เครื่องพิมพ์บัดกรีสามารถใช้กับชิ้นส่วน BGA ได้หรือไม่?

หากคุณเคยทำงานในอุตสาหกรรมการผลิตอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์มาหลายปีแล้ว คุณอาจเคยได้ยินคำถามนี้:เครื่องพิมพ์บัดกรีสามารถใช้กับส่วนประกอบ BGA ได้หรือไม่เป็นเรื่องปกติ—โดยเฉพาะอย่างยิ่งจากทีมการผลิตขนาดเล็กถึงขนาดกลางที่กำลังชั่งน้ำหนักว่าจะลงทุนในเครื่องมือ BGA เฉพาะทางหรือปรับใช้อุปกรณ์ที่มีอยู่เพื่อลดต้นทุนและปรับปรุงขั้นตอนการทำงาน ในฐานะซัพพลายเออร์เครื่องพิมพ์บัดกรีที่ทำงานร่วมกับทุกอย่างตั้งแต่ร้านค้าต้นแบบไปจนถึงผู้ผลิตตามสัญญาจำนวนมาก ฉันพบว่าคำถามนี้นำไปสู่ข้อผิดพลาดที่มีราคาแพงและโซลูชันที่ชาญฉลาดและมีประสิทธิภาพ วันนี้ ฉันต้องการแจกแจงรายละเอียดทางวิทยาศาสตร์ กรณีการใช้งานจริง และข้อจำกัดในโลกแห่งความเป็นจริงในการใช้เครื่องพิมพ์บัดกรีมาตรฐาน (และกึ่งอัตโนมัติ) สำหรับ BGA รวมถึงวิธีเลือกการตั้งค่าที่เหมาะสมหากนี่คือเป้าหมายของคุณ

อันดับแรก เรามาทำความเข้าใจให้ชัดเจนว่าส่วนประกอบ BGA คืออะไร และเหตุใดความต้องการการบัดกรีจึงแตกต่างกัน ส่วนประกอบ Ball Grid Array (BGA) มีลูกบอลบัดกรีทรงกลมขนาดเล็กที่จัดเรียงในรูปแบบตารางที่ด้านล่าง โดยมีระยะพิทช์ (ระยะห่างระหว่างลูกบอลแต่ละลูก) ตั้งแต่ 0.5 มม. (มาตรฐาน) ไปจนถึง 0.3 มม. หรือเล็กกว่านั้นสำหรับชิปประสิทธิภาพสูง ต่างจากส่วนประกอบ SMD แบบทะลุผ่านรูหรือแบบละเอียด BGA ไม่มีสายที่ยื่นออกมาเป็นแนวทางในการวางตำแหน่ง การเชื่อมต่อทางไฟฟ้าทั้งหมดอาศัยการประสานที่สมบูรณ์แบบและสม่ำเสมอของสารบัดกรีใต้ลูกบอลแต่ละลูก หากส่วนผสมนั้นมากเกินไป น้อยเกินไป หรือวางไม่ตรง คุณจะพบข้อต่อเย็น กางเกงขาสั้น หรือจุดเปิด ซึ่งแทบจะเป็นไปไม่ได้เลยที่จะตรวจพบด้วยการตรวจสอบด้วยสายตา และจะปรากฏขึ้นในระหว่างการทดสอบขั้นสุดท้ายเท่านั้น ซึ่งจะทำให้คุณเสียเวลาและเงิน

ตอนนี้ คำตอบสั้น ๆ สำหรับคำถามหลัก:ใช่ เครื่องพิมพ์แบบบัดกรีสามารถใช้กับส่วนประกอบ BGA ได้ แต่ต้องได้รับการกำหนดค่าอย่างถูกต้อง จับคู่กับสเตนซิลที่ถูกต้อง และดำเนินการโดยทีมงานที่ได้รับการฝึกอบรมเท่านั้นนี่ไม่ใช่การแก้ไขแบบ "หนึ่งขนาดที่เหมาะกับทุกคน" ประเภทของเครื่องพิมพ์แบบบัดกรีก็มีความสำคัญเช่นกัน ตัวอย่างเช่น เครื่องพิมพ์แบบบัดกรีกึ่งอัตโนมัติกลายเป็นสิ่งที่หลายๆ ทีมเลือกใช้ เนื่องจากมีความสมดุลระหว่างความสม่ำเสมอ ความสะดวกในการใช้งาน และต้นทุน ซึ่งแตกต่างจากเครื่องพิมพ์แบบแมนนวลที่ต้องอาศัยทักษะของผู้ปฏิบัติงานเป็นอย่างมาก เรามาพูดถึงเครื่องพิมพ์รุ่นต่างๆ ที่เหมาะกับการทำงานของ BGA กัน

หากคุณกำลังทำงานกับการผลิต BGA ในปริมาณต่ำ เช่น การสร้างต้นแบบ การควบคุมทางอุตสาหกรรมจำนวนน้อย หรืออุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่เป็นงานอดิเรก เครื่องพิมพ์ลายฉลุกึ่งอัตโนมัติมักจะเป็นจุดสนใจ ยกตัวอย่างเช่น เครื่องพิมพ์วางประสานกึ่งอัตโนมัติ HW-S1200 สำหรับแถบ LED เดี๋ยวก่อน คุณอาจกำลังคิดว่า: “แถบ LED นั่นมีไว้สำหรับบอร์ดที่มีความยืดหยุ่น ไม่ใช่ BGA” แต่ประเด็นสำคัญก็คือ HW-S1200 ไม่จำกัดเฉพาะงาน LED เท่านั้น การควบคุมแกน Z ที่แม่นยำ (ส่วนที่ลดลายฉลุลงบน PCB) มีความทนทาน ±0.01 มม. ซึ่งเกินเพียงพอสำหรับ BGA ระดับ 0.5 มม. มาตรฐาน สิ่งที่ทำให้ใช้งานได้อเนกประสงค์คือระบบแคลมป์ PCB แบบปรับได้ โดยสามารถยึด PCB ที่มีความแข็งได้สูงสุดถึง 500x500 มม. และแม้แต่ซับสเตรตที่ยืดหยุ่นได้หากคุณปรับการยึดแบบสุญญากาศ สำหรับทีมที่ทำงาน BGA เป็นครั้งคราวควบคู่ไปกับงานอื่นๆ (เช่น ส่วนประกอบ LED ตัวต้านทาน หรือตัวเชื่อมต่อ) ความยืดหยุ่นนี้ถือเป็นชัยชนะครั้งใหญ่ คุณไม่จำเป็นต้องลงทุนในเครื่องพิมพ์เฉพาะ BGA แยกต่างหากซึ่งไม่ได้ใช้งานเป็นส่วนใหญ่

สำหรับงาน BGA ในปริมาณมาก คุณจะต้องพิจารณาเครื่องพิมพ์กึ่งอัตโนมัติที่ออกแบบโดยคำนึงถึงการผลิตส่วนประกอบ SMT ตัวอย่างเช่น สายการผลิตเครื่องจักรการผลิตชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ SMT ของเรามีเครื่องพิมพ์ลายฉลุกึ่งอัตโนมัติหลายรุ่นที่สร้างขึ้นโดยเข้ากันได้กับ BGA เป็นคุณสมบัติหลัก โมเดลเหล่านี้เพิ่มสิ่งต่างๆ เช่น กล้องจัดตำแหน่งลายฉลุ ซึ่งทำการสแกน 2D ของทั้งลายฉลุและแผ่น PCB ก่อนทำการพิมพ์ เพื่อให้มั่นใจว่าการสะสมของสารบัดกรีทุกเส้นจะเรียงกันตรงกับตำแหน่งลูกบอลของ BGA ซึ่งช่วยขจัดหนึ่งในความเสี่ยงด้วยตนเองที่ใหญ่ที่สุดในการพิมพ์ BGA: ข้อผิดพลาดของมนุษย์ในการจัดแนวลายฉลุ สำหรับ BGA ที่มีระยะพิทช์เล็กกว่า 0.5 มม. ขั้นตอนการจัดตำแหน่งนี้ไม่สามารถต่อรองได้ แม้แต่การเลื่อน 0.02 มม. ก็อาจทำให้เกิดการลัดวงจรระหว่างลูกบอลที่อยู่ติดกัน เครื่องพิมพ์ลายฉลุกึ่งอัตโนมัติในกลุ่มผลิตภัณฑ์นี้ยังมีระบบไม้กวาดหุ้มยางแบบโมดูลาร์: คุณสามารถสลับระหว่างไม้กวาดหุ้มยางแบบเรียบสำหรับงาน SMD มาตรฐานและไม้กวาดหุ้มยางแบบวงกลมหรือแบบโค้งสำหรับ BGA ซึ่งใช้แรงกดอย่างสม่ำเสมอทั่วกริดเพื่อหลีกเลี่ยงการข้ามการวางที่กึ่งกลางของ ball array ของ BGA

ตอนนี้ เรามาดูรายละเอียดทางเทคนิคที่สร้างหรือทำลายการพิมพ์บัดกรี BGA ด้วยเครื่องพิมพ์มาตรฐานกัน ลายฉลุเป็นส่วนที่สำคัญที่สุดเพียงส่วนเดียวที่นี่ สำหรับ BGA คุณไม่สามารถใช้สเตนซิลแบบเดียวกับที่คุณใช้กับตัวต้านทาน 0603 ได้ สเตนซิล BGA ถูกตัดด้วยเลเซอร์ด้วยความแม่นยำ และรูรับแสง (รูที่สามารถทะลุผ่านได้) จะต้องมีขนาดที่ถูกต้อง กฎทั่วไปคือขนาดรูรับแสงควรเป็น 90% ของขนาดแผ่นสำหรับ BGA มาตรฐาน และ 80-85% สำหรับ BGA ระดับละเอียด (0.3 มม. และเล็กกว่า) คุณต้องใช้ความหนาของลายฉลุที่ตรงกับขนาดลูกบอล BGA โดยปกติแล้วจะอยู่ที่ 0.12 มม. ถึง 0.15 มม. สำหรับ BGA มาตรฐาน หากลายฉลุของคุณหนาเกินไป คุณจะได้ส่วนผสมที่มีมากเกินไปจนเลือดออกระหว่างลูกบอลและทำให้กางเกงขาสั้น บางเกินไปและคุณจะได้รับส่วนผสมไม่เพียงพอที่ทำให้เปิดได้

นี่คือที่มาของความสม่ำเสมอของเครื่องพิมพ์ เครื่องพิมพ์กึ่งอัตโนมัติที่สามารถควบคุมความเร็วในการแยก (ระยะห่างที่สเตนซิลยกออกจาก PCB หลังจากการพิมพ์) เป็นสิ่งสำคัญ สำหรับ BGA คุณต้องแยกออกจากกันอย่างช้าๆ และสม่ำเสมอ—เร็วเกินไป และส่วนผสมจะ “เป็นอุโมงค์” หรือดึงออกจากแผ่นอิเล็กโทรด ช้าเกินไปและอาจเกิดรอยเปื้อนได้ รุ่นต่างๆ ในกลุ่มสายการผลิตอัตโนมัติของเครื่องประกอบของเรา เช่น เครื่องพิมพ์ลายฉลุกึ่งอัตโนมัติ HW-S550 ถูกสร้างขึ้นด้วยความเร็วการแยกที่ปรับได้ (ตั้งแต่ 5 มม./วินาที ถึง 20 มม./วินาที) และแรงกดของไม้กวาดหุ้มยางที่ปรับได้ เพื่อให้คุณสามารถปรับแต่งการตั้งค่าเหล่านี้ให้ตรงกับการออกแบบ BGA ของคุณได้ การควบคุมระดับนี้เป็นสิ่งที่เปลี่ยนเครื่องพิมพ์บัดกรีทั่วไปให้เป็นเครื่องมือที่เข้ากันได้กับ BGA

ฉันเคยเห็นสิ่งนี้กับลูกค้าของฉัน: ผู้ผลิตอุปกรณ์การแพทย์ขนาดกลางที่กำลังพิมพ์ PCB ชุดเล็กสำหรับเครื่องวัดหัวใจ โดยแต่ละชิ้นมีส่วนประกอบ BGA 8 ชิ้น ก่อนหน้านี้ พวกเขากำลังจ้างงานพิมพ์ BGA ให้กับร้านรับเหมา โดยจ่ายค่าใช้จ่าย 2 เท่าของงานภายในบริษัท และรอ 3 วันสำหรับการดำเนินการแต่ละครั้ง พวกเขาลองใช้เครื่องพิมพ์บัดกรีแบบแมนนวลราคาถูกก่อน และจบลงด้วยอัตราความล้มเหลวที่ 15% บนข้อต่อ BGA ของพวกเขา เนื่องจากมีข้อต่อเย็นและกางเกงขาสั้นมากเกินไปสำหรับกฎระเบียบของ FDA ที่เข้มงวด พวกเขาลงทุนในเครื่องพิมพ์สเตนซิลกึ่งอัตโนมัติของเรา ซึ่งจับคู่กับสเตนซิล BGA แบบกำหนดเอง ปรับความเร็วการแยกและแรงกดของไม้กวาดหุ้มยาง และภายในหนึ่งเดือน อัตราความล้มเหลวของ BGA ก็ลดลงเหลือ 1.2% ตอนนี้พวกเขาจัดการการพิมพ์ BGA ทั้งหมดภายในบริษัท ซึ่งช่วยลดเวลาในการผลิตและต้นทุนได้อย่างมาก นั่นคือคุณค่าที่แท้จริงของการกำหนดค่าเครื่องพิมพ์บัดกรีมาตรฐานสำหรับ BGA มันไม่ได้เกี่ยวกับการซื้ออุปกรณ์เฉพาะทางที่มีราคาแพงเกินไป แต่เป็นเรื่องเกี่ยวกับการจับคู่คุณสมบัติของเครื่องพิมพ์กับความต้องการเฉพาะของการออกแบบ BGA ของคุณ

แต่มีข้อจำกัดอยู่ และสิ่งสำคัญคือต้องซื่อสัตย์กับสิ่งเหล่านั้น หากคุณกำลังทำงานกับ BGA ที่มีระยะพิทช์ละเอียดพิเศษ (ระยะพิทช์น้อยกว่า 0.3 มม.) หรือดำเนินการผลิตในปริมาณมาก (มากกว่า 10,000 PCBs ต่อสัปดาห์) เครื่องพิมพ์กึ่งอัตโนมัติอาจไม่เหมาะสมที่สุด ในกรณีดังกล่าว คุณจะต้องการเครื่องพิมพ์อัตโนมัติเต็มรูปแบบซึ่งมีรอบเวลาเร็วขึ้นและมีความแม่นยำในการจัดตำแหน่งที่สูงขึ้น อย่างไรก็ตาม หลักการสำคัญยังคงมีผลบังคับใช้: การออกแบบลายฉลุ การควบคุมเครื่องพิมพ์ และการฝึกอบรมผู้ปฏิบัติงานยังคงเป็นกุญแจสำคัญ ข้อจำกัดอีกประการหนึ่ง: หาก BGA ของคุณมีจำนวนลูกบอลมาก (มากกว่า 1,000 ลูก) คุณจะต้องตรวจสอบให้แน่ใจว่าระบบจับยึด PCB ของเครื่องพิมพ์สามารถรองรับโหลดได้ และแรงกดของไม้กวาดหุ้มยางนั้นเพียงพอที่จะครอบคลุมทั้งตะแกรง เครื่องทำ PCB ขนาดใหญ่ของเรา กลุ่มผลิตภัณฑ์เครื่องหยิบและวางเดสก์ท็อปที่ผลิตอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ในจีนประกอบด้วยเครื่องพิมพ์ลายฉลุกึ่งอัตโนมัติที่สร้างขึ้นสำหรับ PCB ขนาดใหญ่ พร้อมระบบจับยึดเสริมแรงและไม้กวาดหุ้มยางที่กว้างขึ้นเพื่อจัดการกับ BGA ที่มีจำนวนลูกบอลสูงโดยไม่สูญเสียความแม่นยำ

การฝึกอบรมผู้ปฏิบัติงานมักเป็นส่วนที่ถูกมองข้ามของสมการนี้ เครื่องพิมพ์แบบบัดกรีอาจเป็นรุ่นที่ทันสมัยที่สุดในตลาด แต่หากบุคคลที่ใช้งานเครื่องพิมพ์ไม่ทราบวิธีจัดตำแหน่งลายฉลุ ปรับความเร็วในการแยก หรือทำความสะอาดลายฉลุอย่างถูกต้อง คุณจะได้รับผลลัพธ์ที่ไม่ดี สำหรับการพิมพ์ BGA ผู้ปฏิบัติงานจำเป็นต้องเข้าใจว่าความหนืดของส่วนผสมส่งผลต่อการสะสมตัวอย่างไร ส่วนผสมที่บางเกินไปจะไหลระหว่างลูกบอล ส่วนความหนาเกินไปจะไม่ไหลเข้าไปในรู พวกเขายังจำเป็นต้องรู้วิธีตรวจสอบสเตนซิลว่ามีการสึกหรอหรือไม่ สเตนซิลที่ตัดด้วยเลเซอร์อาจเกิดการโค้งมนที่ขอบเมื่อเวลาผ่านไป ซึ่งนำไปสู่การสะสมตัวของเพสต์ที่ไม่สอดคล้องกันบน BGA การเช็ดและตรวจสอบอย่างรวดเร็วก่อนดำเนินการแต่ละครั้งสามารถป้องกันปัญหาการพิมพ์ที่เกี่ยวข้องกับ BGA ได้ 90%

เรามากล่าวถึงความเชื่อผิดๆ ทั่วไปกัน: บางคนคิดว่าเครื่องพิมพ์แบบบัดกรีมีไว้สำหรับงานลายฉลุเท่านั้น และการวางตำแหน่ง BGA นั้นจำเป็นต้องใช้เครื่องหยิบและวาง นั่นเป็นเรื่องจริงสำหรับการวางตำแหน่ง แต่ขั้นตอนการสะสมของบัดกรีคือจุดที่เครื่องพิมพ์เข้ามา แม้ว่าคุณจะมีเครื่องหยิบและวางระดับไฮเอนด์ หากเครื่องพิมพ์บัดกรีของคุณไม่ได้ใช้ปริมาณที่เหมาะสมภายใต้ลูกบอล BGA แต่ละลูก ข้อต่อสุดท้ายจะล้มเหลว ดังนั้นการรวมเครื่องพิมพ์กึ่งอัตโนมัติ (กำหนดค่าสำหรับ BGA) เข้ากับเครื่องหยิบและวางจึงเป็นวิธีที่คุ้มค่าในการสร้างสายการผลิต SMT ขนาดเล็กที่จัดการทั้งส่วนประกอบมาตรฐานและ BGA โดยไม่ต้องใช้อุปกรณ์พิเศษแยกต่างหาก

ตอนนี้ หากคุณเป็นผู้จัดการฝ่ายผลิตหรือวิศวกรออกแบบที่พยายามตัดสินใจว่าเครื่องพิมพ์แบบบัดกรีเหมาะกับความต้องการ BGA ของคุณหรือไม่ ต่อไปนี้เป็นรายการตรวจสอบโดยย่อ:

1. BGA ของคุณมีระดับเท่าใด หากมีขนาดตั้งแต่ 0.5 มม. ขึ้นไป เครื่องพิมพ์กึ่งอัตโนมัติส่วนใหญ่จะใช้งานได้กับลายฉลุและการตั้งค่าที่ถูกต้อง หากมีขนาดเล็กกว่า 0.5 มม. คุณจะต้องมีเครื่องพิมพ์ที่มีกล้องปรับตำแหน่ง
2. ปริมาณการผลิตของคุณคือเท่าไร? ปริมาณน้อย (ต่ำกว่า 1,000 PCBs/เดือน) = ระบบกึ่งอัตโนมัติก็ใช้ได้ ปริมาณมาก = พิจารณาการทำงานแบบอัตโนมัติ แต่ทำงานแบบกึ่งอัตโนมัติสำหรับปริมาณปานกลาง (1,000-10,000 PCBs/เดือน)
3. คุณสามารถเข้าถึงผู้ให้บริการที่ได้รับการฝึกอบรมได้หรือไม่? แม้แต่เครื่องพิมพ์ที่ดีที่สุดก็ไม่สามารถแก้ไขข้อผิดพลาดของมนุษย์ได้ โปรดตรวจสอบให้แน่ใจว่าทีมของคุณรู้พื้นฐานการพิมพ์ BGA หรือวางแผนสำหรับการฝึกอบรม

ท้ายที่สุดแล้ว คำถามที่ว่า “เครื่องพิมพ์แบบบัดกรีสามารถใช้กับส่วนประกอบ BGA ได้หรือไม่” ไม่ใช่ใช่/ไม่ใช่ แต่เป็น “ใช่ หากคุณเลือกเครื่องพิมพ์ที่ถูกต้อง กำหนดค่าสำหรับการออกแบบ BGA เฉพาะของคุณ และฝึกอบรมทีมของคุณ” เราทำงานร่วมกับลูกค้าหลายร้อยรายตลอดหลายปีที่ผ่านมาโดยเริ่มต้นด้วยคำถามที่เจาะจงนี้ และตอนนี้ใช้เครื่องพิมพ์บัดกรีกึ่งอัตโนมัติของเราในการพิมพ์ส่วนประกอบ BGA สำหรับทุกสิ่งตั้งแต่อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สำหรับผู้บริโภคไปจนถึงชิ้นส่วนการบินและอวกาศ หากคุณกำลังมองหาตัวเลือกสำหรับการผลิต BGA ของคุณ ทีมของเราสามารถช่วยคุณจับคู่เครื่องพิมพ์ที่เหมาะสมกับความต้องการของคุณได้ ไม่ว่าจะเป็น HW-S1200 สำหรับบอร์ดแบบยืดหยุ่น สายการผลิตเครื่องจักรการผลิตชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ SMT สำหรับการผลิตที่เน้น BGA หรือรุ่นในสายการผลิตอัตโนมัติของเครื่องประกอบของเราสำหรับการรันในปริมาณปานกลาง

ไม่ว่าคุณจะเพิ่งเริ่มต้นใช้งาน BGA หรือต้องการอัพเกรดสายการผลิตปัจจุบัน เราพร้อมให้ความช่วยเหลือคุณค้นหาโซลูชันที่สร้างความสมดุลระหว่างความแม่นยำ ต้นทุน และประสิทธิภาพ ติดต่อทีมของเราเพื่อหารือเกี่ยวกับความต้องการการพิมพ์ BGA ของคุณ แล้วเราจะแนะนำคุณตลอดขั้นตอนการตั้งค่าที่เหมาะสมสำหรับเป้าหมายการผลิตของคุณ

อ้างอิง:
IPC-7525 การออกแบบลายฉลุสำหรับการพิมพ์แบบบัดกรี 2020
คู่มือแนวทางปฏิบัติที่ดีที่สุดในการพิมพ์แบบบัดกรีแห่งชาติของโครงการริเริ่มการผลิตอิเล็กทรอนิกส์แห่งชาติ (NEMI) ปี 2022
IPC-A-610, การยอมรับของส่วนประกอบอิเล็กทรอนิกส์, 2021
แนวทางปฏิบัติที่ดีที่สุดในการพิมพ์และการประกอบ BGA ของสมาคมเทคโนโลยี Surface Mount (SMTA) ปี 2023