THẨM TRA VÀ GIÁM SÁT
1. Mở ñầu
Nếu kiểm tra ñược cả quá trình thì không cần thẩm tra và giám sát sản phẩm nữa.
Khi sản phẩm hoàn hảo thì không có việc sản phẩm bị trả lại bị do chết yểu, khách hàng
hài lòng với chất lượng và ñộ tin cậy của sản phẩm. Tuy nhiên, trong thực tế thì luôn tồn
tại quá trình không ñược chấp nhận, cùng với sự biến ñổi của vật liệu. Các sai sót của
sản phẩm cần ñược xữ lý trước khi ñến tay khách hàng. ðây là lý do cơ bản về nguyên
nhân cần quá trình thẩm tra và giám sát, nhằm làm sản phẩm ñạt chất lượng cao. Chương
trình thẩm tra và giám sát là yếu tố chủ yếu ñể ñạt ñược thỏa mãn của khách hàng.
Các bộ phận ñược thẩm tra từ ñầu giai ñoạn sản xuất cho ñến khi toàn quá trình
ñược kiểm tra xong và mọi vấn ñề về vật liệu ñã ñược giải quyết. Chương trình giám sát
bảo ñãm là quá trình ñược giữ không ñổi và mọi lệch lạc ñều ñược chỉnh ñịnh lại. Trường
hợp này thì “thẩm tra” ñược hiểu là 100% sản phẩm ñược kiểm tra và trong khi ñó “giám
sát” ñược hiểu là kiểm tra theo mẫu. Thẩm tra dựa trên khả năng hỏng hóc của sản phẩm.
Việc thẩm tra có thể là ñơn giản, thí dụ như chu kỳ chạy-không chạy (on-off) của sản
phẩm, hay phức tạp hơn như trường hợp thẩm tra stress từ môi trường (environmental
stress screens). Thường thì thẩm tra mở ñiện (power up) cho ñơn vị thử nhằm so sánh với
ñơn vị chưa ñược thẩm tra, cung cấp cơ hội tốt nhất nhằm tìm ra vấn ñề về hỏng hóc.
Quá trình thẩm tra liên tục ñược xem xét lại và ñược hiệu chỉnh cho phù hợp từ kết quả
thẩm tra. Thí dụ nếu sản phẩm bị trả về (fied return) là thấp mà kết quả thẩm tra thì cao
(gần 100%), thì quá trình thẩm tra phải thay ñổi ñể tìm ra nguyên nhân. Nếu kết quả
thẩm tra là cao và số lượng sản phẩm bị trả về trên một triệu ñơn vị là chấp nhận ñược thì
chương trình thẩm tra nên ñược chuyển thành chương trình giám sát. Trường hợp tổng
quát thì quá trình giám sát phù hợp với cổng giai ñoạn trong công việc sản xuất chi phí
thấp/số lượng lớn.
Cần ñặc biệt quan tâm ñến việc chọn lựa ñúng chương trình thẩm tra, bảo ñảm quá
trình ñược thẩm tra hỏng hóc trong giai ñoạn ñầu sẽ không gây ảnh hưởng lớn ñến chu kỳ
sản phẩm. Các nhà sản xuất nhận thấy là số dạng hỏng hóc trong giai ñoạn ñầu thường
làm giảm tuổi thọ của sản phẩm. Khi xuất hiện trường hợp này thì khách hàng sẽ gặp
hỏng hóc trong giai ñoạn ñầu sử dụng. Chương này thảo luận phương pháp thẩm tra sản
phẩm thường gặp trong công nghiệp.
2. Thực hiện tăng trưởng ñộ tin cậy trong chương trình thẩm ñịnh
Quá trình tăng trưởng ñộ tin cậy xuất hiện trong quá trình ñánh giá chu kỳ thiết kế,
tuy nhiên có thể kết hợp với chuơng trình thẩm tra và tăng trưởng ñộ tin cậy. ðộ tin cậy
ñuợc cải thiện khi tác ñộng sửa sai kết hợp ñược với sản phẩm trong quá trình thẩm tra.
Cải thiện nhằm giảm số lượng sản phẩm bị trả về. Khi ñã loại trừ hậu quả của chế ñộ
hỏng hóc, chương trình thẩm tra ñược thay thế bằng chương trình giám sát. Chương 10
cung cấp nhiều thông tin về phuơng pháp ước lượng hỏng hóc. Nếu không thực hiện sửa
sai trong giai ñoạn thẩm tra quá trình sản xuất, thì chỉ loại trừ ñược hỏng hóc trong giai
ñoạn sơ khai của sản phẩm, không cải thiện ñộ tin cậy khi có hỏng hóc xác lập, thường
không ñổi trong thời gian người dùng sử dụng. Nếu chỉ thẩm tra quá trình sản xuất mà
không kết hợp với sửa lỗi thì không tăng ñược ñộ tin cậy của hệ thống. Trong chương 10,
bảng 10.1 cung cấp tổng quan ưu ñiểm của ước lượng ñộ tin cậy trong chương trình kết
hợp thẩm tra và tăng trưởng ñộ tin cậy.
3. Các công cụ giám sát và thẩm tra
Chương này cung cấp công cụ chính ñể thiết lập chương trình thẩm tra và giám sát.
Bảng 1 trình bày tổng quan về công cụ này.
Bảng 1
Các thử nghiệm thẩm tra/giám sát Mô tả
Chu trình nhiệt (thermal cycling)
Tìm khuyết ñiểm liên quan ñến yếu tố mõi. Thử
nghiệm dùng phương pháp chuyển nhiệt ñộ
chậm thường cho phép phân tích vấn ñề về nhảo
do nhiệt và thay ñổi nhiệt ñộ. Phần này thường
ñược giám sát bằng ñiện.
Sốc nhiệt (thermal shock)
Tìm khuyết ñiểm về yếu tố mõi. Thử nghiệm
dùng phương pháp thay ñổi nhanh nhiệt ñộ ñể
thử nghiệm tìm khuyết ñiểm về tính co-dãn.
Phần này không thể thực hiện dễ dàng dùng ñiện
nữa.
Nung ổn ñịnh Dùng lò nung không ñịnh hư
ớng ñể phát hiện
yếu tố chết non.
ðốt cháy Dùng lò nung ñịnh hướng nhiệt ñộ cao ñể phát
hiện yếu tố chết non.
Rò rỉ tinh và thô Thử nghiệm tìm các ñiểm rò rỉ nhỏ trong quá
trình ñóng gói kín.
Particle Impact Noise Detection Thử nghiệm tìm các ñiểm rò rỉ lớn trong quá
trình ñóng gói kín.
Ion hóa ðược dùng chủ yếu ñể phát hiện phần chưa khít,
thí dụ bọt khí trong quá trình ñóng gói
Thẩm tra yếu tố stress từ môi trường Thử nghiệm yếu tố ăn mòn bề mặt của sản phẩm
Vibration/Contant Acceleration Một hay nhiều thử nghiệm về môi trường ñể
thẩm tra sản phẩm trước khi gởi ñi.
Kết hợp các stress Thử nghiệm các yếu tố tương tác môi trường
Ẩm ñộ Thử nghiệm về yếu tố ăn mòn bề mặt của sản
phẩm do ẩm ñộ.
Thử nghiệm gia tốc stress cao
(HAST: Highly Accelerated Stress ) Thử nghiệm trong môi trường ẩm ñộ cao trong
thời gian ngắn nhất .
3.1 Chu trình nhiệt (thermal cycling)
Thẩm ñịnh thường dùng nhất hiện nay là chu kỳ nhiệt và sốc nhiệt. Thử nghiệm về
chu kỳ nhiệt là thử nghiệm với nhiệt ñộ ñược thay ñổi lặp lại theo chu kỳ giữa hai giá trị
cực ñại và cực tiểu. Chu kỳ thay ñổi nhiệt ñộ thường thấp (từ 3°C ñến 5°C trong một
phút) hơn so với trường hợp sốc nhiệt. Linh kiện ñược thử nghiệm nhiều lần lặp lại tính
co-dãn, ñể kiểm tra hỏng hóc do mõi gây nên. Yếu tố thay ñổi chậm nhiệt ñộ cho phép
ảnh hưởng do nhiệt ñộ có thời gian xuất hiện dần, thí dụ tính nhão, hay tính kết dính kim
loại (intermetallic). Các ảnh hưởng chủ yếu là nhão tại mối hàn và vấn ñề mõi tại kết
nối. Thử nghiệm dạng này thường chỉ thực hiện từ 5 ñến 10 chu kỳ nhiệt nên có thể thực
hiện trong một phòng ñơn trong khi ñó phương pháp sốc nhiệt thì cần có phòng ñôi. ðiều
này cho phép ño lường dễ hơn. Thử nghiệm này dùng ñể phát hiện vấn ñề trong công
nghệ dán bề mặt (SMT: surface-mount-technology), (BGA: ball-grid-array), kết nối của
mối hàn, thiết lập giải nhiệt cho linh kiện chưa ñúng, hay vấn ñề hàn kín. Thí dụ bài toán
nhiêt ñộ không khớp làm hỏng mối nối khi xuất hiện yếu tố kết dính kim loại, hỏng hóc
từ kết nối bề mặt khi quá trình hàn bị thay ñổi, v.v,.. Phương pháp chu kỳ nhiệt là một
trong những phương pháp rất phổ biến, nhờ hiệu quả là môi trường thẩm tra rộng với
nhiều yếu tố khác nhau.
3.2 Sốc nhiệt
Tương tự phương pháp chu kỳ nhiệt, phương pháp này cũng dùng hai giá trị cực ñại
và cực tiểu của nhiệt ñộ. Tuy nhiên lại cần có hai phòng, mỗi phòng ñược thiết lập với
một giá trị nhiệt ñộ cực trị, rồi di chuyển sản phẩm giữa hai phòng này. Một phòng có
nhiệt ñộ là –65°C và phòng còn lại là 125°C. Hệ thống tự ñộng di chuyển sản phẩm giữa
hai phòng, ñể sản phẩm không phụ thuộc vào ñiều kiện nhiệt ñộ của phòng. Nhiệt ñộ của
phòng ñược khôi phục lại trong khoảng 5 phút, nhờ hệ thống phun khí. Cho dù thời gian
còn tùy thuộc vào số lượng sản phẩm, thường cần 15 phút ñể sản phẩm ñạt ñược nhiệt ñộ
phòng. Sau khi sản phẩm ñạt ñược nhiệt ñộ phòng, cho chịu ñựng thêm ít nhất là 10 phút
nữa. Phương pháp này làm ñơn vị sản phẩm lần lượt thay ñổi giữa hai nhiệt ñộ cực trị, tạo
ñiều kiện xuất hiện hỏng hóc do co dãn. Mục tiêu là gia tốc môi trường ñể kiểm tra khả
năng sản phẩm do trong thực tế có yếu tố thay ñổi nhiệt ñộ giữa ngày và ñếm, giữa các
mùa trong năm. Phương pháp thẩm tra sốc nhiệt có ưu ñiểm hơn so với phương pháp chu
kỳ nhiệt là cho phép thử nghiệm nhanh với khối lượng lớn sản phẩm và hoàn tất ñược
mỗi chu kỳ chỉ trong khoảng 1 giờ. Các kết quả từ phép thử nghiệm sốc nhiệt là nứt, rạn,
phân lớp của vật liệu và thành phẩm, nứt và rạn chổ hàn kín hay ñóng gói, rò rỉ chổ hàn
kín trong gói bít kín, (thí dụ phần kim loại-kim loại hay kim loại với phần thủy tinh),
cùng vấn ñề về hỏng hóc khác có liên quan ñến ñặc tính mõi. Các ñặc tính về ñiện
thường không ñược thực hiện trong bước này mà thường là trước hay sau khi thử nghiệm.
Các tính năng của tham số về ñiện thay ñổi do yếu tố nhiệt ñộng ñược kiểm tra trong giai
ñoạn này. Giống như trong chu kỳ nhiệt, thử nghiệm thường ñược tiến hành với phương
pháp gia tốc ñiều kiện làm việc. Chương 9 sẽ trình bày chi tiết hơn về vấn ñề này.
3.3 Nung ổn ñịnh
Nung ổn ñịnh ñược dùng ñể xác ñịnh ảnh hưởng của yếu tố không phân cực
(unbiased storage) trên linh kiện ñiện tử. Ảnh hưởng này có thể thay ñổi ñặc tính về ñiện.
Thường nung ổn ñịnh dùng trong giai ñoạn thẩm tra về yếu tố chết non (infant mortality).
Các thay ñổi ñặc tính ñiện trong thời gian thử nghiệm ñược giám sát ñể ước ñịnh suy
giảm về tính năng không cho phép. Thực hiện bước ño lường trung gian ñể ước lượng các
bước tiến, và ño lường này giúp tinh chỉnh lại thiết bị ño lường cần thiết. ðể thực hiện
phép thử, ñơn vị thử ñuợc ñặt trong môi trường nhiệt ñộ cao trong một thời gian dài.
Chương 9 sẽ mô tả mô hình thử nghiệm gia tốc dùng trong ước lượng ảnh hưởng của yếu
tố gia tốc thử nghiệm so với hiện trường sử dụng.
3.4 ðốt cháy
Nhiều bộ phận cần ñược thử nghiệm ñốt cháy trước khi gởi ñến khách hàng. Quá
trình ñốt cháy bao gồm việc lưu trữ lâu trong môi trường nhiệt ñộ cao (bias stress). Thử
nghiệm nhằm thẩm tra biên trên của ñơn vị thử hỏng hóc trong năm ñầu của tuổi thọ.
Tương tự nung ổn ñịnh, mọi ñơn vị ñều ñặt trong nhiệt ñộ cao nhằm gia tốc cơ chế hỏng
hóc. Không giống như nung ổn ñịnh, các ñơn vị ñều ñuợc phân cực tại chổ.
3.5 Rò rỉ tinh và thô
Thử nhiệm rò rĩ tinh ño lường ñộ kín linh kiện như hỗn hợp kín. ðiều này ñược thực
hiện bằng cách ñặt linh kiện thử vào helium (với áp lực và thời gian thử nghiệm ñã biết)
trong máy ño phổ vật chất có khả năng ñọc ñuợc số lượng hêlium do sản phẩm phát ra
trong thời gian thử, ñể ước lượng mức ñộ rò rĩ. Mức ñộ rò rĩ chấp nhận ñược thì sẽ ñuợc
ước lượng trong ñiều kiện bình thường. Tầm hiệu quả từ 10
–4
ñến 10
–10
cc/sec He. ðiều
này dùng cho thẩm tra (thí dụ, với 100% số sản phẩm), bảo ñảm là sản phẩm không có
vấn ñề về hàn kín. Phép thử rò rĩ thô dùng khi quá trình rĩ lớn hơn 10
–4
cc/sec. Một trong
số phương pháp ñuợc dùng là phép thử thô dùng perfluorocarbon, với phép thử thô dùng
màu, và phép thử thô trọng lượng. Mô tả về phép thử dùng perfluorocarbon và màu như
sau: Nhúng linh kiện vào dòng perfluorocarbon loại 1 trong ống áp suất ñể thử rò rĩ thô
dùng perfluoronated. Ống nghiệm ñược tăng ñến một áp suất nhất ñịnh. ðiều này sẽ làm
lưu chất dạng 1 ñi vào các khoang của sản phẩm. Sau một thời gian cho trước, lấy sản
phẩm ra rồi ñặt vào trong bồn lưu chất nóng loại 2 với nhiệt ñộ khoảng 125°C. Lưu chất
loại 1 sôi ở 95°C, và loại 2 thì sôi ở 140°C. Thông qua quan sát linh kiện chịu thử trong
bồn tại nhiệt ñộ tăng, thì lưu chất loại 1 quan sát ñược ñộ sôi khi tồn tại rò rĩ thô. ðiều
này làm xuất hiện dạng bong bóng trong lưu chất loại 2, ñang ñược giữ ở nhiệt ñộ thấp
hơn nhiệt ñộ sôi. Phương pháp này rất hữu ích ñể xác ñịnh rò rĩ và xác ñịnh vị trí khuyết
tật từ nơi rĩ. Phép thử rĩ thô dùng màu rất hữu ích ñể xác ñịnh cấu trúc vật lý và/hay vị trí
của nơi rò rĩ. Thủ tục này ñòi hỏi linh kiện cần thử phải ñược ñặt trong bồn chứa có áp
suất chứa chất này như Zyglo hay fluorescence. Khi linh kiện cần thử ñược ñưa vào áp
suất, chất này sẽ ñi vào trong ñơn vị, ảnh hưởng trên bề mặt bất kỳ của ñơn vị và ñi vào
các lổ hổng của ñơn vị. Sau thời gian ñịnh trước, lấy ñơn vị thử ra khỏi bồn thử, rửa sạch
với dung dịch thích hợp ñể tẩy lớp màu bề mặt, rồi ñặt ñơn vị vào black light. Nếu lớp
này phát quang, thì ñặc tính vật lý của nơi rĩ và ñường rĩ ñược quan sát. Do ñây là phép
thử hỏng hóc, nên thường ñược dùng ñể giám sát chứ không phải ñể thẩm tra sản phẩm.
3.6 Phát hiện nhiễu do va chạm phân tử (Particle Impact Noise Detection: PIND)
Phát hiện nhiễu do va chạm phân tử ñuợc dùng ñể phát hiện chất hàn dạng hạt
(solder balls) và chất khác có trong lớp võ ñóng gói hàn kín. ðơn vị thử ñuợc gắn vào
ñầu một cảm biến, ñược rung ñến tần số và biên ñộ cho trước, tạo sốc với xung (to
loosen any particles). Tín hiệu từ cảm biến chuyển ñổi ñuợc giám sát ñể phát hiện tín
hiệu âm học từ loose particles và ñược thể hiện trên dao ñộng ký. Bầt kỳ tín hiệu ringing
hay spike nào ñều là dấu hiệu hiện diện các particles lạ bên trong gói, có nguyên nhân do
thiết bị thải ra. Tự thân thử nghiệm thì có rất ít vấn ñề. Thí dụ, vật thử có cấu tạo là
nguyên nhân của việc ñọc kết quả sai do hạt từ ferrit (loose ferrite beads), lõi biến áp
(transformer material), dây quấn (coils), vòng dây (wireloops), etc,.. ðây là ñọc sai do
kết quả không tương quan với vấn ñề hạt di chuyển (loose particle). Các vấn ñề khác về
thử nghiệm xuất hiện do thiếu phương tiện phát hiện rò ñiện, từ các tín hiệu nhiễu xuất
hiện từ chuyển mạch, ñường dây tải ñiện, tín hiệu chính (mainstream) từ phân xưởng, và
các tín hiệu khác. Các kết quả thử nghiệm cần ñược xem lại.
3.7 Nhiểm ion (ion hóa)
Thử nghiệm nhiễm ion ñược dùng giám sát quá trình hàn sạch. Một mẫu bo mạch vừa
ráp ñược lấy từ dây chuyền sau khi ñược làm sạch lần cuối và trước bước lắp ghép kế
tiếp. Các bo mạch này ñược ñặt trong một chậu cồn và nước, lắc mạnh với giá trị ñiện trở
cho trước. Nếu trong bo mạch xuất hiện bất kỳ dòng chảy nào cho thấy là bị hoà tan trong
nước hay cồn, thì sẽ làm giảm ñiện trở của bồn thử. ðiều này cho thấy là quá trình làm
sạch chưa tốt và cần thay lưu chất tẩy. Chú ý là bo mạch phải ñuợc cầm giữ ñúng cách
(thí dụ dùng găng tay, ...) sau khi tẩy rửa xong, hay khi ñã loại bỏ bo mạch hỏng. Mức ñộ
chấp nhận dựa trên giá trị ñiện trở/ inch vuông của bề mặt ñiện tích bo mạch.
3.8 Thẩm tra stress môi trường (Environmental Stress Screening: ESS)
Phép thử ESS truyền thống thực hiện với 100 % số ñơn vị sản phẩm. Các thử nghiệm
ESS tiêu biểu có môi trường gia tốc có ñặc trưng sau:
1. Thử ñộ ngấm trong tác ñộng nhiệt (ñôi khi còn ñược gọi là burn-in): Thực hiện
bằng cách cho ñơn vị hoạt ñộng vào nhiệt ñộ ấm ổn ñịnh trong thời gian ñịnh trước,
thường là 48 giờ tại 50°C.
2. Chu kỳ nhiệt (thực hiện khi ñóng ñiện hay không ñóng ñiện): Thực hiện bằng cách
cho hoạt ñộng trong một số chu kỳ ñịnh trước, trong ñó mỗi chu kỳ gồm một khoảng
thời gian cố ñịnh tại nhiệt ñộ cao, một khoảng thời gian cố ñịnh ở nhiệt ñộ thấp, và số lần
chuyển ñổi giữa hai cực trị nhiệt ñộ ño theo °C/minute.
3. Dùng rung ñộng dạng sin có tần số không ñổi: thực hiện ñộc lập hay cùng với
một số yếu tố môi trường khác. Mức ESS ñược ñịnh nghĩa là biên ñộ và tần số rung ñộng
của giá ñở thiết bị.
4. Rung ñộng sine quét: ðôi khi ñuợc dùng trong thử nghiệm ESS. Mức ESS ñược
ñịnh nghĩa bởi mức trọng trường (G) trong tầm tần số của thời gian quét.
5. Rung ñộng ngẫu nhiên: ðược dùng trong ESS với mức ñịnh nghĩa là mức biên
ñộ rung ñộng và phổ tần số tại giá ñặt thiết bị.
3.9 Rung ñộng/ gia tốc cố ñịnh
Gia tốc cố ñịnh là thử nghiệm nhằm cho sản phẩm chịu một lực do trọng trường cố
ñịnh theo một hướng. Thử nghiệm dùng lực ly tâm ñể ñạt gia tốc trọng trường rất cao
(thường là từ 5.000 ñến 20.000 lần). ðược dùng mô phỏng xem phần tử hay hệ thống
phản ứng ra sao với ảnh hưởng của stress ứng lực cố ñịnh như trong máy bay, tên lửa,
v.v,.. ðược dùng làm phương tiện thẩm tra, thử nghiệm này ñược thiết kế nhằm tìm yếu
ñiểm về cấu trúc và cơ khí mà chưa cần thử nghiệm dùng sốc cơ học rung. Khi thiết lập
ñược ñịnh mức, thì dùng ñể phát hiện và loại trừ các linh kiện có ñộ bền thấp hơn ñộ bền
ñịnh mức trong cấu trúc cơ học.
3.10 Ẩm ñộ
Thử nghiệm làm gia tốc ảnh hưởng hơi ẩm trên linh kiện. Giảm cấp xuất hiện nếu vật
liệu có vấn ñề về hấp thu ẩm và/hay ẩm ướt bề mặt, bao gồm yếu tố ăn mòn (corrosion),
thay ñổi ñặc tính về ñiện, phản ứng ñiện hóa, và các yếu tố khác. Có hai dạng thử
nghiệm; thứ nhất là là ñặt phần tử thử trong môi trường ẩm ướt ổn ñịnh với nhiệt ñộ cao.
Chương 9 mô tả mô hình thử nghiệm tăng cường dùng trong ước lượng ảnh hưởng của
yếu tố gia tốc so với ñiều kiện vận hành tại hiện trường. Thử nghiệm này ñược dùng cùng
với power cycling với yếu tố phân cực bật/tắt ñiện, trong bốn giờ. ðiều này ñẩy mạnh
các phát triển hình cây (dendrite growth) hay ảnh hưởng của yếu tố ăn mòn do nhiểm iôn