ฟิล์มที่มองไม่เห็น: ทำไม “สะอาดทางไฟฟ้า” ถึงเป็นอันตรายต่อแสง

คุณอาจเคยยืนอยู่ในห้องประชุม จ้องไปที่หน้าจอโปรเจคเตอร์ที่แสดงภาพที่มัวและมีความคอนทราสต์ต่ำจากอุปกรณ์ที่เพิ่งออกจากสายการผลิต การทดสอบทางไฟฟ้าผ่าน การตรวจสอบฟังก์ชันผ่าน แผงวงจรเปิดใช้งาน เซ็นเซอร์เริ่มทำงาน และข้อมูลไหลเข้ามา แต่ภาพดูเหมือนถ่ายผ่านหน้าต่างที่สกปรก

ปฏิกิริยาแรกจากฝ่ายจัดซื้อคือการโทษผู้ขายกระจกว่ามีการเคลือบที่บกพร่องหรือผู้ผลิตเซ็นเซอร์ที่มีชุดชิ้นส่วนที่ไม่ดี แต่ถ้าคุณกำลังดูหน่วยออปติกที่ปิดผนึก—ไม่ว่าจะเป็นโมดูล LIDAR กล้องรถยนต์ หรือกล้องส่องทางการแพทย์—ผู้ร้ายมักไม่ใช่กระจก แต่เป็นเคมีที่มองไม่เห็นที่เกิดขึ้นห่างออกไปเพียงห้ามิลลิเมตรบนแผงวงจรพิมพ์

ช่องว่างระหว่าง “สะอาดพอสำหรับอิเล็กตรอน” กับ “สะอาดพอสำหรับโฟตอน” คือที่ที่สินค้าคงคลังมูลค่าหลายล้านดอลลาร์ถูกทิ้ง ในการผลิตอิเล็กทรอนิกส์มาตรฐาน ความสะอาดถูกกำหนดโดยความต้านทาน หากคราบที่เหลือบนแผงวงจรไม่สามารถนำไฟฟ้าข้ามแผ่นแปะได้ แผงวงจรถูกพิจารณาว่าสะอาด นี่คือหลักการของ IPC-610 และโปรโตคอลมาตรฐาน J-STD-001

อย่างไรก็ตาม ออปติกส์ไม่สนใจความต้านทาน พวกมันสนใจความระเหย คราบที่ไม่เป็นอันตรายทางไฟฟ้าอย่างสมบูรณ์ยังสามารถมีปฏิกิริยาเคมี รอการกระตุ้นให้ลอยออกจากแผงวงจรและตกตะกอนใหม่บนพื้นผิวที่เย็นที่สุดใกล้เคียง ในที่อยู่อาศัยที่ปิดผนึก พื้นผิวนั้นมักเป็นด้านในของเลนส์ของคุณ

ทีมเฟิร์มแวร์มักวินิจฉัยผิดว่าเป็นเสียงรบกวนของเซ็นเซอร์ วิศวกรจะใช้เวลาหลายสัปดาห์ปรับแต่งอัลกอริทึม ISP เพิ่มระดับสีดำ หรือแก้ไขเสียงรบกวนรูปแบบคงที่ที่ดูเหมือนจะลอยไปตามเวลา หากคุณเห็นเสียงรบกวนที่สัมพันธ์กับอุณหภูมิอุปกรณ์หรือเวลาการทำงาน หยุดเขียนโค้ด คุณไม่ได้สู้กับการเพิ่มสัญญาณ คุณกำลังสู้กับชั้นกายภาพของหมอกควันโพลิเมอร์ที่ควบแน่นโดยตรงบนไมโครเลนส์ของเซ็นเซอร์ CMOS ของคุณ ไม่มีโค้ดใดสามารถทำความสะอาดสิ่งปนเปื้อนทางกายภาพได้

เคมีของห้องปิดผนึก

ผู้กระทำผิดหลักในเรื่องนี้คือฟลักซ์ “No-Clean” ชื่อของมันเองเป็นหนึ่งในความเข้าใจผิดที่อันตรายที่สุดในห่วงโซ่อุปทานออปติก “No-Clean” ไม่ได้หมายความว่า “ไม่มีคราบตกค้าง” แต่หมายความว่าคราบที่เหลืออยู่ไม่กัดกร่อนและปลอดภัยทางไฟฟ้าที่จะทิ้งไว้บนแผงวงจร ในสภาพแวดล้อมเปิด เช่น เราเตอร์สำหรับผู้บริโภค นี่ถือว่าโอเค ก๊าซระเหยออกไปในห้อง และของแข็งยังคงอยู่ที่เดิม

แต่โมดูลออปติกเป็นระบบนิเวศที่ปิด เมื่อคุณปิดผนึก PCB ภายในที่อยู่อาศัย IP67 คุณสร้างสภาพภูมิอากาศขนาดเล็ก

พิจารณาฟิสิกส์เมื่อหน่วยนั้นเปิดใช้งาน โปรเซสเซอร์และ IC จัดการพลังงานจะร้อนขึ้น อากาศภายในที่อยู่อาศัยขยายตัว และความดันไอเพิ่มขึ้น คราบฟลักซ์ที่ “ไม่เป็นอันตราย” บนข้อต่อบัดกรี—โดยเฉพาะสารกระตุ้นโบรไมด์และตัวพาเรซิน—เริ่มปล่อยก๊าซออกมา มันไม่จำเป็นต้องเดือด แค่ต้องระเหิด อนุภาคจิ๋วเหล่านี้ลอยผ่านกระแสการพาความร้อนภายในที่อยู่อาศัย

ในที่สุด หน่วยจะปิดลง ที่อยู่อาศัยเย็นลง หน้าต่างกระจก ซึ่งเป็นอุปสรรคที่บางที่สุดต่อโลกภายนอก จะเย็นลงก่อน ไอจะควบแน่นบนกระจกเย็นนั้น ก่อให้เกิดหมอกที่มองไม่เห็นด้วยตาเปล่าแต่ทึบแสงต่อเลเซอร์หรือเซ็นเซอร์

เราเห็นเหตุการณ์นี้เกิดขึ้นในสภาพแวดล้อมที่มีความเสี่ยงสูง เช่น หน่วย LIDAR สำหรับรถบรรทุกขับเคลื่อนอัตโนมัติ หน่วยอาจผ่านการทดสอบทุกอย่างบนพื้นโรงงาน แต่หลังจากการเบิร์นอิน 200 ชั่วโมง หน้าต่างจะเกิดฟิล์มขุ่น การวิเคราะห์มวลมักเผยว่านี่ไม่ใช่ข้อบกพร่องของการเคลือบกระจก แต่เป็นชั้นของเรซินฟลักซ์โพลิเมอร์ที่ย้ายมาจากข้อต่อบัดกรี “สะอาด” ที่อยู่ห่างออกไปไม่กี่นิ้ว นี่ไม่ใช่ความล้มเหลวของฟลักซ์ในการทำงาน แต่นี่คือความล้มเหลวของวิศวกรที่ไม่เข้าใจว่าหน่วยออปติกที่ปิดผนึกนั้นเป็นเหมือนห้องกลั่น

วิศวกรบางคนพยายามแก้ปัญหานี้โดยการเคลือบแบบ conformal coating โดยสมมติว่าการปิดผนึกบอร์ดจะกักเก็บสิ่งสกปรกไว้ ซึ่งมักจะได้ผลตรงกันข้าม หากคุณเคลือบบอร์ดที่ยังไม่ได้ถูกล้างสารเคมีตกค้างออก คุณก็เหมือนกับกักเก็บความชื้นและตัวทำละลายไว้กับแผ่นลามิเนต เมื่อบอร์ดร้อนขึ้น สารระเหยเหล่านั้นจะขยายตัว ทำให้เกิดฟองอากาศหรือการลอกชั้นที่แยกออกจากกัน ยิ่งไปกว่านั้น การเคลือบเองก็อาจปล่อยก๊าซออกมาได้หากไม่ได้บ่มอย่างถูกต้อง คุณไม่สามารถปิดกั้นสิ่งสกปรกได้ คุณต้องกำจัดมันออกไป

ความร้อนคืออัยการ

สารตกค้างมีความอดทน มันสามารถนั่งอยู่บนบอร์ดโดยไม่มีอันตรายเป็นเวลาหลายเดือน แต่กลับทำให้เกิดความล้มเหลวในสนามเมื่อฤดูกาลเปลี่ยน นี่คือเหตุผลที่การทดสอบการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิไม่ใช่ตัวเลือกสำหรับผลิตภัณฑ์ออปติคัล หากคุณทดสอบคุณภาพภาพเพียงที่อุณหภูมิห้องในห้องปฏิบัติการ คุณไม่ได้ตรวจสอบความถูกต้องของผลิตภัณฑ์ คุณเพียงแค่ตรวจสอบการอยู่เฉยของมันเท่านั้น

โหมดความล้มเหลวมักจะดูเหมือน "ภาพซ้อน" หรือโฟกัสนุ่มที่ปรากฏเฉพาะในสภาพแวดล้อมที่ร้อน เช่น กล้องรักษาความปลอดภัยที่ติดตั้งในฟีนิกซ์ในเดือนกรกฎาคม และหายไปเมื่อยูนิตเย็นลง นี่คือสัญลักษณ์ของสารตกค้างที่เคลื่อนที่ได้ ที่ 60°C ความหนืดของสารตกค้างบางชนิดลดลง ทำให้มันสามารถเลื้อยได้ หรืออีกทางหนึ่ง ความร้อนจะเร่งอัตราการปล่อยก๊าซออกมาอย่างทวีคูณ เมื่อคุณนำยูนิตกลับไปที่ห้องวิเคราะห์ความล้มเหลว สารตกค้างอาจกลับมาเป็นของแข็งอีกครั้ง หรือสารระเหยอาจกระจายออกไป ทำให้คุณได้ผลลัพธ์ว่า "ไม่สามารถทำซ้ำได้"

คุณต้องทดสอบระบบอย่างหนักเพื่อให้เห็นสิ่งสกปรก การเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิแบบรอบทำหน้าที่เป็นกระบวนการเร่งอายุสำหรับการปนเปื้อน โดยบังคับให้เกิดการเคลื่อนย้ายที่ปกติจะใช้เวลาหกเดือนให้เกิดขึ้นภายในหกวัน หากคุณไม่ได้ทดสอบหน่วยคุณสมบัติทางแสงของคุณผ่านรอบอุณหภูมิ -40°C ถึง +85°C พร้อมกับตรวจสอบคุณภาพของภาพ คุณกำลังทำงานโดยไม่มีข้อมูล

ความขัดแย้งของการล้าง

ปฏิกิริยาที่สมเหตุสมผลต่อปัญหา "No-Clean" คือการเรียกร้องให้ผู้ผลิตตามสัญญา (CM) ล้างบอร์ด "แค่ให้พวกเขาผ่านเครื่องล้างน้ำ" คุณพูด

นี่คือจุดที่กับดักที่สองเปิดออก การล้างบอร์ดมีความเสี่ยงสูง หากทำไม่ถูกต้อง คุณอาจแย่กว่าปล่อยให้มันสกปรก

ลองจินตนาการถึงระบบล้างแบบอินไลน์มาตรฐาน มันจะพ่นน้ำร้อนและสารทำความสะอาด (สบู่เคมี) ลงบนบอร์ดเพื่อทำละลายฟลักซ์ ล้างด้วยน้ำดีไอออนไนซ์ และเป่าด้วยมีดลม ฟังดูสมบูรณ์แบบ แต่ลองเดินดูในโรงงานผู้ผลิตตามสัญญาที่ซูโจวหรือกวาดาลาฮาราและดูถังล้าง หากผู้จัดการสายการผลิตกำลังลดต้นทุน ถังนั้นอาจเต็มไปด้วยฟลักซ์ที่ละลายแล้ว มันกลายเป็นอ่างน้ำสกปรกที่พ่นบอร์ดของคุณด้วยสารละลายเข้มข้นของสารปนเปื้อนที่คุณพยายามกำจัด

เมื่อบอร์ดผ่านการล้างที่สกปรก หรือถ้าน้ำล้างไม่ได้ถูกตรวจสอบความขุ่น คุณจะได้สารตกค้างที่ร้ายกว่าฟลักซ์เดิมมาก สารทำความสะอาดมีความตึงผิวต่ำ; มันชอบเลื้อยใต้ชิ้นส่วนที่มีช่องว่างต่ำเช่น BGAs หรือ QFNs เมื่อถูกกักไว้ที่นั่น มีดลมไม่สามารถเป่าให้แห้งได้ คุณจะได้แอ่งโคลนที่นำไฟฟ้าซ่อนอยู่ใต้โปรเซสเซอร์หลัก เมื่อเวลาผ่านไป นี่จะทำให้เกิดการเจริญเติบโตแบบเดนไดรต์—เส้นขนโลหะที่เติบโตระหว่างแผ่นและทำให้เกิดการลัดวงจร

นี่นำไปสู่เกมโทษ "เลนส์ชำรุด" คุณเห็นจุดบนภาพและปฏิเสธล็อตของผู้ขายเลนส์ แต่ถ้าคุณรื้อยูนิตออก คุณอาจพบว่า "เชื้อรา" บนเลนส์จริงๆ แล้วเป็นเดนไดรต์ที่เติบโตจากกระเป๋าน้ำยาล้างที่ถูกกักไว้ เคลื่อนที่ข้ามพื้นผิว PCB และเข้ามาใกล้เส้นทางแสง ถังล้างที่อิ่มตัวจะฝากสิ่งสกปรกมากกว่าที่มันกำจัด และฝากไว้ในที่ที่คุณทำความสะอาดไม่ได้

การนิยามใหม่ของ "ความสะอาด" สำหรับออปติก

เพื่อแก้ปัญหานี้ คุณต้องหยุดพึ่งพาเครื่องช่วยมาตรฐานของอุตสาหกรรม IPC-610 Class 3 เป็นมาตรฐานงานฝีมือ ไม่ใช่มาตรฐานความสะอาดออปติก มันจะบอกคุณว่าข้อต่อบัดกรีของคุณเงางามและชิ้นส่วนของคุณตรงหรือไม่ แต่มันจะไม่บอกคุณว่าบอร์ดจะทำให้เลนส์ของคุณมัวหรือไม่

คุณต้องเปลี่ยนจากการทดสอบทั่วโลกเป็นการทดสอบเฉพาะจุด มาตรฐานอุตสาหกรรมสำหรับความสะอาดคือการทดสอบ ROSE (Resistivity of Solvent Extract) ซึ่งจุ่มบอร์ดทั้งแผ่นในสารละลายและวัดว่าความต้านทานลดลงเท่าใด มันให้คะแนนความสะอาดเฉลี่ยสำหรับพื้นที่ผิวทั้งหมด ซึ่งไม่มีประโยชน์สำหรับออปติก คุณอาจมีบอร์ดที่สะอาดสมบูรณ์แบบแต่มีคราบฟลักซ์หนักหนึ่งจุดอยู่ข้างเซ็นเซอร์ภาพ การทดสอบ ROSE จะเฉลี่ยคราบนั้นเป็นศูนย์ แต่เซ็นเซอร์จะเห็นมันเป็นความล้มเหลวร้ายแรง

ทางแก้คือการระบุ "ความสะอาดออปติก" ในบันทึกแบบของคุณ ซึ่งหมายถึงการเรียกร้องการทดสอบ Ion Chromatography (IC) เฉพาะจุดในพื้นที่สำคัญรอบเซ็นเซอร์ หมายถึงการระบุขีดจำกัดที่อนุญาตของไอออนเฉพาะ—คลอไรด์ โบรไมด์ ซัลเฟต—แทนที่จะเป็น "ผ่าน/ไม่ผ่าน" ทั่วไป หมายถึงการตรวจสอบกระบวนการล้างเพื่อให้แน่ใจว่าเซ็นเซอร์ความขุ่นทำงานและสารเคมีล้างถูกเปลี่ยนตามปริมาณบอร์ด ไม่ใช่แค่ตามวันในปฏิทิน

คุณไม่สามารถพึ่งพา "กระบวนการมาตรฐาน" เพื่อปกป้องระบบออปติกของคุณ กระบวนการมาตรฐานถูกออกแบบมาสำหรับสิ่งที่ไม่เห็น หากคุณต้องการภาพที่ชัดเจน คุณต้องปฏิบัติต่อ PCB ไม่ใช่แค่เป็นวงจร แต่เป็นส่วนประกอบออปติกในตัวเอง