Pembunuh Diam-Diam: Mengapa MEMS Lulus Reflow tapi Gagal di Lapangan

Anda sedang melihat grafik hasil yang hampir seluruhnya berwarna hijau. Tes In-Circuit (ICT) menunjukkan tingkat kelulusan 99,8%. Penguji fungsional di akhir jalur sedang bernyanyi. Produk dikemas, dikirim, dan diluncurkan.

Kemudian, tiga minggu kemudian, telepon berdering.

Pengembalian dari lapangan tidak datang sebagai unit mati, tetapi sebagai “pengembara.” Mikrofon dengan tingkat kebisingan yang secara misterius meningkat. Sensor tekanan melaporkan perubahan ketinggian saat diletakkan di atas meja. Akselerometer yang telah mengembangkan offset permanen. Ketika Anda mengujinya kembali di bangku uji, mereka mungkin bahkan lulus lagi untuk sesaat, atau menunjukkan kesalahan intermiten yang hilang saat Anda menekan paket. Pabrik bersumpah prosesnya sempurna. Profil reflow terlihat seperti contoh manajemen termal dalam buku teks.

Ini adalah skenario “Luka Berjalan.” Anda menghadapi mode kegagalan yang tidak terlihat oleh pengujian listrik saat keluar dari pabrik tetapi fatal bagi umur produk. Ini bukan cacat penyolderan atau batch silikon yang buruk. Ini hampir pasti merupakan kejadian delaminasi yang disebabkan oleh kelembapan yang terjadi beberapa minggu lalu, di dalam oven reflow, karena pelanggaran proses yang tidak dicatat dalam buku log.

Fisika Kematian Lambat

Untuk memahami mengapa bagian-bagian ini mati secara tertunda, Anda harus berhenti memikirkannya seperti Sirkuit Terpadu (IC) standar. Jika Anda salah memperlakukan paket SOIC atau QFP standar dengan kelembapan, itu akan “meletup.” Kelembapan berubah menjadi uap, tekanannya melebihi kekuatan plastik, dan paket retak dengan suara keras. Anda melihat retakan itu, Anda membuang papan tersebut. Itu buruk, tapi jujur.

MEMS (Sistem Mikro-Elektro-Mekanis) berbeda. Mereka adalah struktur mekanis kompleks—papan loncat kecil, membran, dan sisir—yang ditempatkan di dalam sebuah rongga. Ketika kelembapan menembus paket MEMS, ia menetap di antara antarmuka antara senyawa cetakan dan substrat, atau paddle penempel die.

Ketika bagian itu masuk ke oven reflow, suhu melonjak hingga 260°C. Kelembapan yang terperangkap berubah menjadi uap superpanas. Tetapi tidak seperti potongan plastik padat, paket MEMS sering memiliki rongga internal dan antarmuka material yang beragam. Alih-alih retak di luar paket, tekanan uap menemukan jalur resistensi paling rendah: ia mendelaminasi lapisan internal. Ia memisahkan die dari pad penempelnya atau mengangkat senyawa cetakan hanya beberapa mikron dari rangkaian lead.

Bagian itu tidak meledak. Ia hanya mengambil napas dalam dan mengembang.

Yang penting, sambungan listrik—biasanya ikatan kawat emas—sering meregang cukup untuk mempertahankan kontak. Unit mendingin, celah sedikit menutup, dan ia melewati kontinuitas listrik. Ia berjalan mulus melewati ICT Anda.

Tapi kerusakan sudah terjadi. Anda sekarang memiliki celah delaminasi mikroskopis. Selama beberapa minggu berikutnya, saat perangkat mengalami siklus perubahan suhu harian atau kelembapan di lingkungan pengguna, celah itu bernapas. Ia memompa masuk kontaminan. Jika Anda menggunakan proses tanpa pembersihan, residu fluks yang seharusnya tidak berbahaya di permukaan dapat tersedot ke celah-celah baru ini. Setelah masuk, mereka bercampur dengan kelembapan membentuk elektrolit konduktif.

Perlahan, korosi menggerogoti pad ikatan atau struktur MEMS yang rapuh itu sendiri. Atau, stres mekanis dari die yang terdelaminasi menyebabkan membran MEMS rileks, menggeser titik nolnya. Inilah sebabnya Anda melihat “sensor drift” beberapa minggu kemudian. Bagian tersebut tidak rusak; ia terlepas.

Tempat Kejadian Perkara: Bukan Oven

Ketika kegagalan ini terjadi, naluri pertama adalah menyalahkan profil reflow. Insinyur akan menghabiskan hari-hari mengutak-atik zona rendam atau menurunkan suhu puncak dua derajat. Ini adalah pemborosan waktu. Anda tidak bisa mengatasi bagian basah dengan reflow.

Kejahatan itu tidak terjadi di oven; itu terjadi di rak penyimpanan tiga hari sebelumnya.

Jika Anda berjalan di lantai produksi—bukan jalur tur yang dipandu, tetapi lorong belakang di belakang mesin pick-and-place—Anda akan menemukan penyebab utamanya. Anda mungkin melihat “lemari kering” di mana tampilan digital menunjukkan 5% RH, tetapi engsel pintunya rusak dan ditutup dengan pita Kapton. Segelnya tidak rapat, dan kelembapan sebenarnya di dalamnya adalah 55%, sama dengan ruangan.

Anda mungkin melihat gulungan komponen sensitif kelembapan yang diletakkan di troli di bawah ventilasi AC karena operator mengira “udara dingin” akan menjaga mereka tetap aman. Anda akan menemukan buku catatan yang mengklaim sebuah gulungan dikembalikan ke kotak kering pada pukul 14:00, sementara kamera keamanan menunjukkan gulungan itu duduk di troli pengumpan sampai pergantian shift pada pukul 18:00.

Pelanggaran ini tidak terlihat oleh sistem data. MES (Manufacturing Execution System) mengatakan bagian tersebut masih memiliki 48 jam masa hidup lantai. Fisika mengatakan bagian itu jenuh 12 jam yang lalu. Ketika bagian yang jenuh itu mencapai puncak 260°C dari oven reflow, tekanan uap melakukan kerjanya, terlepas dari seberapa sempurna laju penurunan suhu Anda.

Berhenti Memanggang untuk Keluar dari Masalah

Reaksi paling berbahaya terhadap ketakutan kelembapan adalah mentalitas “Cukup Panggang Saja”. Manajer produksi, yang takut membuang sensor senilai $50.000, akan memerintahkan siklus pemanggangan untuk “mengatur ulang” masa hidup lantai.

Pemanggangan bukan tombol reset gratis—itu adalah peristiwa stres termal.

IC standar mungkin tahan pemanggangan 125°C selama 24 jam tanpa keluhan, tetapi MEMS jauh lebih rapuh. Saya pernah melihat nampan akselerometer dipanggang pada suhu tinggi di mana gas keluar dari nampan pengiriman murah (yang tidak dirancang untuk pemanggangan) mengembun di port sensor, menutupnya rapat.

Bahkan jika Anda menggunakan nampan matriks JEDEC suhu tinggi yang benar, pemanggangan berulang mendorong pertumbuhan intermetalik di antarmuka lead dan mengoksidasi pad. Anda mungkin mengeringkan bagian tersebut, tetapi sekarang Anda telah menciptakan risiko cacat “head-in-pillow” saat penyolderan karena pad tidak akan basah dengan baik.

Selain itu, jika Anda mencoba memanggang bagian yang masih dalam tape-and-reel, Anda berjalan di atas tepi pisau cukur. Sebagian besar pita pembawa tidak tahan suhu pemanggangan standar. Anda akan berakhir dengan plastik meleleh yang melekat pada komponen Anda, atau pita yang melengkung cukup untuk menyumbat pengumpan kecepatan tinggi, menyebabkan waktu henti besar.

Jika Anda harus memanggang, Anda harus mengikuti J-STD-033 dengan ketat, sering menggunakan pemanggangan suhu rendah (40°C) yang memakan waktu berminggu-minggu, bukan jam. Sebagian besar pabrik tidak memiliki kesabaran untuk ini, jadi mereka menaikkan panas dan memasak bagian tersebut.

Jam MSL adalah Absolut

Akar masalah disiplin sering kali adalah kesalahpahaman tentang peringkat Tingkat Sensitivitas Kelembapan (MSL). Banyak tim menganggap MSL sebagai panduan kasar. Itu tidak benar. Itu adalah batas termal yang dihitung.

Ada jurang besar antara MSL 3 dan MSL 5a.

• MSL 3 memberikan Anda waktu paparan 168 jam (satu minggu).
• MSL 5a memberikan Anda 24 jam.

Itu adalah satu hari. Jika gulungan mikrofon MSL 5a dibuka untuk pengaturan, dibiarkan di mesin selama shift 10 jam, dan kemudian dimasukkan kembali ke dalam tas yang tidak benar-benar dikosongkan, jam tidak berhenti. Paling-paling hanya berhenti sejenak. Jika desikan sudah jenuh, jam terus berjalan di dalam tas.

Sering terlihat insinyur firmware mencoba mengkode untuk mengatasi kegagalan ini. Mereka melihat pergeseran sensor dan mencoba membuat tabel kalibrasi rumit atau rutinitas “burn-in” untuk menstabilkan pembacaan. Ini sia-sia. Anda tidak dapat memperbaiki perekat die yang terkelupas dengan perangkat lunak. Anda sedang mengkalibrasi struktur fisik yang rusak yang akan terus bergerak saat kelembapan berubah.

Protokol Lebih Penting daripada Heroik

Satu-satunya perbaikan untuk “Walking Wounded” adalah disiplin yang agresif dan paranoid sebelum oven.

Anda harus mempercayai kimianya, bukan buku catatan. Setiap kantong penghalang kelembapan (MBB) memiliki Kartu Indikator Kelembapan (HIC) di dalamnya. Saat Anda membuka kantong, lihat kartu itu segera. Jika titik 10% berwarna merah muda (atau lavender, tergantung jenisnya), bagian tersebut dicurigai, terlepas dari apa yang tertulis pada label.

Periksa segel vakum pada setiap kantong sebelum dibuka. Jika kantong longgar—jika Anda bisa mencubit plastik dan menariknya dari baki—kantong itu sudah rusak. Desikan kemungkinan sudah jenuh.

Akhirnya, Anda harus bersedia membuang bagian. Ini adalah hal tersulit untuk dijual ke manajemen. Tapi gulungan sensor MEMS yang telah dibiarkan keluar selama durasi yang tidak diketahui adalah bom waktu. Jika Anda memasangnya di papan, itu akan lulus tes pabrik. Itu akan dikirim. Dan itu akan gagal saat pelanggan Anda menggunakannya untuk jogging di pagi yang lembap.

Biaya membuang gulungan $2,000 adalah kesalahan pembulatan dibandingkan dengan biaya penarikan di lapangan. Jangan panggang. Jangan menebak. Jika rantai pengawasan terputus, bagian itu adalah sampah.