เหตุใดส่วนประกอบที่ลูกค้าจัดหาจึงหยุดการไหลของบัดกรี

เหตุใดส่วนประกอบที่ลูกค้าจัดหาจึงหยุดการไหลของบัดกรี

นาฬิกาออกซิเดชันที่ไม่มีใครตรวจสอบ

กล่องถูกส่งมาพร้อมป้ายที่ดูเท่ห์: "IC-U3, จำนวน 12,000 ชิ้น, รหัสวันที่ 2024-W18" ซึ่งตรงกับวันที่ 18 เดือนก่อนวันประกอบจริง ภายในกล่อง รีลยังคงอยู่ในสภาพสุญญากาศ ถุงดูดความชื้นยังสมบูรณ์ และฉลากสติกเกอร์ตรวจสอบยังไม่ถูกเปิดใช้งาน ทีมผู้บริโภคของลูกค้าดำเนินการทุกขั้นตอนอย่างถูกต้อง—สั่งซื้อล่วงหน้า จัดเก็บอย่างระมัดระวัง และบันทึกเอกสารอย่างละเอียด ทุกอย่างยกเว้นการตรวจสอบรหัสวันที่เทียบกับกำหนดการ

บน สายการผลิต SMT , รีลชุดแรกไม่สามารถสร้างระบบแจ้งเตือนใดๆ ได้เลย ค่า เตาอบความร้อนแบบไหล  โปรไฟล์สอดคล้องกับแผ่นข้อมูลของเนื้อสารประสาน แต่เมื่อแผงวงจรปรากฏขึ้นในการประเมิน รอยต่อรอบ IC-U3 กลับดูผิดปกติ ตะกั่วบัดกรีไม่แฉะขึ้นตามขาของชิ้นส่วน มันนั่งอยู่เป็นทรงกลมที่ทื่นและเรียบ ไม่ยอมไหลขึ้นไปตามขาของชิ้นส่วน การถ่ายภาพด้วยรังสีเอกซ์ยืนยันสิ่งที่ตาเห็น: แถวของ หัวในหมอน (Head-in-pillow)  รอยต่อแบบ BGA ที่มีโพรงระหว่างลูกบอลกับแผ่นรอง และมี ไม่เกาะผิว  การเชื่อมต่อจำนวนมากที่อาจผ่านการตรวจด้วยสายตาแบบทั่วไป แต่จะล้มเหลวภายในหนึ่งปี

นี่คือเหตุผลข้อที่สอง: เหตุการณ์นี้ไม่ได้เกิดขึ้นจริงจากการที่ลูกค้าซื้อยาขมมาใช้ แต่เกิดขึ้นเพราะ วัสดุที่ลูกค้าจัดหาเอง -- คือส่วนประกอบที่ลูกค้าส่งมอบให้คุณเพื่อนำไปประกอบ -- ซึ่งมี 'นาฬิกา' ที่เริ่มนับถอยหลังตั้งแต่ขั้นตอนการชุบผิว ไม่ใช่ตั้งแต่เมื่อวัสดุมาถึงท่าเรือของคุณ ไม่มีใครตั้งสัญญาณเตือนไว้ และเมื่อสัญญาณดังขึ้น มันจะดังในเตาอบรีฟโลว์ของคุณ ในกะงานของคุณ และส่งผลกระทบต่ออัตราการคืนสินค้าของคุณ

ความเสี่ยงพิเศษจากวัสดุที่ลูกค้าจัดหาเอง

วัสดุที่ลูกค้าจัดหาเอง  (CSM) -- หรือที่เรียกอีกอย่างว่า วัสดุที่ลูกค้าจัดเตรียมเอง -- เป็นแหล่งป้อนวัตถุดิบประเภทเดียวที่สถานที่ประกอบมีอำนาจควบคุมน้อยที่สุด และก็เป็นหนึ่งในแหล่งที่ก่อให้เกิดความเสี่ยงสูงสุด ส่วนประกอบเหล่านี้มาถึงจากคลังสินค้าของลูกค้า ตัวแทนจำหน่าย หรือผู้จัดจำหน่าย แม้สถานที่ประกอบจะรับผิดชอบต่อผลลัพธ์สุดท้าย แต่ไม่ได้รับผิดชอบต่อการจัดซื้อ การแบ่งหน้าที่เช่นนี้สร้างพื้นที่ที่มองไม่เห็นขึ้น: ทางเลือกในการจัดซื้อ (เช่น ควรเก็บสินค้าไว้นานเท่าใด ควรเก็บไว้ที่ใด และควรนำออกใช้เมื่อไร) ถูกกำหนดโดยลูกค้า แต่ผลที่ตามมากลับตกอยู่กับสายการผลิต

และโหมดการล้มเหลวนั้นมีอันตราย ขาของชิ้นส่วนที่ถูกออกซิไดซ์แล้วไม่ดูเสียหาย ชุบด้วยตะกั่ว  ขา QFP จากปี ค.ศ. 2024 อาจดูเหมือนกับขาที่ผลิตเมื่อเดือนที่ผ่านมา—อาจหมองลงเล็กน้อย หากคุณสังเกตอย่างละเอียด แต่ก็ไม่มีอะไรที่จะทำให้ไม่ผ่านการตรวจสอบรับเข้า ชั้นออกซิเดชันบนผิวเคลือบมีความหนาเพียงไม่กี่นาโนเมตร มองไม่เห็นด้วยตาเปล่า มองไม่เห็นด้วยเลนส์จุลทรรศน์ดิจิทัล และเพียงพอที่จะขัดขวางการไหลของเนื้อเชื่อม (solder) ไม่ให้เกาะติดพื้นผิว

สิ่งที่เวลาและอากาศทำต่อขาของชิ้นส่วน

พื้นผิวของขาชิ้นส่วนสมัยใหม่ประกอบด้วยชั้นหนึ่งชั้น—โดยปกติแล้วคือ ชั้นเคลือบทินหรือทิน-ตะกั่ว  ที่เคลือบอยู่บนฐานทองแดงหรือโลหะผสม ชั้นเคลือบมีอยู่เพียงเพื่อจุดประสงค์เดียว คือ สร้างพื้นผิวที่เนื้อเชื่อมหลอมละลายสามารถยึดเกาะได้ ทองแดงบริสุทธิ์จะเกิดออกซิเดชันภายในไม่กี่ชั่วโมง ทินออกซิไดซ์ช้ากว่ามาก แต่ก็ยังเกิดออกซิเดชันได้เช่นกัน เมื่อผ่านไปหลายเดือนภายใต้ความชื้นในบรรยากาศ ชั้น ออกไซด์ของทิน  จะก่อตัวขึ้นบนพื้นผิว เนื้อเชื่อมไม่สามารถไหลซึมผ่านออกไซด์ของทินได้ แต่สามารถไหลซึมผ่านโลหะที่สะอาดได้

ตัวจับเวลาสำหรับกระบวนการนี้คืออายุการใช้งานของชั้นเคลือบ อายุการใช้งาน , และข้อตกลงภาคส่วนระบุอย่างชัดเจนว่า ความสามารถในการบัดกรีขององค์ประกอบนั้นรับประกันได้ตามปกติเป็นระยะเวลา 6 เดือนถึงหนึ่งปี  นับจากวันชุบผิว โดยคุณภาพจะเสื่อมลงเร็วขึ้นหลังผ่านไป 2 ปี ระยะเวลารับประกันนี้มีเงื่อนไขแนบท้าย — ต้องเก็บในบรรจุภัณฑ์ที่ปิดสนิท ความชื้นต้องควบคุมให้อยู่ในระดับที่กำหนด และอุณหภูมิควรอยู่ในเกณฑ์ที่เหมาะสม หากละเมิดเงื่อนไขใดเงื่อนไขหนึ่ง เวลาที่เหลือในการรับประกันจะลดลงอย่างรวดเร็ว ตัวอย่างเช่น หากเก็บชิ้นส่วนที่มีอายุการรับประกัน 12 เดือนไว้ในสถานที่เก็บที่มีความชื้นสูงโดยไม่มีสารดูดความชื้น ชิ้นส่วนนั้นอาจสูญเสียความสามารถในการบัดกรีภายใน 4 เดือน

ยังมีความล้มเหลวแบบที่สองซึ่งส่งผลร่วมกันและทำให้ปัญหาแย่ลงอีก: การดูดซับความชื้น ชิ้นส่วนไอซีหลายชนิดเป็น ไวต่อความชื้น  (มีการจัดอันดับ MSL) องค์ประกอบที่เก็บไว้ในสภาพแวดล้อมที่มีความชื้นสูงจะดูดซับความชื้นเข้าไปในวัสดุที่ใช้ขึ้นรูป ที่อุณหภูมิการไหล (reflow temperature) — ซึ่งโดยทั่วไปอยู่ระหว่าง 240–260 ° °C สำหรับการบัดกรีแบบไม่มีตะกั่ว — ความชื้นที่ดูดซับไว้จะเปลี่ยนสถานะเป็นไอน้ำทันที ส่งผลให้ชิ้นส่วนแตกร้าวจากภายในสู่ภายนอก ซึ่งปัญหานี้เรียกว่า popcorning สายนำสัญญาณอาจมีข้อบกพร่องที่มองไม่เห็นได้อย่างสมบูรณ์แบบ แต่บรรจุภัณฑ์กลับเสียหายแล้ว สำหรับชิ้นส่วนที่ลูกค้าจัดหาเองและเก็บไว้นาน ปรากฏการณ์ออกซิเดชันและการดูดซับความชื้นมักเกิดร่วมกัน และก่อให้เกิดความล้มเหลวที่ดูต่างกันอย่างสิ้นเชิง ทว่าแท้จริงแล้วมีสาเหตุร่วมกันเพียงประการเดียว คือ เวลาที่ใช้ในการเก็บรักษาภายใต้สภาวะที่ควบคุมไม่ได้

สิ่งที่เกิดขึ้นในเตาอบ

เมื่อสายนำสัญญาณที่ผ่านกระบวนการออกซิเดชันมาแล้วสัมผัสกับเนื้อสารบัดกรีที่หลอมละลายภายในเตาอบรีโฟลว์ หลักฟิสิกส์จะไม่ให้อภัยเลย การเปียกชื้น (wetting) จำเป็นต้องให้สารบัดกรีสร้างพันธะอินเทอร์เมทัลลิกกับโลหะพื้นฐาน—ซึ่งหมายถึง ต้องละลายออกไซด์บนผิวหน้าเพื่อให้เข้าถึงผิวโลหะที่สะอาด สารช่วยหลอม  สารฟลักซ์ในเนื้อครีมบัดกรีถูกออกแบบมาเพื่อทำหน้าที่นี้ โดยทำปฏิกิริยาเคมีเพื่อกำจัดออกไซด์ แต่ความสามารถของสารฟลักซ์มีข้อจำกัด ออกไซด์ในปริมาณปกติจะถูกกำจัดออกไปได้อย่างรวดเร็ว อย่างไรก็ตาม ชั้นออกไซด์หนาที่เกิดขึ้นจากการเก็บรักษาเป็นเวลา ๑๘ เดือน อาจทำให้สารฟลักซ์หมดประสิทธิภาพก่อนที่ผิวหน้าจะสะอาดสนิท ส่งผลให้สารบัดกรีไม่มีพื้นผิวใดๆ เลยที่จะยึดเกาะ

ผลลัพธ์ที่สังเกตเห็นได้ชัดเจนสามารถพบได้ในสามรูปแบบ ซึ่งทั้งหมดนี้บันทึกไว้ในเกณฑ์งานฝีมือของ IPC

ไม่เกาะผิว — ตะกั่วบัดกรีสัมผัสขาของชิ้นส่วน แต่ไม่ยึดติดเลย รอยต่อจึงดูคล้ายตะกั่วบัดกรีที่วางอยู่บนกระจก อาจผ่านการตรวจสอบด้วยตาเปล่าได้หากเรขาคณิตของชิ้นส่วนบดบังไว้ และจะหยุดทำงานทางไฟฟ้าในเวลาที่เลวร้ายที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้

การหลุดลอกจากพื้นผิวบางส่วน — ตะกั่วบัดกรีเริ่มเปียกชื้นก่อน แล้วจึงหดกลับกลายเป็นเม็ดๆ เมื่อออกไซด์เกิดขึ้นใหม่ใต้ชั้นบัดกรี ผลลัพธ์คือรอยต่อที่มีการป้องกันเพียงบางส่วน และความแข็งแรงลดลงอย่างมาก การแยกตัวของตะกั่วบัดกรี (dewetting) คือลักษณะเด่นคลาสสิกของพื้นผิวที่อยู่ในภาวะชายขอบและถูกออกซิไดซ์เพียงเล็กน้อย

หัวในหมอน (Head-in-pillow) — ทรงกลมของ BGA หรือตะกั่วบัดกรีบนแผ่นวงจรไม่รวมตัวเข้ากับพื้นผิวที่สามารถบัดกรีได้ของขาชิ้นส่วนเลย ทำให้เกิดมวลตะกั่วบัดกรีสองมวลแยกจากกัน ซึ่งดูเหมือนเชื่อมต่อกันภายใต้ภาพเอกซเรย์ แต่แท้จริงแล้วสัมผัสกันเพียงเล็กน้อยเท่านั้น ปรากฏการณ์หัวในหมอนเป็นอันตรายที่สุดในสามกรณีนี้ เพราะตรวจพบได้ยากที่สุด และมีแนวโน้มสูงที่สุดที่จะก่อให้เกิดความล้มเหลวซ้ำๆ บริเวณจุดเชื่อม

เหตุใดการตรวจสอบสินค้าเข้าจึงไม่สามารถช่วยคุณได้

นี่คือจุดที่ปัญหา CSM เกิดความไม่สมเหตุสมผลในเชิงโครงสร้างต่อโรงงานประกอบ เกณฑ์ การประเมินสินค้าเข้า  ตรวจสอบจำนวน บรรจุภัณฑ์ รหัสวันที่ และข้อบกพร่องที่มองเห็นได้ ไม่มีข้อใดพบชั้นออกไซด์ การตรวจสอบ ความสามารถในการประสานตะกั่ว — วิธีการจุ่มแล้วสังเกต หรือการวัดสมดุลความชื้นตามมาตรฐาน J-STD-002 — อาจตรวจจับปัญหานี้ได้แน่นอน แต่การตรวจสอบนั้นทำให้ชิ้นส่วนเสียหาย ใช้เวลานาน และแทบไม่ถูกดำเนินการกับสินค้าจำนวนมากที่ลูกค้าจัดหาเอง เว้นแต่จะมีปัญหาเกิดขึ้นแล้ว

แม้แต่การตรวจสอบความสามารถในการประสานตะกั่วอย่างเต็มรูปแบบบนตัวอย่าง ก็ยังมีข้อจำกัดเชิงสถิติ การเกิดออกไซด์ไม่สม่ำเสมอทั้งในม้วนเดียวหรือทั้งชุด ขอบของม้วนที่สัมผัสกับอากาศโดยตรงจะดูดซับความชื้นผิดปกติ ส่วนกลางที่ได้รับการป้องกันโดยชิ้นส่วนรอบข้างจะดูดซับความชื้นได้น้อยกว่า ตัวอย่างห้าชิ้นอาจผ่านการทดสอบ ขณะที่ส่วนที่เหลือของล็อตกลับล้มเหลว คุณไม่ได้กำลังประเมินล็อตทั้งหมด คุณกำลังประเมินเพียงห้าชิ้นที่คุณเลือก

เกมแห่งการโทษ

เมื่อเกิดปัญหา คำถามแรกที่มักจะตามมาเสมอคือ "ใครเป็นผู้ผิดพลาด?" กลุ่มออกแบบของลูกค้าชี้ไปที่ขั้นตอนการประกอบ — บัญชี สารเคลือบ และวิธีจัดการ ขณะที่ฝ่ายประกอบชี้กลับไปที่วัสดุ ทั้งสองฝ่ายต่างก็ถูกบางส่วน และไม่มีฝ่ายใดบริสุทธิ์อย่างสมบูรณ์

คำตอบที่ตรงไปตรงมาคือ ความรับผิดชอบควรได้รับกำหนดไว้ล่วงหน้าก่อนที่ม้วนวัสดุจะเข้าสู่สายการผลิต โดยระบุเป็นลายลักษณ์อักษร วิธีปฏิบัติมาตรฐานของอุตสาหกรรมในการจัดการเรื่องนี้คือ ฝ่ายประกอบดำเนินการและบันทึกผลการตรวจสอบ ความสามารถในการประสานเชื่อมด้วยตะกั่ว (solderability check)  สำหรับวัสดุที่ลูกค้าจัดหาให้ ณ เวลาออกใบแจ้งหนี้ พร้อมทั้งระบุรหัสวันผลิตที่เกินกรอบเวลา 12 เดือน และขอให้ลูกค้ายืนยันเป็นลายลักษณ์อักษรว่า ชิ้นส่วนที่มีอายุเก่ากว่ากำหนดจะถูกประกอบภายใต้ความเสี่ยงของลูกค้าเอง — หรือชิ้นส่วนดังกล่าวจะถูกปฏิเสธก่อนขั้นตอนการประกอบ ขั้นตอนเดียวข้อนี้เปลี่ยนการโต้แย้งจาก "คุณทำให้ชิ้นส่วนของฉันเสียหาย" ไปเป็น "ทั้งสองฝ่ายรับรู้ดีว่าชิ้นส่วนเหล่านี้มีความเสี่ยง และเราตกลงร่วมกันแล้วว่าจะจัดการอย่างไร"

สิ่งที่แก้ไขปัญหานี้ได้จริง

ไม่มีสิ่งใดในนี้ที่เป็นเอกลักษณ์ แนวทางการปฏิบัติมีเพียงไม่กี่ข้อและได้รับการพิสูจน์แล้ว

แสดงไว้ขณะรับสินค้า  ตรวจสอบรหัสวันที่เปรียบเทียบกับช่วงเวลาความสามารถในการประสานเชื่อม (solderability) ภายใน 12 เดือน ดำเนินการทดสอบแบบจุ่มแล้วสังเกต (dip-and-look) หรือทดสอบสมดุลความชื้น (moistening equilibrium examination) บนตัวอย่างจากล็อตใดๆ ที่มีอายุเกิน 6 เดือน การทดสอบใช้เวลาเพียงหนึ่งชั่วโมง และสามารถตรวจจับปัญหาที่ร้ายแรงได้

จัดเก็บส่วนประกอบที่ลูกค้าจัดหามา ราวกับว่าเป็นของตนเอง  เก็บไว้ในลิ้นชักที่ล็อกไว้ภายในตู้แห้งที่ควบคุมระดับความชื้นอย่างเหมาะสม หากส่วนประกอบของลูกค้ามาถึงในบรรจุภัณฑ์ที่เปิดออกหรือไม่ได้ปิดผนึก ให้แจ้งเตือนเป็นลายลักษณ์อักษร ต้นทุนการควบคุมความชื้นมีเพียงไม่กี่เซนต์ต่อม้วน และช่วยป้องกันทั้งการเกิดออกซิเดชันและความเสียหายของม้วนที่เกิดจากความชื้น

อบเพื่อขจัดความชื้น ยกเว้นกรณีที่มีคราบออกไซด์  การอบชิ้นส่วนที่มีการจัดอันดับ MSL จะช่วยขจัดความชื้นที่ซึมเข้าไปและป้องกันปรากฏการณ์ 'ป๊อปคอร์น' — ส่วนนี้ถูกต้องตามหลักวิทยาศาสตร์ อย่างไรก็ตาม การอบไม่สามารถคืนคุณสมบัติการประสานได้ ปลายขาของชิ้นส่วนที่เกิดออกซิเดชันแล้วก็ยังคงเป็นปลายขาที่เกิดออกซิเดชัน ไม่ว่าจะใช้ความร้อนมากเพียงใด ก็ไม่สามารถย้อนกลับปฏิกิริยาเคมีนั้นได้ กลุ่มที่เข้าใจผิดทั้งสองฝ่ายมักจะนำชิ้นส่วนที่มีอายุ 18 เดือนมาอบ แล้วประกาศว่าชิ้นส่วนเหล่านั้นอยู่ในสภาพดีเยี่ยม แต่กลับพบปัญหาการไหลของเนื้อประสาน (wetting failure) ซ้ำรอยเดิมบนสายการผลิต

เห็นพ้องกันเกี่ยวกับความเสี่ยงก่อนการประกอบ ไม่ใช่หลังการประกอบ  คำสั่งซื้อหรือสัญญาการจัดตั้งควรมีการระบุไว้อย่างชัดเจนว่า หากวัสดุที่ลูกค้าจัดหามาเองไม่ผ่านการทดสอบความสามารถในการประสาน จะดำเนินการอย่างไร — ปฏิเสธและคืนสินค้า, ประกอบโดยรับความเสี่ยงจากลูกค้า หรือชุบดีบุกใหม่โดยลูกค้าเป็นผู้รับผิดชอบค่าใช้จ่าย ถ้าเขียนไว้ล่วงหน้า จะถือเป็นหมายเหตุเชิงกระบวนการ แต่ถ้าเขียนขึ้นหลังจากเกิดชุดผลิตที่ล้มเหลว จะกลายเป็นข้อพิพาททางกฎหมาย

เวลาไม่เคยหยุดนิ่ง

วัสดุที่ลูกค้าจัดหามาเองคือจุดเดียวใน PCB การประกอบ  จุดที่กฎของเคมีกับข้อตกลงระหว่างคู่สัญญาบรรจบกัน ด้านเคมีนั้นไร้ความปรานี: ออกไซด์เพียงหนึ่งนาโนเมตร ซึ่งตรวจไม่พบและดูเหมือนไม่เป็นอันตราย กลับสามารถหยุดการประสานแบบโซลเดอร์ได้อย่างสิ้นเชิง ส่วนข้อตกลงนั้นเป็นเรื่องตามความสมัครใจ—ไม่มีสิ่งใดบังคับให้ผู้ใดต้องตรวจสอบรหัสวันที่ ทำการทดสอบการยึดเกาะด้วยของเหลว หรือประเมินความเสี่ยงอย่างเป็นทางการ

ผู้ผลิตที่ป้องกันความล้มเหลวนี้ไว้ได้ ไม่ใช่ผู้ที่มีเตาอบหรือเนื้อวางประสานที่เหนือกว่า แต่คือผู้ที่ถือรหัสวันที่เป็นวันหมดอายุ ไม่ใช่เพียงฉลากเท่านั้น เวลาเริ่มนับตั้งแต่ขั้นตอนการชุบโลหะในวันที่ชิ้นส่วนผลิตเสร็จสมบูรณ์ และไม่หยุดชั่วคราวเพื่อรอการปิดผนึกด้วยสุญญากาศ ใบสั่งซื้อ หรือเหตุผลอันดีประการใดๆ ทั้งสิ้น โปรดตรวจสอบก่อนที่ม้วนชิ้นส่วนจะเข้าสู่สายการผลิต— มิฉะนั้น ท่านจะต้องอธิบายกับลูกค้าเองว่า ทำไมชิ้นส่วนที่มีอายุ ๑๘ เดือนจึงล้มเหลวในเตาอบรีโฟลว์ของท่าน ไม่ใช่ของพวกเขา