Underfill และ Corner Bond ใน PCB Assembly: ใช้เมื่อไร คุมอย่างไร และเมื่อไรที่การเพิ่มวัสดุจะกลายเป็นความเสี่ยงแทน

Underfill หรือ Corner Bond ควรเริ่มจากปัญหาใด

เริ่มประเมิน capillary underfill เมื่อต้องการช่วยกระจายแรงทั่วใต้ package ส่วน corner bond และ edge bond ใช้ประเมินการยึดเฉพาะมุมหรือขอบ ต้องเลือกจาก failure mode และผลทดสอบของโครงสร้างจริง หากยังมี solder defect, warpage หรือปัญหาความชื้นและความสะอาด ให้แก้ต้นเหตุก่อน เกณฑ์ยอมรับกำหนดโดยข้อกำหนดของลูกค้า/มาตรฐานที่ลูกค้าเลือก ส่วนกระบวนการให้ระบุตามข้อกำหนดของลูกค้าและ datasheet ของวัสดุ

ในงาน การประกอบ BGA ต้องแยกคุณภาพบัดกรีตั้งต้นออกจากความทนทาน ตารางนี้เป็นจุดเริ่มทดลอง ไม่ใช่ผลยืนยันว่าวิธีใดใช้แทนกันได้

เปรียบเทียบ Underfill, Corner Bond และ Edge Bond

บทความ Flip chip อธิบายว่า underfill เป็นกาวฉนวนไฟฟ้าที่ช่วยยึดทางกล นำความร้อน และกระจายผลจากความต่าง CTE ส่วน Ball grid array อธิบายการเติม epoxy ใต้ BGA หลังบัดกรีเพื่อยึดชิ้นส่วนกับ PCB

Capillary underfill อาศัยการไหลในช่องแคบ ซึ่งเกี่ยวข้องกับแรงตึงผิวและการยึดเหนี่ยวระหว่างของเหลวกับผิวของแข็งตามหลัก capillary action การเห็นกาวที่ขอบจึงยังไม่ตอบว่าพื้นที่ใต้ package ถูกเติมตามต้องการแล้ว

ตำแหน่งกาว ลำดับ dispense และ cure ให้ระบุตามข้อกำหนดของลูกค้าและ datasheet ของวัสดุ โดยเฉพาะวัสดุที่ใช้ก่อนและหลัง reflow ซึ่งไม่ควรถือว่าใช้กระบวนการเดียวกันได้

ทำไมรอยต่อรอบนอกและมุม BGA จึงเสี่ยงเสียก่อน

ตามบทความ Ball grid array ลูกบอลบัดกรีไม่ยืดหยุ่นแบบขาอุปกรณ์ที่ยาวกว่า ความต่าง CTE รวมถึงการโก่งและการสั่นจึงทำให้รอยต่อแตกได้ เมื่อ package และ PCB ต้องการเปลี่ยนขนาดต่างกัน รอยต่อที่ยึดทั้งสองไว้ต้องรองรับการเคลื่อนที่สัมพัทธ์นี้

Neutral point คือจุดที่การเคลื่อนที่สัมพัทธ์จากการขยายตัวเป็นศูนย์ในแบบจำลอง สำหรับรูปทรงสมมาตรอย่างง่ายอาจอยู่กึ่งกลาง ยิ่งรอยต่ออยู่ไกล ระยะเคลื่อนที่ต่างกันยิ่งมาก จึงควรตรวจหา crack ที่มุมและแถวรอบนอก โดยพิจารณาการยึดรั้งจริงร่วมด้วย

บทความ Solder fatigue อธิบายว่าแบบจำลองกลุ่ม Engelmaier เชื่อมโยงการเสียรูปเฉือนกับระยะจาก neutral point ความสูงรอยต่อ ความต่าง CTE และการเปลี่ยนอุณหภูมิ โดยมีค่าคงที่เชิงประจักษ์เกี่ยวข้อง หากพิจารณาเฉพาะเรขาคณิตอย่างง่ายจะได้ว่า

• ระยะเคลื่อนที่ต่างกันแบบอิสระ ≈ ความต่าง CTE × ระยะจาก neutral point × ช่วงอุณหภูมิที่เปลี่ยน
• การเสียรูปเฉือนอย่างง่าย ≈ ระยะเคลื่อนที่ต่างกัน ÷ ความสูงรอยต่อ

ตัวอย่างสมมติ: เปรียบเทียบรอยต่อที่อยู่ห่างกึ่งกลางต่างกัน

ตัวอย่างสมมตินี้กำหนดความต่าง CTE เท่ากับ 10 ppm ต่อ °C หรือ 10 × 10⁻⁶ ต่อ K ช่วงอุณหภูมิที่เปลี่ยน 100 K และความสูงรอยต่อ 0.4 mm เพื่อเปรียบเทียบเรขาคณิตเท่านั้น ไม่ใช่ค่าที่แนะนำสำหรับการออกแบบหรือทดสอบ

ในตัวอย่างสมมติ ระยะ 15 mm ไกลกว่าระยะ 5 mm สามเท่า จึงมีการเคลื่อนที่และการเสียรูปอย่างง่ายสามเท่า นี่อธิบายความเสี่ยงของ outer balls และเหตุผลที่ corner bond เสริมบริเวณมุม แต่ผลจริงต้องทดสอบ

การคำนวณนี้ละเลยค่าคงที่ของวัสดุและความยืดหยุ่นหรือการยอมตัวของโครงสร้าง ใช้เปรียบเทียบเรขาคณิตเท่านั้น ไม่ใช่การทำนายอายุใช้งานหรือจำนวนรอบก่อนเสีย บทความ Solder fatigue ยังระบุว่าแบบจำลองช่วงการเสียรูปเพียงอย่างเดียวไม่แม่นยำพอ และแบบจำลองที่พัฒนาต่อมามีการใช้พลังงานการเสียรูปประกอบ

เมื่อไรควรพิจารณาวัสดุเสริม และเมื่อไรควรแก้ต้นเหตุก่อน

ควรประเมินวัสดุเสริมในช่วง ต้นแบบและ NPI เมื่อสงสัยความล้าจากอุณหภูมิซ้ำ แรงสั่น กระแทก หรือแรงจากโครงเครื่อง โดยตรวจจุดรองรับและแรงจากขั้น Box Build ร่วมด้วย

หากเสียหลังทดสอบ ให้เชื่อมตำแหน่ง crack กับ baseline และภาระที่ใช้ ขนาด package หรือชื่ออุตสาหกรรมเพียงอย่างเดียวไม่ใช่เหตุผลให้เติมกาว

ทบทวน warpage, MSL และ ความสะอาด ร่วมกัน โดยแยก void ในบัดกรีจากช่องว่างใน underfill; เกณฑ์แต่ละรายการกำหนดโดยข้อกำหนดของลูกค้า/มาตรฐานที่ลูกค้าเลือก

อ่าน Datasheet ของ Underfill และ Corner Bond อย่างไร

ตรวจว่าค่ารายงานเป็นก่อนหรือหลัง cure และวัดที่อุณหภูมิใด ไม่มีค่าเดียวที่บอกความเหมาะสมกับทุกบอร์ด

Tg: ช่วงที่พฤติกรรมวัสดุเปลี่ยน

Glass transition เป็นการเปลี่ยนอย่างค่อยเป็นค่อยไปและย้อนกลับได้ของวัสดุอสัณฐาน จากสภาพ glassy ที่แข็งและค่อนข้างเปราะไปสู่สภาพหนืดหรือคล้ายยางเมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น Tg บ่งบอกช่วงการเปลี่ยนนี้ โดยนิยามขึ้นกับวิธีวัด สมบัติการขยายตัวและ shear modulus เปลี่ยนบริเวณ Tg ด้วย

ควรเทียบ Tg กับอุณหภูมิใช้งานและอุณหภูมิ cure พร้อมตรวจว่าค่า Tg ที่รายงานสัมพันธ์กับ cure schedule ใด ไม่ใช้ Tg เป็นอุณหภูมิหลอมเหลวหรืออนุมานเวลา cure จากค่านี้เพียงอย่างเดียว

CTE: เทียบทั้ง Package รอยต่อ และ PCB

CTE เชิงเส้นบอกการเปลี่ยนขนาดสัมพัทธ์ต่อการเปลี่ยนอุณหภูมิ ค่าต่ำหมายถึงเปลี่ยนขนาดน้อยกว่า แต่ไม่ใช่เกณฑ์เลือกเดี่ยว ๆ บทความ Flip chip อธิบายว่า underfill เป็นตัวกลางช่วยกระจายผลจากความต่าง CTE ของชิปกับบอร์ด

จึงควรเทียบกับ package รอยต่อบัดกรี และ PCB ในช่วงอุณหภูมิที่เกี่ยวข้อง โดยเฉพาะเมื่อข้าม Tg

Modulus, Viscosity และการไหล

Modulus บอกความแข็งเชิงกล แต่แข็งขึ้นอาจเปลี่ยนจุดรับแรง จึงต้องประเมิน pad และผิวที่ยึดเกาะด้วย ส่วน viscosity ต้องอ่านร่วมกับสภาพผิว ช่องใต้ package และเส้นทางไหล

ตรวจทั้งการไหลถึงพื้นที่เป้าหมายและการคงรูปแนวกาว

Cure และ Compatibility กับกระบวนการเดิม

Cure schedule ต้องมาจาก datasheet และสอดคล้องกับข้อกำหนดของลูกค้า โดยตรวจข้อจำกัดของชิ้นส่วน connector ฉลาก และวัสดุอื่นบนบอร์ด ไม่ตั้งอุณหภูมิหรือเวลาจากกาวคนละชนิด

ควรประเมิน compatibility กับ flux residue สารทำความสะอาด conformal coating และวิธี rework พร้อมระบุลำดับล้าง เติมกาว และเคลือบให้ชัด คำว่าเข้ากันได้ต้องอ้างอิงผิวและกระบวนการจริง ส่วนคำว่า reworkable ควรยืนยันด้วยการทดลองถอดวัสดุ ยกชิ้นส่วน เตรียม pad และประกอบกลับ

ทางเลือกอื่นนอกจาก underfill

บทความ Ball grid array ระบุแนวทางแก้ด้านโครงสร้างซึ่งควรประเมินตั้งแต่การเลือกชิ้นส่วนและออกแบบบอร์ด ได้แก่

• จับคู่ลักษณะทางความร้อนและเชิงกลของ package กับ PCB โดย plastic BGA มักมีลักษณะทางความร้อนใกล้ PCB มากกว่า ceramic BGA
• พิจารณา PCB ที่ขยายตัวต่ำสำหรับ ceramic BGA หรือ CBGA
• ใช้ interposer ระหว่าง package กับ PCB
• เปลี่ยนรูปแบบบรรจุภัณฑ์ชิ้นส่วน หรือ re-packaging

ประเมินพื้นที่ ความสูง และการรองรับบอร์ดร่วมด้วย โดยวางการทดลองให้แยกผลของแต่ละตัวแปรได้

แหล่ง Ball grid array ยังกล่าวถึง underfill ว่าช่วยจำกัดการเติบโตของ tin whisker เป็นข้อดีเพิ่มเติม ข้อความนี้ไม่ได้ยืนยันว่าจะป้องกันได้ทั้งหมด และไม่ควรใช้เป็นเหตุผลหลักในการเลือกวัสดุโดยข้ามการประเมินความเค้นและ compatibility

Inspection และ Qualification ต้องพิสูจน์อะไร

ตรวจตั้งแต่ก่อนเติมวัสดุจนถึง reliability test เพราะภาพกาวที่เรียบร้อยไม่ยืนยันคุณภาพรอยต่อหรือความทนทาน

ควรทำ X-ray inspection ก่อนเติมวัสดุ และใช้ร่วมกับผลตรวจไฟฟ้า ไม่ถือว่าภาพเพียงอย่างเดียวตรวจพบความเสียหายทุกชนิด หาก baseline ยังมีปัญหา ควรทบทวน reflow profile และ stencil ก่อน

ตรวจ bead และ coverage ภายนอกเทียบกับแบบ ส่วนภายในต้องกำหนดวิธีตรวจให้เหมาะสม ยืนยัน cure จากเวลาและอุณหภูมิจริงที่บอร์ด ไม่ใช้ oven setpoint หรือความแข็งผิวเพียงอย่างเดียว

Temperature cycling หรือ thermal cycling เป็น environmental stress test ที่สลับระหว่างอุณหภูมิสองขั้วเพื่อประเมิน reliability และกระตุ้นความเสียหายแฝงจาก thermal fatigue ตามบทความ Temperature cycling ซึ่งอ้างถึงการทดสอบที่ JEDEC กำหนดใน JESD22-A104 อุณหภูมิ จำนวนรอบ เวลาแช่ อัตราการเปลี่ยนอุณหภูมิ จำนวนตัวอย่าง และเกณฑ์ยอมรับต้องกำหนดโดยข้อกำหนดของลูกค้า/มาตรฐานที่ลูกค้าเลือก

สำหรับ vibration, drop หรือ board flex ให้ทดสอบตามภาระนั้น กลุ่มใช้และไม่ใช้วัสดุต้องมี baseline เทียบกันได้และบันทึกตำแหน่งเสีย หากต้องซ่อมได้ ให้รวม rework trial ใน qualification

ต้นทุนและการจัดซื้อควรประเมินอะไร

ราคาเนื้อกาวเป็นเพียงส่วนหนึ่ง ควรเปรียบเทียบข้อเสนอบนขอบเขตเดียวกัน ทั้งวัสดุ ขั้นตอนผลิต การตรวจ และการซ่อม

• วัสดุ: ปริมาณใช้ วัสดุค้างภาชนะ อายุการเก็บ และเงื่อนไขเตรียมตาม datasheet
• กระบวนการ: การตั้ง dispense, fixture, cure และการรอระหว่างขั้นตอน
• หลักฐาน: ภาพตรวจ บันทึก cure และ qualification ที่ลูกค้าต้องการ
• Rework: วิธีถอดวัสดุ สภาพ pad หลังซ่อม และเงื่อนไขคัดทิ้ง
• การเปลี่ยนแปลง: ข้อมูลที่ต้องทบทวนเมื่อเปลี่ยนวัสดุหรือกระบวนการ

ผลต่อกำหนดส่งต้องประเมินจากวัสดุ อุปกรณ์ และคิวงานจริง ไม่กำหนดเวลาเพิ่มหรืออัตราขยายต้นทุนซ่อมโดยยังไม่ได้ประเมินโครงสร้างนั้น

RFQ Pack: ข้อมูลที่ควรใส่ในแบบและเอกสารขอราคา

คำสั่ง “เพิ่ม underfill ที่ BGA” ยังตีความต่างกันได้ ควรผูก drawing, BOM และแผนทดสอบกับ revision เดียวกัน และระบุผู้อนุมัติรายการที่ยังไม่ตัดสินใจ

เกณฑ์ยอมรับและจำนวนตัวอย่างกำหนดโดยข้อกำหนดของลูกค้า/มาตรฐานที่ลูกค้าเลือก ส่วนค่าเป้าหมายวัสดุและกระบวนการให้ระบุตามข้อกำหนดของลูกค้าและ datasheet ของวัสดุ หากยังไม่เลือกสูตร ต้องระบุว่าเป็นข้อเสนอที่รอประเมินและอนุมัติก่อนผลิต

คำถามที่ควรถาม Supplier ก่อนอนุมัติ

1. Failure mode คืออะไร และมีหลักฐานแยกจาก solder defect ตั้งต้นอย่างไร?
2. เหตุใดจึงเสนอวิธีนี้ และจะเปรียบเทียบกับการไม่เติมวัสดุหรือแก้โครงสร้างอย่างไร?
3. Datasheet revision ใดใช้ตัดสินใจ และค่า Tg, CTE, modulus อ้างอิงสภาวะใด?
4. จะพิสูจน์ compatibility กับคราบ flux การล้าง และ coating อย่างไร?
5. จะตรวจ coverage และ keep-out zone รวมถึงยืนยัน cure ที่บอร์ดอย่างไร?
6. มีวิธี rework และเกณฑ์ตรวจ pad กับชิ้นงานหลังซ่อมอย่างไร?
7. ใครกำหนดแผนทดสอบ อนุมัติผล และสืบกลับ material lot กับ cure record ได้อย่างไร?

คำตอบต้องตรวจสอบกับ drawing ได้ และไม่ใช้หลักฐานของบอร์ดอื่นแทน qualification โดยอัตโนมัติ

FAQ: คำถามที่พบบ่อยเกี่ยวกับ Underfill และ Corner Bond

Underfill จำเป็นกับ BGA ทุกตัวหรือไม่?

ไม่จำเป็น ต้องดูภาระใช้งาน CTE mismatch และผลทดสอบจริง หากคุณภาพบัดกรียังมีปัญหาให้แก้ก่อน การเปิดใช้งานได้ไม่ได้ยืนยันความทนทานตลอดอายุผลิตภัณฑ์

Corner bond กับ underfill แบบเต็มพื้นที่เลือกอย่างไร?

Corner bond ยึดเฉพาะมุม ส่วน capillary underfill เติมใต้ package เพื่อช่วยกระจายแรง ต้องเทียบผลทดสอบกับข้อจำกัด dispense, cure และ rework ไม่ถือว่าวิธีใดดีกว่าเสมอ

ใช้ Underfill กับ QFN ได้หรือไม่?

อาจพิจารณาได้เมื่อรูปทรงและวัสดุรองรับ ควรตรวจช่องว่าง คราบ และวิธีซ่อม พร้อมปิดปัญหา thermal pad และรอยต่อตาม คู่มือ QFN/DFN ก่อน

ใช้ Underfill แล้ว ยังต้อง X-ray หรือไม่?

ควรมี X-ray baseline ก่อนเติมตามแผนลูกค้า เพราะกาวไม่แก้ open, bridge หรือ void ในบัดกรีเดิม และต้องใช้ภาพร่วมกับผลตรวจไฟฟ้า

ต้องทดสอบอะไรบ้างก่อนเริ่มผลิตจริง?

ตรวจ baseline, bead, coverage, cure ที่บอร์ด และ reliability ตาม failure mode พร้อม rework trial หากต้องซ่อมได้ จำนวนรอบและเกณฑ์ยอมรับกำหนดโดยข้อกำหนดของลูกค้า/มาตรฐานที่ลูกค้าเลือก

ทำไม BGA ตัวใหญ่จึงเสี่ยงเสียที่มุมก่อน?

มุมอยู่ไกล neutral point จึงมีการเคลื่อนที่ต่างกันจาก CTE mismatch มากกว่าในแบบจำลองอย่างง่าย แต่ผลจริงขึ้นกับวัสดุและการยึดรั้ง ตัวอย่างสมมติในบทความไม่ใช่การทำนายอายุใช้งาน

Underfill ช่วยเรื่อง tin whisker ไหม?

Ball grid array กล่าวถึงการจำกัดการเติบโตเป็นข้อดีเพิ่มเติม ไม่ได้ยืนยันว่าจะป้องกันได้ทั้งหมด จึงไม่ควรเป็นเหตุผลหลักในการเลือก underfill

ถ้าไม่ใช้ Underfill มีทางเลือกอื่นไหม?

มีการจับคู่สมบัติ package กับ PCB, PCB ที่ขยายตัวต่ำสำหรับ CBGA, interposer และ re-packaging รวมถึงควรประเมินแรงจากจุดรองรับและโครงเครื่อง

RFQ ควรระบุอะไรเกี่ยวกับวัสดุเสริม?

ระบุ reference designator วิธีเสริม keep-out zone วัสดุ rework แหล่งเกณฑ์ยอมรับ ผู้กำหนดแผนทดสอบ material lot และ cure record พร้อมลำดับ cleaning กับ coating

สรุป: เลือกวัสดุเสริมเมื่ออธิบายต้นเหตุและพิสูจน์ผลได้

Underfill, corner bond และ edge bond เปลี่ยนการถ่ายแรงระหว่างชิ้นส่วนกับ PCB ด้วยพื้นที่ยึดเกาะต่างกัน ควรเริ่มจากคุณภาพรอยต่อที่ประเมินแล้ว failure mode ที่ชัด การอ่าน datasheet ตามสภาวะจริง และการทดสอบที่ตรงภาระใช้งาน พร้อมตรวจผลต่อ rework ก่อนล็อกกระบวนการ

สามารถส่ง drawing, BOM และข้อกำหนดการทดสอบเพื่อประสานข้อมูลโครงการผ่าน หน้า Contact หรือ ขอใบเสนอราคา โดยระบุ revision และตำแหน่งที่ต้องการประเมินวัสดุเสริมให้ชัดเจน

---

บทความที่เกี่ยวข้อง

• QFN และ DFN ใน PCB Assembly
• PCB Warpage, Bow และ Twist
• No-Clean กับ Water-Soluble Flux

อ้างอิง

• Flip chip — บทบาท underfill ในการยึดทางกล นำความร้อน และกระจายผลจากความต่าง CTE
• Ball grid array — ข้อจำกัดรอยต่อ BGA ทางเลือกด้านโครงสร้าง และข้อดีเพิ่มเติมเรื่อง tin whisker
• Solder fatigue — ความล้าจากภาระซ้ำ ปัจจัยการเสียรูปเฉือน และข้อจำกัดของแบบจำลอง
• Temperature cycling — Thermal cycling ในฐานะ environmental stress test และการอ้างถึง JEDEC JESD22-A104
• Glass transition — ความหมายของ Tg และสมบัติที่เปลี่ยนบริเวณ glass transition
• Capillary action — การไหลในช่องแคบจากแรงตึงผิวและการยึดเหนี่ยวกับผิวของแข็ง
• Thermal expansion — ความหมายของสัมประสิทธิ์การขยายตัวเชิงเส้น

เอกสารอ้างอิงเหล่านี้เป็นบทอธิบายภาพรวมที่เผยแพร่สาธารณะ ไม่ใช่ข้อความของมาตรฐาน IPC/JEDEC ดังนั้นเกณฑ์ยอมรับเชิงตัวเลขต้องมาจากข้อกำหนดของลูกค้าและ datasheet ของวัสดุ โดยระบุมาตรฐานที่ลูกค้าเลือกไว้ในแผนงานให้ชัดเจน