ผ่านคอขวดการผลิต PCB ที่มีความร้อนสูง: การวิเคราะห์เชิงลึกของการเติมเรซินสูญญากาศสำหรับบล็อกทองแดงแบบฝังตัว

ด้วยการพัฒนาอย่างรวดเร็วของการสื่อสาร 5G, ปัญญาประดิษฐ์, และเทคโนโลยีคอมพิวเตอร์ความเร็วสูง, ความต้องการประสิทธิภาพการระบายความร้อนที่เหนือกว่าใน PCBS (แผงวงจรพิมพ์) สำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์มีความเข้มงวดมากขึ้น. ตามคำบอกเล่าของพริสมาร์ก, ขนาดของตลาดโลกสำหรับ PCB ที่มีข้อกำหนดการกระจายความร้อนสูงคาดว่าจะเข้าถึงได้ $4.78 พันล้านใน 2023, โดยมี CAGR เกิน 9.2%. โดยเฉพาะในด้านความถี่สูงและ PCBs ความเร็วสูง, ความร้อนสูงเกินไปเฉพาะจุดได้กลายเป็นปัจจัยสำคัญที่ส่งผลต่อความน่าเชื่อถือของอุปกรณ์.

ข้อจำกัดทางเทคนิคของกระบวนการบล็อกทองแดงแบบฝังแบบดั้งเดิม

กระบวนการอุตสาหกรรมกระแสหลักในปัจจุบันสำหรับการฝังบล็อกทองแดงเกี่ยวข้องกับการกำหนดหน้าต่างล่วงหน้าของบอร์ดหลักและพรีเพก (PP) ก่อนการเคลือบ, วางบล็อกทองแดงระหว่างกระบวนการเคลือบ, และอาศัยการไหลของเม็ดพลาสติก PP เพื่อทำการฝังและตรึงให้เสร็จสมบูรณ์. ในขณะที่วิธีนี้ใช้กันอย่างแพร่หลาย, มันมีข้อจำกัดที่สำคัญสองประการ:

ประการแรก, PP ที่ใช้ในการเคลือบต้องมีปริมาณเรซินเพียงพอ. ตามมาตรฐาน IPC-4101E, PP ที่มีเรซินสูงจะต้องมีปริมาณเรซินเป็น 68% ± 5%. หากปริมาณเรซินไม่เพียงพอ, การเกิดโมฆะเกิดขึ้นรอบๆ บริเวณเติมบล็อกทองแดง, ทำให้เกิดช่องว่างที่เห็นได้ชัดเจน.

ประการที่สอง, จะต้องควบคุมการไหลของ PP อย่างแม่นยำ. อ้างอิงจาก IPC-TM-650 2.3.17 วิธีทดสอบ, ควรควบคุมความหนืดไดนามิกของ PP ให้อยู่ในช่วง 800-1,500 ปา·ส (ที่อุณหภูมิ 180°C). หากกระแสน้ำสูงเกินไป, เรซินที่มากเกินไปสามารถไหลลงสู่บริเวณช่องว่างได้, ทำให้เกิดความอดอยากเรซินในบริเวณวงจรใกล้เคียง, นำไปสู่การเคลือบที่ไม่ดีและรอยแตกภายในภายในบอร์ด (รูป 2).

ข้อจำกัดเหล่านี้ทำให้วิธีการแบบเดิมไม่เหมาะสม HDI ผลิตภัณฑ์ที่ผลิตโดยใช้การเคลือบแบบสะสมตามลำดับ. เพื่อจัดการกับความท้าทายในอุตสาหกรรมนี้, วิธีการเติมเรซินแบบสุญญากาศได้เกิดขึ้นแล้ว.

หลักการกระบวนการและข้อดีทางเทคนิคของการบรรจุเรซินสุญญากาศ

วิธีการเติมเรซินสุญญากาศใช้วิธีการทางเทคนิคที่แตกต่างไปจากเดิมอย่างสิ้นเชิง: อันดับแรก, การกำหนดเส้นทางที่แม่นยำจะดำเนินการบนกระดานลามิเนตเพื่อสร้างโพรง; จากนั้นจึงวางและยึดบล็อกทองแดง; ตามด้วยการเติมเรซินภายใต้สภาวะสุญญากาศ; หลังจากการบ่มเรซิน, ขั้นตอนสุดท้ายคือการบด. ขั้นตอนการประมวลผลที่สมบูรณ์คือ: การเคลือบ→การเคลือบ→การกำหนดเส้นทาง→การวางบล็อกทองแดง→การเติมเรซิน→การเจียร→กระบวนการที่ตามมา.

วิธีการนี้มีข้อได้เปรียบเหนือกระบวนการแบบเดิมๆ อย่างมาก:

• ใช้ได้กับโครงสร้างที่ซับซ้อนเช่น บอร์ด HDI

• ผลลัพธ์การเติมที่สม่ำเสมอและเชื่อถือได้มากขึ้น

• ความสามารถในการทำงานซ้ำและซ่อมแซม

• ประมาณ 30% การปรับปรุงประสิทธิภาพการผลิต

• ลดต้นทุนได้ประมาณ 15-20%

การออกแบบพารามิเตอร์หลักและการตรวจสอบความถูกต้องสำหรับกระบวนการเติมสุญญากาศ

การออกแบบการเพิ่มประสิทธิภาพรูปร่างและขนาดช่อง

ตามความต้องการอันเข้มงวดจากลูกค้ารายใหญ่, ขนาดเติมเรซินรอบบล็อกทองแดงต้องน้อยกว่า 0.254 มม. เมื่อพิจารณาความแม่นยำของเครื่องกำหนดเส้นทางภายใน ±0.075 มม, การออกแบบขนาดของช่องต้องเป็นไปตามข้อกำหนด: 2อัน + ข ≤ 0.179 มม (หรือ 2a + ข ≤ 0.204 มม). เพราะเหตุนี้, มีการออกแบบโครงร่างขนาดช่องสี่ช่อง:
① ก=0.05มม, ข=0.050มม
② ก=0.05มม, ข=0.075มม
3 ก=0.05 มม, ข=0.100มม
④ ก=0.075 มม, ข=0.050มม

มีการทดสอบการออกแบบรูปทรงช่องสามช่องด้วย:

• รูปร่าง ก: สี่เหลี่ยมผืนผ้ามาตรฐาน

• รูปร่างบี: สี่เหลี่ยมผืนผ้าที่มีส่วนที่ยื่นออกมาเพิ่มที่จุดกึ่งกลางของแต่ละด้าน

• รูปร่าง C: สี่เหลี่ยมผืนผ้าที่มีส่วนที่ยื่นออกมาเพิ่ม 1 มม. จากแต่ละมุมทั้งสี่ด้าน

ใช้บอร์ดทดสอบที่มีความหนา 1.00 มม. และบล็อกทองแดงที่มีความหนา 0.98 มม, แก้ไขด้วยเทปทนความร้อนสูง, ทดลองเติมเรซินโดยไม่ใช้เรซินบนเครื่องบรรจุสุญญากาศ. ผลการวิจัยพบว่า รูปร่าง C (สี่เหลี่ยมผืนผ้าที่มีส่วนยื่นออกมา) ให้ประสิทธิภาพการป้องกันการหมุนและป้องกันการเคลื่อนไหวที่ดีที่สุด, และได้รับการคัดเลือกเพื่อการตรวจสอบในภายหลัง.

การเลือกใช้วัสดุฟิล์มยึดบล็อคทองแดง

โดยคำนึงถึงความง่ายในการยึดและถอดบล็อคทองแดง, รวมถึงความเสถียรทางความร้อนระหว่างการอบ, ฟิล์มยึดต้องเป็นไปตามข้อกำหนดสำหรับการทนต่ออุณหภูมิสูงและความเหนียวที่เหมาะสม. มีการเปรียบเทียบวัสดุสองชนิด: ฟิล์ม PE และเทปทนอุณหภูมิสูง.

• ออน ฟิล์ม: ทนความร้อนไม่เพียงพอ (สูงสุด 150°C), มีแนวโน้มที่จะเสียรูปในระหว่างการอบ.

• เทปทนอุณหภูมิสูง: ทนทานต่ออุณหภูมิที่สูงกว่า 200°C, มีความเหนียวปานกลาง, และไม่ทิ้งสารตกค้างเมื่อกำจัด.

ผลการทดลองแสดงให้เห็นอย่างชัดเจนว่าเทปทนอุณหภูมิสูงเป็นตัวเลือกที่ดีที่สุดสำหรับฟิล์มยึดที่ฝังบล็อกทองแดง.

การเพิ่มประสิทธิภาพความแตกต่างความสูงระหว่างบล็อกทองแดงและพื้นผิวบอร์ด

รูปแบบความแตกต่างของความสูงสองแบบได้รับการออกแบบเพื่อตรวจสอบความถูกต้อง:

• โครงการ 1: บล็อกทองแดงสูงกว่าพื้นผิวบอร์ด20μm

• โครงการ 2: บล็อกทองแดงสูงกว่าพื้นผิวบอร์ด40μm

ผลการทดลองระบุว่าไม่มีปัญหาที่ไม่ตรงกันกับโครงการใดโครงการหนึ่ง. อย่างไรก็ตาม, จากมุมมองของกระบวนการบดที่ตามมา, ความแตกต่างของความสูง 20μm เอื้อต่อการควบคุมปริมาณการเจียรและลดเวลาในกระบวนการมากกว่า.

การเพิ่มประสิทธิภาพพารามิเตอร์การเติมเรซิน

ขึ้นอยู่กับขนาดและรูปร่างของช่องที่ออกแบบไว้ก่อนหน้านี้, และพิจารณาข้อกำหนดตาข่ายกรองภายในที่ใช้กันทั่วไป, ใช้ตาข่าย 43T สำหรับการเติมสุญญากาศ. มีการออกแบบแผนการเติมแบบรอบเดียวและสองรอบ. มีการตรวจสอบผลการเติมเรซินในบริเวณบล็อกทองแดงหลังการเติม:

• การเติมครั้งเดียว: อัตราการเติมโดยประมาณ. 85-90%, มีฟองอากาศเล็กน้อยอยู่.

• การเติมสองรอบ: อัตราการส่งถึงขีดจำกัดแล้ว 98%, โดยไม่มีข้อบกพร่องที่ชัดเจน.

ชัดเจน, การใช้ตาข่าย 43T สำหรับการเติมเรซินแบบสองรอบจะตรงตามข้อกำหนดปริมาณเรซินสำหรับพื้นที่ช่องว่างของบล็อกทองแดง, ทำให้มั่นใจได้ถึงผลการเติมที่เชื่อถือได้.

การศึกษาเปรียบเทียบวิธีการวางขนม

หลังจากเติมเรซินแล้ว, จำเป็นต้องอบเพื่อการบ่ม. มีวิธีการจัดวางการอบสองวิธีภายในองค์กร:

• ตำแหน่งแนวตั้ง: บนชั้นวาง

• ตำแหน่งแนวนอน: บนถาดซ้อน

ผลการทดลองแสดงให้เห็นอย่างชัดเจนว่าการจัดวางแนวตั้งบนโครงยึดชั้นวางไม่เป็นไปตามข้อกำหนด. สาเหตุหลักก็คือเรซินที่เติมไว้ยังคงไหลได้ในระหว่างการอบ, และอยู่ภายใต้แรงโน้มถ่วง, มันไหลลง, ทำให้สูญเสียเรซินจากช่องว่างและทำให้เกิดช่องว่าง. การวางแนวนอนบนถาดเรียงซ้อนไม่มีความผิดปกติใดๆ และเป็นวิธีที่แนะนำในการอบ.

การตรวจสอบความน่าเชื่อถือของผลิตภัณฑ์และผลการทดสอบ

จากผลการวิจัยจากจุดควบคุมสำคัญข้างต้น, มีการทดลองผลิตผลิตภัณฑ์ PCB บล็อกทองแดงแบบฝังจำนวนหนึ่ง, และ 10 ตัวอย่างถูกสุ่มเลือกเพื่อทดสอบความน่าเชื่อถืออย่างครอบคลุม. รวมรายการทดสอบ:

การทดสอบการบัดกรีแบบ Reflow

ตามมาตรฐาน IPC-6012E, 6 รอบการบัดกรีแบบรีโฟลว์ไร้สารตะกั่ว (อุณหภูมิสูงสุด 260°C) ได้ดำเนินการ. ตัวอย่างทั้งหมดผ่านโดยไม่มีการแยกส่วน, พุพอง, หรือแคร็ก.

การทดสอบความเครียดจากความร้อน

ติดตาม IPC-TM-650 2.6.8 วิธี, ทำการทดสอบการบัดกรีแบบลอยตัวที่อุณหภูมิ 288°C ± 5°C 20 ไม่กี่วินาที. ตัวอย่างทั้งหมดไม่มีความผิดปกติ.

การทดสอบการปั่นจักรยานด้วยความร้อน

ตามมาตรฐาน IPC-9701A, 1000 ทำรอบตั้งแต่ -55°C ถึง 125°C. ตัวอย่างทั้งหมดยังคงประสิทธิภาพทางไฟฟ้าและความสมบูรณ์ของโครงสร้างตามปกติ.

โต๊ะ: สรุปผลการทดสอบความน่าเชื่อถือ

แนวโน้มการใช้งานและมูลค่าเชิงพาณิชย์ของวิธีการเติมสุญญากาศ

วิธีการเติมเรซินสุญญากาศสำหรับการฝังบล็อกทองแดงไม่เพียงแต่เอาชนะข้อจำกัดของวิธีการแบบเดิมๆ แต่ยังนำมูลค่าเชิงพาณิชย์ที่สำคัญมาสู่อุตสาหกรรม PCB:

การแปลงข้อได้เปรียบทางเทคนิคให้เป็นมูลค่าเชิงพาณิชย์

• ผลผลิตที่ดีขึ้น: ลดเศษที่เกิดจากโมฆะและรอยแตก, เพิ่มผลผลิตได้ประมาณ 12-15%.

• การลดต้นทุน: ลดความซับซ้อนของการไหลของกระบวนการ, ลดต้นทุนการผลิตด้วยการ 15-20%.

• แอปพลิเคชันแบบขยาย: ช่วยให้ใช้เทคโนโลยีการกระจายความร้อนของบล็อกทองแดงแบบฝังในตัว ผลิตภัณฑ์เอชดีไอ, การเปิดพื้นที่ตลาดใหม่.

พื้นที่การใช้งานกว้าง

เทคโนโลยีนี้เหมาะอย่างยิ่งสำหรับ:

• 5PCB เครื่องขยายสัญญาณเสียงของสถานีฐาน G

• เมนบอร์ดเซิร์ฟเวอร์ความเร็วสูง

• หน่วยควบคุมอิเล็กทรอนิกส์ยานยนต์ (กล่อง ECU)

• บอร์ดไฟ LED กำลังแรงสูง

• โมดูลพลังงานอุตสาหกรรม

บทสรุปและแนวโน้ม

บทความนี้จะตรวจสอบความเป็นไปได้และความน่าเชื่อถือของวิธีการเติมเรซินสุญญากาศในเทคโนโลยี PCB บล็อกทองแดงแบบฝังอย่างเป็นระบบผ่านการทดลอง. ข้อสรุปหลักมีดังนี้:

1. รูปร่างโพรงโดยใช้สี่เหลี่ยมที่มีส่วนที่ยื่นออกมา 1 มม. จากแต่ละมุม (รูปร่าง C) ป้องกันการเคลื่อนตัวและการหมุนของบล็อกทองแดงได้อย่างมีประสิทธิภาพ.

2. การใช้เทปทนอุณหภูมิสูงเป็นฟิล์มยึดบล็อคทองแดงช่วยให้มั่นใจในประสิทธิภาพการยึดติดและอำนวยความสะดวกในการลอกออกในภายหลัง.

3. เป็นไปได้ทั้งความแตกต่างความสูง 20μm และ 40μm ระหว่างบล็อกทองแดงและความหนาของบอร์ด, แต่แนะนำให้ใช้รูปแบบ 20μm จากมุมมองของการควบคุมกระบวนการ.

4. การใช้ตาข่าย 43T สำหรับการเติมเรซินแบบสองรอบทำให้แน่ใจได้ว่าการเติมจะเพียงพอและสม่ำเสมอ.

5. การวางแนวนอนบนถาดซ้อนระหว่างการอบจะช่วยป้องกันข้อบกพร่องในการเติมที่เกิดจากการไหลของเรซิน.

เมื่อเทียบกับวิธีการเคลือบแบบดั้งเดิมสำหรับการฝังบล็อคทองแดง, วิธีการเติมเรซินสุญญากาศมีข้อได้เปรียบที่สำคัญรวมถึงประสิทธิภาพที่สูงกว่า, ต้นทุนที่ต่ำกว่า, ความสามารถในการทำซ้ำที่สูงขึ้น, และความเหมาะสมกับบอร์ด HDI. เนื่องจากข้อกำหนดสำหรับการกระจายความร้อนในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ยังคงเพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่อง, เทคโนโลยีใหม่นี้มีแนวโน้มว่าจะกลายเป็นตัวเลือกกระบวนการที่สำคัญสำหรับการผลิต PCB ที่มีการกระจายความร้อนสูง.

สำหรับวิศวกรออกแบบและผู้เชี่ยวชาญด้านการจัดซื้อที่กำลังมองหาโซลูชัน PCB กระจายความร้อนสูง, ขอแนะนำให้มีส่วนร่วมในการสนทนาโดยละเอียดกับผู้เชี่ยวชาญ ซัพพลายเออร์ PCB. [คลิกที่ลิงค์นี้ เพื่อดาวน์โหลดรายงานการผลิตผลิตภัณฑ์โดยละเอียดของบริษัทของเราเพื่อดูโซลูชันที่เหมาะสมที่สุดและการสนับสนุนทางเทคนิคที่ปรับให้เหมาะกับการใช้งานเฉพาะ]

ผู้ให้บริการการผลิต PCB ที่มีคุณภาพสามารถนำเสนอบริการที่ครอบคลุมตั้งแต่การให้คำปรึกษาด้านการออกแบบไปจนถึงการผลิตจำนวนมากไปจนถึง พีซีบี, ช่วยให้มั่นใจถึงประสิทธิภาพการระบายความร้อนของผลิตภัณฑ์ที่ยอดเยี่ยมและลดระยะเวลาในการออกสู่ตลาด.