Assemblaggio di PCB ad alta affidabilità: controllo del processo e tracciabilità

Highleap Electronics produce assemblaggi di circuiti stampati ad alta affidabilità per prodotti in cui un guasto sul campo ha conseguenze che vanno oltre la semplice restituzione in garanzia: dispositivi medici, elettronica automobilistica, sistemi di controllo e alimentazione industriali, apparecchiature aerospaziali e di difesa e infrastrutture che devono funzionare senza supervisione per anni. Realizziamo i circuiti stampati nudi e li assembliamo secondo la classe di lavorazione, i materiali e le fasi di verifica definiti nei vostri requisiti.

L'elevata affidabilità non è un'etichetta apposta a fine linea. È determinata da tre decisioni prese prima della produzione: i criteri di accettazione a cui le schede vengono conformi e ispezionate, i materiali e i processi che determinano l'invecchiamento delle saldature e dei laminati, e le prove che il produttore deve fornire a dimostrazione che ogni lotto soddisfa i requisiti. Questa pagina spiega come tali decisioni si traducono in una specifica per schede PCBA, quali processi e test sono rilevanti e cosa verificare durante la qualificazione di un produttore.

Definizione dei requisiti di elevata affidabilità per un PCBA

Il termine "elevata affidabilità" assume significati diversi a seconda del settore. Un ordine di acquisto che si limiti a indicare "elevata affidabilità" lascia il produttore a brancolare nel buio, e due fornitori proporranno due prodotti diversi. Un requisito utile, invece, specifica quanto segue:

I sistemi di qualità del settore impongono i propri requisiti specifici: ISO 13485 per i dispositivi medici, IATF 16949 per le filiere del settore automobilistico e i requisiti dei clienti del settore aerospaziale e della difesa. Le certificazioni del sistema di qualità di Highleap sono elencate nella nostra pagina dedicata alle certificazioni ; specificate lo standard a cui si applica il vostro prodotto nella richiesta di offerta (RFQ) in modo che la documentazione di produzione sia predisposta fin dal primo lotto.

Assemblea della classe 3 dell'IPC: quali cambiamenti in linea

La maggior parte dei programmi ad alta affidabilità specifica la Classe IPC 3. La differenza rispetto alla Classe 2 non consiste in una macchina diversa, bensì in una finestra di accettazione più ristretta e in un maggiore impegno nell'ispezione, motivo per cui le schede di Classe 3 costano di più.

• Riempimento del foro passante placcatoLa Classe 3 richiede un riempimento verticale di saldatura minimo più elevato nei fori passanti rispetto alla Classe 2. Schede spesse e connessioni a grandi piani di rame necessitano di processi di saldatura passanti e di una progettazione termica che li raggiungano.
• Posizionamento dei componenti: la sporgenza laterale consentita e l'offset del giunto terminale sono minori, quindi la precisione del posizionamento e la progettazione del cuscinetto devono lasciare un margine di errore inferiore.
• Profilo di bagnatura e giunzione: le condizioni accettate come indicatori di processo nella Classe 2 possono essere difetti nella Classe 3.
• Scheda nudaLa norma IPC-6012 Classe 3 richiede uno spessore maggiore delle pareti del foro in rame e anelli anulari più grandi, il che influisce sulla progettazione della punta e del pad.

La Classe 3 deve essere specificata in fase di progettazione, non aggiunta in fase di ordine. Un layout progettato secondo le regole di pad e anello anulare della Classe 2 potrebbe non essere producibile secondo la Classe 3 senza modifiche. Il nostro confronto tra l'assemblaggio di PCB IPC di Classe 2 e di Classe 3 illustra in dettaglio le differenze di accettazione.

Ogni scheda in un prodotto ad alta affidabilità necessita di una certificazione di Classe 3?

Non sempre. Specificare la Classe 3 solo dove la funzione lo richiede, ad esempio una scheda di controllo ma non una scheda di interfaccia per il display, può contenere i costi. La decisione dovrebbe essere presa dal team di ingegneri del prodotto in base alle conseguenze di un eventuale guasto e agli standard di settore applicabili.

Scheda nuda e scelte dei materiali che influiscono sull'affidabilità

Molti guasti a lungo termine sul campo iniziano nella scheda nuda piuttosto che nelle saldature. I cicli termici sollecitano i fori metallizzati lungo l'asse Z; le ripetute operazioni di rifusione e rilavorazione sollecitano il laminato; in ambienti umidi può verificarsi la crescita di filamenti anodici conduttivi tra fori ravvicinati.

• Temperatura di transizione vetrosa (Tg) del laminato e temperatura di decomposizione: la saldatura a rifusione senza piombo, l'assemblaggio su entrambi i lati e la rilavorazione richiedono laminati adatti a molteplici escursioni termiche.
• Espansione dell'asse Z: un coefficiente di dilatazione termica (CTE) inferiore sull'asse Z riduce lo stress sui cilindri placcati durante i cicli termici, aspetto importante per schede spesse e con un elevato numero di strati.
• Tramite struttura: i microvias impilati, i vias riempiti e i via-in-pad richiedono la qualificazione del processo; i microvias sfalsati sono spesso preferiti quando il margine di affidabilità è critico.
• Finitura superficialeENIG, ENEPIG, argento a immersione e OSP differiscono per durata di conservazione, planarità e comportamento delle giunzioni. Scegliere in base ai componenti e al tempo di conservazione prima dell'assemblaggio.

Per i programmi ad alta affidabilità, le schede nude devono essere verificate, non date per scontate. L'analisi microscopica dei campioni e i test di affidabilità dei fori metallizzati, come i test di stress delle interconnessioni, dimostrano che la struttura dei via resiste ai cicli termici.

Controlli di processo per giunzioni di saldatura affidabili

Una giunzione affidabile presenta il giusto volume di saldatura, una bagnatura completa e una presenza limitata di vuoti. Ciascuna di queste caratteristiche deriva da una fase di processo controllata, piuttosto che da un'ispezione finale.

Stampa con pasta saldante

La maggior parte dei difetti SMT inizia nella stampante. Lo spessore dello stencil e il design dell'apertura controllano il volume della pasta saldante; l'ispezione della pasta saldante misura il volume e la posizione del deposito prima dell'applicazione, in modo che depositi insufficienti o ponticelli vengano individuati prima che si formino giunzioni.

Profilazione di riflusso

Il profilo è impostato per la scheda effettiva, con termocoppie posizionate sui componenti più pesanti e sensibili. I grandi BGA, i piani di rame spessi e i piccoli componenti passivi sulla stessa scheda richiedono un profilo che li bagni tutti senza surriscaldarne alcuno.

Vuoto sotto i cuscinetti termici

Gli spazi vuoti sotto i pad termici QFN e dei dispositivi di potenza riducono il trasferimento di calore e la resistenza della giunzione. Le aperture a finestra realizzate con stencil su pad di grandi dimensioni, tramite trattamento e regolazione del profilo, riducono la formazione di vuoti, e la misurazione a raggi X ne conferma il risultato. Se la vostra applicazione prevede un limite di vuoti, specificatelo nei requisiti.

Umidità, ESD e pulizia

I dispositivi sensibili all'umidità vengono trattati fino al raggiungimento del loro livello di umidità limite (MSL) e sottoposti a cottura quando tale livello viene superato, per prevenire la rottura dell'involucro durante la rifusione. I residui di flussante accettabili per i prodotti di consumo possono causare perdite o corrosione in applicazioni umide o ad alta tensione; se il prodotto richiede la pulizia e la verifica della pulizia ionica, specificarlo.

Ispezione, collaudo e protezione dei circuiti stampati

Per prodotti ad alta affidabilità, l'ispezione e il collaudo sono pianificati come livelli, ognuno dei quali individua ciò che il precedente non è riuscito a rilevare.

Il test di burn-in viene specificato dal cliente in base al profilo di rischio del prodotto; comporta costi e tempi aggiuntivi ed è particolarmente utile quando individuare sul campo guasti che si verificano nelle prime fasi di vita del prodotto è costoso.

Rivestimento conforme e protezione meccanica

Le schede esposte a umidità, condensa, polvere o contaminazione chimica necessitano generalmente di un rivestimento protettivo . Specificare il tipo di rivestimento, le aree da mascherare (connettori, punti di test, parti regolabili) e lo spessore richiesto. I componenti pesanti in ambienti con vibrazioni potrebbero inoltre necessitare di fissaggio adesivo o di un riempimento con materiale di riempimento, che devono essere indicati nel disegno di assemblaggio.

Tracciabilità e controllo delle modifiche

Quando un prodotto ad alta affidabilità si guasta sul campo, l'indagine dipende dai registri di produzione. Senza di essi, l'unica risposta sicura è considerare ogni unità come sospetta.

• Identificazione a livello di consiglio: numero di serie o codice di lotto su ogni scheda, collegato al registro di produzione.
• Registri dei lotti dei componentiCodici data e numeri di lotto dei componenti critici, collegati al lotto della scheda. Concordare quali componenti richiedono queste informazioni, poiché la tracciabilità completa di ogni singolo componente passivo comporta costi aggiuntivi.
• Registrazioni di processo: profilo di rifusione, ispezione e risultati dei test per lotto o numero di serie.
• Notifica di modifica: nessuna modifica a materiali, componenti, processi o luogo di produzione senza l'approvazione del cliente. Questa è spesso la clausola più importante in un contratto di fornitura ad alta affidabilità.

La nostra pagina sulla tracciabilità dei PCB descrive i dati che possono essere conservati e come questi siano collegati a ciascuna spedizione.

Autenticità dei componenti

Componenti contraffatti o maneggiati in modo improprio rappresentano un rischio per l'affidabilità che nessun processo di assemblaggio può correggere. Per programmi ad alta affidabilità, i componenti devono essere acquistati direttamente dai produttori o da distributori autorizzati, salvo eccezioni approvate dal cliente. Specificate questo requisito, insieme a qualsiasi codice data o numero di lotto necessario, nella richiesta di offerta (RFQ) in modo che venga integrato nel piano di approvvigionamento dei componenti per il vostro programma.

Qualifica di un produttore di schede PCBA ad alta affidabilità

Un certificato attesta l'esistenza di un sistema di qualità, ma non specifica come verrà realizzata una determinata scheda. Durante la fase di qualificazione dei fornitori, richiedete documentazione pertinente al vostro prodotto:

• Certificati conformi allo standard del sistema di qualità richiesto dal vostro settore, con ambito di applicazione che comprende l'assemblaggio di circuiti stampati (PCB).
• Come viene applicata e verificata l'accettazione di Classe 3 sulla linea di produzione e come vengono formati gli ispettori secondo i criteri IPC.
• Un esempio di rapporto sul primo articolo e un esempio di scheda di lotto, per vedere quali prove vengono spedite con ciascun lotto.
• Come viene gestito il prodotto non conforme: segregazione, smaltimento, analisi delle cause profonde e azioni correttive.
• Il processo di notifica delle modifiche e le modalità di registrazione dell'approvazione del cliente.
• Se il circuito stampato viene prodotto internamente o acquistato, e come viene verificata la qualità del circuito stampato in entrambi i casi.

Raccomandiamo di qualificare la produzione con un primo prototipo realizzato sul vostro prodotto reale. Il primo prototipo e la documentazione di lotto dimostrano come i requisiti sono stati applicati nella pratica, cosa che un questionario di capacità non può fare. I programmi specifici per settore sono descritti nelle nostre pagine dedicate all'assemblaggio di PCB per il settore medicale e per il settore aerospaziale e della difesa .

Domande frequenti sull'assemblaggio di PCB ad alta affidabilità

L'assemblaggio di PCB ad alta affidabilità è equivalente alla classe IPC 3?

Class 3 is the most common workmanship requirement in high reliability programs, but reliability also depends on materials, design, process controls, test strategy and traceability. A board can be inspected to Class 3 and still fail early if the laminate or via structure is unsuitable for its thermal environment. For assemblies requiring environmental protection, conformal-coating integration during PCBA should be coordinated with connector keep-outs, cleaning and the final test sequence.

Quanto costa in più l'assemblaggio di Classe 3?

L'aumento dipende dalla scheda. Deriva da finestre di processo più ristrette, maggiore impegno in termini di ispezione e rilavorazione, documentazione aggiuntiva e talvolta modifiche di progettazione o dei materiali. Indica entrambe le classi se devi decidere quale specificare.

Potete realizzare il lavoro secondo le nostre specifiche di lavorazione?

Sì, a condizione che sia fornito con la richiesta di offerta (RFQ). Qualora le specifiche del cliente differiscano dalla norma IPC-A-610, il documento del cliente deve indicare quale norma ha la precedenza.

Sostenete l'utilizzo di saldature contenenti piombo per prodotti ad alta affidabilità?

Alcuni prodotti per il settore aerospaziale, della difesa e medicale sono esenti dalla direttiva RoHS e richiedono una saldatura a stagno-piombo. Si prega di specificare la lega di saldatura richiesta nella richiesta di offerta (RFQ) in modo da poter confermare il processo e le finiture dei componenti.

È possibile rivestire e testare le schede prima della spedizione?

Sì. Il rivestimento protettivo, i test funzionali e il burn-in possono essere inclusi se specificato. Le procedure di prova e i criteri di superamento devono essere forniti o concordati in fase di preventivo.