Biaya Tersembunyi dari Lem “Selamanya”: Panduan Lapangan untuk Strategi Underfill

Pada tahun 2014, sebuah merek audio konsumen Tier 1 menghadapi skenario mimpi buruk di lantai pabrik di Penang. Desain headphone baru yang trendi baru saja meningkatkan produksi, menampilkan papan logika utama yang dipenuhi dengan komponen pitch rapat. Untuk melewati spesifikasi uji jatuh yang brutal, tim teknik telah mengunci underfill kapiler "kelas beton". Epoxy ini sangat keras dan permanen sehingga pada dasarnya mengubah papan menjadi batu bata padat.

Ini bekerja dengan sangat baik untuk uji jatuh. Tetapi tiga minggu setelah produksi, vendor BGA mengirimkan batch chip dengan sambungan solder dingin.

Pada jalur normal, Anda akan melakukan perbaikan ulang. Anda akan memanaskan papan, mengangkat chip, membersihkan pad, dan menempatkan komponen $4 baru. Tetapi karena underfill spesifik itu, perbaikan ulang tidak mungkin dilakukan. Ikatan epoxy lebih kuat daripada laminasi itu sendiri. Setiap upaya untuk melepas chip merobek pad tembaga dari inti fiberglass. Pabrik harus secara fisik menghancurkan 12.000 PCBA yang sudah dirakit penuh—ratusan ribu dolar dalam inventaris—karena mereka tidak bisa mengganti satu komponen yang cacat.

Ini adalah jebakan memperlakukan underfill hanya sebagai perbaikan mekanis. Mudah untuk melihat perekat sebagai polis asuransi sederhana terhadap kegagalan uji jatuh. Tetapi jika Anda memilih bahan hanya berdasarkan metrik kelangsungan hidup, Anda secara tidak sengaja merancang bom waktu finansial. Ketika Anda menentukan bahan yang tidak bisa dilepas, Anda bertaruh bahwa hasil produksi Anda akan 100% selamanya. Itu adalah taruhan yang tidak boleh diambil oleh insinyur veteran mana pun.

Fisika Penyesalan

Untuk memilih bahan yang tepat, Anda harus memahami mengapa Anda menggunakannya. Biasanya, tujuannya adalah melindungi Ball Grid Array (BGA) atau Chip Scale Package (CSP) dari guncangan mekanis. Ketika perangkat jatuh ke lantai, PCB membengkok. Paket keramik atau plastik kaku dari chip tidak. Fleksing diferensial itu menciptakan gaya geser besar pada bola solder, yang menyebabkan retak. Underfill mengisi celah antara chip dan papan, menggabungkan keduanya sehingga bergerak sebagai satu unit.

Namun, "lebih kuat" tidak selalu lebih baik. Kesalahan umum adalah memilih underfill dengan Modulus Young (kekakuan) tinggi dan Koefisien Ekspansi Termal (CTE) tinggi yang tidak cocok dengan solder. Jika underfill mengembang jauh lebih cepat daripada sambungan solder selama siklus termal—misalnya, dari -40°C ke 125°C dalam uji otomotif—perekat itu sendiri dapat secara mekanis mengangkat chip dari pad. Anda secara efektif memasang tuas gerak lambat di bawah komponen Anda.

Ada juga kebingungan yang terus-menerus di industri antara underfill struktural dan pelapis konformal. Anda mungkin melihat insinyur bertanya apakah mereka bisa hanya "mengoleskan" lapisan tebal pelapis akrilik atau urethane untuk mengamankan chip. Mereka bukan hal yang sama. Pelapis konformal adalah penghalang tipis terhadap kelembapan dan debu; hampir tidak memiliki integritas struktural terhadap gaya G dari jatuh. Underfill adalah bahan rekayasa struktural yang dirancang untuk mentransfer beban. Membingungkan keduanya adalah jalan cepat menuju kegagalan di lapangan.

Tujuannya bukan untuk membungkus chip dalam makam yang tak terkalahkan; melainkan untuk mendistribusikan stres menjauh dari sambungan solder tanpa memperkenalkan stres termal baru yang merobek rakitan.

Pivot Strategis: Capillary vs. Edge Bonding

Untuk sebagian besar elektronik konsumen dan industri, naluri default adalah "Capillary Underfill" (CUF). Ini adalah proses di mana epoxy viskositas rendah didispense di sepanjang tepi chip, dan aksi kapiler menyedotnya ke bawah, mengisi seluruh rongga. Ini memberikan kopling mekanis maksimum. Ini juga yang paling sulit untuk diperbaiki ulang.

Ada alternatif yang lebih unggul untuk banyak desain: Corner Bonding, atau "staking."

Alih-alih mengisi seluruh celah, Anda menempatkan titik perekat viskositas tinggi di empat sudut paket BGA. Ini menambatkan chip ke papan, mencegah bola solder sudut (yang selalu gagal pertama) menanggung dampak utama dari benturan jatuh. Dalam Design of Experiments (DOE) untuk startup IoT industri, kami membandingkan aliran kapiler penuh dengan pengikatan sudut untuk FPGA berat. Underfill penuh bertahan dari 20 kali jatuh dari satu meter. Ikatan sudut bertahan 18 kali. Keduanya melebihi persyaratan 10 kali jatuh.

Perbedaannya? Ketika bug firmware membuat 50 unit pertama rusak total, FPGA yang diikat di sudut bisa dicopot dan diganti dalam 15 menit. Unit yang diisi penuh akan menjadi barang rongsokan. Dengan mengorbankan sedikit margin daya tahan teoretis, klien mendapatkan 100% kemudahan perbaikan.

Namun ada peringatan: Jangan mencoba mengimprovisasi pengikatan sudut dengan lem apa pun yang ada di laboratorium. Saya pernah melihat insinyur mencoba menggunakan silikon RTV (sejenis sealant kamar mandi) untuk menambatkan komponen. Banyak silikon RTV mengeras dengan melepaskan asam asetat, yang akan merusak jejak tembaga dan mengkorosi sambungan solder seiring waktu. Jika Anda akan menambatkan komponen, gunakan perekat yang diformulasikan khusus untuk elektronik—biasanya epoksi non-konduktif dengan indeks tiksotropi tinggi agar tidak melorot.

Spesifikasi Tunggal yang Penting: Tg

Jika Anda memutuskan harus menggunakan underfill kapiler penuh, perhatian Anda harus langsung tertuju pada satu baris di datasheet: Suhu Transisi Kaca, atau Tg.

Tg adalah suhu di mana epoksi berubah dari keadaan keras dan seperti kaca menjadi keadaan lunak dan seperti karet. Ini adalah jendela pengolahan ulang Anda. Untuk melepas chip yang diisi underfill tanpa merusak papan, Anda harus dapat memanaskan perekat di atas Tg sehingga cukup lunak untuk menyerah, tetapi menjaga suhu di bawah titik di mana laminasi PCB terkelupas atau solder mengalami runaway termal.

Underfill “Reworkable” biasanya memiliki Tg sekitar 80°C hingga 130°C. Ini memungkinkan teknisi dengan stasiun udara panas untuk memanaskan area lokal, melunakkan lem, dan mengangkat chip. Epoksi “struktural” yang tidak dapat diolah ulang sering memiliki Tg 160°C atau lebih tinggi. Saat Anda membuat bahan itu cukup lunak untuk dikikis, kemungkinan besar Anda sudah memasak papan FR-4, mengangkat pad tembaga, dan merusak struktur via.

Jangan percaya kata “Reworkable” di depan brosur vendor. Setiap vendor perekat mengklaim produknya dapat diolah ulang. Maksud mereka adalah bahwa itu dapat diolah ulang jika Anda memiliki mesin pengolahan ulang presisi $50.000, delapan jam waktu, dan tangan seorang ahli bedah. Lihat kurva Tg. Jika bahan tetap keras seperti batu sampai 170°C, itu secara efektif permanen untuk depot perbaikan volume tinggi mana pun.

Ada nuansa di sini—formulasi yang dapat diolah ulang dengan Tg lebih rendah bisa kurang stabil dalam penuaan jangka panjang di lingkungan panas tinggi (seperti di bawah kap mobil). Tapi untuk tablet, tampilan dashboard, atau perangkat medis, kompromi ini hampir selalu sepadan. Saya sengaja melewatkan pelajaran kimia tentang sistem pengawetan anhidrida versus amina karena, sejujurnya, Anda tidak perlu tahu bentuk molekul untuk membuat keputusan yang tepat. Anda hanya perlu tahu apakah Anda bisa melepasnya dari papan.

Matematika Scrap

Pada akhirnya, underfill adalah keputusan ekonomi, bukan hanya mekanis. Anda perlu menjalankan “Audit Matematika Rongsokan.”

Ambil biaya PCBA yang sudah terpasang. Misalnya itu adalah mainboard $800 untuk tablet medis. Sekarang perkirakan tingkat cacat komponen BGA Anda—mungkin 2.000 bagian per juta (ppm). Jika Anda menggunakan underfill yang tidak dapat diolah ulang, setiap dari 2.000 cacat per juta itu menghasilkan kerugian $800. Anda membuang CPU, memori, chip manajemen daya, dan papan itu sendiri, hanya karena satu chip $5 memiliki sambungan solder dingin.

Dalam kasus kegagalan tablet medis “Project Apollo” pada 2016, pilihan underfill yang tidak dapat diolah ulang pada chip memori yang rusak menyebabkan pembuangan 4.000 unit. Kerugian bukan hanya perangkat keras; tetapi juga logistik, tanggal pengiriman yang terlewat, dan mimpi buruk garansi.

Jika Anda menggunakan bahan yang dapat diolah ulang atau strategi pengikatan sudut, kegagalan itu hanya menghabiskan $50 biaya tenaga teknisi dan komponen baru. Papan diselamatkan. Keandalan bukan hanya tentang apakah perangkat bertahan dari uji jatuh; tetapi apakah bisnis Anda bertahan dari variasi manufaktur. Permanen berarti sempurna, dan dalam manufaktur elektronik, tidak ada yang pernah sempurna.