Back

Solder paste ในอุตสาหกรรมประกอบอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์

อาจารย์ธรรมนูญ อุดมมั่น  
อาจารย์ประจำภาควิชาวิศวกรรมเคมี  
คณะวิศวกรรมศาสตร์ มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีมหานคร  
21 กรกฎาคม 2556  

        สำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์และเครื่องใช้ไฟฟ้าที่ใช้ทั่วไปในบ้านเราส่วนใหญ่มักเป็นยี่ห้อที่มาจากต่างประเทศ อาทิเช่น เครื่องคอมพิวเตอร์แบบตั้งโต๊ะและโน้ตบุ๊ก โทรศัพท์มือถือ กล้องถ่ายรูป เครื่องเล่นดีวีดี สมาร์ทการ์ด แต่ท่านทราบหรือไม่ว่าก่อนที่อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์จะประกอบเป็นชิ้นงานสำเร็จนั้นได้ผ่านมือคนไทยมาแล้ว ที่กล่าวเช่นนี้เพราะส่วนประกอบบางส่วนได้ผ่านการประกอบจากโรงงานในประเทศไทย โดยเฉพาะส่วนประกอบที่เรียกว่าแผ่นวงจรพิมพ์ (Printed circuit board, PCB) และแผ่นวงจรพิมพ์แบบยืดหยุ่น (Flexible printed circuit, FPC) แสดงดังรูปที่  1 ที่เป็นส่วนประกอบสำคัญของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์และเครื่องใช้ไฟฟ้าทุกชนิด เพราะเป็นชิ้นส่วนที่ติดตั้งของไอซี (IC) ตัวเก็บประจุ (Capacitor) ตัวต้านทานไฟฟ้า (Resistance) ชิป (Chip) และอื่นๆ โดยชิ้นส่วนเหล่านี้ต้องทำการบัดกรีให้ยึดติดกับ PCB และ FPC ด้วยวัสดุที่เรียกว่าโลหะบัดกรี รูปแบบของโลหะบัดกรีที่ใช้กันทั่วไปเป็นของแข็งของโลหะผสมของตะกั่วและดีบุก แต่ในงานอุตสาหกรรมที่ต้องผลิตชิ้นงานจำนวนมากจะใช้โลหะบัดกรีเป็นโลหะหลอมเหลวที่นิยมใช้ในการประกอบ PCB หรือโลหะบัดกรีแบบกึ่งของเหลวของแข็ง (Solder paste) ดังรูปที่ 2 ซึ่งนิยมใช้ในการผลิต FPC แบบ SMT (Surface mount technology) ที่แสดงดังรูปที่ 3 โดยเมื่อพิมพ์ Solder paste ลงบนตำแหน่งที่ต้องการ แล้วจึงวางไอซีหรือตัวเก็บประจุลงบน Solder paste จากนั้นจึงให้ความร้อนเพื่อให้ Solder paste หลอมตัวและประสานยึดติดไอซีหรือตัวเก็บประจุกับแผ่นวงจรพิมพ์

        ถึงแม้ Solder paste เป็นส่วนประกอบเพียงเล็กน้อยแต่มีความสำคัญอย่างมากต่ออายุการใช้งานของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์นั้นๆ โดยทั่วไป Solder paste เป็นวัสดุที่ประกอบด้วยโลหะ สารอนินทรีย์ และสารอินทรีย์หลายชนิดเพื่อให้ได้สมบัติขณะการปฏิบัติงานและสมบัติการยึดติดที่ต้องการ  ดังนั้นบทความนี้จะนำเสนอเกี่ยวกับส่วนประกอบ Solder paste ความสำคัญของแต่ละส่วนประกอบ กระบวนการผลิต และสมบัติสำคัญของ Solder paste  


รูปที่ 1 แผ่นวงจรพิมพ์แบบยืดหยุ่นที่ใช้งานในฮาร์ดดิสก์ 
(ที่มา: http://keppanet.netfirms.com/keppanet/harddisk/hdinside.htm)


รูปที่ 2 ลักษณะและบรรจุภัณฑ์ของ solder paste
(ที่มา: http://yik-st.en.hisupplier.com/product-77385-Solder-Paste.html และ www.nyp.com.hk/soldering_products.html)


รูปที่ 3 การใช้ solder paste ในกระบวนการผลิตแบบ SMT (Surface mount technology) 
(ที่มา: www.nof.co.jp/english/business/electron/product02.html)


        Solder paste เป็นวัสดุที่มีลักษณะคล้ายยาสีฟัน โดยมีส่วนประกอบที่เป็นผงโลหะผสมกับฟลักซ์ (Flux) ซึ่งเป็นส่วนที่ทำให้วัสดุผสมนี้มีลักษณะคล้ายครีม ตัวแปรที่มีผลต่อสมบัติของ Solder paste ได้แก่ ส่วนประกอบของโลหะผสม ขนาดและการกระจายตัวอนุภาคของโลหะผสม สัดส่วนของผงโลหะ ชนิดของฟลักซ์ (Flux) โดยมีรายละเอียดดังนี้ 

     1) ส่วนประกอบของโลหะผสม (Solder alloy) โดยปัจจุบันโลหะบัดกรีแบ่งเป็นประเภทมีโลหะตะกั่วและไม่มีโลหะตะกั่ว โดยโลหะผสมที่ปราศจากตะกั่ว (Lead free) มีจุดหลอมเหลวสูงกว่าของโลหะบัดกรีของโลหะผสมตะกั่วและดีบุก (Pb-Sn solder) ที่มีจุดหลอมเหลวต่ำที่สุดประมาณ 183C ดังนั้นจึงมีความพยายามวิจัยเพื่อปรับปรุงให้โลหะผสมที่ปราศจากตะกั่วที่มีจุดหลอมเหลวต่ำลงและมีสมบัติการบัดกรีดีเทียบเท่ากับโลหะผสมของตะกั่วและดีบุก      โลหะบัดกรีปราศจากตะกั่วที่ใช้ทั่วไปคือ โลหะบัดกรี Sn-Ag-Cu มีสัดส่วนการใช้ร้อยละ 66  โลหะบัดกรี Sn-Ag-Cu-Bi มีสัดส่วนการใช้ร้อยละ 19  โลหะบัดกรี Sn-Ag-Bi-In มีสัดส่วนการใช้ร้อยละ 9 และโลหะบัดกรี Sn-Zn-Bi มีสัดส่วนการใช้ร้อยละ 6  โดย The Japanese Electronic Industry Association (JEIDA) แนะนำให้ใช้โลหะบัดกรีที่มีส่วนประกอบโดยน้ำหนักเป็น 96.5Sn–3.0Ag–0.5Cu (SAC305) ส่วน National Electronic Manufacturing Initiative (NEMI) แนะนำให้ใช้โลหะบัดกรีที่มีส่วนประกอบโดยน้ำหนักเป็น 95.5Sn–3.9Ag–0.6Cu และ 96.5Sn–3.5Ag สำหรับกระบวนการบัดกรีแบบ reflow soldering โดยทางยุโรปก็มีคำแนะนำการใช้คล้ายกับข้างต้นเช่นกัน แต่ถึงอย่างไรการนำโลหะผสมเหล่านี้ไปใช้งานจริงต้องได้รับการประเมินให้เหมาะสมกับกระบวนการผลิตนั้นๆ  

     2) ผงโลหะ (Solder powder) การผลิตผงโลหะทำให้ได้ผงโลหะที่มีขนาดในช่วงที่กำหนดในแต่ละแบบที่แสดงดังตารางที่ 1 โดยใช้วิธีการต่างๆ ที่แสดงตารางที่ 2


ตารางที่ 1 ประเภทของผงโลหะที่แบ่งตามขนาดอนุภาคโลหะ

ชนิด

ขนาดใหญ่ไม่เกิน

ขนาดใหญ่กว่าไม่เกิน 1%

มีขนาด 80% อยู่ในช่วง

ขนาดเล็กไม่เกินกว่า 10%

Type 1

160 µm

150 µm

150-75 µm

20 µm

Type 2

80 µm

75 µm

75-45 µm

20 µm

Type 3

50 µm

45 µm

45-25 µm

20 µm

Type 4

40 µm

38 µm

38-20 µm

20 µm

Type 5

30 µm

25 µm

25-15 µm

15 µm

Type 6

20 µm

15 µm

15-5 µm

5 µm

 

ตารางที่ 2 วิธีการผลิตผงโลหะ

วิธีการเชิงพาณิชย์

วิธีการที่กำลังพัฒนาเป็นเชิงพาณิชย์

วิธีการอื่นๆ

Water atomization

Ultrasonic gas atomization

Centrifugal shot casting process

Oil atomization

Rotating disk atomization

Spinning cup atomization

Gas atomization

Electron beam rotating disk process

Centrifugal impact atomization

Vacuum atomization
Rotating electrode atomization

Roller atomization

Laser spin atomization
Durarc process

Vibrating electrode atomization
Solder jetting


        โดยทั่วไปวิธีการ Gas atomization (รูปที่ 4), Centrifugal atomization และ Ultrasonic gas atomization จะใช้ผลิตผงโลหะชนิด Type 3 และ Type 4 สำหรับนำไปใช้ในกระบวนการผลิตแบบ SMT (Surface mount technology) ในขณะที่วิธีการ Oil atomization  จะใช้ผลิตผงโลหะที่มีขนาดเล็กมาก (Ultrafine) เช่น ผงโลหะชนิด Type 5 และ Type 6  นอกจากนี้กระบวนการประกอบอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่มีขนาดเล็กลงแต่มีความสามารถในการทำงานมากขึ้นเป็นแนวโน้มของอุตสาหกรรมนี้ทำให้ส่วนประกอบต่างมีขนาดเล็กลง จึงทำให้ผงโลหะจึงต้องมีขนาดเล็กลง มีผู้ผลิตได้เริ่มกล่าวถึงผงโลหะ Type 7 ที่มีขนาดอนุภาคอยู่ในช่วง 2-11 µm 
        สมบัติของผงโลหะที่สำคัญคือ ต้องเป็นทรงกลม เกิดโลหะออกไซด์น้อย มีการกระจายขนาดของอนุภาคในช่วงที่กำหนด การที่ผงโลหะต้องเป็นทรงกลมเพราะจะทำให้มีสมบัติการไหลที่ดีขณะพิมพ์บนแผ่นวงจรพิมพ์ ความเรียบของผิวผงโลหะยังบอกถึงการเกิดออกไซด์บนผิวน้อยมาก โดยทั่วไปผงโลหะที่มีตะกั่วเป็นส่วนผสมจะมีความเรียบของผิวอนุภาคมากกว่าผงโลหะที่ไม่มีตะกั่วเป็นส่วนผสมและผงโลหะที่มีโลหะดีบุกเป็นส่วนประกอบสูง

รูปที่ 4 การผลิตผงโลหะด้วยวิธี Gas atomization
(ที่มา: www.xstreamscience.org/H_Glaze/H_Glaze_1.htm และ www.ourpromesse.com/Service.aspx)


        การเกิดออกไซด์บนผิวของผงโลหะควรเกิดขึ้นน้อยที่สุด เพราะจะส่งผลต่อการบัดกรีโดยตรง ดังนั้นขณะที่ผลิตผงโลหะต้องควบคุมอย่างดีไม่ให้เกิดออกไซด์ของโลหะ จากตารางที่ 3 พบว่าโลหะเงิน ทองแดง และตะกั่วเป็นโลหะที่เกิดออกไซด์ได้ยาก เพราะมีค่าพลังงานอิสระการเกิดออกไซด์สูง ตัวแปรที่มีผลทำให้เกิดออกไซด์ได้ง่ายคือ การใช้อุณหภูมิสูง มีความเข้มข้นของออกซิเจนในบรรยากาศการผลิตสูง ขนาดอนุภาคของผงโลหะที่มีขนาดเล็กเพราะทำให้พื้นที่ผิวที่สัมผัสกับออกซิเจนมากกว่าอนุภาคของผงโลหะที่มีขนาดใหญ่ และส่วนประกอบของผงโลหะ เช่น การผลิตของผงโลหะ Pb-Sn หรือ Sn-Ag-Cu ส่วนประกอบที่เป็นโลหะดีบุกจะเกิดออกไซด์ขึ้นแต่โลหะอื่นยังไม่เกิดออกไซด์ 
ผงโลหะหลังจากกระบวนการผลิตจะเกิดชั้นของออกไซด์มากขึ้น ดังนั้นเพื่อลดการเกิดออกไซด์ของผงโลหะควรเก็บไว้ที่อุณหภูมิต่ำๆ 


ตารางที่ 3 ชนิดออกไซด์และพลังงานอิสระการเกิดออกไซด์

ชนิดออกไซด์

พลังงานอิสระการเกิดของออกไซด์

Gibb’s free energy  (ΔG° kJ/mol)

ชนิดออกไซด์

พลังงานอิสระการเกิดของออกไซด์

Gibb’s free energy  (ΔG° kJ/mol)

Ag2O

- 11.2

SnO2

- 515.8

Bi2O3

- 493.7

PbO

- 187.9 (yellow), - 188.9 (red)

Cu2O

- 146

PbO2

-217.3

CuO

- 157.3

Sb2O4

- 796.3

In2O3

- 830.7

Sb2O5

- 829.8

SnO

- 251.9

ZnO

- 320.5


     3) ฟลักซ์ (Flux) เป็นส่วนประกอบที่มีหน้าที่สำคัญหลายอย่าง โดยหน้าที่หลักคือการกำจัดออกไซด์บนผิวทองแดงบนแผ่นวงจรพิมพ์ นอกจากนี้ยังช่วยเพิ่มอัตราการถ่ายเทความร้อนบริเวณที่ทำการบัดกรี และทำให้โลหะบัดกรีหลอมเหลวไหลตัวได้ดีขึ้น โดยทั่วไปฟลักซ์เป็นสารเคมีที่มีฤทธิ์เป็นกรดทั้งกรดอินทรีย์และกรดอนินทรีย์ ปฏิกิริยาของออกไซด์กับฟลักซ์แสดงดังสมการที่ (1) และ (2)

                    MO+ 2nRCOOH (กรดอินทรีย์)     ⇒    M(RCOO)nH2O                            (1)

                    MO+ 2nHX (กรดอนินทรีย์)              MXn + nH2O                                     (2)

โดย      M คือโลหะ        
           O คือ ออกซิเจน  

​           RCOOH คือ กรดอินทรีย์ (Carboxylic acids)
​           HX (กรดอนินทรีย์) และ
​           X คือ F, Cl หรือ Br (Halogen atom

ตัวอย่างเช่น            2RCOOH + Cu2O                     2RCOOCu + H2O                               (3)

        ปฏิกิริยาของออกไซด์กับฟลักซ์จะเกิดได้ช้าที่อุณหภูมิห้องแต่เกิดได้เร็วที่อุณหภูมิสูง ฟลักซ์ที่เป็นกรดอินทรีย์เป็นที่นิยมมากกว่า เพราะไม่ทำให้เหลือสารจำพวกฮาโลเจนตกค้างมากเกินกำหนด  กรดอินทรีย์ต้องมีน้ำหนักโมเลกุลที่มากพอที่จะไม่ระเหยไปก่อนที่จะเกิดปฏิกิริยากับออกไซด์ของโลหะ แต่กรดอินทรีย์ไม่ควรเหลือตกค้างในรอยบัดกรีเพราะทำให้รอยบัดกรีเกิดความบกพร่องและมีความแข็งแรงลดลงอย่างมาก

 ฟลักซ์สำหรับโลหะบัดกรีปราศจากตะกั่วมีความแตกต่างจากฟลักซ์สำหรับโลหะบัดกรีที่มีตะกั่ว ดังนี้
     
3.1) ความว่องไวของการเกิดปฏิกิริยา (Flux activity) โดยทั่วไปโลหะบัดกรีปราศจากตะกั่วจะมีการไหลกระจายตัวขณะหลอมเหลวด้อยกว่าโลหะบัดกรีที่มีตะกั่ว แก้ไขโดยใช้ฟลักซ์ที่มีความว่องไวของการเกิดปฏิกิริยามากขึ้น
     
3.2) การเข้ากันได้ของฟลักซ์และโลหะบัดกรี (Alloy compatibility) เป็นสิ่งสำคัญที่มีผลต่ออายุใช้งานของ Solder paste และการบัดกรี ถ้าใช้ฟลักซ์ที่มีความว่องไวของการเกิดปฏิกิริยามากเกินไปอาจทำให้เกิดการกัดกร่อนของผงโลหะมากเกินไปและทำให้ Solder paste มีสมบัติการไหลเปลี่ยนไปในแนวโน้มที่มีความหนืดมากขึ้น
     
3.3) ความเสถียรภาพต่อความร้อน (Thermal stability) เนื่องจากโลหะบัดกรีปราศจากตะกั่วที่มีดีบุกเป็นส่วนประกอบในปริมาณสูงจะมีจุดหลอมเหลวมากกว่า 210°C จึงต้องเลือกใช้ฟลักซ์ที่สลายตัวที่อุณหภูมิสูงกว่าฟลักซ์สำหรับโลหะบัดกรีที่มีตะกั่ว

     4) รีโอโลยี (Rheology) ของ solder paste เป็นตัวแปรที่มีผลต่อกระบวนการผลิตโดยตรงในขั้นตอนการพิมพ์ solder paste ลงบนแผ่นวงจรพิมพ์ที่ต้องการความรวดเร็วและถูกต้อง อีกทั้งต้องยึดติดบนแผ่นวงจรพิมพ์และยึดติดส่วนประกอบที่จะวางลงบน solder paste ได้อย่างดี 

        วัสดุวิศวกรรมในอุตสาหกรรมประกอบอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ยังมีเรื่องที่น่าสนใจอีกมาก เช่น วัสดุที่ใช้ทำแผ่นวงจรพิมพ์ (Printed circuit board) และแผ่นวงจรพิมพ์แบบยืดหยุ่น (Flexible printed circuit) กระบวนการบัดกรีแบบ wave soldering และแบบ reflow soldering เป็นต้น ในบทความนี้ผู้อ่านอาจจะเริ่มอยากรู้เกี่ยวกับฟลักซ์และรีโอโลยี ซึ่งจะกล่าวถึงรายละเอียดในตอนต่อๆ ไป


เอกสารแนะนำเพื่อการศึกษาเพิ่มเติม

Edwin Bradley, Carol A. Handwerker, Jasbir Bath, Richard D. Parker and Ronald W. Gedney, LEAD-FREE ELECTRONICS, John Wiley & Sons, Inc., 2007.