ฆาตกรเงียบ: ทำไม MEMS ผ่านการรีโฟลว์แต่ล้มเหลวในภาคสนาม

คุณกำลังดูแผนภูมิผลผลิตที่เกือบทั้งหมดเป็นสีเขียว การทดสอบในวงจร (ICT) แสดงอัตราผ่าน 99.8% ผู้ทดสอบฟังก์ชันที่ปลายสายกำลังร้องเพลง ผลิตภัณฑ์ถูกบรรจุ ส่ง และเปิดตัวแล้ว

แล้วสามสัปดาห์ต่อมา โทรศัพท์ก็ดังขึ้น

การคืนสินค้าจากสนามไม่ได้มาในรูปแบบของหน่วยที่เสียหาย แต่เป็น “ผู้ล่องลอย” ไมโครโฟนที่มีระดับเสียงรบกวนเพิ่มขึ้นอย่างไม่สามารถอธิบายได้ เซ็นเซอร์ความดันรายงานการเปลี่ยนแปลงความสูงขณะวางอยู่บนโต๊ะ เครื่องวัดความเร่งที่มีการเลื่อนตำแหน่งถาวร เมื่อคุณทดสอบใหม่บนโต๊ะทดสอบ อาจผ่านอีกครั้งชั่วครู่ หรือแสดงข้อผิดพลาดเป็นช่วงๆ ที่หายไปเมื่อคุณกดที่แพ็กเกจ โรงงานยืนยันว่ากระบวนการสมบูรณ์แบบ โปรไฟล์การรีโฟลว์ดูเหมือนตัวอย่างในตำราเรียนของการจัดการความร้อน

นี่คือสถานการณ์ “ผู้บาดเจ็บเดินได้” คุณกำลังเผชิญกับโหมดความล้มเหลวที่มองไม่เห็นในการทดสอบไฟฟ้าที่ทางออกโรงงานแต่เป็นอันตรายต่ออายุการใช้งานของผลิตภัณฑ์ นี่ไม่ใช่ข้อบกพร่องการบัดกรีหรือชุดซิลิคอนที่ไม่ดี มันแทบจะเป็นเหตุการณ์การแยกชั้นที่เกิดจากความชื้นซึ่งเกิดขึ้นเมื่อหลายสัปดาห์ก่อน ภายในเตารีโฟลว์ เนื่องจากการละเมิดกระบวนการที่ไม่มีบันทึกในสมุดบันทึก

ฟิสิกส์ของความตายช้า

เพื่อเข้าใจว่าทำไมชิ้นส่วนเหล่านี้ถึงตายล่าช้า คุณต้องหยุดคิดเกี่ยวกับพวกมันเหมือนวงจรรวมมาตรฐาน (IC) หากคุณปฏิบัติผิดกับแพ็กเกจ SOIC หรือ QFP มาตรฐานด้วยความชื้น มันจะ “ป๊อปคอร์น” ความชื้นกลายเป็นไอน้ำ ความดันเกินความแข็งแรงของพลาสติก และแพ็กเกจจะแตกเสียงดัง คุณเห็นรอยแตก คุณทิ้งบอร์ด มันน่ากลัวแต่ซื่อสัตย์

MEMS (ระบบไมโครอิเล็กโทรเมคานิกส์) แตกต่างกัน มันเป็นโครงสร้างกลไกที่ซับซ้อน—แท่นกระโดดเล็กๆ เยื่อบาง และหวี—ที่อยู่ภายในโพรง เมื่อความชื้นซึมเข้าไปในแพ็กเกจ MEMS มันจะตกตะกอนที่ส่วนติดต่อระหว่างสารขึ้นรูปกับฐานรอง หรือแผ่นติดชิป

เมื่อชิ้นส่วนนั้นเข้าสู่เตารีโฟลว์ อุณหภูมิจะพุ่งสูงถึง 260°C ความชื้นที่ถูกกักขังจะกลายเป็นไอน้ำร้อนจัด แต่ไม่เหมือนชิ้นพลาสติกแข็ง แพ็กเกจ MEMS มักมีช่องว่างภายในและส่วนติดต่อวัสดุที่หลากหลาย แทนที่จะทำให้แพ็กเกจแตกด้านนอก ความดันไอน้ำจะหาทางที่ต้านทานน้อยที่สุด: มันแยกชั้นภายใน แยกชิปออกจากแผ่นติดหรือยกสารขึ้นรูปขึ้นเพียงไม่กี่ไมครอนจากโครงนำ

ชิ้นส่วนไม่ได้ระเบิด มันแค่หายใจลึกและขยายตัว

สำคัญคือ การเชื่อมต่อทางไฟฟ้า—โดยปกติจะเป็นสายทองคำ—มักจะยืดพอที่จะรักษาการติดต่อ หน่วยเย็นลง ช่องว่างปิดเล็กน้อย และผ่านการทดสอบความต่อเนื่องทางไฟฟ้า มันเดินผ่าน ICT ของคุณได้อย่างง่ายดาย

แต่ความเสียหายได้เกิดขึ้นแล้ว ตอนนี้คุณมีช่องว่างการแยกชั้นขนาดจุลภาค ในช่วงสัปดาห์ถัดไป เมื่ออุปกรณ์ผ่านการเปลี่ยนอุณหภูมิรายวันหรือความชื้นในสภาพแวดล้อมของผู้ใช้ ช่องว่างนั้นจะหายใจ มันสูดเอาสิ่งปนเปื้อนเข้าไป หากคุณใช้กระบวนการไม่ต้องล้างสารตกค้างของฟลักซ์ที่ควรจะไม่มีอันตรายบนพื้นผิว อาจถูกดูดเข้าไปในรอยแยกใหม่เหล่านี้ เมื่ออยู่ข้างใน พวกมันจะผสมกับความชื้นเพื่อสร้างอิเล็กโทรไลต์ที่นำไฟฟ้าได้

อย่างช้าๆ การกัดกร่อนจะกัดกินแผ่นเชื่อมต่อหรือโครงสร้าง MEMS ที่บอบบางเอง หรือความเครียดทางกลของชิปที่แยกชั้นทำให้เมมเบรน MEMS ผ่อนคลาย เปลี่ยนจุดศูนย์ นี่คือเหตุผลที่คุณเห็น "การลอยของเซ็นเซอร์" หลังจากหลายสัปดาห์ ชิ้นส่วนไม่ได้เสียหาย; มันหลุดลอย

สถานที่เกิดเหตุ: ไม่ใช่เตาอบ

เมื่อเกิดความล้มเหลวเหล่านี้ สัญชาตญาณแรกคือการโทษโปรไฟล์การรีโฟลว์ วิศวกรจะใช้เวลาหลายวันปรับโซนแช่หรือลดอุณหภูมิสูงสุดลงสององศา นี่เป็นการเสียเวลา คุณไม่สามารถแก้ปัญหาชิ้นส่วนเปียกด้วยการรีโฟลว์

อาชญากรรมไม่ได้เกิดขึ้นในเตาอบ แต่มันเกิดขึ้นบนชั้นเก็บของสามวันก่อนหน้านั้น

ถ้าคุณเดินดูในโรงงานผลิต — ไม่ใช่เส้นทางทัวร์ที่มีไกด์ แต่เป็นซอยหลังเครื่องป้อนและวาง — คุณจะพบสาเหตุรากฐาน คุณอาจเห็น "ตู้อบแห้ง" ที่หน้าจอดิจิทัลแสดง 5% RH แต่บานพับประตูเสียและถูกปิดด้วยเทป Kapton ซีลไม่แน่น และความชื้นจริงภายในคือ 55% เท่ากับในห้อง

คุณอาจเห็นม้วนของชิ้นส่วนที่ไวต่อความชื้นวางอยู่บนรถเข็นใต้ช่องลมแอร์เพราะผู้ปฏิบัติงานคิดว่า "ลมเย็น" จะช่วยปกป้องพวกมัน คุณจะพบสมุดบันทึกที่อ้างว่าม้วนถูกนำกลับเข้าตู้อบแห้งเวลา 14:00 ในขณะที่กล้องวงจรปิดแสดงว่ามันนั่งอยู่บนรถเข็นป้อนจนถึงเวลาสลับกะ 18:00

การละเมิดเหล่านี้มองไม่เห็นในระบบข้อมูล MES (ระบบบริหารการผลิต) บอกว่าส่วนนี้ยังมีอายุการใช้งานบนพื้นโรงงานอีก 48 ชั่วโมง ฟิสิกส์บอกว่ามันอิ่มตัวแล้วเมื่อ 12 ชั่วโมงก่อน เมื่อชิ้นส่วนที่อิ่มตัวนั้นเจออุณหภูมิสูงสุด 260°C ของเตารีโฟลว์ ความดันไอน้ำจะทำงานโดยไม่สนใจว่าคุณจะลดอุณหภูมิได้สมบูรณ์แบบแค่ไหน

หยุดอบเพื่อแก้ปัญหา

ปฏิกิริยาที่อันตรายที่สุดต่อความกลัวความชื้นคือแนวคิด "แค่เอาเข้าเตาอบ" ผู้จัดการฝ่ายผลิตที่กลัวการทิ้งเซ็นเซอร์มูลค่า $50,000 จะสั่งให้ทำรอบอบเพื่อ "รีเซ็ต" อายุการใช้งานบนพื้นโรงงาน

การอบไม่ใช่ปุ่มรีเซ็ตฟรี — มันคือเหตุการณ์ความเครียดทางความร้อน

IC มาตรฐานอาจทนต่อการอบที่ 125°C เป็นเวลา 24 ชั่วโมงโดยไม่บ่น แต่ MEMS บอบบางกว่ามาก ฉันเคยเห็นถาดของเครื่องวัดความเร่งที่อบที่อุณหภูมิสูงซึ่งไอระเหยจากถาดขนส่งราคาถูก (ซึ่งไม่ได้ออกแบบมาเพื่ออบ) กลั่นตัวบนพอร์ตเซ็นเซอร์ ปิดผนึกพวกมัน

แม้ว่าคุณจะใช้ถาด JEDEC ที่ทนความร้อนสูงอย่างถูกต้อง การอบซ้ำๆ จะส่งเสริมการเจริญเติบโตของโลหะผสมที่ขอบตะกั่วและทำให้แผ่นเชื่อมต่อเกิดออกไซด์ คุณอาจทำให้ชิ้นส่วนแห้ง แต่ตอนนี้คุณสร้างความเสี่ยงข้อบกพร่อง "head-in-pillow" ในการบัดกรีเพราะแผ่นเชื่อมต่อจะไม่เปียกอย่างถูกต้อง

นอกจากนี้ หากคุณพยายามอบชิ้นส่วนที่ยังอยู่ในเทปและม้วน คุณกำลังเดินบนขอบมีด เทปพาหะส่วนใหญ่ไม่ทนต่ออุณหภูมิอบมาตรฐาน คุณจะได้พลาสติกละลายติดกับชิ้นส่วนของคุณ หรือเทปบิดงอพอที่จะทำให้เครื่องป้อนความเร็วสูงติดขัด ทำให้เกิดเวลาหยุดทำงานจำนวนมาก

ถ้าคุณต้องอบ คุณต้องปฏิบัติตาม J-STD-033 อย่างเคร่งครัด โดยมักใช้การอบที่อุณหภูมิต่ำ (40°C) ซึ่งใช้เวลาหลายสัปดาห์ ไม่ใช่ชั่วโมง โรงงานส่วนใหญ่ไม่มีความอดทนสำหรับเรื่องนี้ ดังนั้นพวกเขาจึงเพิ่มความร้อนและอบชิ้นส่วน

นาฬิกา MSL เป็นแบบสัมบูรณ์

รากเหง้าของปัญหาวินัยมักเกิดจากความเข้าใจผิดเกี่ยวกับระดับความไวต่อความชื้น (Moisture Sensitivity Level - MSL) หลายทีมมองว่า MSL เป็นเพียงแนวทางคร่าวๆ แต่มันไม่ใช่ มันคือขีดจำกัดความร้อนที่คำนวณได้

มีช่องว่างขนาดใหญ่ระหว่าง MSL 3 และ MSL 5a

• MSL 3 ให้เวลาการเปิดรับ 168 ชั่วโมง (หนึ่งสัปดาห์)
• MSL 5a ให้เวลา 24 ชั่วโมง

นั่นคือหนึ่งวัน หากม้วนไมโครโฟน MSL 5a ถูกเปิดเพื่อการตั้งค่า ทิ้งไว้บนเครื่องในช่วงกะงาน 10 ชั่วโมง แล้วนำกลับใส่ถุงที่ไม่ได้ดูดอากาศอย่างสมบูรณ์ นาฬิกาจะไม่หยุด มันหยุดชั่วคราวในกรณีที่ดีที่สุด หากสารดูดความชื้นอิ่มตัวแล้ว นาฬิกาจะยังคงเดินต่อภายในถุง

เป็นเรื่องปกติที่วิศวกรเฟิร์มแวร์พยายามเขียนโค้ดเพื่อแก้ไขความล้มเหลวเหล่านี้ พวกเขาเห็นการลอยของเซ็นเซอร์และพยายามสร้างตารางสอบเทียบหรือขั้นตอน “เบิร์นอิน” ที่ซับซ้อนเพื่อทำให้การอ่านค่าคงที่ แต่นี่เป็นเรื่องไร้ประโยชน์ คุณไม่สามารถแก้ไขการติดชิปที่ลอกออกด้วยซอฟต์แวร์ คุณกำลังสอบเทียบโครงสร้างทางกายภาพที่เสียหายซึ่งจะยังคงเคลื่อนที่ตามการเปลี่ยนแปลงของความชื้น

โปรโตคอลเหนือความกล้าหาญ

วิธีแก้ไขเดียวสำหรับ “Walking Wounded” คือวินัยที่เข้มงวดและระมัดระวังอย่างมากก่อนเข้าเตาอบ

คุณต้องเชื่อเคมี ไม่ใช่สมุดบันทึก ทุกถุงกันความชื้น (MBB) มีบัตรบ่งชี้ความชื้น (HIC) อยู่ข้างใน เมื่อคุณเปิดถุง ให้ดูบัตรนั้นทันที หากจุด 10% เป็นสีชมพู (หรือสีลาเวนเดอร์ ขึ้นอยู่กับชนิด) ชิ้นส่วนเหล่านั้นน่าสงสัย ไม่ว่าจะมีป้ายบอกว่าอย่างไร

ตรวจสอบการปิดผนึกสุญญากาศของถุงทุกใบก่อนเปิด หากถุงหลวม—ถ้าคุณบีบพลาสติกแล้วดึงออกจากถาดได้—แสดงว่าถุงนั้นเสียหาย สารดูดความชื้นน่าจะอิ่มตัวแล้ว

สุดท้าย คุณต้องยอมรับที่จะทิ้งชิ้นส่วน นี่คือเรื่องที่ยากที่สุดที่จะขายให้กับฝ่ายบริหาร แต่ม้วนเซ็นเซอร์ MEMS ที่ถูกทิ้งไว้นานโดยไม่ทราบระยะเวลาเป็นระเบิดเวลาที่รอระเบิด หากคุณใส่มันบนบอร์ด มันจะผ่านการทดสอบในโรงงาน มันจะถูกส่งออก และมันจะล้มเหลวเมื่อผู้ใช้ของคุณนำไปวิ่งในเช้าวันที่มีความชื้นสูง

ต้นทุนการทิ้งม้วน $2,000 เป็นเพียงข้อผิดพลาดในการปัดเศษเมื่อเทียบกับต้นทุนการเรียกคืนในสนาม อย่าอบ อย่าเดา หากสายการควบคุมถูกทำลาย ชิ้นส่วนนั้นคือขยะ