Failure Analysis Series: จุดอ่อนเมื่อ PCB ต้องประกอบชิ้นส่วน

สองตอนที่ผ่านมาว่าด้วยความเสียหายที่เกิดขึ้นก่อนของจะมาถึงโรงงานประกอบ ตอนนี้คือชั้นที่โรงงานประกอบรับผิดชอบเต็มตัว นั่นคือรอยต่อระหว่าง PCB กับ Component และสิ่งที่กรณีศึกษาชุดนี้บอกก็คือ ความเสียหายที่ปรากฏตรงรอยต่อ ไม่ได้แปลว่าต้นเหตุอยู่ที่การบัดกรีเสมอไป บางครั้งต้นเหตุอยู่ในวัสดุของ Component เอง บางครั้งอยู่ที่แรงกดในสายการผลิต และบางครั้งอยู่ที่การออกแบบซึ่งไม่ได้คำนวณว่าชิ้นส่วนสองชิ้นจะโก่งตัวคนละทิศทางกันตอนโดนความร้อน

Table of Contents

• Failure Analysis Center ความหลากหลายของศาสตร์ที่ขับเคลื่อนการตรวจสอบความล้มเหลว
• ‘Void ขนาดใหญ่’ สาเหตุจากวัสดุ ไม่ใช่กระบวนการ
• แรงกดที่ทำให้ Connector เข้าที่ อาจทำให้ผนัง Via แตกไปพร้อมกัน
• บอร์ดกับ BGA โก่งคนละทิศทาง คือโจทย์ที่ต้องแก้ก่อนถึงสาย Reflow
• รอยแตกที่มองไม่เห็นด้วยตา คือสิ่งที่กำหนดว่าผลิตภัณฑ์จะอยู่ได้นานกี่ปี

Failure Analysis Center ความหลากหลายของศาสตร์ที่ขับเคลื่อนการตรวจสอบความล้มเหลว

Celestica Thailand มีห้องทดสอบ Failure Analysis ที่ก่อตั้งตั้งแต่ปี 2542 และเป็นห้องแล็บแห่งเดียวของบริษัทในประเทศไทย ที่มีผู้เชี่ยวชาญจากหลากหลายสาขากระจายอยู่ในวัสดุศาสตร์ เคมี ฟิสิกส์ อิเล็กทรอนิกส์ และวิศวกรรมเครื่องกล ห้องแล็บได้รับการรับรอง ISO/IEC 17025 ครอบคลุมงาน Material Analysis, Chemical Analysis, Failure Analysis, Component Analysis, Mechanical Testing และ Reliability Testing ซึ่งได้มีการนำมาแบ่งปันองค์ความรู้ผ่านงานสัมมนา THPCA Technical Conference 2026 หัวข้อ ‘Engineering Solution through Failure Analysis’

โดยส่วนผสมของสาขาความรู้ตรงนี้ไม่ใช่รายละเอียดประกอบ มันคือเงื่อนไขของงาน เพราะความเสียหายหนึ่งจุดอาจต้องอธิบายด้วยเคมีของวัสดุ ฟิสิกส์ของการขยายตัว และกลศาสตร์ของแรงกดพร้อมกัน

เครื่องมือที่ใช้จึงกว้างตามไปด้วย ตั้งแต่ Shadow Moiré สำหรับวัดการโก่งตัว, X-ray และ CT Scan, Cross Section, SEM EDX สำหรับดูชั้น Intermetallic, XRF สำหรับวัดความหนาของชั้นโลหะเคลือบผิว PCB, Solderability Test, Thermal Stress Test, Dye and Pry, FTIR ไปจนถึงชุดทดสอบ Reliability อย่าง Thermal Cycling และ Temperature Humidity Test

‘Void ขนาดใหญ่’ สาเหตุจากวัสดุ ไม่ใช่กระบวนการ

กรณีศึกษาแรก ‘สถิติ’ บอกสัญญาณก่อนภาพถ่าย เมื่อสายการผลิตพบ Void ขนาดใหญ่ผิดปกติในจุดเดียวและในยูนิตเดียว ซึ่งตัวเลขนี้เองเป็นเบาะแสแรก เพราะถ้าปัญหามาจากเคมีหรือจากพารามิเตอร์ของกระบวนการ ผลกระทบย่อมกระจายไปทั้งล็อต ไม่ใช่กระจุกอยู่จุดเดียว การวิเคราะห์จึงต้องระมัดระวังเป็นพิเศษเพราะมีตัวอย่างให้ทำงานเพียงชิ้นเดียว

ทีมงานเริ่มจาก CT X-ray แล้วเทียบภาพระหว่างจุดที่มี Defect กับ Solder Joint ปกติ จุดที่สงสัยปรากฏเป็นจุดเล็กๆ ตรงบริเวณ Interface ของ Copper Cap จากนั้นจึงเข้าสู่ Cross Section ซึ่งเป็นขั้นที่ต้องใช้ความชำนาญ เพราะ Defect มีขนาดเล็กมาก

กระบวนการทดสอบที่เกิดขึ้น คือ การเดินเข้าไปทีละชั้น เริ่มตั้งแต่ Cross Section ไป Inspection ไป Cross Section ชั้นต่อไป Inspection ไปเรื่อยๆ จนกระทั่งเถึงจุดที่เจอปัญหาและเกิดความมั่นใจแล้ว การขัดลงไปทีเดียวจนถึงระดับที่คิดว่าใช่ มีความเสี่ยงที่จะขัดผ่านหลักฐานไปโดยไม่รู้ตัว

สิ่งที่พบคือติ่งเล็กๆ ลักษณะคล้าย Pin เชื่อมระหว่าง Epoxy Field กับเนื้อ Solder Alloy และตัว Epoxy Field นั้นมีลักษณะเป็นโพรงอยู่ในตัว โพรงนั้นทำให้ความชื้นหรือสารเคมีเข้าไปสะสมได้ และเมื่อผ่านความร้อนในกระบวนการผลิต สิ่งที่สะสมอยู่ก็เกิด Out-gassing กลายเป็น Void ขนาดใหญ่ใน Solder Joint

ข้อสรุปคือต้นเหตุอยู่ในวัสดุของ Component ที่รับเข้ามา ไม่ใช่ที่กระบวนการบัดกรี ข้อมูลทั้งชุดจึงถูกรวบรวมส่งให้ SQE เพื่อ Feedback กลับไปยัง Supplier ให้ปรับปรุงก่อนส่งของล็อตถัดไป

แรงกดที่ทำให้ Connector เข้าที่ อาจทำให้ผนัง Via แตกไปพร้อมกัน

Press-fit เป็นวิธีประกอบที่ไม่ใช้การบัดกรี แต่ใช้แรงเชิงกลกด Connector ลงไปใน Through Hole ของ PCB โดยตัว Pin ออกแบบให้มีความยืดหยุ่นเล็กน้อย เมื่อถูกกดลงไปมันจะขยายตัวออกไปฟิตพอดีกับผนังรู

คำถามที่สายการผลิตส่งมาที่ห้องแล็บมีสองข้อตรงไปตรงมา ข้อแรกคือ Pin ที่กดลงไปแล้วนั้นเชื่อมต่อจริงหรือไม่ ข้อที่สองคือแรงที่ใช้กดสร้างความเสียหายให้ PCB หรือไม่

คำตอบนั้นจะเกิดขึ้นจากการ Cross Section ตามมาตรฐาน IPC ทั้งแนวขนานกับ Pin และแนวขวางของ Pin เพื่อให้เห็นทั้งสองมิติ ผลที่ได้ตอบคำถามข้อแรกว่าใช่ Pin ขยายตัวฟิตพอดีกับรู แต่ตอบคำถามข้อที่สองในทางที่ไม่น่าพอใจ เพราะเมื่อซูมเข้าไปที่ขอบของ Barrel พบรอยแตกบริเวณปากรู ผนังตรงนั้นบางลงจนเกือบขาด และภาพจากการขัดแนวนอนแสดงว่า Pin เบียดจนเส้นผ่านศูนย์กลางของรูถูกขยายออก

การวัดค่า Deformation ว่าเกินสเปคหรือไม่จึงเป็นขั้นตอนที่ขาดไม่ได้ และผลที่ได้ส่งกลับไปได้สองทาง ทางแรกคือกลับไปที่สายการผลิตให้วัดค่า Press Force และตรวจลำดับการกดว่าถูกต้องหรือไม่ มีแรงเกิน Guideline ของ Component หรือเปล่า ทางที่สองคือกลับไปที่ Product Design เพื่อถามว่า Connector Pin ชนิดนี้แมทช์กับขนาดรูที่ออกแบบไว้จริงหรือไม่

คำถามที่สองนี้สำคัญ เพราะถ้าคำตอบคือไม่แมทช์ การไปไล่ปรับแรงกดในสายการผลิตจะไม่มีวันแก้ปัญหาได้

บอร์ดกับ BGA โก่งคนละทิศทาง คือโจทย์ที่ต้องแก้ก่อนถึงสาย Reflow

ปัญหาที่พบว่ามีมากขึ้นเรื่อยๆ ตามขนาดของงานคือ Warpage Mismatch ซึ่ง PCB ในปัจจุบันมีขนาดใหญ่ขึ้นกว่าเดิมมาก BGA ก็ใหญ่ขึ้นตาม และโครงสร้างภายในของทั้งคู่ซับซ้อนขึ้นจนถึงระดับหลายสิบชั้น ความไม่สมดุลของโครงสร้างภายในและความหนาของชั้นไดอิเล็กทริกที่ต่างกัน ทำให้ทั้งแผ่น PCB และตัว BGA เกิดการโก่งตัวเมื่อได้รับความร้อน

เมื่อนำสองชิ้นมาประกบกัน ความเป็นไปได้มีสี่แบบ สองแบบแรกคือทั้งคู่โก่งไปในทิศทางเดียวกัน ซึ่งกระทบกระบวนการประกอบไม่มากนัก ส่วนอีกสองแบบคือโก่งสวนทางกัน แบบหนึ่งเป็นหน้ายิ้ม อีกแบบเป็นหน้าคว่ำ กรณีหลังนี้คือโจทย์ที่ท้าทายกระบวนการ Assembly อย่างแท้จริง

ผลที่ตามมาเห็นได้จากค่า Stand-off ของ BGA ที่ไม่สม่ำเสมอจากซ้ายไปขวา บริเวณที่ Stand-off เตี้ยเกินไปมีโอกาสเกิด Solder Bridging ส่วนบริเวณที่ Stand-off สูงเกินไปมีโอกาสเกิด Non-wetting Joint หรือ Head-in-pillow Joint ซึ่งเป็นรอยต่อที่ดูเหมือนติดแต่ไม่ได้หลอมรวมกันจริง

สิ่งที่ต้องทำคือวัดค่า Warpage ทั้งที่อุณหภูมิห้องและตลอด Temperature Profile แล้วส่งข้อมูลให้ Process Engineer นำไปออกแบบ Stencil และปรับอุณหภูมิใน Reflow ประเด็นที่เธอย้ำคือจังหวะเวลา งานนี้ต้องทำตั้งแต่เฟส NPI ไม่ใช่ปล่อยให้ไหลไปจนถึง Mass Production แล้วค่อยตามแก้ เพราะเมื่อถึงตอนนั้น ต้นทุนของการแก้ไขเปลี่ยนหน่วยไปแล้ว

รอยแตกที่มองไม่เห็นด้วยตา คือสิ่งที่กำหนดว่าผลิตภัณฑ์จะอยู่ได้นานกี่ปี

สิ่งที่ Celestica ให้น้ำหนักมากคือการทดสอบ Reliability ซึ่งมีทั้ง ATC และ Shock and Vibration Test

เทคนิค Dye and Pry ทำงานด้วยหลักการง่ายแต่ให้ข้อมูลมาก คือตัดชิ้นงาน จุ่มลงในน้ำยาย้อมสี แล้วงัดแยกออกมาตรวจสอบ สีที่แทรกเข้าไปได้จะทำเครื่องหมายไว้ให้เห็นว่ารอยแตกอยู่ตรงไหน สิ่งที่อ่านได้จากภาพไม่ใช่แค่ว่ามีรอยแตกหรือไม่ แต่รวมถึงรูปแบบการกระจายตัวและทิศทางของแรงที่กระทำกับชิ้นงาน

ข้อมูลชุดนี้ใช้ประเมินได้ว่าผลิตภัณฑ์จะใช้งานได้อีกกี่ปี และถ้าต้องการยืดอายุ ควรกลับไปปรับตรงไหน ตัวอย่างเช่นถ้าพบว่ามุมด้านหนึ่งรับ Stress มากผิดปกติ ข้อมูลนั้นส่งกลับไปให้ทีมออกแบบหรือสายการผลิตแก้ไขได้โดยตรง

หลังการทดสอบ ATC รอยแตกจะ Propagate ไปตามเนื้อ Solder โดยอาจอยู่ฝั่ง BGA หรือฝั่ง PCB ขึ้นกับว่า Stress เกิดขึ้นด้านไหนมากกว่า ส่วนหลัง Shock and Vibration Test ภาพที่ได้ต่างออกไป มองผิวเผินจะไม่เห็นรอยแตกเลย ต้องใช้ SEM EDX ที่กำลังขยายสูงจึงจะเห็นว่ารอยแตกวิ่งไปตาม Interface ของชั้น IMC ซึ่งเป็นชั้นที่แข็งกว่าแต่เปราะกว่าเนื้อ Bulk Solder

ข้อจำกัดที่ต้องระบุคือ Dye and Pry เป็นการทดสอบแบบทำลาย ใช้กับตัวอย่างสุ่มเท่านั้น ไม่ใช่การคัดกรองทุกชิ้นในสายการผลิต ข้อมูลที่ได้จึงเป็นภาพของประชากร ไม่ใช่การรับประกันรายชิ้น

บทเรียนที่ผู้ผลิตไทยนำไปใช้ได้ทันทีคือ เมื่อพบความเสียหายที่ Solder Joint คำถามแรกไม่ควรเป็น ‘ปรับพารามิเตอร์ Reflow ตรงไหน’ แต่ควรเป็น ‘ความเสียหายนี้กระจายทั้งล็อตหรือกระจุกจุดเดียว’ เพราะคำตอบของคำถามนั้นจะบอกทันทีว่าควรไปคุยกับ Process Engineer, กับ Supplier หรือกับทีมออกแบบ และการเดินผิดประตูตั้งแต่ต้นคือต้นทุนที่แพงที่สุดของงาน Failure Analysis