Failure Analysis Series: เมื่อความล้มเหลวซ่อนอยู่ในเนื้อ PCB

ขั้นตอนการตรวจในอุตสาหกรรม PCB ด้วย AOI ในสายการผลิตบนพื้นผิวภายนอก ไม่สามารถมองเห็นความเสียหายที่ซ่อนอยู่ในเนื้อวัสดุได้ ในขณะที่ความผิดพลาดในเนื้อวัสดุกลายเป็นปัญหาที่ไม่แน่นอน และสร้างผลลัพธ์ที่น่ากังวลให้กับธุรกิจได้อย่างมาก บทความจะพาคุณไปทำความรู้จักกับ Defect 4 รูปแบบในเนื้อ PCB ที่พบเจอได้บ่อย และกระบวนการทำ Micro Cross Section ที่ถูกต้องตามมาตรฐาน IPC ซึ่งเป็นทักษะชี้ชะตาสำหรับโรงงาน PCB, PCBA และ EMS ไทยในการสร้างชุดหลักฐานเพื่อเคลม Supplier และป้องกันการแบกรับต้นทุนของเสีย

Table of Contents

• เมื่อการตรวจในการผลิตเป็นการสำรวจภูเขาน้ำแข็ง
• Fail Mode ยอดฮิต 4 แบบในงาน PCB
• Cross Section หลักฐานเชิงประจักษ์สำหรับทุกฝ่าย
• ‘ข้อมูลการทดสอบ’ หัวใจสำคัญยืนยันความรับผิดชอบ
• ความสามารถในการอ่านหน้าตัดคือสิ่งที่กำหนดว่าโรงงานไทยจะเคลมงานเสียได้หรือต้องยอมรับต้นทุนไว้เอง

บอร์ดที่ผ่าน AOI ผ่าน X-ray ผ่าน ICT และผ่าน Functional Test ครบทุกกระบวนการนั้นไม่ได้หมายความว่าปราศจาก Defect แต่อาจบอกได้ว่าเครื่องมือทั้งหมดที่ใช้ตรวจ ไม่อาจสอดส่องถึง Defect ซ่อนอยู่ก็เป็นได้ เพราะกระบวนการสอบทั้งหมดในโรงงาน PCBA ทำงานอยู่บนระนาบเดียวกัน คือระดับ Component ลงมาถึงผิวหน้าของแผ่น PCB ส่วนความเสียหายที่อันตรายที่สุดของแผ่นวงจรพิมพ์อยู่ลึกกว่านั้น อยู่ในเนื้อวัสดุระหว่างชั้น ในผนัง Via ที่ไม่มีแสงส่องถึง และมันจะไม่เผยตัวจนกว่าจะเจอความร้อนหรือแรงเชิงกลมากพอที่จะดึงมันออกมา

นี่คือหลักการตั้งต้นของ Failure Analysis (FA) ระดับ PCB ซึ่งเป็นเหตุผลที่มาตรฐาน IPC ไม่ยอมรับการตรวจสอบจากจากพื้นผิวยืนยัน Defect ที่อาจเกิดขึ้นได้

เมื่อการตรวจในการผลิตเป็นการสำรวจภูเขาน้ำแข็ง

โรงงาน EMS รับแผ่น PCB เปล่าเข้ามา แล้ววาง Component ลงไปประกอบเป็น PCBA สิ่งที่โรงงานควบคุมได้โดยตรงคือคุณภาพของ Solder Joint ตั้งแต่ SMT Reflow ไปจนถึง Hand Soldering ส่วน Component และ Bare PCB มาจากผู้ผลิตรายอื่น โรงงานได้แต่สมมติว่าของที่รับเข้ามาดีอยู่แล้ว

กระบวนการตรวจสอบที่วางไว้จึงสะท้อนขอบเขตนั้น โดย AOI ใช้กล้องเทียบภาพว่ารอยบัดกรีแบบไหนดีแบบไหนไม่ดี AXI หรือ X-ray เสริมเฉพาะจุดที่กล้องมองไม่เห็นอย่างใต้ BGA จากนั้นบอร์ดไปจบที่ ICT หรือ Functional Test ทั้งหมดนี้ตรวจได้ถึงแค่ผิวของ PCB ส่วน Defect ที่อยู่ใต้ผิวลงไป ทั้ง Via Crack, PCB Delamination และ Inner Layer Separation ซึ่งไม่สามารถตรวจสอบได้ในสายการผลิต

สิ่งที่เกิดขึ้นจึงเป็นเหมือนระเบิดเวลา ทุกจุดในห่วงโซ่ต่างทำหน้าที่ของตัวเองอยู่ในลิมิตที่กำหนด ตั้งแต่ขั้นออกแบบ โรงงาน Fabricate ที่มีข้อจำกัดของวัสดุ Laminate และความหนา Copper Foil ไปจนถึงโรงงานประกอบที่คุมพารามิเตอร์การบัดกรี เมื่อทำการทดสอบ แต่ละจุดขึ้น Pass กันหมด ตรงนี้ก็ Pass ตรงนั้นก็ Pass แต่เมื่อมีองค์ประกอบของ Environment มีอุณหภูมิการเปลี่ยนแปลง มี Mechanical Stress ท้ายที่สุดก็กลายเป็นระเบิดเวลาที่คาดเดาได้ยาก ซึ่งสิ่งที่ทำให้ Defect กลุ่มนี้รอดจากการทดสอบไม่ใช่เพราะขนาดที่เล็ก แต่เพราะเป็น Intermittent Fault ที่บางเวลาวงจรแตะถึงกัน บางเวลาไม่แตะ ตอนที่เครื่องวัด บอร์ดยังทำงานได้ จึงถูกบันทึกว่าผ่าน

Fail Mode ยอดฮิต 4 แบบในงาน PCB

1. Inner Layer Open การเชื่อมระหว่างชั้นที่ไม่เคยต่อติดจริง
Via คือรูที่เจาะทะลุบอร์ดแล้วชุบผนังด้วยทองแดงเพื่อเชื่อมวงจรด้านบนกับด้านและเชื่อมกับ Trace ในชั้นกลางไปพร้อมกัน ความล้มเหลวเกิดได้ตั้งแต่ Bonding ทองแดงที่ผนังไม่สมบูรณ์ ไปจนถึงชั้น Electroless ซึ่งเป็นผนังทองแดงชั้นแรกก่อน Electroplating ที่ Growth ไม่เต็มจนทิ้งช่องว่างไว้ข้างใน อาการที่ได้คือวงจรบางครั้งติดบางครั้งไม่ติด

2. Interconnect Defect จากขั้นตอน Drill และ Desmear
การเจาะรูด้วยดอกสว่านหรือเลเซอร์คือการเสียดสี และการเสียดสีให้ความร้อน ความร้อนนั้นทำให้เนื้อเรซินละลายป้ายติดผนังรูและติดบน Copper Trace ในชั้นใน เรียกว่า Smear ขั้นตอน Desmear คือการล้างรอยนั้นออก ถ้าล้างไม่หมด ทองแดงจะไม่มีทางยึดเกาะผนังได้ครบ

3. Via Crack และ Corner Crack จาก CTE Mismatch
ทองแดงมีอัตราการขยายตัวทางความร้อนราว 17 ppm ต่อองศาเซลเซียส ขณะที่เนื้อ FR4 ในแนวแกน Z ขยายตัวราว 50-70 ppm ต่อองศาเซลเซียสเมื่ออยู่ต่ำกว่าจุด Tg ต่างกันประมาณสี่เท่า เมื่อบอร์ดเข้าเตา Reflow ที่อุณหภูมิสูงถึง 260 องศาเซลเซียส FR4 ขยายตัวในแนวแกน Z จนฉีกผนัง Via ให้แตก และการบิดตัวของบอร์ดในเตาทำให้เกิดรอยแตกที่มุมของ Via

4. Delamination และ CAF ความเสียหายของเนื้อ Laminate เอง
Delamination คือช่องว่างระหว่างชั้นที่เกิดจากพารามิเตอร์การอัดที่ควบคุมไม่ดี จากความชื้นที่ถูกกักอยู่ในเนื้อวัสดุ หรือจากการล้างผิวที่ไม่สะอาดจน Resin ไม่ยึดกับ Copper ส่วน CAF (Conductive Anodic Filament) คือเส้นใยนำไฟฟ้าที่ค่อยๆ งอกไปตามรอย Micro-crack ในเนื้อ Laminate ระหว่างสองขั้วที่มีแรงดันไฟฟ้า อาการภายนอกจะดูเหมือนคราบสกปรกจางๆ ระหว่างขั้ว เช็ดเท่าไหร่ก็ไม่ออก เพราะสิ่งที่เห็นอยู่ข้างในเนื้อวัสดุ ไม่ได้อยู่บนผิว

Cross Section หลักฐานเชิงประจักษ์สำหรับทุกฝ่าย

เมื่อ Defect อยู่ใต้ผิววัสดุ การถ่ายภาพจากภายนอกไม่นับเป็นหลักฐาน มาตรฐาน IPC กำหนดว่าการพิสูจน์ต้องทำผ่าน DPA (Destructive Physical Analysis) คือต้องผ่าตัวอย่างออกมาดูหน้าตัดจริง และวิธีการก็ถูกกำหนดไว้ใน IPC-TM-650 อย่างละเอียด

ลำดับที่ใช้จริงเริ่มจาก Non-Destructive ก่อนเสมอ ทั้งการตรวจด้วยภาพภายนอกอย่างการ X-ray และการวัดค่าทางไฟฟ้า เพราะตัดไปแล้วย้อนกลับไม่ได้ จากนั้นจึงเข้าสู่ Micro Cross Section ซึ่งเป็นการทดสอบแบบ Destructive ในขั้นตอนต่อไป

• การตัด ต้องเว้นระยะห่างจากจุดที่สงสัยไม่น้อยกว่า 2.5 มม. ใช้ใบตัด Precision Diamond พร้อมน้ำหล่อเลี้ยง เพราะความร้อนจากการตัดเปลี่ยนสภาพ Defect ที่กำลังจะไปดูได้
• การ Mold ต้องใช้ Castable Epoxy ที่คายความร้อนขณะแข็งตัวไม่เกินราว 93 องศาเซลเซียส ยิ่งตัวอย่างใหญ่ยิ่งต้องใช้เรซินมาก ความร้อนไต่สูงขึ้นตาม และถ้าสูงพอ Solder ของ BGA ที่อยากจะดูก็ละลายไปก่อน
• การขัด ไล่ความหยาบด้วยแผ่น Silicon Carbide จากเบอร์ 80 ไปจนถึงราว 4,000 แล้วขัดละเอียดด้วย Diamond Suspension จาก 3 ไมครอนลงมาที่ 1 ไมครอน ทุกครั้งที่เปลี่ยนเบอร์ใบขัดต้องหมุนองศาชิ้นงานไปอีกทิศทาง
• Micro Etching คือขั้นที่สำคัญที่สุดและถูกข้ามบ่อยที่สุด ระหว่างขัด ผงทองแดงและเรซินที่หลุดออกมาจะไปอัดอยู่ในรอยแตก ถ้าขัดเสร็จแล้วถ่ายภาพเลยจะมองไม่เห็น Defect ต้องกัดผิวหน้าตัดด้วยสารเคมีก่อน รอยแตกจึงจะปรากฏ

สูตรที่มาตรฐานระบุคือแอมโมเนียมไฮดรอกไซด์ผสมไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์ แต่หลายห้องแล็บในโรงงานไม่อนุญาตให้ใช้ตัวแรกเพราะเป็นด่างแรงและอยู่ร่วมห้องกับกรดไม่ได้ จึงปรับไปใช้ไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์แทน เมื่อได้หน้าตัดแล้วจึงเทียบเกรดตาม IPC-A-610 หรือ IPC-6012 เพื่อให้ทุกฝ่ายเรียกชื่ออาการตรงกัน

‘ข้อมูลการทดสอบ’ หัวใจสำคัญยืนยันความรับผิดชอบ

ส่วนที่นำไปใช้ได้จริงที่สุดของ Session นี้ไม่ใช่รายการ Defect แต่เป็นวิธีตั้งคำถาม เพราะทุกคนที่เคยส่งชิ้นงานเสียกลับไปให้ Supplier ย่อมเคยได้คำตอบกลับมาว่า NTF (No Trouble Found)

กรณีศึกษาที่ชัดที่สุดจากเวทีให้ความรู้ของ THPCA คือ บอร์ด Avionics 16 ชั้น มาตรฐานสูงกว่าที่ IPC Class 3 กำหนด ค่าความต้านทานระหว่างสองจุดที่ควรต่ำกว่า 1 โอห์ม กลับวัดได้ตั้งแต่หลักร้อยโอห์มขึ้นไป และ Mapping ชี้ว่าจุด Open อยู่ที่ Layer 14

ข้อสงสัยแรกตกอยู่ที่กระบวนการของโรงงานเอง เพราะจุดนั้นผ่านการ Hand Soldering ทีมงานจึงตั้งการทดลองกับตัวเองก่อน เร่งอุณหภูมิหัวแร้งจาก 375 ขึ้นไป 400 องศาเซลเซียส และยืดเวลาบัดกรีจากปกติไม่เกิน 5-10 วินาที เป็น 20, 40 และ 60 วินาที ผลคือวัดอุณหภูมิที่เนื้อ PCB ข้างจุดบัดกรีได้เพียง 70-80 องศาเซลเซียส ไม่ถึงระดับที่จะแยกชั้นได้ ทีมยังทดลอง Rework ถอดเข้าถอดออกซ้ำ 1, 3 และ 5 ครั้งแล้ว Cross Section ยืนยัน ก็ยังไม่พบการแยกชั้น หลังตัดกระบวนการของตัวเองออกจากสมการแล้ว จึงนำบอร์ดจริงเข้า Cross Section และภาพที่ได้ คือ ‘คำตอบ’ ตรงรอยแยกนั้นมีเนื้อเรซินคั่นอยู่ ไม่ใช่ช่องอากาศ

หลักการอ่านภาพที่ถูกสรุปไว้สามารถใช้ได้กับทุกเคส ‘ถ้าอะไรที่มันเคยติดกัน เคยเป็นเนื้อเดียวกันมาก่อน แล้วมันแยกออกจากกันทีหลัง จะเกิดโพรงขึ้น’ รอยที่เคยเชื่อมแล้วฉีกจะมีรูปทรงสองฝั่งสอดรับกัน ส่วนโพรงที่มีเนื้อเรซินอยู่ข้างในแปลว่ามันไม่เคยเชื่อมกันตั้งแต่แรก นั่นคือ Smear ที่ล้างไม่หมด ทำให้ Electroless สร้าง Copper Bonding ไม่ได้ตั้งแต่ต้น

การพิสูจน์ปิดท้ายด้วยการเปรียบเทียบ ทีมงานนำรูใหญ่ขนาด 3.5 มม. บนบอร์ดเดียวกันไป Cross Section แล้วไม่พบอาการเดียวกัน ข้อสรุปจึงแคบลงเหลือจุดเดียว คือรูเล็กล้างยากกว่ารูใหญ่ และเมื่อเปิดกระบวนการของ Supplier ด้วย Fishbone Diagram ก็พบข้อที่สอง คือ Sample ที่ Supplier สุ่มตรวจ QC มีแต่รูใหญ่ ไม่เคยสุ่มรูเล็กมาวัดเลย การแก้ไขจึงมีสองชั้น เพิ่มรอบ Desmear จากหนึ่งเป็นสองรอบ และเพิ่มรูเล็กเข้าไปในแผนการสุ่มตรวจ

รูปแบบเดียวกันซ้ำในเคสอื่นของ Session นี้ ทั้ง Motherboard 24 ชั้นขนาด 19×23 นิ้ว ที่ Stack Via ขาดหายทั้งจุดจากความเยื้องของ Fiducial, Trace สองเส้นใน Layer 11 ที่พับทับกันจนช็อตเพราะการ Handling บอร์ดใหญ่ก่อนเข้า Lamination และ Transformer ขนาดเล็กที่ผล Cross Section บอกตรงๆ ว่าชั้นนั้นไม่ได้ถูก Plate เลย

ความสามารถในการอ่านหน้าตัดคือสิ่งที่กำหนดว่าโรงงานไทยจะเคลมงานเสียได้หรือต้องยอมรับต้นทุนไว้เอง

สำหรับผู้ผลิตไทยกลุ่ม PCB, PCBA และ EMS ที่กำลังรับงานระดับ Automotive และ Mission Critical มากขึ้น ทักษะที่ Session นี้ชี้ให้เห็นไม่ใช่การมีเครื่อง Cross Section แต่คือความสามารถสร้างชุดหลักฐานที่คู่ค้าปฏิเสธไม่ได้ สิ่งที่ควรตรวจสอบในองค์กรตัวเองมีสามข้อ หนึ่งคือแผนการสุ่มตรวจของ Supplier ครอบคลุมกรณีที่ยากที่สุดหรือเพียงกรณีที่วัดง่ายที่สุด อย่างที่เคสรูเล็กแสดงให้เห็นว่าการสุ่มเฉพาะรูใหญ่ทำให้ปัญหาไหลผ่านมาได้ทั้งล็อต สองคือกระบวนการ FA ภายในมีขั้น Micro Etching หรือหยุดแค่ Polishing สามคือเมื่อพบของเสีย ทีมงานมีวิธีตัดกระบวนการของตัวเองออกจากสมการก่อนหรือไม่ เพราะการส่งเคสไปโดยไม่พิสูจน์ตัวเองก่อนคือการเปิดทางให้ได้คำตอบ NTF กลับมา

ข้อจำกัดที่ต้องพูดให้ชัดคือ Cross Section เป็นการพิสูจน์แบบทำลาย ทำได้ครั้งเดียวต่อหนึ่งตัวอย่าง และผลลัพธ์ขึ้นกับการเลือกตำแหน่งตัดตั้งแต่ต้น การ Mapping วงจรจาก Gerber เพื่อระบุ Layer ที่ต้องไปให้ถึงจึงเป็นงานที่ตัดสินความสำเร็จของทั้งเคสก่อนที่ใบตัดจะเริ่มหมุนด้วยซ้ำ

ในอุตสาหกรรมที่มาตรฐาน IPC Class 3 และ AEC-Q100 กำลังกลายเป็นเงื่อนไขขั้นต่ำของการรับงาน ไม่ใช่ข้อได้เปรียบ ความสามารถในการอ่านสิ่งที่อยู่ในเนื้อ PCB คือส่วนหนึ่งของราคาที่โรงงานไทยเรียกได้ และเป็นทักษะที่ Thailand Electronic Circuit Center (TECC) ที่ THPCA กำลังจัดตั้งวางไว้เป็นเป้าหมายการฝึกอบรมโดยตรง

ขอขอบคุณเนื้อหาและองค์ความรู้จาก THPCA – Failure Analysis Conference