Montaż PCB o wysokiej niezawodności: kontrola procesu i identyfikowalność

Firma Highleap Electronics produkuje niezawodne zespoły PCB dla produktów, w których awaria w terenie ma konsekwencje wykraczające poza gwarancję: urządzeń medycznych, elektroniki samochodowej, przemysłowych systemów sterowania i zasilania, sprzętu lotniczego i obronnego oraz infrastruktury, która musi działać bezobsługowo przez lata. Produkujemy płytki drukowane i montujemy je zgodnie z klasą wykonania, materiałami i procedurami weryfikacji określonymi przez Państwa.

Wysoka niezawodność to nie etykieta nadawana na końcu linii produkcyjnej. Jest ona ustalana na podstawie trzech decyzji podejmowanych przed rozpoczęciem produkcji: kryteriów akceptacji, zgodnie z którymi płytki są budowane i kontrolowane, materiałów i procesów, które determinują proces starzenia się połączeń lutowanych i laminatów, oraz dowodów, jakie producent musi przedstawić, że każda partia spełnia wymagania. Na tej stronie wyjaśniono, jak te decyzje przekładają się na specyfikację PCBA, które procesy i testy są istotne oraz co należy zweryfikować podczas kwalifikacji producenta.

Określanie wymagań wysokiej niezawodności dla PCBA

„Wysoka niezawodność” oznacza różne rzeczy w różnych branżach. Zamówienie zakupu, które zawiera jedynie określenie „wysoka niezawodność”, pozostawia producenta z domysłami, a dwóch dostawców wystawia oferty na dwa różne produkty. Użyteczne wymaganie stanowi:

Branżowe systemy jakości nakładają na siebie własne wymagania: ISO 13485 dla urządzeń medycznych, IATF 16949 dla łańcuchów dostaw w branży motoryzacyjnej oraz wymagania klientów z branży lotniczej i obronnej. Certyfikaty systemów jakości firmy Highleap są wymienione na naszej stronie poświęconej certyfikatom ; w zapytaniu ofertowym (RFQ) należy podać normę, której podlega Państwa produkt, aby dokumentacja produkcyjna była przygotowywana od pierwszej partii.

Montaż IPC klasy 3: Co zmienia się na linii produkcyjnej

Większość programów o wysokiej niezawodności określa klasę IPC 3. Różnica w stosunku do klasy 2 nie polega na innej maszynie, lecz na węższym oknie akceptacji i większym nakładzie pracy związanym z inspekcją, dlatego płyty klasy 3 są droższe.

• Wypełnienie otworów przelotowych platerowane:Klasa 3 wymaga wyższego minimalnego wypełnienia lutem pionowym otworów przelotowych niż klasa 2. Grube płytki i połączenia z dużymi płaszczyznami miedzianymi wymagają procesów otworów przelotowych i projektowania termicznego, które to umożliwiają.
• Rozmieszczenie komponentów:dopuszczalne wysunięcie boczne i przesunięcie złącza końcowego są mniejsze, dlatego dokładność umiejscowienia i konstrukcja podkładki muszą pozostawiać mniejszy margines błędu.
• Zwilżanie i profil spoin:warunki akceptowane jako wskaźniki procesu w klasie 2 mogą być wadami w klasie 3.
• Goła płyta:Norma IPC-6012 Klasa 3 wymaga grubszych miedzianych ścianek otworów i większych pierścieni pierścieniowych, co ma wpływ na konstrukcję wiertła i podkładki.

Klasa 3 powinna być określona na etapie projektowania, a nie dodawana na etapie zamówienia. Układ zaprojektowany zgodnie z zasadami dotyczącymi padów i pierścieni klasy 2 może nie nadawać się do produkcji w klasie 3 bez wprowadzenia zmian. Nasze porównanie montażu płytek PCB klasy 2 i 3 IPC szczegółowo omawia różnice w akceptacji.

Czy każda płyta w produkcie o wysokiej niezawodności musi mieć klasę 3?

Nie zawsze. Określenie Klasy 3 tylko tam, gdzie wymaga tego funkcja, na przykład w przypadku płyty sterującej, ale nie w przypadku płyty interfejsu wyświetlacza, może pomóc w ograniczeniu kosztów. Decyzję powinien podjąć zespół inżynierów produktu, biorąc pod uwagę konsekwencje awarii i obowiązującą normę branżową.

Wybór płyt głównych i materiałów, które wpływają na niezawodność

Wiele długotrwałych awarii w terenie zaczyna się w gołej płytce, a nie w połączeniach lutowniczych. Cykle termiczne powodują naprężenia w metalizowanych otworach przelotowych wzdłuż osi Z; wielokrotne lutowanie rozpływowe i przeróbki naprężają laminat; w wilgotnych środowiskach może wystąpić wzrost przewodzących włókien anodowych między gęsto rozmieszczonymi otworami.

• Temperatura Tg i rozkładu laminatu:bezołowiowe lutowanie rozpływowe, dwustronny montaż i przeróbka wymagają laminatów przystosowanych do wielokrotnych wahań temperatury.
• Rozszerzenie osi Z:mniejszy współczynnik CTE w osi Z zmniejsza naprężenia w walcowych powłokach podczas cykli termicznych, co ma znaczenie w przypadku grubych płytek o dużej liczbie warstw.
• Poprzez strukturę: mikrootwory ułożone jeden na drugim, otwory wypełnione i otwory w padzie wymagają kwalifikacji procesu; przesunięte mikrootwory są często preferowane w przypadkach, gdy margines niezawodności ma kluczowe znaczenie.
• Wykończenie powierzchni: ENIG, ENEPIG, srebro immersyjne i OSP różnią się trwałością, płaskością i zachowaniem spoin. Dokonaj wyboru w oparciu o komponenty i czas przechowywania przed montażem.

Należy zweryfikować, a nie zakładać, że płytki w programach o wysokiej niezawodności są puste. Analiza mikroskrojów próbek i testy niezawodności otworów metalizowanych, takie jak badanie wytrzymałości połączeń międzysystemowych, dostarczają dowodów na to, że struktura przelotki jest odporna na cykle termiczne.

Kontrola procesu dla niezawodnych połączeń lutowanych

Niezawodne połączenie charakteryzuje się odpowiednią objętością lutu, pełnym zwilżeniem i ograniczoną ilością pustych przestrzeni. Każdy z tych parametrów powstaje w wyniku kontrolowanego procesu, a nie końcowej kontroli.

Drukowanie pasty lutowniczej

Większość defektów SMT ma swój początek w drukarce. Grubość szablonu i konstrukcja otworu kontrolują objętość pasty; kontrola pasty lutowniczej mierzy objętość i położenie naniesionego osadu przed jego nałożeniem, dzięki czemu niewystarczające lub zmostkowane osady są wykrywane, zanim powstaną połączenia.

Profilowanie reflow

Profil jest ustawiony dla konkretnej płytki, z termoparami na najcięższych i najbardziej wrażliwych elementach. Duże układy BGA, grube warstwy miedziane i małe elementy pasywne na tej samej płytce wymagają profilu, który zwilży je wszystkie, nie przegrzewając żadnego z nich.

Odprowadzanie powietrza pod podkładkami termicznymi

Pustki pod podkładkami termicznymi QFN i urządzeń elektrycznych zmniejszają przenikanie ciepła i wytrzymałość połączeń. Okienne otwory szablonowe na dużych podkładkach, dzięki obróbce i regulacji profilu, redukują powstawanie pustych przestrzeni, a pomiary rentgenowskie potwierdzają wynik. Jeśli w Twoim zastosowaniu obowiązuje limit dotyczący pustych przestrzeni, podaj go w wymaganiach.

Wilgoć, ESD i czystość

Urządzenia wrażliwe na wilgoć są obsługiwane zgodnie z ich parametrami MSL i wypalane po przekroczeniu okresu użytkowania, aby zapobiec pękaniu opakowań podczas lutowania rozpływowego. Pozostałości topnika, które są dopuszczalne w przypadku produktów konsumenckich, mogą powodować wycieki lub korozję w zastosowaniach wilgotnych lub wysokonapięciowych; jeśli produkt wymaga czyszczenia i weryfikacji czystości jonowej, należy to określić.

Kontrola, testowanie i ochrona płyt

W przypadku produktów o wysokiej niezawodności kontrole i testy planuje się na kilku poziomach, z których każdy wychwytuje to, czego poprzedni nie wykrył.

Klient określa częstotliwość testów wypalania na podstawie profilu ryzyka produktu; są one bardziej kosztowne i czasochłonne, a najlepiej sprawdzają się w przypadkach, gdy usterki na wczesnym etapie eksploatacji są trudne do wykrycia w terenie.

Powłoki ochronne i ochrona mechaniczna

Płyty narażone na wilgoć, kondensację, kurz lub zanieczyszczenia chemiczne zazwyczaj wymagają powłoki ochronnej . Należy określić rodzaj powłoki, obszary do zamaskowania (złącza, punkty testowe, elementy regulowane) oraz wymaganą grubość. Ciężkie elementy w środowiskach narażonych na drgania mogą również wymagać klejenia lub podkładu, co powinno być zaznaczone na rysunku montażowym.

Śledzenie i kontrola zmian

Gdy produkt o wysokiej niezawodności ulegnie awarii w terenie, dochodzenie opiera się na dokumentacji produkcyjnej. Bez niej jedyną bezpieczną reakcją jest traktowanie każdego egzemplarza jako podejrzanego.

• Identyfikacja na poziomie zarządu: numer seryjny lub kod partii na każdej płytce, powiązany z zapisem budowy.
• Rekordy partii komponentów: kody dat i numery partii kluczowych komponentów, powiązane z partią płytki. Należy uzgodnić, które komponenty tego wymagają, ponieważ pełne śledzenie partii każdego elementu pasywnego generuje koszty.
• Rejestry procesów:profil reflow, wyniki kontroli i testów według partii lub numeru seryjnego.
• Powiadomienie o zmianie:brak zmian materiałów, komponentów, procesu lub lokalizacji produkcji bez zgody klienta. Jest to często najważniejsza klauzula w umowie o dostawach o wysokiej niezawodności.

Na naszej stronie poświęconej identyfikowalności PCB opisano, jakie zapisy można przechowywać, i w jaki sposób są one powiązane z każdą przesyłką.

Autentyczność komponentów

Podrobione lub niewłaściwie obsługiwane komponenty stanowią zagrożenie dla niezawodności, którego nie da się wyeliminować żadnym procesem montażu. W przypadku programów o wysokiej niezawodności, komponenty należy kupować od producentów lub autoryzowanych dystrybutorów, z wyjątkiem przypadków zatwierdzonych przez klienta. Należy określić ten wymóg oraz wszelkie wymagane kody dat lub numery partii w zapytaniu ofertowym (RFQ), aby uwzględnić je w planie zaopatrzenia w komponenty dla danego programu.

Kwalifikacja producenta PCBA o wysokiej niezawodności

Certyfikat potwierdza istnienie systemu jakości. Nie określa on jednak sposobu budowy konkretnej płytki. Podczas kwalifikacji dostawcy poproś o dowody dotyczące Twojego produktu:

• Certyfikaty potwierdzające standard systemu jakości wymagany w Twojej branży, obejmujące również montaż płytek PCB.
• W jaki sposób akceptacja Klasy 3 jest stosowana i weryfikowana na linii produkcyjnej oraz w jaki sposób inspektorzy są szkoleni w zakresie kryteriów IPC.
• Przykładowy pierwszy raport artykułu i przykładowy zapis partii, aby zobaczyć, jakie dowody są dołączone do każdej partii.
• Jak postępować z wyrobami niezgodnymi: segregacja, utylizacja, analiza przyczyn źródłowych i działania korygujące.
• Proces powiadamiania o zmianach i sposób rejestrowania akceptacji klienta.
• Czy płytka drukowana jest produkowana wewnętrznie czy kupowana, a także w jaki sposób weryfikowana jest jakość płytki drukowanej w obu przypadkach.

Zalecamy kwalifikację z pierwszym artykułem opartym na rzeczywistym produkcie. Pierwszy artykuł i rekord partii pokazują, jak wymagania zostały zastosowane w praktyce, czego nie da się zrobić w kwestionariuszu kompetencji. Programy branżowe są opisane na naszych stronach poświęconych montażowi płytek PCB dla sektora medycznego oraz montażowi płytek PCB dla sektora lotnictwa i obrony.

Często zadawane pytania dotyczące montażu płytek PCB o wysokiej niezawodności

Czy montaż płytek PCB o wysokiej niezawodności jest tym samym, co IPC klasy 3?

Klasa 3 to najczęstszy wymóg jakości wykonania w programach o wysokiej niezawodności, ale niezawodność zależy również od materiałów, konstrukcji, kontroli procesu, strategii testowania i identyfikowalności. Płytę można sprawdzić pod kątem klasy 3, a mimo to przedwcześnie uszkodzić, jeśli laminat lub struktura przelotki nie są dostosowane do warunków termicznych panujących w danym środowisku.

O ile więcej kosztuje montaż klasy 3?

Wzrost zależy od rodzaju płyty. Wynika on z krótszych okien procesowych, większego nakładu pracy na inspekcje i poprawki, dodatkowej dokumentacji, a czasem także zmian w projekcie lub materiałach. Jeśli zastanawiasz się, którą klasę wybrać, podaj obie.

Czy możecie budować według naszych specyfikacji technicznych?

Tak, pod warunkiem dostarczenia go wraz z zapytaniem ofertowym. Jeżeli specyfikacja klienta różni się od IPC-A-610, dokument klienta powinien określać, która z nich ma pierwszeństwo.

Czy popierasz stosowanie lutów zawierających ołów w produktach o wysokiej niezawodności?

Niektóre produkty lotnicze, obronne i medyczne są zwolnione z dyrektywy RoHS i wymagają lutowania cynowo-ołowiowego. Prosimy o podanie wymagań dotyczących stopu lutowniczego w zapytaniu ofertowym (RFQ), abyśmy mogli potwierdzić proces i wykończenie komponentów.

Czy deski można pokryć powłoką i przetestować przed wysyłką?

Tak. Powłoka ochronna, testy funkcjonalne i wygrzewanie mogą być uwzględnione w specyfikacji. Procedury testowe i kryteria zaliczenia powinny zostać określone lub uzgodnione podczas wyceny.