IC หนึ่งตัวที่วางอยู่บนบอร์ด ผ่านโรงงานอย่างน้อยสองแห่งที่ไม่ใช่โรงงานเดียวกัน แห่งหนึ่งผลิตชิป อีกแห่งหนึ่งประกอบชิปนั้นให้กลายเป็นตัว IC และความเสียหายจำนวนมากที่โรงงาน PCBA ตรวจพบในภายหลัง เกิดขึ้นตั้งแต่ในโรงงานที่สอง ตอนนี้จึงเป็นการมองย้อนขึ้นไปหนึ่งขั้นในห่วงโซ่ ไปดูว่าในตัวแพ็คเกจที่เรารับเข้ามาประกอบนั้นมีอะไรเกิดขึ้นได้บ้าง และทำไมความชื้นถึงเป็นตัวแปรที่อันตรายที่สุดตัวหนึ่งของงาน IC Packaging
Table of Contents
- ‘OSAT’ ความท้าทายของธุรกิจประกอบชิปที่คนนอกอุตสาหกรรมอาจไม่เคยรู้
- ‘ความชื้น’ ศัตรูอันดับ 1 ที่เป็นปัญหามากกว่า ‘ความร้อน’
- ‘คลื่นเสียง’ เครื่องมือตรวจสอบที่ไว้ใจได้ในจุดที่ X-Ray ไม่อาจมองเห็น
- ‘ทิศทางรอยแตก’ สัญญาณบ่งชี้เวลาของปัญหา
- อายุการใช้งานที่ลูกค้าซื้อ คือ สิ่งที่ต้องพิสูจน์ให้ชัดก่อนส่งมอบ
‘OSAT’ ความท้าทายของธุรกิจประกอบชิปที่คนนอกอุตสาหกรรมอาจไม่เคยรู้
UTAC หรือ United Test and Assembly Center คือโรงงานประเภท OSAT ที่รับชิปของลูกค้ามาประกอบเป็นตัว IC ตามโจทย์ที่ลูกค้ากำหนด เป็นเหมือนกับ ‘มือปืนรับจ้าง’ โจทย์ที่ได้รับ คือ ปลายทางว่าจะถูกนำไปใช้อย่างไร ชิปขนาดเท่าไหร่ ต้องการต่อวงจรแบบไหน จากนั้นโรงงานจึงออกแบบกระบวนการผลิต เลือก BOM แล้วเข้าสู่การผลิต
UTAC Thai ไม่ใช่บริษัทหน้าใหม่ แต่อยู่ในไทยมากว่า 50 ปี หลายคนรู้จักในชื่อเดิมว่า NS Electronics ซึ่งเป็นกิจการที่เกี่ยวโยงกับ National Semiconductor ก่อนที่ UTAC จะเข้าซื้อกิจการในปี 2549 ปัจจุบันอยู่ภายใต้ JCET Group และมีสามสาขาในไทย
กระบวนการผลิตเดินจากเวเฟอร์ของลูกค้าเข้าสู่ Wafer Test เพื่อคัดชิปดีออกจากชิปเสีย ต่อด้วย Dicing Saw ตัดเวเฟอร์เป็นชิปเดี่ยว แล้วจึง Die Attach ติดชิปลงบนบอดี้ ต่อวงจรด้วย Wire Bond ซึ่งอาจใช้ลวดทอง เงิน หรือทองแดงตาม BOM ที่เลือก จากนั้นฉีดพลาสติกหุ้มเป็น Encapsulation และปิดท้ายด้วย Electrical Test
โครงสร้างที่ผลิตในวันนี้ซับซ้อนกว่าที่หลายคนจำได้ จากเดิมที่ IC หนึ่งตัวมีชิปทำงานหนึ่งตัว ปัจจุบันมีการใส่ Power Controller และเซนเซอร์เข้าไปในบอดี้เดียวกัน บางแบบเรียงในแนวนอน บางแบบซ้อนขึ้นเป็น Stack หลายชั้น ทุกชั้นที่เพิ่มขึ้นคือรอยต่อที่เพิ่มขึ้น และทุกรอยต่อคือจุดที่มีโอกาสล้มเหลว
‘ความชื้น’ ศัตรูอันดับ 1 ที่เป็นปัญหามากกว่า ‘ความร้อน’
ภัยร้ายที่ถูกอธิบายละเอียดที่สุด คือ กลไกของความชื้น และเป็นหน้าที่โดยตรงของ PCBA ที่ต้องบริหารจัดการให้ได้ โดยในตัว Packaging ที่เป็น Molding Compound สำหรับหุ้ม IC จะมีพฤติกรรมคล้ายฟองน้ำ ซึ่งยอมให้ความชื้นซึมเข้าไปสะสมในเนื้อวัสดุได้ในระดับหนึ่ง อัตราการดูดซับขึ้นกับเกรดของวัสดุที่เลือกมาใช้กับผลิตภัณฑ์นั้นๆ แน่นอนว่าเกรดที่ดูดซับช้ามาพร้อมกับราคาที่สูงตาม และเกรดที่ดูดซับเร็วมีต้นทุนต่ำกว่า จึงเหมาะกับงานที่ไม่ได้อยู่ในจุดที่มีความเสี่ยงสูง มีสร้างผลกระทบร้ายแรงได้
ปัญหาจริงๆ มักเกิดตอนที่ IC เดินทางมาถึง SMT ซึ่งอุณหภูมิใน Reflow เกินกว่า 200 องศาเซลเซียส ซึ่งเลยจุดเดือดของน้ำไปมาก น้ำที่สะสมอยู่ในเนื้อพลาสติกเปลี่ยนสถานะเป็นไอและพยายามดันตัวออก บางส่วนระเหยออกไปได้ ส่วนที่เหลือจะหาช่องที่อ่อนแอที่สุดเป็นทางออก ทำให้เกิดแรงดันที่ตัววัสดุ
ถ้าช่องที่อ่อนแอที่สุดคือจุดที่เส้นลวดเชื่อมกับหน้าชิป ไอน้ำก็จะมุดออกตรงนั้น และทำลายจุด Interconnect ระหว่างทาง ถ้าโครงสร้างทนแรงดันไม่ไหวทั้งตัว Package ที่ห่อหุ้มไว้จะถูกดันออกด้านข้างหรือปูดขึ้นมา ซึ่งเรียกกันว่า Popcorn Crack ตามลักษณะการเกิด
นี่จึงเป็นเหตุผลหลักที่ IC ต้องถูกจัดระดับ Moisture Sensitivity Level และมีการควบคุม Floor Life กำกับมาด้วย เมื่อแกะซองกันความชื้นแล้วต้องรีบนำเข้า Reflow ภายในเวลาที่กำหนด ถ้าเกินกว่านั้นต้องนำไปอบไล่ความชื้นก่อน แม้จะเป็นขั้นตอนที่ยุ่งยากซับซ้อน แต่ก็เป็นกระบวนการที่ไม่อาจหลีกเลี่ยงหรือมองข้ามไปได้ด้วยเหตุผลด้านคุณภาพและความปลอดภัย
‘คลื่นเสียง’ เครื่องมือตรวจสอบที่ไว้ใจได้ในจุดที่ X-Ray ไม่อาจมองเห็น
ในกระบวนการตรวจสอบชิปหรือเซมิคอนดักเตอร์ก็ไม่ต่างจาก PCB คือเริ่มจากการตรวจด้วยสายตาและกล้องขยาย แล้วจึงใช้ X-ray มองโครงสร้างภายในโดยไม่ต้องตัดชิ้นงาน แต่เทคนิคนี้มีข้อจำกัดที่ต้องรู้ไว้ ภาพ X-ray เกิดจากความต่างของการดูดกลืนรังสี ซึ่งขึ้นอยู่กับความหนาแน่นและเลขอะตอมของวัสดุที่รังสีวิ่งผ่าน โลหะอย่างลวดทองหรือเนื้อบัดกรีจึงเห็นได้ชัด ส่วนรอยแยกบางระดับไมครอนที่มีแต่อากาศคั่นอยู่ แทบไม่ทำให้ค่าการดูดกลืนต่างไปจากเดิม จึงไม่ปรากฏบนภาพอย่างที่ควรจะเป็น
ตรงจุดนี้เองที่ Scanning Acoustic Microscope หรือ C-SAM เข้ามาทำงานแทน เพราะมันใช้คลื่นเสียงความถี่สูงแทนรังสี และรอยต่อระหว่างของแข็งกับอากาศคือจุดที่ค่า Acoustic Impedance ต่างกันมากที่สุด คลื่นเสียงจึงสะท้อนกลับเกือบทั้งหมด สิ่งที่ X-ray มองไม่เห็นที่สุด กลับเป็นสิ่งที่คลื่นเสียงเห็นชัดที่สุด
หลักการทำงานของเทคโนโลยีนี้ คือ การสะท้อนของคลื่นเสียงที่รอยต่อของวัสดุต่างชนิด เมื่อคลื่นวิ่งผ่าน Molding Compound แล้วไปเจอชิป จะสะท้อนกลับด้วยค่าหนึ่ง แต่หากมีรอยแยกที่เป็นอากาศคั่นอยู่ ค่าที่สะท้อนกลับจะต่างออกไป ซอฟต์แวร์แปลงความต่างนั้นเป็นภาพสีที่แยกได้ชัดเจนระหว่างพื้นที่ปรกติกับพื้นที่ที่มีความผิดปรกติ
ภาพที่ได้จึงเผยให้เห็นว่า Delamination กระจายตัวอยู่ตรงไหนและกินพื้นที่แค่ไหน ในกรณีที่รุนแรงจนสีแดงลากไปจนสุดขอบ Package เมื่อพลิกดูภายนอกก็จะพบว่าตัวแพ็คเกจแตกออกด้านข้างจริง ข้อควรระวังคือต้องเลือกความถี่ของสัญญาณให้เหมาะกับชนิดของแพ็คเกจที่กำลังตรวจ
หลังจากนั้นจึงเป็นช่วงเวลาสำหรับการตรวจสอบแบบ Destructive หรือการตรวจสอบที่ทำลายชิ้นส่วน เครื่องมือหลักคือ Decapsulation ซึ่งมีทั้งแบบเลเซอร์และแบบสารเคมี เลเซอร์มีข้อดีที่เลือกเจาะเฉพาะบริเวณที่สนใจได้ แต่มีข้อเสียที่อาจเผาลายวงจรที่ต้องการรักษาไว้ และความผิดพลาดยอดฮิตที่พบบ่อย คือ เมื่อ Compound หลุดออกหมด เส้นลวดจะเป็นอิสระและขยับตำแหน่งได้ ถ้ากำลังจะวัดระยะห่างระหว่างเส้นลวดว่าแตะกันหรือไม่ การเปิดออกจนหมดเท่ากับทำลายหลักฐานที่ต้องการวัด วิธีที่ถูกคือเปิดบางส่วนแล้วเก็บบางส่วนไว้ ก่อนจะส่งต่อไปจุ่มสารเคมี
‘ทิศทางรอยแตก’ สัญญาณบ่งชี้เวลาของปัญหา
กรณีศึกษาที่สอนวิธีคิดได้ดีที่สุดคือเคส Die Crack ที่รอยแตกบางระดับ Hairline จนกล้องและ SEM จับไม่ได้ ซึ่งวิธีที่ทาง UTAC Thai ใช้คือ Fracture Analysis ถอดชิปออกจากแพ็คเกจแล้วอ่านริ้วรอยของ River Line บนหน้าแตก เพราะลายของรอยแตกบอกทิศทางได้ว่ามันเริ่มจากขอบเข้ามา หรือจากด้านบนลงล่าง ซึ่งจะชี้กลับไปยังกระบวนการที่เป็นไปได้ต่างกัน ถ้ามาจากขอบก็ต้องสงสัยขั้นตอน Saw ถ้ามาจากด้านหลังก็ต้องสงสัยเข็ม Ejector ที่ดันชิป
หลักฐานที่ตัดตัวเลือกออกไปได้จริงกลับมาจากที่อื่น ผล Cross Section พบว่า Epoxy ที่ใช้เชื่อมชิปกับตัว Package แตกไปด้วย ซึ่งแปลว่ารอยแตกนั้นเกิดขึ้นหลังจาก Epoxy เซตตัวแข็งแล้ว ขั้นตอน Die Attach จึงถูกตัดออกจากรายการผู้ต้องสงสัยได้ทันที นี่คือตัวอย่างของการใช้หลักฐานข้างเคียงมาจำกัดขอบเขต แทนที่จะพยายามพิสูจน์สาเหตุตรงๆ
อีกตัวอย่างหนึ่งจบลงที่ต้นตอซึ่งไม่มีใครเดาถูกตั้งแต่แรก คือ กรณีชิปที่ติด Copper Pillar Bump มีมุมเผยอขึ้นมาเป็นรูปแบบซ้ำที่มุมเดียวกันในหลายตัวอย่าง การย้อนกลับไปดูกระบวนการพบว่าใบมีดตัดทำงานได้ไม่ลึกพอ ตัดไม่ขาดชั้น Back Side Metal ที่เคลือบอยู่ด้านหลังและมีความเหนียว เมื่อหัวจับดูดชิปขึ้นมาหนึ่งตัว จึงเกิดการรั้งชิปข้างเคียงติดขึ้นมาด้วย
ส่วนกรณีของ Lifted Wire แสดงให้เห็นว่าทำไมการวัดเชิงปริมาณถึงสำคัญกว่าการดูรูปทรง เกิดพบอาการ Open Failure แต่ X-ray ทั้งมุมบนและมุมข้างไม่พบอะไรผิดปกติ ต้องทำ Decapsulation ถึงจะเห็นว่ามีเส้นลวดหนึ่งเส้นขยับออกจากตำแหน่ง แต่เมื่อวัดพื้นที่การเชื่อมของชั้น IMC พบว่าได้เพียง 40% ทั้งที่ค่าที่ต้องการอยู่ที่ 70-80% ของพื้นที่ ลูกบอลที่รูปร่างดูสวยดีจึงยึดอยู่ได้ไม่นานก่อนจะหลุด ต้นเหตุคือมี Contamination คลุมอยู่บน Pad ทำให้การยึดติดไม่ได้มีคุณภาพมากนัก
กรณีดังกล่าวยังชี้ให้เห็นว่าการสืบสวนต้องย้อนไปไกลกว่าโรงงานตัวเอง เพราะรอยเข็ม Probe จากขั้นตอน Wafer Test ที่ทดสอบซ้ำหลายรอบจนเป็นหลุมลึกบน Pad ก็ทำให้ยึดติดยากได้เช่นกัน การขอประวัติ QC ของ Wafer จากลูกค้าจึงเป็นส่วนหนึ่งของงานในการแก้ปัญหาอย่างเป็นระบบ
อายุการใช้งานที่ลูกค้าซื้อ คือ สิ่งที่ต้องพิสูจน์ให้ชัดก่อนส่งมอบ
สิ่งที่ทำให้งาน IC Packaging ต่างจากงานประกอบทั่วไปคือสัญญาที่ผูกอยู่กับเวลา โดย UTAC Thai ระบุว่าเป้าหมายของผลิตภัณฑ์กลุ่มนี้คือใช้งานได้อย่างน้อย 15 ถึง 20 ปี และมาตรฐาน AEC-Q100 สำหรับ IC ยานยนต์ใช้การทดสอบ Temperature Cycling ที่ 1,000 รอบเป็นตัวแทนของอายุการใช้งานราว 15 ปี
โจทย์ที่ยากกว่านั้นเกิดขึ้นเมื่อลูกค้าขอยกขอบเขตการทดสอบไปที่ 2,000 รอบ ซึ่งเท่ากับขอความมั่นใจในระดับสองเท่า ผลที่พบ คือ รอยแยกที่ฉีกผ่านชั้น IMC แล้ววิ่งต่อไปตามเนื้อ Compound จนหลุดออกทั้งแนวที่มุม Package ข้อสรุปไม่ได้อยู่ที่จุดใดจุดหนึ่งบัดกรียึดติดไม่ดี แต่อยู่ที่ความแข็งแรงของ Package โดยรวมรับแรงบิดซ้ำๆ ไม่ไหว การแก้จึงต้องกลับไปทบทวนทุกตัวแปรพร้อมกัน ทั้ง Compound ที่เลือก การ Die Attach และการ Bond
ในอีกกรณีที่การทดสอบผ่านไปถึง 1,700 รอบก่อนล้มเหลว พบว่า Delamination วิ่งไปเฉือนเส้นลวดจนขาด โดยภาพจาก CSAM และภาพ Cross Section ยืนยันผลที่ตรงกัน ข้อกำหนดที่ลูกค้าให้มานั้นน่ามีความน่าสนใจ เพราะยอมรับให้มีรอยแตกได้ แต่ห้ามล้มเหลวใน Electrical Test ซึ่งเป็นการนิยามคุณภาพที่ผลลัพธ์ ไม่ใช่ที่ความสมบูรณ์แบบของโครงสร้าง
ข้อจำกัดที่ควรพูดให้ชัดคือการทดสอบเหล่านี้เป็นการเร่งสภาวะ ไม่ใช่การใช้งานจริง ตัวเลข 1,000 รอบเทียบเท่า 15 ปีเป็นค่าอ้างอิงที่ใช้กันในอุตสาหกรรมภายใต้เงื่อนไขการใช้งานแบบหนึ่ง ไม่ใช่การรับประกันอายุที่วัดจากสนามจริง
สำหรับผู้ผลิตไทย บทเรียนที่นำไปใช้ได้ทันทีคือคุณภาพของ IC ที่รับเข้ามาไม่ได้ถูกกำหนดที่วันผลิตเพียงอย่างเดียว แต่ถูกกำหนดที่วิธีเก็บและวิธีนำเข้าสาย Reflow ด้วย และในวันที่งาน Automotive Grade กำลังไหลเข้าประเทศมากขึ้น ความสามารถในการอ่านผล CSAM และตั้งคำถามกับ MSL ของทุกล็อตที่รับเข้ามา คือส่วนที่โรงงานประกอบทำได้เองโดยไม่ต้องรอ Supplier
ขอขอบคุณเนื้อหาและองค์ความรู้จาก THPCA – Failure Analysis Conference