะไร?

ความหมายและวัตถุประสงค์

ฟลักซ์บัดกรีเป็นสารเคมีที่ออกแบบมาเพื่อปรับปรุงสภาวะการบัดกรีโดยไม่ส่งผลต่อโครงสร้างของรอยต่อสุดท้าย ต่างจากบัดกรีแบบวาง ฟลักซ์ไม่มีส่วนผสมของโลหะบัดกรี จุดประสงค์เดียวของมันคือการสร้างสภาพแวดล้อมที่เอื้อต่อการเชื่อมติดทางโลหะวิทยาโดยการกำจัดสิ่งปนเปื้อนบนพื้นผิวและป้องกันการเกิดออกซิเดชันระหว่างการให้ความร้อน ฟลักซ์ช่วยให้บัดกรี—ไม่ว่าจะเป็นแบบวาง แบบเส้น หรือแบบขึ้นรูป—ไหลและเกาะติดกับโลหะฐานได้อย่างมีประสิทธิภาพ

หน้าที่ทางเคมีของฟลักซ์บัดกรี

สารประสานทำหน้าที่ทางเคมีหลักสามประการในระหว่างการบัดกรี

• ขั้นแรก กระบวนการนี้จะลดออกไซด์ของโลหะบนพื้นผิวแผ่นรองและชิ้นส่วนต่างๆ ด้วยสารเคมี ทำให้พื้นผิวโลหะสะอาดพร้อมสำหรับการยึดติด
• ประการที่สอง มันจะสร้างเกราะป้องกันที่ช่วยป้องกันการเกิดออกซิเดชันซ้ำเมื่ออุณหภูมิสูงขึ้นเข้าใกล้จุดหลอมเหลวของตะกั่วบัดกรี
• ประการที่สาม ฟลักซ์ช่วยลดแรงตึงผิวของตะกั่วบัดกรีหลอมเหลว ส่งเสริมการไหลแบบเส้นเลือดฝอยและทำให้พื้นผิวรอยต่อเปียกชุ่มอย่างสมบูรณ์

กลไกเหล่านี้มีความสำคัญอย่างยิ่ง ไม่ว่าจะใช้วิธีการส่งตะกั่วบัดกรีแบบใดก็ตาม

ประเภทของฟลักซ์บัดกรีที่ใช้กันทั่วไป

ฟลักซ์ชนิดเรซินมีประสิทธิภาพปานกลางและทิ้งสารตกค้างที่ไม่เป็นอันตรายมากนัก ทำให้เหมาะสำหรับการใช้งานในด้านอิเล็กทรอนิกส์หลายประเภท ฟลักซ์ชนิดละลายน้ำได้ให้ประสิทธิภาพในการกำจัดออกไซด์สูง แต่ต้องทำความสะอาดหลังการบัดกรีอย่างละเอียดเพื่อป้องกันการกัดกร่อน ฟลักซ์ชนิดไม่ต้องทำความสะอาดถูกคิดค้นขึ้นเพื่อให้ทิ้งสารตกค้างน้อยที่สุดและไม่กัดกร่อน ซึ่งสามารถคงอยู่บนชิ้นส่วนประกอบได้ แต่ระดับของสารตกค้างจะแตกต่างกันไปตามสูตร การเลือกใช้ขึ้นอยู่กับระดับประสิทธิภาพที่ต้องการ ข้อกำหนดด้านความสะอาด และข้อกำหนดด้านความน่าเชื่อถือในขั้นตอนต่อไป

ความแตกต่างที่สำคัญ: น้ำยาประสานตะกั่ว กับ ฟลักซ์ประสานตะกั่ว

บทบาทหน้าที่

ความแตกต่างพื้นฐานระหว่างน้ำยาประสานและฟลักซ์ประสานอยู่ที่ลำดับชั้นการทำงาน น้ำยาประสานเป็นวัสดุประสานที่สมบูรณ์แบบซึ่งสร้างโครงสร้างทางกายภาพของรอยต่อ ในขณะที่ฟลักซ์ประสานเป็นตัวช่วยในกระบวนการซึ่งปรับสภาพพื้นผิวสำหรับการยึดติด แต่ไม่ได้เพิ่มวัสดุใดๆ ลงในรอยต่อที่เสร็จสมบูรณ์ น้ำยาประสานสร้างรอยต่อ ในขณะที่ฟลักซ์ประสานเตรียมเงื่อนไขสำหรับการสร้างรอยต่อที่ประสบความสำเร็จ

รูปแบบทางกายภาพและวิธีการใช้งาน

สารบัดกรีแบบวาง (Solder paste) มีลักษณะเป็นวัสดุข้นหนืด ใช้โดยการพิมพ์แบบสเตนซิล การจ่าย หรือการพ่นแบบเจ็ทลงบนตำแหน่งแผ่นรองที่ต้องการ ส่วนฟลักซ์ (Flux) มีให้เลือกทั้งแบบเหลว เจล หรือแบบวาง และใช้โดยการทา การพ่น การจุ่ม หรือการจ่ายแบบแม่นยำ ความแม่นยำในการใช้งานสารบัดกรีแบบวางนั้นสูงกว่ามาก เนื่องจากปริมาณของสารบัดกรีแบบวางมีผลโดยตรงต่อรูปทรงของรอยต่อและแนวโน้มการก่อตัวของเม็ดบัดกรี

การมีส่วนร่วมในการจัดตั้งกลุ่ม

เมื่อวางบัดกรีละลาย อนุภาคโลหะจะรวมตัวกันและสร้างการเชื่อมต่อถาวรระหว่างชิ้นส่วนและแผ่นรอง ฟลักซ์ในวางบัดกรีจะระเหยหรือถูกเคลื่อนย้ายไปยังขอบของรอยต่อ ในทางตรงกันข้าม ฟลักซ์แบบเดี่ยวๆ จะไม่มีส่วนช่วยในโครงสร้างใดๆ มันจะระเหยหรือคงอยู่เป็นสารตกค้าง ในขณะที่ทำให้บัดกรีที่เติมจากภายนอกสามารถสร้างพันธะได้ ความแตกต่างนี้มีความสำคัญอย่างยิ่งในการคำนวณปริมาณบัดกรีเพื่อความน่าเชื่อถือของรอยต่อ

กรณีใช้งานทั่วไป

การประกอบชิ้นส่วน SMT ด้วยวิธีรีโฟลว์โดยทั่วไปต้องใช้สารบัดกรีแบบวาง (solder paste) เป็นทั้งแหล่งของตะกั่วบัดกรีและฟลักซ์ ส่วนการบัดกรีด้วยมือ การบัดกรีแบบคลื่นผ่านรู และการซ่อมแซมชิ้นส่วน มักใช้ตะกั่วบัดกรีแบบเส้นร่วมกับฟลักซ์ที่ใช้แยกต่างหาก การรีบอล BGA และการซ่อมแซมชิ้นส่วนมักต้องใช้ฟลักซ์เพิ่มเติมแม้ว่าจะมีตะกั่วบัดกรีแบบขึ้นรูปหรือแบบทรงกลมอยู่แล้วก็ตาม ข้อกำหนดของกระบวนการจะเป็นตัวกำหนดการเลือกใช้วัสดุ

สามารถใช้ครีมบัดกรีแทนฟลักซ์บัดกรีได้หรือไม่?

สารบัดกรีแบบวางไม่สามารถทดแทนฟลักซ์บัดกรีแบบแยกต่างหากได้อย่างสมบูรณ์ในทุกการใช้งาน แม้ว่าสารบัดกรีแบบวางจะมีระบบฟลักซ์ในตัว แต่ปริมาณฟลักซ์นั้นได้รับการปรับให้เหมาะสมสำหรับสภาวะการหลอมแบบผ่านครั้งเดียว ในระหว่างการซ่อมแซม การหลอมซ้ำ หรือการทำงานที่เกี่ยวข้องกับพื้นผิวที่มีออกซิเดชันสูง ปริมาณฟลักซ์ในสารบัดกรีแบบวางมักจะไม่เพียงพอ

สารช่วยหลอมเหลวอาจถูกใช้หมดไปหรือระเหยไปแล้วในระหว่างกระบวนการผลิตขั้นต้น ในสายการผลิตมักเติมสารช่วยหลอมเหลวเพิ่มเติมควบคู่ไปกับน้ำยาบัดกรีในระหว่างการซ่อมแซม BGAการบัดกรีเก็บรายละเอียด และการซ่อมแซมต่างๆ ที่ต้องการกิจกรรมทางเคมีที่เพิ่มขึ้นเพื่อให้การยึดเกาะเป็นไปอย่างน่าเชื่อถือ

มุมมองระดับกระบวนการ

การออกแบบโปรไฟล์การรีโฟลว์ส่งผลโดยตรงต่อประสิทธิภาพของฟลักซ์ในเนื้อบัดกรี การใช้เวลานานเกินไปเหนือจุดหลอมเหลวอาจทำให้ฟลักซ์หมดประสิทธิภาพก่อนที่จะเกิดการเปียกอย่างสมบูรณ์ วงจรความร้อนหลายรอบ เช่น การรีโฟลว์สองด้านหรือการให้ความร้อนในการซ่อมแซม จะทำให้ประสิทธิภาพของฟลักซ์ที่เหลืออยู่ลดลงอย่างต่อเนื่อง

ข้อบกพร่องทั่วไป เช่น การเปียกที่ไม่เพียงพอ การเกิดเม็ดบัดกรี และการเกิดช่องว่าง มักมีสาเหตุมาจากประสิทธิภาพของฟลักซ์ที่ไม่เพียงพอมากกว่าปัญหาเกี่ยวกับส่วนประกอบของโลหะผสม การทำความเข้าใจงบประมาณความร้อนที่ฟลักซ์ใช้ไปจะช่วยให้วิศวกรสามารถปรับแต่งโปรไฟล์และกำหนดได้ว่าเมื่อใดจึงจำเป็นต้องใช้ฟลักซ์เพิ่มเติม

ความเข้าใจผิดที่พบบ่อยในการประกอบแผงวงจรพิมพ์ (PCB)

ยังคงมีความเข้าใจผิดหลายประการเกี่ยวกับน้ำยาประสานและฟลักซ์ ความเชื่อที่ว่าฟลักซ์เป็นเพียงน้ำยาประสานที่เจือจางลงนั้นมองข้ามองค์ประกอบพื้นฐานที่แตกต่างกันของทั้งสองอย่าง การสันนิษฐานว่าปริมาณตะกั่วที่เพียงพอจะทำให้ไม่จำเป็นต้องใช้ฟลักซ์นั้นเป็นการละเลยข้อกำหนดทางเคมีที่จำเป็นสำหรับการเชื่อมประสานทางโลหะวิทยา

ความเข้าใจที่ว่าฟลักซ์แบบไม่ต้องทำความสะอาดไม่ทิ้งสารตกค้างใดๆ นั้นไม่ถูกต้องในทางเทคนิค สูตรฟลักซ์แบบไม่ต้องทำความสะอาดจะทิ้งสารตกค้างเพียงเล็กน้อยที่ไม่กัดกร่อน ไม่ใช่ไม่ทิ้งสารตกค้างเลย การเข้าใจความแตกต่างเหล่านี้จะช่วยให้ตัดสินใจเลือกกระบวนการได้ดียิ่งขึ้น

สรุป

สารบัดกรีแบบวางและสารบัดกรีแบบฟลักซ์มีบทบาทที่แตกต่างกันในลำดับชั้นของวัสดุบัดกรี สารบัดกรีแบบวางทำหน้าที่เป็นโครงสร้างพื้นฐานของข้อต่อ SMT ทุกข้อต่อด้วยระบบโลหะผสมและฟลักซ์ในตัว ในขณะที่สารบัดกรีแบบฟลักซ์ทำหน้าที่เป็นตัวช่วยทางเคมีที่ปรับสภาพพื้นผิวเพื่อให้เกิดการยึดติดที่ประสบความสำเร็จโดยไม่เพิ่มมวลของข้อต่อ การประกอบPCB ที่มีประสิทธิภาพ จำเป็นต้องเข้าใจว่าเมื่อใดควรใช้วัสดุแต่ละชนิด และเมื่อใดจำเป็นต้องใช้ทั้งสองชนิด หลักการทางวิศวกรรมนั้นตรงไปตรงมา: สารบัดกรีแบบวางกำหนดโครงสร้างของข้อต่อ ในขณะที่สารบัดกรีแบบฟลักซ์ช่วยให้ข้อต่อเกิดขึ้นได้