[Basics] การกำจัดจุดบอดในการตรวจสอบ PCBA ด้วย X-ray CT: จะจับภาพ BGA HiP ที่มองไม่เห็นด้วย AOI ได้อย่างไร?

PCB Assembly คืออะไร?

PCB Assembly (PCBA) คือ กระบวนการประกอบและบัดกรีชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ต่างๆ (เช่น ไอซี, ตัวต้านทาน, คาปาซิเตอร์) ลงบนแผ่นวงจรพิมพ์ (PCB) ที่ผลิตขึ้นมาแล้ว เพื่อสร้างเป็น“แผงวงจร” ที่ทำหน้าที่เป็นแพลตฟอร์มทางกายภาพ และจ่ายไฟให้กับการทำงาน สร้างเป็นอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่ทำงานได้สมบูรณ์ตามความต้องการ ซึ่งทำหน้าที่เป็นทั้งแพลตฟอร์มทางกายภาพและเครือข่ายกระจายพลังงาน เพื่อสร้างอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่สมบูรณ์ตามข้อกำหนดการออกแบบ

วิธีการทดสอบและควบคุมคุณภาพ PCBA วิธีอื่น ๆ

การควบคุมคุณภาพของ PCBA ปัจจุบันสามารถทำได้หลากหลายวิธี ด้วยเทคโนโลยีที่ทันสมัยมากขึ้น ซึ่งแต่ละวิธีจะมีข้อแตกต่างและความเหมาะสมกับงานแตกต่างกันไปตามความต้องการตรวจสอบของผู้ใช้งาน

• Automated Optical Inspection (AOI) การตรวจสอบด้วยแสงอัตโนมัติ: ระบบ AOI จะประกอบด้วยกล้องความละเอียดสูง แหล่งกำเนิดแสง และซอฟต์แวร์ประมวลผลภาพ กล้องจะทำการจับภาพของวัตถุขณะที่ผ่านช่องตรวจสอบ กล้องเหล่านี้ได้รับการออกแบบมาเพื่อจับภาพได้จากหลายมุม ในขณะที่อุปกรณ์ให้แสงจะส่องไปที่บริเวณนั้น ๆ จากนั้นซอฟต์แวร์ของเครื่องจะประมวลผลภาพ เหมาะกับการตรวจสอบหลัง reflow ด้วยกล้องความละเอียดสูงเหมาะสำหรับ production line.
• SPI (Solder Paste Inspection): คือกระบวนการตรวจสอบคุณภาพในขั้นตอนของการพิมพ์ตะกั่วประสาน (Solder Paste) ลงบนแผ่นวงจรพิมพ์ (PCB) แบบอัตโนมัติ โดยขั้นตอนนี้จะเกิดขึ้นทันทีหลังจากเสร็จสิ้นการพิมพ์ตะกั่วผ่านแผ่น Stencil และต้องทำก่อนที่จะเริ่มการวางอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ (Pick and Place) เพื่อป้องกันไม่ให้เกิดข้อบกพร่องเช่น ปริมาณตะกั่วไม่พอ, ตะกั่วล้น, หรือพิมพ์เบี้ยว ตั้งแต่ต้นสายการผลิต

โครงสร้าง PCBA ที่เปลี่ยนไปและความจำเป็นของการตรวจสอบแบบไม่ทำลาย (NDT)

ในปัจจุบัน PCBA ที่มีขนาดเล็กลงเรื่อยๆ (Miniaturization) และมีหลายเลเยอร์เกิดความซับซ้อนมากขึ้น ซึ่งการตรวจด้วยตาเปล่า (Visual Inspection) อาจไม่เพียงพออีกต่อไป

• ความซับซ้อนที่เพิ่มขึ้นในการตรวจจับข้อบกพร่อง: หากเกิดข้อบกพร่องระหว่างการประกอบ PCB หรือเซมิคอนดักเตอร์ เช่น Head-in-Pillow (HiP), รอยร้าวขนาดเล็ก (Micro-cracks), การลัดวงจรภายใน หรือ ช่องว่างในรูเจาะเชื่อมต่อ (Via plating voids) ปัญหาเหล่านี้มักเกิดขึ้นลึกเข้าไปภายในตัวชิปหรืออยู่ภายใต้ชิ้นส่วนอุปกรณ์ ซึ่งกล้อง AOI (Automated Optical Inspection) ทั่วไปไม่สามารถมองเห็นหรือตรวจจับได้
• ข้อจำกัดของการตรวจสอบแบบดั้งเดิม: ความผิดพลาดเพียงเล็กน้อยอาจส่งผลให้ผลิตภัณฑ์ล้มเหลวโดยสิ้นเชิงหรือทำให้ตัวอุปกรณ์ใช้งานไม่ได้ นี่คือเหตุผลที่การทดสอบแบบไม่ทำลายสภาพ (NDT – Non-Destructive Testing) เข้ามามีบทบาทสำคัญอย่างยิ่งในการประกันคุณภาพ
• ข้อดีของการตรวจสอบด้วย X-ray Inspection: รังสีเอกซ์ (X-rays) สามารถทะลุทะลวงผ่านชิ้นงานเพื่อเผยให้เห็นโครงสร้างภายใน เช่น จุดบัดกรีใต้ชิป BGA ซึ่งเป็นจุดที่กล้อง AOI เข้าไม่ถึง ช่วยเพิ่มความมั่นใจให้กับกระบวนการผลิตได้เป็นอย่างดี
• ประโยชน์ของการสแกนแบบ CT (CT Scanning): การสแกนแบบ CT สามารถสร้างภาพจำลอง 3 มิติ เพื่อตรวจหารอยร้าวภายในเนื้อตะกั่วบัดกรี หรือการเกิดโพรงอากาศ (Voids) ในจุดเชื่อมต่อได้ ช่วยให้มั่นใจได้ว่าจะไม่มีปัญหาด้านความน่าเชื่อถือในการใช้งานระยะยาวอย่างแน่นอน

รู้จักกับ Head in Pillow (HiP)

Head in Pillow (HiP) คือ ข้อบกพร่องในการเชื่อมบัดกรี (soldering) อาการนี้เกิดขึ้นจากการที่ลูกตะกั่ว (Solder Ball) ที่ติดมากับตัวชิป และครีมตะกั่ว (Solder Paste) ที่อยู่บนบอร์ด PCB สัมผัสกันแต่

ไม่หลอมละลายรวมเป็นเนื้อเดียวกัน: ข้อผิดพลาดแบบนี้ไม่สามารถตรวจสอบได้ด้วยการมองจากภายนอกเพราะข้อผิดพลาดอยู่ที่ตัวชิปด้านใน ซึ่งเป็นข้อผิดพลาดที่มักพบได้บ่อยในงาน PCB

สาเหตุที่อาจทำให้เกิด Hip ในชิ้นงาน

• Dynamic Warpage: เมื่ออุณหภูมิในเตา Reflow สูงขึ้น ตัวถังอุปกรณ์ BGA หรือตัวชิปอาจเกิดการ “โก่งตัว” ทำให้ลูกตะกั่วลอยห่างจากครีมตะกั่ว และไม่กลับลงไปประสานกัน
• Oxidation: มีคราบออกไซด์เกาะที่ผิวลูกตะกั่วหรือฟลักซ์ (Flux) จากการใช้ความร้อนที่ไม่เหมาะสม ทำให้ฟลักซ์เกิดการเสื่อมสภาพ ไม่สามารถกัดพื้นผิวเพื่อประสานเนื้อตะกั่วได้
• อุณหภูมิในเตา Reflow ไม่เหมาะสม ในกระบวนการ reflow ที่อุณหภูมิสูง ทำใหเแผงวงจรหรือชิ้นส่วน BGA บิดงอ ทำให้ลูกบัดกรีแยกจากบัดกรีบนแผง ไม่สามารถรวมตัวกันได้

นอกจากนี้ ยังมีเครื่องตรวจสอบ X-ray บางรุ่นที่สามารถติดตั้ง ชุดจำลองการบัดกรีแบบรีโฟลว์ (Reflow Simulator) ไว้บนสเตจภายในเครื่องได้ ซึ่งจะช่วยให้สามารถสังเกตการณ์สถานะการหลอมละลายของตะกั่วบัดกรีแบบเรียลไทม์ในขณะนั้นเลย (Live X-ray Fluoroscopic) โปรดตรวจสอบข้อมูลเพิ่มเติมเกี่ยวกับการติดตั้งและการให้บริการในประเทศไทย
 

A reflow simulator attached to Comet Yxlon X-ray inspection system:
Live X-ray fluoroscopic observation of solder coalescence

เทคโนโลยี NDT ที่สำคัญสำหรับการตรวจสอบงาน PCB

X-ray และ CT Scan จัดการกับจุดเชื่อมต่อที่ซ่อนอยู่ได้อย่างไร

จำเป็นต้องมีการตรวจสอบบริเวณใต้ชิป BGA และจุดบัดกรีที่ซ่อนอยู่ซึ่งกล้อง AOI ไม่สามารถตรวจจับได้ ข้อบกพร่องประเภท Head-in-Pillow (HiP) สามารถตรวจพบได้โดยการใช้เครื่องมือทดสอบแบบไม่ทำลายสภาพ (NDT)

• X-ray Inspection: ใช้การเอียงมุมกล้อง (Oblique View) เพื่อดูว่ารูปทรงของลูกตะกั่วมีความผิดปกติหรือไม่ ในกรณีของรอยเชื่อมที่สมบูรณ์ภาพ X-ray จะแสดงความต่อเนื่องของความหนาแน่นโลหะ แต่ในกรณีของ HiP รังสี X จะเดินทางผ่านช่องว่างเล็กๆ หรือชั้นออกไซด์ที่มีความหนาแน่นต่ำกว่าโลหะประสาน ทำให้เกิด “รอยแยกจาง ๆ” หรือลักษณะที่เห็นว่าทรงกลมของลูกตะกั่วซ้อนทับอยู่บนตะกั่วประสานโดยไม่ยุบตัวเข้าหากัน

 

• CT Scan: ระบบ CT สำหรับ PCB มักใช้เทคนิคที่เรียกว่า “Planar CT” หรือ “Laminography” โดยแหล่งกำเนิด X-ray และตัวรับภาพจะเคลื่อนที่ในแนววงจรขนานไปกับแผ่น PCB หรือมีการการถ่ายภาพ 2 มิติหลายร้อยภาพรอบตัวงานแบบ 360 องศา แล้วนำมาสร้างเป็นโมเดล 3 มิติ เทคโนโลยีนี้ใช้การ Virtual Slicing หรือการตัดภาพเสมือนจริงเพื่อดูเนื้อในที่ความลึกใดก็ได้ (แกน Z) ช่วยให้วิศวกรเห็นหน้าตัดตรงจุดสัมผัสระหว่างลูกตะกั่ว BGA และแผ่นวงจรได้อย่างแม่นยำ สามารถตรวจพบ Void (ฟองอากาศภายใน) และรอยร้าวขนาดเล็กที่ X-ray แบบ 2 มิติอาจมองข้ามไปเนื่องจากมีอุปกรณ์อื่นวางซ้อนทับกันอยู่

บทสรุป: ขั้นพื้นฐาน

การตรวจสอบข้อบกพร่องความผิดพลาดต่าง ๆ ในกระบวนการผลิตของ PCB จำเป็นต้องอาศัยการนำการทดสอบแบบไม่ทำลาย หรือ NDT มาใช้ร่วมกับการตรวจสอบแบบปกติ จะช่วยลดอัตราการผิดพลาดของชิ้นงานได้มหาศาล และช่วยให้สามารถคัดกรองความผิดปกติได้อย่างรวดเร็ว แต่อย่างไรก็ตาม ท้ายที่สุดแล้วก็ยังคงต้องใช้ความเข้าใจในกลไกทางโลหวิทยาของสาเหตุการเกิดความผิดพลาดเหล่านั้น ควบคู่ไปกับการเลือกใช้เทคโนโลยี NDT ที่เหมาะสม จึงจะเป็นกุญแจสำคัญในการรับประกันคุณภาพและความเชื่อถือได้ของผลิตภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์ในระดับสูงสุด

[ขั้นสูง] Smart Factory ของ Comet Yxlon: การตรวจสอบ PCBA อัตโนมัติและ DX ด้วย ProLoop และ Insights AI

ตามที่ได้หารือกันในส่วนแรกของซีรีส์นี้ แม้ว่าการตรวจสอบด้วยแสงอัตโนมัติ (AOI) จะสามารถจับข้อบกพร่องที่พื้นผิวได้ด้วยความเร็วสูง แต่ก็ไม่สามารถมองเห็นภายใน “จุดเชื่อมต่อที่ซ่อนอยู่” เช่น จุดที่อยู่ใต้ BGA ได้ ในทางกลับกัน แม้ว่าการตรวจสอบด้วย X-ray CT จะเผยให้เห็น “ความจริงภายใน” แต่การทำ CT scan อย่างเต็มรูปแบบในทุกส่วนประกอบอาจใช้เวลานาน
Comet Yxlon แก้ไขปัญหานี้ด้วยการผสานรวมซอฟต์แวร์ ProLoop และ Insights ซึ่งเป็นการทำให้กระบวนการตรวจสอบทั้งหมด “intelligentizing” ได้อย่างมีประสิทธิภาพ

ProLoop: การสร้าง “ความสัมพันธ์แบบเติมเต็มอัจฉริยะ” ระหว่าง AOI และ Offline X-ray CT

ProLoop ทำหน้าที่เป็นศูนย์บัญชาการที่เชื่อมโยงระบบ AOI และระบบตรวจสอบ X-ray CT อัตโนมัติแบบออฟไลน์ (AXI) เข้าด้วยกัน

• จาก “สัญญาณ” สู่ “การยืนยัน”: ตัวอย่างเช่น หากระบบ AOI ตรวจพบ “ความเอียง” เพียงเล็กน้อยในแพ็คเกจ BGA ProLoop จะถ่ายโอนข้อมูลพิกัดเฉพาะเหล่านั้นไปยังระบบ X-ray ทันที จากนั้น X-ray จะทำการเจาะจงจุดเพื่อตัดสินทันทีว่าเป็นข้อบกพร่อง Head-in-Pillow (HiP) ที่ร้ายแรง หรืออยู่ในช่วงค่าความคลาดเคลื่อนที่ยอมรับได้
• การกำจัดสัญญาณหลอกโดยอัตโนมัติ (Automatic Elimination of False Calls): เฉพาะพื้นที่ “โซนสีเทา” ที่ระบุว่าน่าสงสัยโดย AOI เท่านั้นที่จะถูกส่งไปตรวจสอบด้วย X-ray ที่มีความแม่นยำผ่าน ProLoop สิ่งนี้ช่วยขจัดความสูญเสียด้านเวลาที่เกี่ยวข้องกับการทำ CT scan ทั้งบอร์ด และขจัดความจำเป็นในการยืนยันด้วยสายตาของมนุษย์แบบอนาล็อก ซึ่งจะช่วยเพิ่มอัตราการผ่านการตรวจสอบในครั้งแรก (First-pass yield) ของสายการผลิตได้อย่างมีนัยสำคัญ

Insights: การขับเคลื่อนข้อสรุปด้วยการตัดสินอัตโนมัติโดย AI Automatic Judgement

แพ็คเกจวิเคราะห์ Insights AI จะทำหน้าที่ตัดสินใจผลขั้นสุดท้ายจากภาพที่มีความน่าสงสัยซึ่งถูกส่งมาโดย ProLoop

• การตัดสินใจอัตโนมัติโดย AI (ADR): AI ใช้การเรียนรู้เชิงลึกเพื่อตัดสินข้อบกพร่องที่ตัดสินได้ยากด้วยตาเปล่า เช่น โพรงอากาศ (ฟองอากาศ), Head-in-Pillow (HiP) และการไม่เปียกตัวของตะกั่ว (Non-wetting)
• ปรับปรุงความเร็วในการตรวจสอบ: มีการรวมซอฟต์แวร์วิเคราะห์ภาพ 3 มิติ “Dragonfly” เวอร์ชันล่าสุด และความเร็วในการวิเคราะห์เพิ่มขึ้นสูงสุดถึง 100 เท่าเมื่อเทียบกับวิธีดั้งเดิมเนื่องจากการเร่งความเร็วด้วย GPU นอกจากนี้ Laminography (micro3Dslice) ที่ทำงานร่วมกับ AI ยังช่วยให้ตัดสินแผงวงจรหลายเลเยอร์แบบอัตโนมัติด้วยความเร็วสูง
• มาตรวิทยา 3 มิติ (การวัดอัตโนมัติ): แพ็คเกจอย่าง “Void Insights” ช่วยให้คำนวณโพรงอากาศในแบบ 2D/3D ได้โดยอัตโนมัติ ยิ่งไปกว่านั้น AI ยังระบุและวัดข้อบกพร่องขนาดเล็กในระดับต่ำกว่าไมครอน (น้อยกว่า 1µm)
• การใช้งานที่สะดวกและเข้าใจง่าย: รองรับ “Geminy UI” รุ่นล่าสุด มอบสภาพแวดล้อมที่สามารถใช้งานแพ็คเกจวิเคราะห์ AI ขั้นสูง (Void Insights, Review Insights) ได้อย่างง่ายดาย

บทสรุป : ขั้นสูง

การประกันคุณภาพยุคถัดไปผ่านการผสานรวมฮาร์ดแวร์และซอฟต์แวร์

ด้วยการเพิ่มชุดซอฟต์แวร์อัจฉริยะนี้เข้ากับระบบตรวจสอบ X-ray CT ที่ “มองเห็นในสิ่งที่มองไม่เห็น” ของ Comet Yxlon โรงงานผลิต PCBA จะพัฒนาไปไกลกว่าแค่ “การตรวจจับข้อบกพร่อง” สู่ “กระบวนการผลิตที่ปราศจากข้อบกพร่อง”

• การเพิ่มความแม่นยำในการตรวจสอบสูงสุด: บรรลุการควบคุมคุณภาพที่สมบูรณ์โดยการรวมทั้งข้อมูลทางแสง (พื้นผิว) และข้อมูล X-ray (ภายใน)
• การทำงานโดยไม่ใช้คน (Unmanned Operations): ขจัดความผิดพลาดที่เกิดจากมนุษย์ผ่านการผสมผสานระหว่างการตัดสินอัตโนมัติที่ขับเคลื่อนด้วย AI และการประสานงานของระบบอัตโนมัติของ ProLoop
• การลดเวลาหยุดเครื่องจักรให้เหลือน้อยที่สุด: จับสัญญาณบ่งชี้ความผิดปกติที่คาดการณ์ได้ และส่งข้อมูลนั้นกลับไปยังกระบวนการก่อนหน้า (เช่น การพิมพ์ตะกั่วหรือการติดตั้งชิ้นส่วน) เพื่อตัดวงจรของข้อบกพร่องก่อนที่จะเกิดขึ้น