ต้นทุนที่ซ่อนอยู่ของกาว “ติดตลอดไป”: คู่มือภาคสนามสำหรับกลยุทธ์การเติมช่องว่างใต้

ในปี 2014 แบรนด์เครื่องเสียงผู้บริโภคระดับ Tier 1 เผชิญกับสถานการณ์ฝันร้ายบนพื้นโรงงานในปีนัง การออกแบบหูฟังใหม่ที่ทันสมัยเพิ่งเริ่มผลิต โดยมีบอร์ดลอจิกหลักที่เต็มไปด้วยชิ้นส่วนที่มีระยะห่างแน่น เพื่อผ่านข้อกำหนดการทดสอบการตกที่โหดร้าย ทีมวิศวกรได้ล็อกอินการเติมสารใต้บอร์ดแบบ "คอนกรีตเกรด" เส้นเลือดฝอย อีพ็อกซี่นี้แข็งและถาวรจนแทบจะเปลี่ยนบอร์ดให้กลายเป็นอิฐก้อนแข็ง

มันทำงานได้อย่างยอดเยี่ยมสำหรับการทดสอบการตก แต่สามสัปดาห์หลังจากเริ่มผลิต ผู้จำหน่าย BGA ส่งชิปชุดหนึ่งที่มีจุดบัดกรีเย็น

ในสายการผลิตปกติ คุณจะทำการแก้ไขใหม่ คุณจะให้ความร้อนกับบอร์ด ยกชิปขึ้น ทำความสะอาดแผ่นรอง และวางชิ้นส่วน $4 ใหม่ แต่เนื่องจากการเติมสารใต้บอร์ดเฉพาะนั้น การแก้ไขเป็นไปไม่ได้ การยึดด้วยอีพ็อกซี่แข็งแรงกว่าชั้นลามิเนตเอง ทุกความพยายามที่จะถอดชิปทำให้แผ่นทองแดงหลุดออกจากแกนไฟเบอร์กลาส โรงงานต้องทำลาย PCBA ที่ประกอบเสร็จแล้ว 12,000 ชิ้น—มูลค่าหลายแสนดอลลาร์ในสต็อก—เพราะไม่สามารถเปลี่ยนชิ้นส่วนที่เสียได้เพียงชิ้นเดียว

นี่คือกับดักของการใช้การเติมสารใต้บอร์ดเป็นเพียงการแก้ไขเชิงกล มันง่ายที่จะมองว่ากาวเป็นประกันภัยง่ายๆ ต่อความล้มเหลวในการทดสอบการตก แต่ถ้าคุณเลือกวัสดุโดยอิงจากเกณฑ์ความอยู่รอดเพียงอย่างเดียว คุณกำลังออกแบบระเบิดเวลาทางการเงินโดยไม่ตั้งใจ เมื่อคุณระบุวัสดุที่ไม่สามารถถอดออกได้ คุณกำลังเดิมพันว่าผลผลิตการผลิตของคุณจะเป็น 100% ตลอดไป นั่นคือการเดิมพันที่วิศวกรผู้มีประสบการณ์ไม่ควรทำ

ฟิสิกส์ของความเสียใจ

เพื่อเลือกวัสดุที่ถูกต้อง คุณต้องเข้าใจว่าทำไมคุณถึงใช้มัน โดยปกติเป้าหมายคือปกป้อง Ball Grid Array (BGA) หรือ Chip Scale Package (CSP) จากแรงกระแทกเชิงกล เมื่ออุปกรณ์ตกพื้น PCB จะโค้งงอ แพ็กเกจเซรามิกหรือพลาสติกแข็งของชิปจะไม่โค้งงอ ความแตกต่างของการโค้งงอนี้สร้างแรงเฉือนมหาศาลบนลูกบัดกรี ทำให้เกิดรอยแตก การเติมสารใต้บอร์ดเติมช่องว่างระหว่างชิปกับบอร์ด เชื่อมต่อทั้งสองให้เคลื่อนที่เป็นหน่วยเดียวกัน

อย่างไรก็ตาม "แข็งแรงกว่า" ไม่ได้หมายความว่าดีกว่าเสมอไป ความผิดพลาดทั่วไปคือการเลือกการเติมสารใต้บอร์ดที่มีโมดูลัสยืดหยุ่นของยัง (ความแข็ง) สูงและสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อน (CTE) สูงที่ไม่ตรงกับบัดกรี หากการเติมสารใต้บอร์ดขยายตัวเร็วกว่าจุดบัดกรีมากในระหว่างการเปลี่ยนอุณหภูมิ เช่น จาก -40°C ถึง 125°C ในการทดสอบยานยนต์ กาวนั้นเองอาจยกชิปขึ้นจากแผ่นรองเชิงกลได้ คุณกำลังติดตั้งคานงัดช้าๆ ใต้ชิ้นส่วนของคุณ

ยังมีความสับสนอย่างต่อเนื่องในอุตสาหกรรมระหว่างการเติมสารใต้บอร์ดเชิงโครงสร้างกับการเคลือบแบบ conformal coating คุณอาจเห็นวิศวกรถามว่าพวกเขาสามารถ "ทา" ชั้นหนาของอะคริลิคหรือยูรีเทนเพื่อยึดชิปได้หรือไม่ แต่นั่นไม่ใช่สิ่งเดียวกัน การเคลือบแบบ conformal coating เป็นเกราะบางๆ ป้องกันความชื้นและฝุ่น; แทบไม่มีความแข็งแรงเชิงโครงสร้างต่อแรง G จากการตก การเติมสารใต้บอร์ดเป็นวัสดุวิศวกรรมเชิงโครงสร้างที่ออกแบบมาเพื่อถ่ายโอนแรง สับสนทั้งสองอย่างนี้เป็นทางลัดสู่ความล้มเหลวในสนาม

เป้าหมายไม่ใช่การห่อหุ้มชิปในสุสานที่ไม่มีวันถูกทำลาย แต่คือการกระจายความเครียดออกจากจุดบัดกรีโดยไม่ก่อให้เกิดความเครียดทางความร้อนใหม่ที่ฉีกชิ้นส่วนออกจากกัน

การเปลี่ยนกลยุทธ์: การยึดแบบเส้นเลือดฝอยกับการยึดขอบ

สำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ผู้บริโภคและอุตสาหกรรมส่วนใหญ่ สัญชาตญาณเริ่มต้นคือ "Capillary Underfill" (CUF) นี่คือกระบวนการที่อีพ็อกซี่ความหนืดต่ำถูกจ่ายตามขอบของชิป และแรงเสียดทานเส้นเลือดฝอยดูดมันเข้าไปใต้ชิป เติมช่องว่างทั้งหมด มันให้การเชื่อมต่อเชิงกลสูงสุด และยังเป็นวิธีที่ยากที่สุดในการแก้ไขใหม่

มีทางเลือกที่ดีกว่าสำหรับการออกแบบหลายแบบ: การยึดมุม หรือ "staking"

แทนที่จะเติมช่องว่างทั้งหมด คุณจะจ่ายจุดกาวความหนืดสูงที่มุมทั้งสี่ของแพ็กเกจ BGA จุดนี้จะยึดชิปกับบอร์ด ป้องกันไม่ให้ลูกบอลบัดกรีที่มุม (ซึ่งมักจะเสียก่อนเสมอ) รับแรงกระแทกจากการตก ในการออกแบบการทดลอง (DOE) สำหรับสตาร์ทอัพ IoT อุตสาหกรรม เราเปรียบเทียบการไหลเต็มรูปแบบของเส้นเลือดฝอยกับการยึดมุมสำหรับ FPGA ที่มีน้ำหนักมาก การเติมเต็มทั้งหมดสามารถทนต่อการตก 20 ครั้งจากความสูงหนึ่งเมตร การยึดมุมทนได้ 18 ครั้ง ทั้งสองเกินความต้องการที่ 10 ครั้ง

ความแตกต่าง? เมื่อบั๊กในเฟิร์มแวร์ทำให้หน่วยแรก 50 เครื่องเสียหาย FPGA ที่ยึดมุมสามารถถอดออกและเปลี่ยนได้ใน 15 นาที หน่วยที่เติมเต็มทั้งหมดจะกลายเป็นของเสีย โดยแลกกับความทนทานทางทฤษฎีเพียงเล็กน้อย ลูกค้าได้รับความสามารถในการซ่อมแซม 100%

อย่างไรก็ตาม คำเตือน: อย่าพยายามประดิษฐ์การยึดมุมด้วยกาวหลอดใดๆ ที่วางอยู่ในห้องแล็บ ฉันเคยเห็นวิศวกรพยายามใช้ RTV ซิลิโคน (กาวอาบน้ำโดยพื้นฐาน) เพื่อยึดชิ้นส่วน ซิลิโคน RTV หลายชนิดจะแข็งตัวโดยปล่อยกรดอะซิติก ซึ่งจะกัดกร่อนเส้นทองแดงและทำให้ข้อต่อบัดกรีผุกร่อนได้เมื่อเวลาผ่านไป หากคุณจะยึดชิ้นส่วน ให้ใช้กาวที่ออกแบบมาเฉพาะสำหรับอิเล็กทรอนิกส์—โดยปกติจะเป็นอีพ็อกซี่ที่ไม่導ไฟฟ้าพร้อมดัชนีไทโซโทรปิกสูงเพื่อไม่ให้ไหลลง

สเปคเดียวที่สำคัญ: Tg

ถ้าคุณตัดสินใจว่าต้องใช้การเติมเต็มเส้นเลือดฝอยเต็มรูปแบบ คุณควรมองไปที่บรรทัดหนึ่งในแผ่นข้อมูลทันที: อุณหภูมิการเปลี่ยนแก้ว หรือ Tg

Tg คืออุณหภูมิที่อีพ็อกซี่เปลี่ยนจากสถานะแข็งและเหมือนแก้วเป็นสถานะนุ่มและยืดหยุ่น นี่คือช่วงเวลาที่คุณสามารถซ่อมแซมได้ เพื่อถอดชิปที่เติมเต็มโดยไม่ทำลายบอร์ด คุณต้องสามารถให้ความร้อนกาวสูงกว่า Tg เพื่อให้อ่อนตัวพอที่จะยอมให้ถอดออกได้ แต่ต้องรักษาอุณหภูมิต่ำกว่าจุดที่แผ่น PCB ลอกหรือบัดกรีเกิดความร้อนเกิน

"การเติมเต็มที่สามารถซ่อมแซมได้" มักมี Tg ประมาณ 80°C ถึง 130°C ซึ่งช่วยให้ช่างเทคนิคใช้เครื่องเป่าลมร้อนให้ความร้อนในพื้นที่เฉพาะ ทำให้กาวอ่อนตัวและยกชิปขึ้นได้ อีพ็อกซี่ "โครงสร้าง" ที่ไม่สามารถซ่อมแซมได้มักมี Tg 160°C ขึ้นไป เมื่อคุณทำให้อีพ็อกซี่นั้นอ่อนพอที่จะขูดออกได้ คุณอาจทำให้บอร์ด FR-4 เสียหาย แผ่นทองแดงลอก และโครงสร้างทางผ่านถูกทำลาย

อย่าเชื่อคำว่า "ซ่อมแซมได้" ที่อยู่หน้าสิ่งพิมพ์ของผู้ขาย ทุกผู้ขายกาวอ้างว่าสินค้าของตนซ่อมแซมได้ สิ่งที่พวกเขาหมายถึงคือมันซ่อมแซมได้ ถ้า คุณมีเครื่องซ่อมแซมความแม่นยำ $50,000 เครื่อง เวลาแปดชั่วโมง และมือของศัลยแพทย์ ดูกราฟ Tg ถ้าวัสดุยังแข็งเหมือนหินจนถึง 170°C มันก็เหมือนถาวรสำหรับศูนย์ซ่อมที่มีปริมาณสูง

มีความละเอียดอ่อนตรงนี้—สูตรที่ซ่อมแซมได้ที่มี Tg ต่ำกว่าอาจมีความเสถียรน้อยกว่าในระยะยาวในสภาพแวดล้อมที่มีความร้อนสูง (เช่น ใต้ฝากระโปรงรถ) แต่สำหรับแท็บเล็ต หน้าจอแดชบอร์ด หรืออุปกรณ์ทางการแพทย์ การแลกเปลี่ยนนี้แทบจะคุ้มค่าเสมอ ฉันตั้งใจข้ามบทเรียนเคมีเกี่ยวกับระบบบ่มแอนไฮไดรด์กับอะมิน เพราะจริงๆ แล้วคุณไม่จำเป็นต้องรู้รูปร่างโมเลกุลเพื่อทำการตัดสินใจที่ถูกต้อง คุณแค่ต้องรู้ว่าคุณสามารถถอดมันออกจากบอร์ดได้หรือไม่

คณิตศาสตร์ของเศษวัสดุ

สุดท้าย การเติมเต็มเป็นการตัดสินใจทางเศรษฐกิจ ไม่ใช่แค่ทางกลไก คุณต้องทำ "การตรวจสอบคณิตศาสตร์ของของเสีย"

นำต้นทุนของ PCBA ที่ประกอบแล้วของคุณ สมมติว่าเป็นบอร์ดหลัก $800 สำหรับแท็บเล็ตทางการแพทย์ ตอนนี้ประเมินอัตราข้อบกพร่องของชิ้นส่วน BGA ของคุณ—อาจเป็น 2,000 ชิ้นต่อหนึ่งล้าน (ppm) ถ้าคุณใช้การเติมเต็มที่ไม่สามารถซ่อมแซมได้ ทุกข้อบกพร่อง 2,000 ชิ้นต่อหนึ่งล้านจะทำให้เกิดการสูญเสีย $800 คุณกำลังทิ้ง CPU หน่วยความจำ ชิปจัดการพลังงาน และบอร์ดเองทั้งหมดเพียงเพราะชิป $5 ตัวเดียวมีข้อต่อบัดกรีเย็น

ในกรณีของความล้มเหลวแท็บเล็ตทางการแพทย์ "Project Apollo" ในปี 2016 การเลือกใช้การเติมเต็มที่ไม่สามารถซ่อมแซมได้กับชิปหน่วยความจำที่มีข้อบกพร่องทำให้ต้องทิ้ง 4,000 เครื่อง การสูญเสียไม่ได้มีแค่ฮาร์ดแวร์เท่านั้น แต่ยังรวมถึงโลจิสติกส์ วันที่ส่งสินค้าที่พลาด และปัญหาการรับประกัน

ถ้าคุณใช้วัสดุที่ซ่อมแซมได้หรือกลยุทธ์การยึดมุม ความล้มเหลวนั้นจะมีค่าใช้จ่ายแค่ $50 ในแรงงานช่างเทคนิคและชิ้นส่วนใหม่ บอร์ดจะถูกบันทึกไว้ ความน่าเชื่อถือไม่ได้ขึ้นอยู่กับว่าอุปกรณ์รอดจากการทดสอบตกหรือไม่ แต่มันขึ้นอยู่กับว่าธุรกิจของคุณรอดจากความแปรปรวนในการผลิตหรือไม่ คำว่า "ถาวร" หมายถึง "สมบูรณ์แบบ" และในการผลิตอิเล็กทรอนิกส์ ไม่มีอะไรสมบูรณ์แบบเลย