การวิเคราะห์ความเสียหายวัสดุและอุปกรณ์ ในวงการอิเล็กทรอนิกส์ เซมิคอนดักเตอร์ ฮาร์ดดิสก์ ไฟฟ้า และคอมพิวเตอร์

ด้วยกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนไมโครสโคปแบบส่องกราด SEM และเครื่องวิเคราะห์ธาตุเชิงปริมาณและเชิงคุณภาพ EDS,EDX เช่นการวิเคราะห์ไอซี IC ,PCB ลายวงจร ลายปริ้น,TR ทรานซิสเตอร์ ,เซมิคอนดักเตอร์,ฮาร์ดดิสก์ และอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์และไฟฟ้าต่างๆ

ทำไมต้อง ด้วยกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนไมโครสโคปแบบส่องกราด SEM และเครื่องวิเคราะห์ธาตุเชิงปริมาณและเชิงคุณภาพ EDS,EDX

เนื่องจากปัจจุบันเป็นยุคนาโนเทคโนโลยี อุปกรณ์ที่เกี่ยวข้องกับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ต่างๆมีขนาดเล็กลง และเล็กลงเรื่อยๆ ดูได้จากทีวี มือถือ วิทยุ เครื่องเสียง ฮาร์ดดิสก์ คอมพิวเตอร์ จะมีขนาดเล็กและเบาขึ้น สาเหตุที่เล็กลงเรื่อยเป็นเพราะผู้ผลิต มีการพัฒนาเครื่องจักรหรือเครื่องผลิต ผลิตอุปกรณ์ที่เป็นชิพ Chip ให้มีขนาดเล็กลงในระดับนาโน และกำลังพัฒนาเป็นพิโคเทคโนโลยีซึ่งจะเล็กมากกว่า นาโนเทคโนโลยีมากๆ การที่ผู้ผลิตสามารถผลิตอุปกรณ์ ให้ขนาดเล็กลงได้นั้น หมายถึงเขาก็จะใช้วัตถุดิบลดลง หรือใช้เท่าเดิมแต่ผลิตได้เยอะกว่าเดิม 2-10 เท่าตัวได้เลยค่ะ

จากเดิมใช้แค่กล้องจุลทรรศน์ไมโครสโคป แบบใช้ตาส่องดูก็สามารถมองเห็น แต่เมื่ออุปกรณ์มีขนาดเล็กลง แสดงว่าชิพ Chip ขนาดจะเล็กลงมากๆ ก็จะใช้กล้องแบบเดิมไม่ได้ ต้องหันมาใช้กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนไมโครสโคปแทน กำลังขยายก็มากกว่า และข้อดียังสามารถวิเคราะห์ธาตุได้ด้วย (เพื่อFailure analysis)

การใช้กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนไมโครสโคปประเภทนี้เช่น การดูหัวอ่านหัวเขียนของฮาร์ดดิสก์ ที่กำลังขยาย 50000 เท่า หรือแสนเท่าขึ้นไป, การดูลายปริ้น PCB, ดูรอยการเชื่อมตะกั่วระหว่างอุปกรณ์กับ PCB, การเข้าหัว Bond,การดูฝุ่น หรือสิ่งสกปรกในอุปกรณ์,การโด้ปปิ่ง ,การดูหน้าสัมผัสอุปกรณ์ประเภทรีเลย์ Relay,Magnetic,สวิทช์ และอื่นๆ

 

 

แล้วกรณีเครื่องวิเคราะห์ธาตุ EDS,EDX จะเอาไปใช้ตอนใหนละ ก็แล้วแต่กรณีละค่ะ เช่นการดูและวิเคราะห์ธาตุคราบสกปรกและฝุ่นบนแผ่น Wafer,harddisk,Switch และดูองค์ประกอบสารของวัสดุนั้นๆ ใช้ด้าน Failure analysis,R&D,QC และอื่นๆ

 

เรามาดูตัวอย่างไอซี IC integrated circuit ที่มีปัญหานำมาดูด้วยกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนไมโครสโคป SEM กันค่ะ ตามภาพคือไอซี IC integrated circuit ที่ปกติค่ะ แบบ 14 ขา

 

 

 

และลักษณะโครงสร้างภายในของ ไอซี IC integrated circuit ตามภาพ บริเวณพื้นที่สีฟ้าคือ บริเวณที่เป็นชิพ Chip ทำจากซิลิกอน Si

 

 

.." วงจรรวม หรือ วงจรเบ็ดเสร็จ (อังกฤษ: integrated circuit ; IC) หมายถึง วงจรที่นำเอาไดโอด, ทรานซิสเตอร์, ตัวต้านทาน, ตัวเก็บประจุ และองค์ประกอบวงจรต่าง ๆ มาประกอบรวมกันบนแผ่นวงจรขนาดเล็ก ในปัจจุบันแผ่นวงจรนี้จะทำด้วยแผ่นซิลิคอน บางทีอาจเรียก ชิป (Chip) และสร้างองค์ประกอบวงจรต่าง ๆ ฝังอยู่บนแผ่นผลึกนี้ ส่วนใหญ่เป็นชนิดที่เรียกว่า Monolithic การสร้างองค์ประกอบวงจรบนผิวผลึกนี้ จะใช้กรรมวิธีทางด้านการถ่ายภาพอย่างละเอียด ผสมกับขบวนการทางเคมีทำให้ลายวงจรมีความละเอียดสูงมาก สามารถบรรจุองค์ประกอบวงจรได้จำนวนมาก ภายในไอซี จะมีส่วนของลอจิกมากมาย ในบรรดาวงจรเบ็ดเสร็จที่ซับซ้อนสูง เช่น ไมโครโปรเซสเซอร์ ซึ่งใช้ทำงานควบคุม คอมพิวเตอร์ จนถึงโทรศัพท์มือถือ แม้กระทั่งเตาอบไมโครเวฟแบบดิจิทัล สำหรับชิปหน่วยความจำ (RAM) เป็นอีกประเภทหนึ่งของวงจรเบ็ดเสร็จ ที่มีความสำคัญมากในยุคปัจจุบัน

ที่มา : จากวิกิพีเดีย สารานุกรมเสรี "..

ตามภาพเป็นการเปิดส่วนที่เป็น พลาสติกเคส ออกแล้วมองเห็นบริเวณที่เป็นชิพ Chip ลักษณะสี่เหลี่ยมจัตุรัส ขนาดถ้าเทียบตามสเกล 500 um ไมครอน (0.5 mm. มิลลิเมตร) ขนาดของชิพก็จะประมาณ 1.25 x 1.25 mm.

ตามภาพด้านบนชิพ ที่เปิดจะมองเห็นหัวบอนด์ Bond 2จุดแต่สาย wiring ขาด จำนวนหัวบอนด์ส่วนใหญ่จะเท่ากับจำนวน ขาใช้งานของไอซี และด้านล่างหัวบอนด์จะเป็นวงจร Circuit และวงจรที่นำเอาไดโอด, ทรานซิสเตอร์, ตัวต้านทาน, ตัวเก็บประจุ และองค์ประกอบวงจรต่าง ๆ มาประกอบรวมกันบนแผ่นวงจร

ภาพนี้ถ่ายด้วยกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนฯ SEM 20kv (กิโลโวลท์) กำลังขยาย x50 เท่า สเกล 500um(ไมครอน) หรือ 0.5 mm.(มิลลิเมตร) High vacuum mode ภาพแบบ SEI

 

 

ตามภาพคือ วงจรที่นำเอาไดโอด, ทรานซิสเตอร์, ตัวต้านทาน, ตัวเก็บประจุ และองค์ประกอบวงจรต่าง ๆ มาประกอบรวมกันบนแผ่นวงจร

ภาพนี้ถ่ายด้วยกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนฯ SEM 20kv (กิโลโวลท์) กำลังขยาย x 750 เท่า สเกล 10um(ไมครอน) หรือ 0.01 mm.(มิลลิเมตร) High vacuum mode ภาพแบบ SEI

 

 

ตามภาพคือ หัวบอนด์ Bond 2จุดแต่สาย wiring ขาด

ภาพนี้ถ่ายด้วยกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนฯ SEM 20kv (กิโลโวลท์) กำลังขยาย x500 เท่า สเกล 50um(ไมครอน) หรือ 0.05 mm.(มิลลิเมตร) High vacuum mode ภาพแบบ SEI

 

 

ตามภาพคือ หัวบอนด์ Bond แต่สาย wiring ขาด

ภาพนี้ถ่ายด้วยกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนฯ SEM 20kv (กิโลโวลท์) กำลังขยาย x 1000 เท่า สเกล 10um(ไมครอน) หรือ 0.01 mm.(มิลลิเมตร) High vacuum mode ภาพแบบ SEI

 

 

ภาพโดยรวมของ IC : integrated circuit

แบบแรกที่เราถ่าย เราต้องเปิดเคสพลาสติกหรือเรซิน ของตัวไอซีออก ตัวอย่างถ่ายแบบสูญญากาศสูง ทำให้ต้องฉาบเคลือบตัวอย่าง ด้วยทองก่อน แต่ลักษณะตัวอย่างแบบนี้ไม่ต้องฉาบเคลือบทองได้ แต่ต้องถ่ายแบบสูญญากาศต่ำหรือ Low vacuum mode แทน

มีอีกหนึ่งลักษณะที่ไม่จำเป็นต้องฉาบเคลือบทอง เพื่อต้องการไม่ทำลายตัวอย่าง และถ่ายเสร็จสามารถนำตัวอย่างไปวิเคราะห์ต่อ หรือนำไปใช้งานต่อได้ ลักษณะที่ว่าก็คือนำตัวอย่างที่ว่ามาถ่ายด้วยโหมด Low vacuum นั้นเอง ภาพที่ได้จะเป็นภาพ BEI COMPO หรือ BEI TOPO

ตัวอย่างที่เราจะนำมาวิเคราะห์แบบนี้คือ RAM ที่ใช้สำหรับ Note book

 

เราจะมาศึกษารอยบัดกรี ลายปริ้น และคราบสกปรกบริเวณที่บัดกรีไม่ติด ด้วยเครื่องวิเคราะห์ธาตุต่อได้

 

ตามภาพคือ อุปกรณ์ที่อยู่ PCB ที่ประกอบเป็น RAM

ภาพนี้ถ่ายด้วยกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนฯ SEM 20kv (กิโลโวลท์) กำลังขยาย x50 เท่า สเกล 500um(ไมครอน) หรือ 0.5 mm.(มิลลิเมตร) Low vacuum mode ภาพแบบ BEI COMPO

 

ตามภาพคือ อุปกรณ์ที่อยู่ PCB ที่ประกอบเป็น RAM

ภาพนี้ถ่ายด้วยกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนฯ SEM 20kv (กิโลโวลท์) กำลังขยาย x 75 เท่า สเกล 100um(ไมครอน) หรือ 0.1 mm.(มิลลิเมตร) Low vacuum mode ภาพแบบ BEI COMPO

 

ตามภาพคือ อุปกรณ์ที่อยู่ PCB ที่ประกอบเป็น RAM

ภาพนี้ถ่ายด้วยกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนฯ SEM 20kv (กิโลโวลท์) กำลังขยาย x 35 เท่า สเกล 500um(ไมครอน) หรือ 0.5 mm.(มิลลิเมตร) Low vacuum mode ภาพแบบ BEI COMPO

 

ตามภาพคือ อุปกรณ์ที่อยู่ PCB ที่ประกอบเป็น RAM

ภาพนี้ถ่ายด้วยกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนฯ SEM 20kv (กิโลโวลท์) กำลังขยาย x 150 เท่า สเกล 100um(ไมครอน) หรือ 0.1 mm.(มิลลิเมตร) Low vacuum mode ภาพแบบ BEI COMPO

 

 

ตามภาพคือ อุปกรณ์ที่อยู่ PCB ที่ประกอบเป็น RAM เพื่อศึกษารอยบัดกรี

ภาพนี้ถ่ายด้วยกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนฯ SEM 20kv (กิโลโวลท์) กำลังขยาย x 50 เท่า สเกล 500 (ไมครอน) หรือ 0.5mm.(มิลลิเมตร) Low vacuum mode ภาพแบบ BEI COMPO

 

ตามภาพคือ อุปกรณ์ที่อยู่ PCB ที่ประกอบเป็น RAM เพื่อศึกษารอยบัดกรี

ภาพนี้ถ่ายด้วยกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนฯ SEM 20kv (กิโลโวลท์) กำลังขยาย x 150 เท่า สเกล 100 ไมครอน หรือ 0.1 mm.มิลลิเมตร) Low vacuum mode ภาพแบบ BEI COMPO

 

ตามภาพคือ อุปกรณ์ที่อยู่ PCB ที่ประกอบเป็น RAM เพื่อศึกษารอยบัดกรี

ภาพนี้ถ่ายด้วยกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนฯ SEM 20kv (กิโลโวลท์) กำลังขยาย x 1000เท่า สเกล 10 ไมครอน หรือ 0.01 mm. (มิลลิเมตร) Low vacuum mode ภาพแบบ BEI COMPO

 

 

ข้อดีถ่ายภาพแบบนี้ จะไม่เป็นการทำลายตัวอย่าง เตรียมตัวอย่างหรืองานที่จะถ่ายไม่ยาก แต่ภาพที่ได้จะเป็นแบบ BEI ที่ความคมชัด จะด้อยกว่าแบบ SEI

RAM ที่นำมาทดสอบ สามารถนำไปใช้งานต่อได้อีกค่ะ

เครื่องมือกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนไมโครสโคปแบบส่องกราด SEM และเครื่องวิเคราะห์ธาตุเชิงปริมาณและเชิงคุณภาพ EDS,EDX ที่ใช้วิเคราะห์ความเสียหายวัสดุ ในวงการอิเล็กทรอนิกส์ เซมิคอนดักเตอร์ ฮาร์ดดิสก์ ไฟฟ้า ในเมืองไทยใช้กันอย่างแพร่หลาย และบริษัทใหญ่ๆ ก็ใช้เครื่องมือประเภทนี้แทบทุกบริษัท ใช้เพื่องาน Failure analysis,FA,QC,R&D เพื่อพัฒนา ตรวจสอบผลิตภัณฑ์ของตัวเอง และคู่ค้าในทางธุรกิจ

ในต่างประเทศ เช่นประเทศญี่ปุ่นจะมีเครื่องมือประเภทนี้ อยู่ในหลักสูตรการเรียนการสอน ในหลายๆสาขาที่เกี่ยวข้อง ใช้อย่างแพร่หลาย ในญี่ปุ่นมีเครื่องมือประเภทนี้หลายพันเกือบหมื่นเครื่อง แต่ในเมืองไทยมีเครื่องนี้ประมาณ 400 - 500 เครื่องเท่านั้นเอง และที่สำคัญเครื่องที่อยู่ในสถาบันการศึกษาเพียง 20% ของเครื่องที่มีทั้งหมดในประเทศ แต่พร้อมใช้งานไม่กี่สิบเครื่อง ส่วนเอกชนที่ผ่านโดยน้ำท่วมไปหลายสิบเครื่องเช่นกัน

ส่วนตัวผู้เขียนเจอเครื่องนี้เมื่อตอนเรียนวิศวะ อาจารย์แนะนำให้รู้จักหน้าตาเครื่อง การใช้งานแค่ 10 นาทีเท่านั้น น่าเสียดายซื้อเครื่องมือมาหลายสิบล้านแต่ใช้งานได้แค่ 2 ปีหลังจากนั้นใช้ไม่ได้มาตลอด ผู้เขียนมาเจอเครื่องแบบนี้และศึกษาอีกที เมื่อเรียนจบและทำงานแล้ว

อยากเห็นเครื่องไม้เครื่องมือ ตามหน่วยงานราชการ ใช้งานได้หลายสิบปี ตามราคาหลายสิบล้าน เหมือนเครื่องที่ผู้เขียนดูแลอยู่ค่ะ