ฟิสิกส์ของม้วนที่เหลือครึ่งหนึ่ง: ทำไมเราถึงซีลก่อนนอน

ในอุตสาหกรรมการผลิตอิเล็กทรอนิกส์ ส่วนประกอบที่อันตรายที่สุดบ่อยครั้งคือส่วนที่เคยใช้แล้ว ม้วนเต็มที่ปลอดเชือกที่บรรจุภายในสุญญากาศจากผู้จัดจำหน่ายเช่น Digi-Key หรือ Mouser เป็นปริมาณที่รู้กันดีและปลอดภัย แต่ทันทีที่การซีลนั้นแตกและม้วนไปยังป้อนเข้า เครื่องนาฬิกาจะเริ่มหยุด เมื่อการทำงานเสร็จสิ้นและยังเหลือม้วนบางส่วน การจัดการสินค้าคงคลังที่เหลืออยู่นั้นจะกำหนดผลลัพธ์ว่าการผลิตครั้งถัดไปจะได้บอร์ดที่ใช้งานได้หรือเศษโลหะราคาแพง

นี่ไม่ใช่เรื่องของความสะอาดคลังสินค้า แต่มันคือเทอร์โมไดนามิกส์ (Thermodynamics)

เมื่ออุปกรณ์ที่ไวต่อน้ำ—เช่น BGA หรือ QFN—ถูกปล่อยให้เปียกในอากาศของโรงงาน แผ่นอีพ็อกซี่ที่ดูดความชื้นของมันจะเริ่มดูดซับไอน้ำ มันทำงานราวกับฟองน้ำ หากองค์ประกอบนั้นถูกวางบนบอร์ดและผ่านเตา reflow อุณหภูมิจะพุ่งขึ้นสู่ 240°C หรือ 260°C ในเสี้ยววินาที น้ำที่ถูกกักขังในบรรจุภัณฑ์พลาสติกไม่ได้แค่ร้อนขึ้น แต่มันเปล่งเป็นไอน้ำร้อนพิเศษ เนื่องจากน้ำจะขยายตัวประมาณ 1,600 เท่าในปริมาตรเมื่อกลายเป็นไอน้ำ แรงดันภายในอุปกรณ์ขนาดเล็กนั้นจึงกลายเป็นระเบิด ผลลัพธ์คือ “Popcorning”—รอยร้าวภายใน micro, การแยกตัวของ die ออกจากโครงร่างลีด และความล้มเหลวของสายเชื่อม คุณอาจไม่สามารถมองเห็นความเสียหายนี้ด้วยตามธรรมชาติ แต่บอร์ดจะล้มเหลว

การป้องกันเดียวจากฟิสิกส์นี้คือมาตรฐานการซีลที่เข้มงวดและเกือบจะกลายเป็นความหวาดระแวง กระเป๋ากันความชื้น (MBB) ไม่ใช่แค่บรรจุภัณฑ์—it’s a time capsule.

นาฬิกาสะสม (The Cumulative Clock)

ความเชื่อผิดที่ยังคงแพร่หลายบนโรงงานมาตลอดเวลา: ว่านาฬิกา “Floor Life”—เวลาที่อนุญาตให้สัมผัสกับอากาศตามที่กำหนดโดย J-STD-033—จะรีเซ็ตทันทีที่ชิ้นส่วนกลับเข้าไปในถุง ความเชื่อนั้นเป็นความหวังที่อันตราย นาฬิกาไม่ได้รีเซ็ต มันแค่หยุดชั่วคราว หากชิ้นส่วนระดับ MSL 3 มีอายุบนพื้น 168 ชั่วโมง และอยู่บนป้อนสำหรับ 24 ชั่วโมง มันก็เหลือเวลาอีก 144 ชั่วโมง หากโยนเข้าไปในถุงหลวมที่ซีลอ่อน ๆ เป็นเวลาหนึ่งสัปดาห์ การแพร่ผ่านของความชื้นก็ยังดำเนินต่อไป ถึงแม้จะช้า When นำออกไปใช้งานครั้งถัดไป อาจจะกลายเป็นสต๊อกที่ตายแล้ว

ความจริงนี้บงการให้เราจัดการม้วนบางในทันทีที่มันหลุดออกจากเครื่องวางตำแหน่ง ค่าต่างระหว่าง “จบรัน” กับ “ซีลสุญญากาศ” เป็นตัวแปรที่สำคัญที่สุดในการอนุรักษ์สินค้าคงคลัง ในสภาพแวดล้อมที่ชื้นสูง—นึกถึงฤดูร้อนในมิดเวสต์ที่ความชื้นสัมพัทธ์ในโรงงานสูงถึง 60%RH แม้การซึมผ่านของความชื้นจะช้ากว่าที่อาร์ิโซน่า การรอคอยที่ไม่ใช่กระบวนการเป็นสิ่งที่ไม่ปลอดภัย มาตรฐานต้องคาดการณ์ว่าชิ้นส่วนจะสามารถคงสภาพได้ไม่ว่าจะเกิดอะไรขึ้น โดยไม่คำนึงถึงว่าการซีลนั้นแน่นพอหรือไม่

ความเข้มงวดนี้มักสร้างความสับสนให้ลูกค้าที่จัดหาวัสดุเอง เมื่อเราได้รับชุดสินค้าจากการส่งมอบ เรามักจะต้องแงะซีลดั้งเดิมของลูกค้าเพื่อตรวจสอบจำนวนหรือโหลดป้อนเข้า เมื่อละลายออกแล้ว เราจะเป็นผู้รับผิดชอบความเสี่ยงของความชื้น ไม่สามารถแค่เทถุงปิดสนิทและหวังดีได้ หรือพึ่งพาการบรรจุภัณฑ์ของลูกค้าเดิมหากมันถูกทำลาย เราจะทำการซีลใหม่ตามมาตรฐาน MSL ภายในของเรา ไม่ว่าจะวิธีการก็ตาม หากชิ้นส่วนเปิด การนับเวลาจะเริ่มต้นและเราต้องรับผิดชอบในการหยุดมัน

อัตราการแพร่ผ่านแบบมาตรฐานสมมุติสภาพแวดล้อมเฉพาะ ซึ่งโดยทั่วไปคือ 30°C/60%RH แม้ว่าม้วนที่อยู่ในโรงงานแอริโซนาที่แห้งสนิทจะดูดซับความชื้นช้ากว่าม้วนในโอไฮโอบนความโชค แต่พึ่งโชคชะตาแบบแวดล้อมไม่ได้เป็นกระบวนการ กฎระเบียบต้องสมมุติสถานการณ์รุนแรงที่สุดเพื่อความปลอดภัย หากการซีลสุญญากาศไม่แน่นพอที่จะเห็นร่องรอยของรูเฟืองผ่านถุง นั่นไม่ใช่การซีล เป็นเพียงผ้าห่อหลวมหรือห่อหุ้มธรรมดา และนาฬิกายังเดินอยู่

คำโกหกของสารดูดความชื้นที่ใช้ซ้ำ (The Lie of the Reused Desiccant)

จุดล้มเหลวที่พบได้บ่อยที่สุดในการเก็บม้วนบางไม่ใช่ถุงเอง แต่เป็นเคมีภายใน ถ้าทำงานประหยัดต้นทุนก็จะมีแนวโน้มที่จะนำถุงดูดความชื้นที่มาพร้อมกับม้วนเดิมกลับมาใช้ใหม่ ผู้ปฏิบัติการหยิบม้วนออกโยนถุงลงบนโต๊ะ ทำงานแล้วโยนถุงนั้นกลับเข้าไปพร้อมกับม้วนบาง ๆ

ถุงนั้นน่าจะตายแล้ว

สารดูดความชื้น ไม่ว่าจะเป็นซิลิกาเจลหรือโคลนมอร์ไมนาไรต์ มีความจุในการดูดซับความชื้นที่จำกัด เมื่อมันถึงจุดอิ่มตัว มันจะหยุดทำงาน กลายเป็นมวลที่ไม่ทำปฏิกิริยา การใส่ถุงสารดูดความชื้นที่อิ่มตัวเข้าไปในถุงปิดสนิทเปรียบเสมือนใส่ก้อนหินไว้ในถุง มันให้การป้องกันศูนย์ ในความเป็นจริง หากถุงนั้นดูดซับความชื้นจากพื้นโรงงานที่เปียกชื้นทั้งวัน การซีลมันไว้ในถุงพร้อมชิ้นส่วนสามารถล็อคความชื้นเอาไว้ได้ ใน, สร้างสภาพแวดล้อมชื้นในบริเวณใกล้เคียงกับส่วนประกอบที่ไวต่อความชื้น

เราใช้วิธีทดสอบง่าย ๆ สำหรับสารดูดความชื้นจากดินเหนียว แต่การตรวจสอบที่แท้จริงคือบัตรบ่งชี้ความชื้น (HIC) รีลชิ้นส่วนที่เรซีลจะได้รับสารดูดความชื้นแบบใหม่และ HIC ใหม่ เราไม่ใช้งานซ้ำ ค่าของชุดสารดูดความชื้น 4 ชิ้นจากผู้ขายที่เชื่อถือได้อย่าง Clariant คิดเป็นเงินเพียงเศษเสี้ยว ค่าการทำซ้ำบอร์ดที่ชิป IC $500 ล้มเหลวเป็นจำนวนมาก การประหยัดสิบสี่เซนต์เพื่อเสี่ยงต่อการผลิตมูลค่า 40,000 ดอลลาร์เป็นการไม่คุ้มค่า

บางครั้ง ผู้จัดการโรงงานถามว่าสามารถใช้ตู้แห้งไนโตรเจนแทนการซีลสูญญากาศได้ไหม ตู้แห้งเป็นทางเลือกที่ดีสำหรับงานในขั้นตอนที่ยังไม่เสร็จสมบูรณ์ — ชิ้นส่วนที่จะใช้งานอีกภายใน 48 ชั่วโมง แต่คุณไม่สามารถส่งตู้แห้งได้ และไม่สามารถวางซ้อนบนชั้นวางในคลังสินค้าเป็นเวลา 6 เดือน สำหรับการเก็บรักษาระยะยาวของชิ้นส่วน, ถุงสูญญากาศเป็นทางเลือกเดียวที่เหมาะสม

เมื่อรีลถูกดึงออกจากสต็อกหลายเดือนต่อมา, HIC เป็นแหล่งข้อมูลที่เชื่อถือได้ เป็นสิ่งเดียวในคลังสินค้าที่ซื่อสัตย์ ถ้าสีของจุด 10%เปลี่ยนจากน้ำเงินเป็นชมพู, การซีลล้มเหลว ชิ้นส่วนเป็นข้อสงสัย ไม่มีการพูดถึงบันทึกหรือวันที่ซีลใด ๆ ที่สามารถชดเชยเคมีของบัตรได้

ความผิดพลาดในการอบ (The Baking Fallacy)

คำอธิบายของ “ทีมสีแดง” ซึ่งเราได้ยินจากช่างเทคนิคจูเนียร์และผู้จัดการที่กดดันตามกำหนดคือ: “ทำไมต้องกังวลเกี่ยวกับถุง? หากชิ้นส่วนเปียก ก็สามารถอบให้แห้งได้”

นี่คือความเข้าใจผิดพื้นฐานเกี่ยวกับการผลิตอิเล็กทรอนิกส์ การอบเป็นขั้นตอนปกติไม่ได้ เป็นภารกิจช่วยเหลือสำหรับความล้มเหลวที่เกิดขึ้นแล้ว และเช่นเดียวกับภารกิจช่วยเหลือเกือบทุกอย่าง, มันมาพร้อมกับความเสียหายรอง

เพื่อขจัดความชื้นออกจากบรรจุภัณฑ์พลาสติก คุณต้องให้ความร้อน กระบวนการอบมาตรฐานมักจะกำหนดให้ใช้ 125°C เป็นเวลา 24 ชั่วโมง หรืออุณหภูมิต่ำกว่าที่ต้องใช้เวลานานขึ้น ถึงแม้ว่ามันจะช่วยกำจัดน้ำได้ แต่มันก็เร่งการเติบโตของชั้นโลหะผสมระหว่างโครงทองแดงกับชิ้นทอง/ตะกั่ว หรือชุบด้วยทอง ซึ่งเป็นผลเสียที่ส่งเสริมการเกิดออกซิเดชันบนพื้นผิวของส่วนปลาย

เมื่อคุณนำชิ้นส่วนที่ผ่านการอบแล้วมาพยายามบัดกรี บางครั้งคุณจะพบว่า ขาได้ผ่านการออกซิเดชันจนไม่สามารถทำให้หมึกบัดกรีเปียกได้ คุณได้แลกปัญหาเรื่องความชื้นเป็นปัญหาการบัดกรี คุณอาจไม่ได้รับการระเบิดร้อน แต่คุณจะได้ข้อต่อที่เปิด ข้อบกพร่องแบบหัวหัว pillow หรือการเปียกน้อยเกินไปที่จะล้มเหลวในสนาม เราเห็นกรณีนี้โดยเฉพาะกับ QFNs และชิ้นส่วนปลายล่างอื่นๆ ที่การเชื่อมต่อเป็นกิจกรรมทางเคมีเท่านั้น

ด้วยเหตุนี้ เราจึงไม่พูดถึงการอบเป็น “แผนสำรอง B” สำหรับสต็อก เรามองว่าการอบเป็นทางเลือกสุดท้ายสำหรับชิ้นส่วนที่ถูกจัดการผิดพลาด โดยปกติจากแหล่งสินค้าคลาดเคลื่อน สำหรับชิ้นส่วนของเรา จุดมุ่งหมายคือไม่ให้มันเห็นภายในเตาอบจนกว่าจะอยู่บนบอร์ดสำหรับการรีเฟลว์ ผมจะไม่ระบุโปรไฟล์การอบที่นี่เพราะไม่ต้องการส่งเสริมให้ใช้งาน กระบวนการนี้พึ่งพาการป้องกัน ไม่ใช่การแก้ไข

ฟิสิกส์ของผลกำไร (The Physics of Profit)

ในที่สุดวินัยในการปิดผนึกรีลส่วนประกอบคือการปกป้องอัตราผลผลิต มันเป็นงานที่น่าเบื่อ ต้องให้ผู้ปฏิบัติงานหยุดทำงาน ค้นหาวัสดุใหม่ และรอให้เครื่องซีลสูญญากาศทำงานอีกครั้ง รู้สึกเหมือนเป็นเวลาหยุดทำงาน

แต่เมื่อคุณพิจารณาผลประกอบการของสายการผลิต ค่าที่เรียกว่า “เวลาหยุดทำงาน” นั้นคือเบี้ยประกันที่แท้จริง ต้นทุนในการซีลรีลให้ถูกต้องประมาณหนึ่งดอลลาร์ในด้านแรงงานและวัสดุ ค่า failure ในสนามเดียวที่เกิดจากรอยรั่วของชิ้นส่วนที่ไวต่อความชื้นสามารถลบล้างกำไรของทั้งชุด ฟิสิกส์ไม่ได้สนใจเส้นตายของคุณ และไม่สนใจความประหยัดของคุณในการใช้ถุงพลาสติก มันให้ความเคารพต่อเกราะกั้นเท่านั้น