Montagem de PCBs de Alta Confiabilidade: Controle de Processo e Rastreabilidade

A Highleap Electronics fabrica placas de circuito impresso (PCBs) de alta confiabilidade para produtos onde uma falha em campo tem consequências que vão além da simples devolução em garantia: dispositivos médicos, eletrônica automotiva, sistemas de controle e energia industrial, equipamentos aeroespaciais e de defesa, e infraestrutura que precisa operar sem supervisão por anos. Fabricamos as placas nuas e as montamos de acordo com a classe de qualidade, os materiais e as etapas de verificação definidas em suas necessidades.

Alta confiabilidade não é um rótulo aplicado no final da linha de produção. Ela é definida por três decisões tomadas antes da fabricação: os critérios de aceitação pelos quais as placas são fabricadas e inspecionadas, os materiais e processos que determinam como as juntas de solda e os laminados envelhecem e as evidências que o fabricante deve fornecer de que cada lote atende aos requisitos. Esta página explica como essas decisões se traduzem em uma especificação de PCBA, quais processos e testes são importantes e o que verificar ao qualificar um fabricante.

Definindo os requisitos de alta confiabilidade para uma placa de circuito impresso (PCBA).

"Alta confiabilidade" significa coisas diferentes em diferentes setores. Um pedido de compra que menciona apenas "alta confiabilidade" deixa o fabricante sem saber ao certo, e dois fornecedores podem apresentar orçamentos diferentes para o mesmo produto. Um requisito útil define o seguinte:

Os sistemas de qualidade da indústria adicionam suas próprias expectativas: ISO 13485 para dispositivos médicos, IATF 16949 para cadeias de suprimentos automotivas e requisitos de clientes dos setores aeroespacial e de defesa. As certificações do sistema de qualidade da Highleap estão listadas em nossa página de certificações ; indique a norma à qual seu produto se enquadra na solicitação de cotação (RFQ) para que a documentação de produção seja configurada desde o primeiro lote.

Montagem IPC Classe 3: O que muda na linha de produção?

A maioria dos programas de alta confiabilidade especifica a Classe 3 do IPC. A diferença em relação à Classe 2 não está em uma máquina diferente, mas sim em uma janela de aceitação mais estreita e um esforço de inspeção maior, razão pela qual as placas de Classe 3 custam mais.

• Preenchimento de furo passante revestidoA Classe 3 exige uma densidade mínima de solda vertical em furos passantes superior à da Classe 2. Placas espessas e conexões com grandes planos de cobre necessitam de processos de soldagem por furos passantes e projetos térmicos que atendam a essa densidade.
• Posicionamento de componente: a saliência lateral permitida e o deslocamento da junta final são menores, portanto, a precisão do posicionamento e o projeto da almofada devem deixar menos margem para erros.
• Perfil de molhagem e juntasAs condições aceitas como indicadores de processo na Classe 2 podem ser defeitos na Classe 3.
• Tábua nuaA norma IPC-6012 Classe 3 exige cobre com paredes de furo mais espessas e anéis de vedação maiores, o que afeta o projeto da perfuração e da área de contato.

A Classe 3 deve ser especificada na fase de projeto, e não adicionada na fase de encomenda. Um layout projetado de acordo com as regras de pads e anéis da Classe 2 pode não ser fabricável na Classe 3 sem alterações. Nossa comparação entre a montagem de PCBs Classe 2 e Classe 3 da IPC aborda detalhadamente as diferenças de aceitação.

Será que todas as placas de um produto de alta confiabilidade precisam de classificação Classe 3?

Nem sempre. Especificar a Classe 3 apenas onde a função exige, por exemplo, em uma placa de controle, mas não em uma placa de interface de vídeo, pode ajudar a controlar os custos. A decisão deve ser tomada pela equipe de engenharia do produto, com base nas consequências da falha e na norma aplicável do setor.

Placa nua e escolhas de materiais que afetam a confiabilidade

Muitas falhas de longo prazo em campo começam na placa nua, e não nas juntas de solda. Ciclos térmicos tensionam os furos metalizados ao longo do eixo Z; o refluxo e retrabalho repetidos tensionam o laminado; o crescimento de filamentos anódicos condutores pode ocorrer entre furos muito próximos em ambientes úmidos.

• Tg do laminado e temperatura de decomposiçãoProcessos de refluxo sem chumbo, montagem em dupla face e retrabalho exigem laminados classificados para múltiplas variações térmicas.
• Expansão do eixo ZUm coeficiente de expansão térmica (CTE) mais baixo no eixo Z reduz a tensão nos cilindros revestidos durante os ciclos térmicos, o que é importante para placas espessas com um grande número de camadas.
• Por meio da estruturaMicrovias empilhadas, vias preenchidas e vias em pads necessitam de qualificação de processo; microvias escalonadas são frequentemente preferidas quando a margem de confiabilidade é crítica.
• O acabamento da superfícieENIG, ENEPIG, prata de imersão e OSP diferem em termos de prazo de validade, planicidade e comportamento das juntas. A escolha deve ser feita com base nos componentes e no tempo de armazenamento antes da montagem.

Placas nuas para programas de alta confiabilidade devem ser verificadas, não presumidas. Análises de microseções de amostras e testes de confiabilidade de furos metalizados, como testes de estresse de interconexão, fornecem evidências de que a estrutura de vias resiste a ciclos térmicos.

Controles de processo para juntas de solda confiáveis

Uma junta confiável possui o volume correto de solda, molhagem completa e mínima formação de vazios. Cada um desses aspectos resulta de uma etapa de processo controlada, e não apenas de uma inspeção final.

Impressão de pasta de solda

A maioria dos defeitos em SMT começa na impressora. A espessura do estêncil e o design da abertura controlam o volume de pasta; a inspeção da pasta de solda mede o volume e a posição do depósito antes da aplicação, de modo que depósitos insuficientes ou com pontes sejam detectados antes que se tornem juntas.

Perfil de refluxo

O perfil é definido para a placa real, com termopares nos componentes mais pesados ​​e sensíveis. Grandes BGAs, planos de cobre espessos e pequenos componentes passivos na mesma placa exigem um perfil que os molhe completamente sem superaquecer nenhum deles.

Esvaziamento sob almofadas térmicas

A presença de vazios sob os pads térmicos de componentes QFN e de potência reduz a transferência de calor e a resistência da junção. Aberturas com janelas em pads grandes, tratamento térmico e ajuste de perfil reduzem a formação de vazios, e a medição por raios X confirma o resultado. Se a sua aplicação tiver um limite de vazios, especifique-o nos requisitos.

Umidade, ESD e limpeza

Dispositivos sensíveis à umidade devem ser manuseados de acordo com sua classificação MSL e submetidos a tratamento térmico quando o tempo de vida útil for excedido, para evitar rachaduras na embalagem durante o processo de refluxo. Resíduos de fluxo aceitáveis ​​para produtos de consumo podem causar vazamentos ou corrosão em aplicações úmidas ou de alta tensão; caso o produto exija limpeza e verificação de limpeza iônica, especifique isso.

Inspeção, Teste e Proteção da Placa

Para produtos de alta confiabilidade, a inspeção e os testes são planejados em etapas, cada uma detectando o que a anterior não consegue.

Os testes de envelhecimento acelerado são especificados pelo cliente de acordo com o perfil de risco do produto; eles aumentam o custo e o tempo, sendo mais úteis quando falhas precoces são caras de detectar em campo.

Revestimento Conformal e Proteção Mecânica

Placas expostas à umidade, condensação, poeira ou contaminação química geralmente necessitam de revestimento conformal . Especifique o tipo de revestimento, as áreas a serem protegidas (conectores, pontos de teste, peças ajustáveis) e a espessura necessária. Componentes pesados ​​em ambientes com vibração também podem necessitar de fixação com adesivo ou preenchimento, o que deve ser indicado no desenho de montagem.

Rastreabilidade e Controle de Mudanças

Quando um produto de alta confiabilidade falha em campo, a investigação depende dos registros de fabricação. Sem eles, a única resposta segura é tratar cada unidade como suspeita.

• Identificação em nível de diretoriaNúmero de série ou código de lote em cada placa, vinculado ao registro de fabricação.
• Registros de lotes de componentesCódigos de data e números de lote de componentes críticos, vinculados ao lote da placa. Defina quais componentes exigem isso, pois o rastreamento completo do lote de cada componente passivo aumenta o custo.
• Registros de processosPerfil de refluxo, inspeção e resultados de testes por lote ou número de série.
• Notificação de alteraçãoNenhuma alteração nos materiais, componentes, processos ou local de fabricação sem a aprovação do cliente. Esta é geralmente a cláusula mais importante em um contrato de fornecimento de alta confiabilidade.

Nossa página sobre rastreabilidade de PCBs descreve os registros que podem ser mantidos e como eles se vinculam a cada remessa.

Autenticidade do componente

Componentes falsificados ou mal manuseados representam um risco de confiabilidade que nenhum processo de montagem pode corrigir. Para programas de alta confiabilidade, os componentes devem ser adquiridos de fabricantes ou distribuidores autorizados, com qualquer exceção aprovada pelo cliente. Indique este requisito, bem como qualquer código de data ou registro de lote necessário, na solicitação de cotação (RFQ) para que seja incorporado ao plano de fornecimento de componentes do seu programa.

Qualificando um fabricante de PCBA de alta confiabilidade

Um certificado demonstra a existência de um sistema de qualidade. Ele não descreve como uma placa específica será fabricada. Durante a qualificação de fornecedores, solicite evidências aplicáveis ​​ao seu produto.

• Certificados para o padrão de sistema de qualidade exigido pela sua indústria, com abrangência que inclui a montagem de placas de circuito impresso (PCB).
• Como a aceitação da Classe 3 é aplicada e verificada na linha de produção, e como os inspetores são treinados de acordo com os critérios do IPC.
• Um exemplo de relatório do primeiro artigo e um exemplo de registro de lote, para ver quais evidências são enviadas com cada lote.
• Como lidar com produtos não conformes: segregação, destinação, análise da causa raiz e ação corretiva.
• O processo de notificação de alterações e como a aprovação do cliente é registrada.
• Se a placa nua é fabricada internamente ou comprada, e como a qualidade da placa nua é verificada em ambos os casos.

Recomendamos a qualificação com uma primeira peça produzida a partir do seu produto real. A primeira peça e o registro do lote demonstram como os requisitos foram aplicados na prática, algo que um questionário de capacidade não permite. Programas específicos para cada setor são descritos em nossas páginas de montagem de PCBs para o setor médico e para os setores aeroespacial e de defesa .

Perguntas frequentes sobre montagem de PCBs de alta confiabilidade

A montagem de PCBs de alta confiabilidade é o mesmo que a Classe 3 do IPC?

A Classe 3 é o requisito de qualidade de fabricação mais comum em programas de alta confiabilidade, mas a confiabilidade também depende de materiais, projeto, controles de processo, estratégia de teste e rastreabilidade. Uma placa pode ser inspecionada segundo a Classe 3 e ainda assim apresentar falhas prematuras se a estrutura do laminado ou dos furos de passagem for inadequada para o seu ambiente térmico.

Qual é o custo adicional da montagem de Classe 3?

O aumento depende da placa. Ele resulta de janelas de processo mais rigorosas, maior esforço de inspeção e retrabalho, documentação adicional e, às vezes, alterações de projeto ou de material. Cite ambas as classes se estiver decidindo qual especificar.

Vocês conseguem construir de acordo com as nossas especificações de mão de obra?

Sim, desde que seja fornecido com a solicitação de cotação. Quando uma especificação do cliente diferir da norma IPC-A-610, o documento do cliente deverá indicar qual delas prevalece.

Vocês recomendam o uso de solda com chumbo para produtos de alta confiabilidade?

Alguns produtos aeroespaciais, de defesa e médicos são isentos da RoHS e especificam solda de estanho-chumbo. Indique a liga de solda necessária na solicitação de cotação para que possamos confirmar o processo e os acabamentos dos componentes.

As placas podem ser revestidas e testadas antes do envio?

Sim. Revestimento conformal, testes funcionais e envelhecimento acelerado podem ser incluídos mediante especificação. Os procedimentos de teste e os critérios de aprovação devem ser fornecidos ou acordados durante a elaboração do orçamento.