ปริศนา Golden Coupon: ทำไมรายงานที่ผ่านการทดสอบจึงซ่อนบอร์ดที่ล้มเหลว

บอร์ดเสียแล้ว มันเป็นหน่วยที่มีเดิมพันสูง—อาจเป็นตัวควบคุมโลจิสติกส์อัตโนมัติหรืออินเทอร์เฟซการตรวจสอบทางการแพทย์—และล้มเหลวในสนามหลังจากใช้งานเพียงห้าสิบชั่วโมง ห้องวิเคราะห์ความล้มเหลวได้ทำการชันสูตรแล้ว: การตัดขวางของ PCB เผยให้เห็นท่อวิที่แตกหรือการเชื่อมต่อโพสต์ที่แยกออก ฟิสิกส์นั้นปฏิเสธไม่ได้; ทองแดงถูกตัดขาดทางกายภาพ แต่บนโต๊ะหน้าผู้จัดการคุณภาพ “ใบรับรองความสอดคล้อง” (CoC) จากโรงงานผลิตส่องแสงด้วยเกรดผ่าน รายงานไมโครเซกชันที่แนบมากับการจัดส่งนั้นแสดงให้เห็นการชุบทองแดงที่สวยงามและแข็งแรง เหนือกว่าขั้นต่ำของ IPC Class 3 อย่างมาก

บอร์ดจะเสียทางกายภาพได้อย่างไรในขณะที่เอกสารของมันอ้างว่ามันสมบูรณ์แบบ? คำตอบมักอยู่ที่ “ตัวอย่างตัวแทน” หรือที่รู้จักกันดีในชื่อคูปองทดสอบ ในโลกที่มีเดิมพันสูงของการผลิตแผงวงจรพิมพ์ เราพึ่งพาแถบเล็กๆ ของวัสดุ PCB บนขอบของแผงผลิตเพื่อบ่งชี้สุขภาพของวงจรจริงในศูนย์กลาง เราสมมติว่าถ้าคูปองผ่าน บอร์ดก็ผ่าน สมมติฐานนี้เป็นความผิดพลาดที่มีค่าใช้จ่ายสูงที่สุดในความน่าเชื่อถือของฮาร์ดแวร์สมัยใหม่

ฟิสิกส์ไม่สนใจเอกสารของคุณ หากรูปทรงเรขาคณิตของคูปองทดสอบไม่ตรงกับรูปทรงเรขาคณิตของฟีเจอร์ที่ยากที่สุดบนบอร์ดจริง รายงานไมโครเซกชันจะหยุดเป็นข้อมูลและกลายเป็นนิยายที่สบายใจ

ฟิสิกส์ในถังชุบ

เพื่อเข้าใจว่าทำไมคูปองถึงโกหก คุณต้องดูสภาพแวดล้อมภายในถังชุบ แผง PCB ถูกจุ่มในอ่างอิเล็กโทรไลต์ที่ทองแดงถูกตกตะกอนบนพื้นผิวและในรูที่เจาะผ่านกระบวนการอิเล็กโทรไลซิส การชุบไม่ใช่กระบวนการที่สม่ำเสมอเหมือนการทาสีผนัง มันเป็นการต่อสู้ที่วุ่นวายของพลศาสตร์ของของไหลและการกระจายกระแสไฟฟ้า

อัตราที่ทองแดงสะสมภายในรูขึ้นอยู่กับ “พลังการขว้าง” ของอ่างและอัตราส่วนมุมมองของรูอย่างมาก รูกว้างตื้นชุบง่าย เคมีสดใหม่ไหลเข้าได้ง่าย และสนามไฟฟ้าแข็งแรง รูแคบลึกเป็นฝันร้าย เคมีหยุดนิ่ง และสนามไฟฟ้าพยายามเข้าถึงศูนย์กลางของท่อ

ตอนนี้พิจารณารูปทรงเรขาคณิตของคูปองทดสอบมาตรฐาน ในอดีต ผู้ผลิตหลายรายมักใช้คูปองมาตรฐาน IPC-2221 “Model A” หรือแถบกรรมสิทธิ์ง่ายๆ ซึ่งมักมีรูผ่านขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางใหญ่และแข็งแรง อาจจะ 0.5 มม. หรือมากกว่า พวกมันเป็น “ประตูโรงนา” ของโลก PCB—เจาะง่าย ทำความสะอาดง่าย และชุบง่ายมาก

เปรียบเทียบกับการออกแบบบอร์ด คุณอาจกำลังใช้การออกแบบการเชื่อมต่อความหนาแน่นสูง (HDI) ด้วยการเจาะกลไก 0.15 มม. หรือไมโครเวียที่เจาะด้วยเลเซอร์ เหล่านี้คือ “รูเข็ม” เมื่อแผงนั้นลงถัง เคมีจะไหลท่วมรูคูปองขนาดใหญ่ ตกตะกอนทองแดงหนาและแข็งแรง ขณะเดียวกันตรงกลางแผง สารละลายชุบพยายามหมุนเวียนภายในไมโครเวียขนาดเล็กที่มีอัตราส่วนมุมมองสูง ผลลัพธ์คือ “การบางที่หัวเข่า” หรือการชุบท่อไม่เพียงพอในผลิตภัณฑ์จริง ในขณะที่คูปองบนขอบได้รับดาวทอง

ความไม่สอดคล้องนี้ขยายไปไกลกว่าความสมบูรณ์ของโครงสร้าง นักออกแบบมักหมกมุ่นกับการควบคุมอิมพีแดนซ์ โดยต้องการรายงาน TDR (Time Domain Reflectometry) เพื่อให้แน่ใจในความสมบูรณ์ของสัญญาณ หากผู้ขายใช้คูปองที่มีรูปทรงเส้นทางที่ไม่ตรงกับความหนาแน่นเฉพาะและสภาพแวดล้อมการกัดกร่อนของคู่ความเร็วสูงแบบต่างเฟส ผลลัพธ์ TDR เหล่านั้นเป็นนิยายที่คำนวณ ไม่ใช่ความจริงที่วัดได้ หากคูปองโครงสร้างโกหกเกี่ยวกับความหนาทองแดง คูปองอิมพีแดนซ์ก็อาจโกหกเกี่ยวกับความกว้างของเส้นทาง

ปัญหายิ่งซับซ้อนขึ้นด้วย “ขโมยกระแส” ขอบของแผงผลิตดึงดูดความหนาแน่นกระแสไฟฟ้ามากกว่ากลางแผง เนื่องจากคูปองมักจะวางบนขอบแผง (“ราง”) เพื่อประหยัดพื้นที่ พวกมันจึงชุบเร็วและหนากว่าส่วนที่อยู่ตรงกลาง คุณจึงทดสอบพื้นที่ที่ได้รับสิทธิพิเศษที่สุดบนแผงเพื่อยืนยันส่วนที่ด้อยที่สุด

กับดัก HDI และ Via-in-Pad

ความไม่ตรงกันของเรขาคณิตจะกลายเป็นปัญหาร้ายแรงเมื่อคุณเข้าสู่โครงสร้าง HDI และ Via-in-Pad Plated Over (VIPPO) ซึ่งเป็นที่ที่เกิดสถานการณ์ "ผ่านแต่ล้มเหลว" ส่วนใหญ่ในยุคปัจจุบัน

พิจารณาไมโครเวียแบบซ้อน ในโครงสร้างนี้ เวียที่เจาะด้วยเลเซอร์บนชั้นที่ 1 เชื่อมต่อกับเวียฝังบนชั้นที่ 2 ซึ่งเชื่อมต่อกับชั้นที่ 3 ทั้งหมดซ้อนกันตรงกัน มันเปราะบางทางกลไกและมีแนวโน้มที่จะแยกที่ขอบเขตถ้าสูตรเคมีของการชุบไม่สมบูรณ์ อย่างไรก็ตาม ถ้าผู้ขายใช้คูปองมาตรฐานที่จัดเวียเหล่านี้แบบเลื่อนที่—วางให้เวียเหล่านี้ไม่ตรงกัน—แทนที่จะซ้อนกัน โปรไฟล์ความเครียดจะเปลี่ยนไปอย่างสิ้นเชิง คูปองแบบเลื่อนจะผ่านการทดสอบการหมุนเวียนความร้อนที่ทำให้เวียซ้อนกันแยกออกจากกัน คุณจึงตรวจสอบโครงสร้างที่ปลอดภัยในขณะที่ส่งมอบระเบิดเวลาที่รอระเบิด

จากนั้นก็มีฝันร้ายของ VIPPO ในกระบวนการนี้ เวียจะถูกชุบ เคลือบด้วยอีพ็อกซี่ แล้ว "ปิดฝา" ด้วยทองแดงเพื่อให้สามารถบัดกรีชิ้นส่วนได้โดยตรง อันตรายที่นี่คือ "การบุ๋ม" หรือการแยกฝาที่เกิดจากการปล่อยก๊าซของอีพ็อกซี่ หากการออกแบบของคุณใช้ VIPPO สำหรับการแยก BGA แต่คูปองมาตรฐานของผู้ขายใช้รูทะลุเปิด การตัดขวางจะไม่แสดงคุณภาพของการชุบฝาหรือการเติม

นี่มักเป็นจุดที่การถกเถียงระหว่าง IPC Class 2 และ Class 3 สร้างความมั่นใจผิดๆ ทีมจัดซื้อสู้เพื่อสัญญา Class 3 อย่างหนัก เชื่อว่ามันทำให้พวกเขาปลอดภัยจากความล้มเหลว แต่ Class 3 เป็นเพียงชุดเกณฑ์การยอมรับ (เช่น ความหนาขั้นต่ำของการชุบ ความกว้างของวงแหวนแอนนูลาร์) หากคุณใช้เกณฑ์ Class 3 กับคูปองที่ไม่เหมือนกับบอร์ดของคุณทางกายภาพ คุณไม่ได้ซื้อความน่าเชื่อถือ คุณซื้อการตรวจสอบคุณภาพสูงราคาแพงของวัสดุเศษที่ไม่มีความเกี่ยวข้องกับผลิตภัณฑ์ของคุณ

โล่เอกสาร

ทำไมสิ่งนี้ถึงเกิดขึ้น? ทำไมโรงงานผลิตที่ชื่อเสียงขึ้นอยู่กับคุณภาพถึงใช้คูปองที่ไม่ตรงกับบอร์ด?

ความตั้งใจร้ายมักไม่ใช่สาเหตุ ส่วนใหญ่เป็นเพียงความเฉื่อยและประสิทธิภาพ คูปองมาตรฐานเช่นรุ่น IPC-2221 ถูกออกแบบล่วงหน้า พอดีกับขอบแผงโดยไม่กินพื้นที่ที่สร้างรายได้ ง่ายต่อการตัดขวางและอ่านใต้กล้องจุลทรรศน์ ช่างเทคนิคในห้องปฏิบัติการสามารถประมวลผลคูปองมาตรฐานห้าสิบชิ้นในกะหนึ่ง คูปองที่กำหนดเองซึ่งเลียนแบบคุณสมบัติบอร์ดที่ซับซ้อนต้องใช้เวลาวิศวกรรมในการสร้าง ใช้พื้นที่มากขึ้น และยากต่อการเจียรและขัดโดยไม่ทำลายตัวอย่าง

ยังมีแรงจูงใจที่ผิดปกติอีกด้วย "คูปองทองคำ"—ที่ออกแบบมาให้ผ่าน—ช่วยให้สายการผลิตเคลื่อนที่ได้ หากผู้ขายใช้คูปองที่เลียนแบบคุณสมบัติที่ยากที่สุดของคุณอย่างเข้มงวด ผลผลิตของพวกเขาจะลดลง พวกเขาจะต้องทิ้งแผงที่อาจเป็น "เส้นขอบ" โดยการใช้คูปองที่ผ่อนปรน พวกเขาจะย้ายความเสี่ยงจากกองเศษของพวกเขาไปยังการคืนสินค้าของคุณในสนาม

เอกสารสนับสนุนเกราะป้องกันนี้ ใบรับรองมาตรฐาน CoC จะระบุการปฏิบัติตาม IPC-6012 เว้นแต่คุณจะอ่านรายละเอียดในภาคผนวก A ของ IPC-6012 และกำหนด "คูปอง A/B" (คูปองที่ตรงกับโครงสร้างเวียเฉพาะของการออกแบบ) ผู้ขายก็ถือว่าปฏิบัติตามโดยใช้แถบเริ่มต้นของพวกเขา พวกเขาปฏิบัติตามมาตรฐาน; มาตรฐานแค่ไม่ได้บังคับให้พวกเขาทดสอบสิ่งที่ยาก

วิศวกรรมความจริง

วิธีเดียวที่จะทำลายวงจรนี้คือควบคุมบันทึกการผลิต คุณไม่สามารถพึ่งพาผู้ขายให้ทำงานยากขึ้นโดยสมัครใจ

คุณต้องระบุให้สร้างคูปองทดสอบตาม IPC-6012 Appendix A. ข้อกำหนดนี้บังคับให้ผู้สร้างคูปองดูไฟล์บอร์ด ระบุ "คุณสมบัติที่ยากที่สุด" (MDF)—ไม่ว่าจะเป็นการเจาะที่เล็กที่สุด ระยะห่างที่แคบที่สุด หรือเวียบอดที่ลึกที่สุด—และสร้างคูปองที่เลียนแบบคุณสมบัตินั้น

สำหรับการผลิตที่สำคัญ—อวกาศ การแพทย์ หรือยานยนต์ปริมาณมาก—คุณต้องทำมากกว่านั้น ต้องการให้คูปองวางไม่เพียงแต่ที่ขอบแผง แต่ที่กลางแผง หรืออย่างน้อยในพื้นที่ใช้งาน ใช่ นี่กินพื้นที่ ใช่ คุณจะได้บอร์ดน้อยลงต่อแผง ผู้ขายจะต่อต้าน พวกเขาจะบอกว่ามันเพิ่มต้นทุนต่อหน่วย

นี่คือช่วงเวลาที่ต้องชั่งน้ำหนัก "ต้นทุนของคุณภาพ" คำนวณต้นทุนของพื้นที่แผงนั้น—อาจเป็นไม่กี่ดอลลาร์ต่อหน่วย ตอนนี้คำนวณต้นทุนของการเรียกคืนในสนาม สถานการณ์สายการผลิตหยุด หรือทีมวิศวกรบินไปยังผู้ผลิตตามสัญญาเพื่อแก้ไขความล้มเหลว "ผี" ต้นทุนเศษของคูปองที่ซื่อสัตย์เป็นเบี้ยประกันที่ถูกกว่ามากเมื่อเทียบกับความรับผิดชอบของการผ่านที่ผิดพลาด

มีความละเอียดอ่อนที่นี่ โรงงานผลิตชั้นนำบางแห่งได้พัฒนาคูปองภายในที่เป็นกรรมสิทธิ์ซึ่งเกินมาตรฐาน IPC ในความสามารถตรวจจับข้อบกพร่องแฝง หากผู้ขายต่อต้านคำขอคูปองของคุณเพราะพวกเขามีระบบภายในที่ "ดีกว่า" ฟังพวกเขา—แต่ต้องตรวจสอบ ขอข้อมูลทางเทคนิคเกี่ยวกับความไวของคูปองของพวกเขา หากพวกเขาพิสูจน์ได้ว่าวิธีของพวกเขาจับข้อบกพร่องที่คุณสนใจได้ นั่นก็ยอมรับได้ แต่ "เราทำแบบนี้มาตลอด" ไม่ใช่เหตุผลทางวิศวกรรมที่ถูกต้อง

สุดท้าย รายงานไมโครเซกชันมีค่าเพียงเท่าตัวอย่างที่มันทำลาย หากคุณปล่อยให้กระบวนการเป็นไปตามเส้นทางที่ง่ายที่สุด คุณไม่ได้ทดสอบผลิตภัณฑ์ของคุณ แต่คุณกำลังทดสอบความสามารถของผู้ขายในการชุบรูที่ไม่มีอยู่บนบอร์ดของคุณ บังคับให้รูปทรงตรงกับความเป็นจริง และกระดาษจะบอกความจริงในที่สุด