เมื่อ PCB บอร์ดใดบอร์ดหนึ่งที่อยู่ภายในเสีย อุปกรณ์เครื่องนั้น ๆ จะเสียไปเลยหรือไม่?

อุปกรณ์เครื่องหนึ่ง อาจจะมี PCB หนึ่งบอร์ด หรือหลายบอร์ดเป็นส่วนประกอบ  เมื่อ PCB บอร์ดใดบอร์ดหนึ่งเสีย อาจจะส่งผลทำให้อุปกรณ์นั้นดับไปเลย หรือยังทำงานได้อยู่ แต่ไม่เป็นตามฟังก์ชันปกติ ดังนั้นถ้าเราสามารถวิเคราะห์หาว่า PCB บอร์ดใดที่เสีย และทำเปลี่ยนบอร์ดที่ดีเข้าไปทดแทน อุปกรณ์เครื่องนั้น ๆ ก็จะสามารถกลับมาทำงานได้ดีดังเดิม แต่ในบางกรณีการหา PCB บอร์ดดี(ใหม่) เพื่อทดแทนบอร์ดเสียอาจจะทำได้ยาก เนื่องจากผู้ผลิตทำการยกเลิกการผลิตไปแล้ว หรืออาจจะมีราคาสูงเกินไป อีกทางเลือกที่จะช่วยแก้ปัญหานี้ได้ ก็คือการซ่อมบอร์ดเสีย ในแบบ component-level หรือการวิเคราะห์หาว่าชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ใดในบอร์ดที่เสีย แล้วทำการเปลี่ยนชิ้นส่วนนั้นด้วยชิ้นส่วนใหม่ที่มีคุณสมบัติเดียวกัน หรือเทียบเท่า

ทั้งนี้ควรจะอาศัยผู้เชี่ยวชาญที่มีประสบการณ์ในการวิเคราะห์ และซ่อมแซมแบบ Component-level มาช่วย เพื่อให้สามารถวิเคราะห์หาชิ้นส่วนเสียได้อย่างตรงจุด และซ่อมแซมได้อย่างรวดเร็ว โดยชิ้นส่วนใหม่ที่นำมาเปลี่ยนทดแทน ควรจะเป็นชิ้นส่วนที่มีคุณภาพดี ซึ่งจะส่งผลทำให้สามารถนำอุปกรณ์เครื่องนั้น ๆ กลับมาใช้งานได้อย่างเสถียร ต่อเนื่องเป็นระยะเวลายาวนาน 

สาเหตุหลัก ๆ ที่ทำให้ PCB (Printed Circuit Board) เสีย

1. การคายประจุจากไฟฟ้าสถิต (ESD)

ESD ทำให้เกิดความเสียหายได้อย่างง่าย เมื่อสัมผัสกับ PCB ในขณะที่ขาดอุปกรณ์ป้องกัน ดังนั้นในการที่จะบำรุงรักษา หรือซ่อมแซม อุปกรณ์ที่มี PCB เป็นส่วนประกอบ ควรจะใช้อุปกรณ์ป้องกันในกระบวนการทำงาน เพื่อลดความเสี่ยงจาก ESD เช่น ถุงมือ เสื้อผ้า รองเท้า และโต๊ะทำงาน ที่เป็นแบบ ESD-free 

2. ใช้ชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ที่มีคุณภาพต่ำ เป็นส่วนประกอบ

PCB แต่ละบอร์ด ประกอบด้วยชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ ชนิดต่าง ๆ เช่น R, L, C, Diode, Transistor, IC ฯลฯ เป็นจำนวนมาก ในกระบวนการผลิต PCB นั้น โดยส่วนมาก ชิ้นส่วนต่าง ๆ เหล่านี้ต้องผ่านกระบวนการผลิตแบบอัตโนมัติจนกระทั่งถึงขั้นตอนการบัดกรี จึงอาจจะส่งผลทำให้ชิ้นส่วนที่มีคุณภาพต่ำค่อย ๆ เสื่อมสภาพไปได้  

3. สภาพแวดล้อมที่ถูกนำไปใช้งาน

โดยส่วนมาก PCB จะค่อนข้างอ่อนไหวต่อสภาพแวดล้อมที่มีฝุ่นมาก มีความชื้น และความร้อนสูง โดยเฉพาะความร้อนนั้นอาจส่งผลทำให้ PCB เกิดการขยายตัว ซึ่งส่งผลทำให้จุดบัดกรีของชิ้นส่วนบางอย่างหลุดออกจากบอร์ดได้ และฝุ่นทีสะสมบน PCB เมื่อรวมกับความชื้น ก็อาจจะทำให้เกิด short-circuit บนบอร์ดได้เช่นกัน

4. ความผิดพลาดของผู้ใช้งาน

ข้อนี้เป็นหนึ่งในสาเหตุที่พบเห็นบ่อยที่สุด ที่ทำให้ PCB เสีย โดยเฉพาะผู้ที่ทำการบำรุงรักษา หรือซ่อมแซมอุปกรณ์ที่ขาดทักษะ หรือความชำนาญในการทำงานนั้น ๆ

5. PCB ถูกออกแบบไม่ดีตั้งแต่เริ่มต้น

PCB ที่ดีจะถูกออกแบบให้มี การจัดวางวงจรย่อย ๆ ภายในบอร์ดมีระยะห่างอย่างเหมาะสม ซึ่งรวมถึงการจัดวางชิ้นส่วนต่าง ๆ รวมถึงช่องว่างระหว่างจุดบัดกรีของชิ้นส่วนนั้น ๆ มีระยะที่เพียงพอทีจะเกิดความเสถียรในการใช้งานในระยะยาว โดยที่ไม่เกิด short-circuit หรือ open-circuit ได้โดยง่าย

6. ปัญหาที่เกิดจากการบัดกรีในขบวนการผลิต

ในขบวนการผลิตนั้น จุดเชื่อมต่อระหว่างชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์แต่ละชนิดกับบอร์ดนั้น จะมีรูปร่าง และคุณลักษณะมาตรฐาน ซึ่งจะส่งผลทำให้มีความคงทนเวลาที่นำ PCB ไปใช้งาน ปัญหาจากการบัดกรีที่ไม่ได้คุณภาพที่พบเห็นบ่อย ๆ ได้แก่ จุดบัดกรีของชิ้นส่วนที่มีตะกั่วน้อยเกินไป หรือมากเกินไป รวมถึงระยะห่างระหว่างจุดบัดกรีนั้นชิดกันจนเกินไป เป็นต้น

7. สารเคมีที่ตกค้างจากขบวนการผลิต หรือรั่วมาจากชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์

ในขั้นตอนท้าย ๆ ของขบวนการผลิต PCB ส่วนใหญ่จะถูกทำความสะอาด เพื่อชำระล้างสารเคมีที่ถูกใช้ในขบวนการผลิตออกไป  อย่างไรก็ตามในกรณีที่สารเคมีต่าง ๆ นั้นถูกล้างออกไปไม่หมด รวมกับสารเคมีที่รั่วออกมาจากชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์บางชนิด อาจจะทำให้เกิดการลัดวงจร หรือส่งผลทำให้บางส่วนของ PCB เสื่อมสภาพเร็วกว่าที่ควรจะเป็น

8. อายุการใช้งานของชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์

ชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์แต่ละชิ้นจะมีอายุการใช้งานของตัวมันเอง เมื่อถึงเวลาก็จะค่อย ๆ เสื่อมสภาพ โดยคุณลักษณะจะไม่เป็นไปตาม ข้อมูลจำเพาะที่ถูกกำหนดตั้งแต่แรก  เนื่องจากอายุการใช้งานของแต่ละชิ้นส่วนมักไม่เท่ากัน ดังนั้น PCB สามารถถูกซ่อมแซมโดยการเปลี่ยนเฉพาะบางชิ้นส่วนที่หมดอายุการใช้งานแล้ว ก็ยังสามารถกลับมาทำงานได้ดีเช่นเดิม

ปัจจุบัน PCB นอกจากจะมีความซับซ้อนมากขึ้น ตามฟังก์ชั่นการทำงานที่มีมากขึ้นในอุปกรณ์ใหม่ ๆ มันยังมีขนาดเล็กลง โดยเฉพาะ PCB ที่ใช้ในอุปกรณ์พกพาชนิดต่าง ๆ ดังนั้นการซ่อม PCB ให้กลับมาทำงานได้ดีเหมือนเดิม จึงเป็นเรื่องที่ท้าทาย และต้องอาศัยความชำนาญของผู้ซ่อม  การซ่อมในลักษณะนี้เรียกว่า “Component-level Repair” ซึ่งข้อดีของการซ่อมแบบนี้คือ

• ต้นทุนที่ถูกกว่า การเปลี่ยน PCB ใหม่ทั้งบอร์ด (ซึ่งศูนย์ซ่อมของเจ้าของผลิตภัณฑ์มักทำกัน)

• เป็นทางเลือกสำหรับอุปกรณ์ End-of-Support (EOS) ซึ่งเจ้าของผลิตภัณฑ์ ไม่มีอะไหล่รองรับการซ่อมแล้ว

• สามารถนำข้อมูลที่ได้จากการซ่อม ไปวิเคราะห์หาสาเหตุ เพื่อหาทางป้องกันในอนาคตได้

การซ่อมแบบ Component-level Repair เราสามารถแบ่งวิธีการซ่อมแบบคร่าว ๆ ได้ 5 ประเภทคือ

1. การเปลี่ยนชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ที่เสีย หรือสภาพไม่ดี

วงจรส่วนต่าง ๆ ใน PCB จะถูกวิเคราะห์อย่างละเอียด จนสามารถค้นพบชิ้นส่วนที่เสีย หรืออยู่ในสภาพที่ไม่ดี แล้วทำการเปลี่ยนทดแทนด้วยชิ้นส่วนใหม่

2. การเปลี่ยนตัวเก็บประจุ (Capacitor) ที่ใกล้หมดอายุการใช้งาน

ตัวเก็บประจุ ขนาด และประเภทต่าง ๆ เป็นชิ้นส่วนพื้นฐานที่ใช้ใน PCB ซึ่งหลังจากถูกใช้งานมาระยะเวลาหนึ่ง ตัวเก็บประจุอาจจะบวม เปลี่ยนรูป หรือเปลี่ยนสี ซึ่งอาจมีสาเหตุมาจากการเสื่อมของสาร (กึ่งของเหลว) ที่อยู่ภายใน  สิ่งนี้ส่งผลทำให้อายุการใช้งานของอุปกรณ์นั้นสั้นลง ดังนั้นการเปลี่ยนตัวเก็บประจุที่ใกล้หมดอายุการใช้งานเหล่านี้ นอกจากจะช่วยยืดอายุการใช้งานให้ยาวขึ้น ยังช่วยให้ประสิทธิภาพการทำงานโดยรวมของอุปกรณ์กลับไปดีใกล้เคียงกับของใหม่อีกด้วย

3. การเปลี่ยน BGA (Ball Grid Array) Chip

ในปัจจุบัน BGA Chip มีใช้ในอุปกรณ์เกือบทุกประเภทที่ PCB มีขนาดเล็ก  โดยส่วนใหญ่ BGA Chip จะเป็นชิ้นส่วนที่สำคัญในวงจรเช่น CPU หรือ Main Controller เป็นต้น  เนื่องจากจุดบัดกรีของ BGA Chip อยู่ด้านล่าง ทำให้การเปลี่ยน BGA ต้องใช้เครื่องมือเฉพาะ และต้องอาศัยความชำนาญของช่างซ่อม

4. การซ่อมจุดบัดกรี

จุดบัดกรีที่ผ่านกระบวนการผลิตที่มีคุณภาพ มักจะมีความแข็งแรงเพียงพอที่จะยึดชิ้นส่วน กับบอร์ด PCB แต่หลังจากที่อุปกรณ์ผ่านการใช้งานเป็นระยะเวลาหนึ่ง ความร้อน ความสั่นสะเทือน การเปลี่ยนแปลงของสภาพแวดล้อม อาจจะเป็นสาเหตุทำให้จุดบัดกรีแตก หรือหลุดได้ การซ่อมจุดบัดกรีจะทำให้ชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ยึดติดกับบอร์ด PCB ได้แข็งแรงขึ้น ส่งผลทำให้อุปกรณ์ทำงานต่อเนื่องได้อีกยาวนาน

5. การซ่อมลายวงจร

เช่นเดียวกับความเสียหายที่เกิดกับจุดบัดกรี ถ้าหากอุปกรณ์ถูกใช้งานในสภาพแวดล้อมที่มีความร้อนสูง มีความสั่นสะเทือนสูง หรือถูกของเหลวประเภทต่าง ๆ หกใส่  ลายวงจรบนบอร์ด PCB ก็อาจจะเกิดความเสียหายได้  การซ่อมลายวงจรมีเทคนิคที่หลากหลาย ช่างซ่อมที่ชำนาญจะเลือกวิธีที่เหมาะกับสภาพความเสียหายของลายวงจรนั้น ๆ

เครื่องมือที่จำเป็นสำหรับการซ่อมแซมโดยทั่วไป มักจะประกอบด้วย มีด กรรไกร ไขควง  กระดาษทราย หัวแร้ง และตะกั่วสำหรับบัดกรี ที่เป่าลมร้อน และ tweezer สำหรับคีบชิ้นส่วนเล็กๆ ซึ่งขั้นตอนในการซ่อม PCB มีดังนี้

ขั้นตอนที่ 1: ถอดชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ และ Pad ที่เสียออก ด้วยมีด หรือไขควงหัวแบน

ขั้นตอนที่ 2: ขูดตะกั่วบัดกรี และลายวงจรเดิมที่เสียหายออก จากนั้นทำความสะอาดให้หมดจด โดยใช้กระดาษทรายขัด แล้วเช็ดด้วย Alcohol

ขั้นตอนที่ 3: ติดแถบทองแดงใหม่ลงบนลายวงจรเดิมที่ทำความสะอาดแล้ว จากนั้นบัดกรีให้ติดกับ Joint เดิมบน PCB ทั้งสองด้าน ขั้นตอนนี้ต้องทำด้วยความระมัดระวัง เพราะแถบทองแดงจะละลายเข้ากับจุดที่ถูกบัดกรีอย่างรวดเร็ว

ขั้นตอนที่ 4: กด และถูแถบทองแดงให้ติดแน่น และใช้เหล็กแหลมเจาะตำแหน่ง Through-hole หรือ Via

ขั้นตอนที่ 5: ใส่ชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ใหม่ และบัดกรีลงบน Pad ให้แน่น

ขั้นตอนที่ 6: ตัดส่วนเกินของแถบทองแดงออกด้วยกรรไกร หรือมีด

การซ่อมแซมตามขั้นตอนข้างบนนี้ คุณภาพของลายวงจร Pad และ Joint ที่ผ่านการซ่อมอาจจะไม่ดีเท่ากับบอร์ดใหม่ แต่ PCB ที่ถูกชุบชีวิตขึ้นมาใหม่นี้ สามารถถูกนำไปเวียนใช้ประโยชน์ได้ ดีกว่าถูกทิ้งเป็นขยะอิเล็กทรอนิกส์ไป 

ในการเปรียบเทียบสองทางเลือกนี้ สิ่งสำคัญที่ควรจะพิจารณาคือ สภาพของความเสียหาย ค่าใช้จ่าย ระยะเวลาที่ต้องรอ รวมถึงการใช้งานอุปกรณ์ที่มี PCB นั้น ๆ เป็นส่วนประกอบต่อไปในระยะยาว ฯลฯ  โดยรายละเอียดในการเปรียบเทียบมีดังต่อไปนี้

1. สภาพของความเสียหาย

การซ่อม PCB: เหมาะกับกรณีที่มีความเสียหายไม่มากนัก ส่วนใหญ่มักเป็นการซ่อมแบบ Component-level โดยเปลี่ยนชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ที่เสีย ซ่อมลายวงจร และ Pad

การเปลี่ยน PCB: เป็นทางเลือกเดียวในกรณีมีความเสียหายรุนแรง โดยเฉพาะมีความเสียหายกับหลาย ๆ Layer ของบอร์ด

2. ความซับซ้อนของบอร์ด

การซ่อม PCB: เหมาะกับกรณีที่บอร์ดมีความซับซ้อน มีหลาย ๆ Layer มีชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์จำนวนมาก ซึ่งมักจะมีราคาสูง

การเปลี่ยน PCB: เหมาะกับบอร์ดที่ไม่ซับซ้อน ซึ่งมักจะมีราคาต่ำ ทำให้การเปลี่ยนทั้งบอร์ดมีค่าใช้จ่ายต่ำกว่าการซ่อม

3. ค่าใช้จ่าย

การซ่อม PCB: โดยปกติการซ่อมเฉพาะส่วนที่เสียจะมีค่าใช้จ่ายต่ำกว่าการเปลี่ยนทั้งบอร์ดมาก

การเปลี่ยน PCB: ราคามักจะสูงกว่าการซ่อม โดยเฉพาะในกรณีที่ต้องส่งของมาจากต่างประเทศ ซึ่งนอกจากจะต้องเสียค่าขนส่งแล้ว ยังอาจจะต้องเสียภาษีนำเข้าอีกด้วย

4. ระยะเวลาที่ต้องรอ

การซ่อม PCB: โดยทั่วไประยะเวลาจะเร็วกว่า ยกเว้นในกรณีที่ต้องการชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ชนิดพิเศษที่ต้องส่งมาจากต่างประเทศ

การเปลี่ยน PCB: โดยทั่วไประยะเวลาจะนานกว่า ยกเว้นในกรณีเฉพาะที่ Vendor มีการบริหารจัดการ Spare เก็บไว้ภายในประเทศเท่านั้น

5. อายุการใช้งาน

การซ่อม PCB: ปกติจะมีอายุการใช้งานสั้นกว่า ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับสภาพความเสียหาย และคุณภาพของการซ่อมบอร์ดนั้น ๆ

การเปลี่ยน PCB: ปกติจะมีอายุการใช้งานยาวนานกว่า เนื่องจากเป็นบอร์ดที่ผลิตมาจากโรงงาน

6. ผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อม

การซ่อม PCB: ช่วยยืดอายุการใช้งานอุปกรณ์ให้ยาวนานขึ้น และช่วยลดขยะอิเล็กทรอนิกส์การเปลี่ยน PCB: ส่งผลทำให้มีเกิดขยะอิเล็กทรอนิกส์มากขึ้นในระยะยาว 

Ball Grid Array (BGA) เป็นเทคโนโลยี Surface-Mount Packaging ที่ถูกใช้อย่างแพร่หลายในอุตสาหกรรมอิเล็กทรอนิกส์  

ข้อดีของ BGA หลัก ๆ เมื่อเทียบกับ IC Packaging ชนิดอื่นคือ 

- มีจำนวนขา (จำนวน Ball ที่อยู่ใต้ตัว IC) เชื่อมต่อ IC และ PCB จำนวนมากกว่า 

- มีประสิทธิภาพในการระบายความร้อนดีกว่า

ข้อเสียของ BGA คือ

- ความยากในการทดสอบวงจร เนื่องจากไม่สามารถเข้าถึงขาของ IC ที่อยู่ด้านล่างได้ 

- ความยากในการบัดกรี IC ลงบน PCB เพราะต้องความแม่นยำค่อนข้างสูง

สาเหตุที่ทำให้ BGA IC ทำงานไม่ปกติ ส่วนใหญ่มาจาก  

- ตัว Package ของ IC ผิดรูป เนื่องจากความร้อน ทำให้จุดบัดกรีเสียหาย

- คุณภาพของการบัดกรีในขั้นตอนการผลิตไม่ดี

- ความเสียหายทางกายภาพ

Thermal Stress มักเป็นปัญหาที่ทำให้ตัว Package ของ IC ผิดรูปเนื่องจากความร้อน โดยหลัก ๆ แล้วมีสาเหตุ 3 ประการ 

1. Thermal Cycling: อุณหภูมิในสภาพแวดล้อมการใช้งานนั้น ค่อย ๆ มีการเปลี่ยนแปลงเป็นวัฏจักรซ้ำ ๆ ทำให้วัสดุที่ใช้ใน BGA และ PCB มีการขยาย หรือหดตัวไม่เท่ากัน ซึ่งส่งผลทำให้จุดบัดกรีเกิดการแตกหักได้ในระยะยาว

2. Thermal Shock: เกิดการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิอย่างรวดเร็ว ทำให้เกิดแรงตึงเครียดสูงระหว่าง BGA และ PCB ทำให้จุดบัดกรีเสียหายในทันที

3. Insufficient Thermal Management: การระบายความร้อนออกจาก BGA โดยใช้ Heat-Sink ทำได้ไม่ดี จึงเกิด Overheat ส่งผลทำให้จุดบัดกรีละลายเป็น Open-Circuit หรือ Short-Circuit ระหว่างขา (Ball) ของ IC ได้