A cui este vina pentru acea placă neutilizabilă?

Gaudențiu Varzaru

UNIVERSITATEA POLITEHNICĂ DIN BUCUREȘTI

 

Nu cu mult timp în urmă, i-am răspuns editorului Andy Shaughnessy la studiul “Whose Fault is That Bad Board?” iar la prima întrebare („Dacă o placă nu este funcțională în momentul utilizării, a cui este de obicei vina? ”), am fost dezamăgit că a folosit butoane radio în loc de căsuțe. Nu am vrut să dau vina doar pe designer pentru fiecare placă din lume. Oare Andy a vrut să-i numesc pe cei care sunt cel mai adesea învinuiti?

Cine sunt acești designeri? Designerii de PCB sunt ca magicienii; ei pot materializa o idee dintr-o bucată de hârtie și mulți dintre ei sunt și creatorii produsului. Iar designerii creează multe locuri de muncă. Proiectele lor pot avea lacune, dar nu aș acuza designerii pentru toate plăcile nefuncționale. Aceștia sunt primii învinovățiți, deoarece ei fac primul pas în ciclul de viață al produsului. Aceștia pot face greșeli, dar, uneori, vina lor este să aibă prea multă încredere în oamenii care urmăresc activitatea lor.

Cunosc un antreprenor american care s-a dus în Polonia pentru a deschide un birou de proiectare a PCB. A găsit pictori și arhitecți pentru procesul de angajare, dar nu mulți ingineri; a fost foarte încântat să găsească mulți ingineri în România. Dar toți inginerii sunt calificați să fie mari designeri de PCB?

Cu un an în urmă, am ocupat o poziție într-o companie EMS, unde proiectele au fost analizate înainte de a le trimite să fie produse pe liniile de asamblare. Am descoperit că niciunul dintre cele mai bune și mai inovatoare circuite nu a putut fi fabricat. De ce? Deoarece proiectantul PCB, un inginer electronic, nu a fost familiarizat cu procesul de fabricație. Nu avea habar despre cerințele tehnologice necesare producției electronice.

Iată o poveste amuzantă: știu un designer care a aflat, în sfârșit, despre importanța plăcuței de relief termic pentru restricția de căldură în timpul reflow-ului pentru o bună lipire. Răspunsul lui? „Oh, pentru asta au fost? Și să cred că am muncit atât de mult pentru a le îndepărta! ”

Programul CAD în sine a introdus poduri termice unde plăcuțele erau legate de zone mari de cupru, dar designerului nu-i plăcea modul în care arătau. Acesta a fost un caz fericit, deoarece proiectantul a prezentat proiectul înainte de a trimite comanda pentru fabricare. Dar alteori, problemele erau mult mai grave.

Când o placă a venit pentru asamblare, a fost necesară încălzirea manuală a plăcuței și a componentei cu două ciocane de lipit. Unii designeri au înțeles acest aspect (mai ales după ce au fost plimbați prin fabrică pentru a vedea întregul proces tehnologic), în timp ce alții chiar s-au înfuriat, strigând: „Voi trimite proiectul în China și vor face acest lucru!” Da, vor face, dar vor fabrica exact ceea ce a fost trimis, inclusiv erorile de proiectare. Acesta a fost cazul o dată când un proiectant a uitat să trimită un fișier Excellon; placa de circuit imprimat a fost fabricată fără găuri pentru pachetul DIL de 40 de pini al unui microcontroller. Unii designeri se vor potrivi cu bucurie pe schema de pe întreaga foaie. Un proiectant a aflat că, cu modificările corecte, suprafața plăcii de circuite tipărite poate fi redusă și astfel costul plăcii poate fi redus. El a răspuns: „O, este pentru armată și au destui bani pentru a nu-și face griji pentru dimensiunea plăcilor!”

Cred că o astfel de armată a pierdut bătălia chiar de la stadiul de proiectare: mai multe materiale înseamnă arme mai grele, mai mult consum de combustibil pentru transport, dimensiuni mai mari de pachete, mai puține arme, bani mai puțini pentru dezvoltare ulterioară și așa mai departe. Deci, pentru a fi un proiectant profesionist al electronicii actuale, nu este suficient să fii inginer electronic; este, de asemenea, necesar să aveți cunoștințe tehnologice adecvate sau să faceți echipă cu un tehnolog. Acesta este un motiv pentru care am decis să includem un curs DFM în programa de electronică la facultate.

 

În zilele noastre, plăcile de circuit imprimat sunt mai complexe. Multe PCB-uri au acum cerințe de impedanță controlate. Flex-rigid este mai popular ca niciodată și vedem plăci de circuit din sticlă și multe PCB-uri cu suport metalic. Au devenit componente pasive dedicate; unele sunt chiar active, cum ar fi tehnologia de încorporare de la Würth Elektronik, care poate încorpora flip-chips-uri în structura multistratului. Mai mult, un modul electronic asamblat poate avea câteva mii de articulații de lipit, care sunt componente de asemenea.

 

După cum spunea colegul meu, Ioan Plotog, „Articulațiile de lipit sunt lucruri vii”. Nu sunt imuabile; datorită condițiilor de mediu, diferitelor tipuri de stres (mecanice, termice) și îmbătrânirii, se schimbă în exterior (biciuri de staniu) și se schimbă în interior (microstructura), astfel funcționalitățile electrice, mecanice și termice sunt afectate. Se știe că problemele ESD pot afecta mult timp după lansarea produsului pe piață.

Cu plăcile de circuit, o mână nu știe întotdeauna ce face cealaltă mână. De exemplu, furnizorul de componente sau furnizorul de asamblare electronică au respectat toate procedurile preventive împotriva descărcărilor electrostatice? Am auzit despre o placă care funcționa pe un suport, dar a încetat să funcționeze când a fost scoasă și introdusă într-un alt suport la câțiva metri distanță. Aceasta a fost ziua în care operatorii de la centrala de telefonie electromecanică au descoperit că mersul pe covor vă încarcă cu câteva mii de volți, iar straturile de circuit ale modulului electronic nu trebuie să fie atinse. Curățarea plăcilor este o altă problemă care poate avea un efect întârziat din cauza migrării electrochimice.

 

Odată, un client a adus un panou pentru asamblare. Panoul conținea 100 de bucăți dispuse în circuite mici de 10 ”x 10” pentru tăieturi în V (figura 1). Pentru a imprima pasta de lipit pe tablă, a trebuit să fie fabricat un stencil. Proiectantul nu a

avut fișierele Gerber pentru panou, ci pentru un singur circuit. Cu toate acestea, când proiectarea panoului a fost gata, s-a observat că dimensiunile proiectului panelizat nu corespund dimensiunilor panoului fizic. Am căutat cauza și am ajuns la concluzia că producătorul de PCB nu a realizat panoul V-cut conform recomandărilor standard IPC; în schimb, magazinul de plăci a luat distanța tăiată în V din zona utilă a fiecărui circuit. Acest lucru a dus la o depanelizare manuală pentru a evita tăierea componentelor de către mașina de depanat.

 

Acesta este un exemplu care poate fi clasificat ca o defecțiune din partea producătorului de PCB, deoarece operatorii acestora nu au respectat recomandările IPC-7351A „Cerințe generice pentru proiectarea montelor de suprafață și standard de modelare a terenului”.

Prin urmare, am decis că facultatea noastră ar trebui să includă standarde IPC (în special 2221, 2222, 600, 610, 7351) în pachetul de programe pentru studenții noștri de inginerie. Totuși, așa cum le spuneam tinerilor designeri studenți, „Nu-i lăsa pe alții să decidă pentru tine. Trimiteți informații complete! ”

Iată un exemplu de lanț de greșeli care prezintă trei actori. Modulul electronic nu a funcționat corect la testul final făcut la sediul clientului. După investigarea situației, s-a constatat că anumite PCB-uri prezintă defecte precum întreruperi și vize placate prost. Plăcile nu au prezentat nicio urmă de ace de încercare, astfel încât s-a ajuns la concluzia că producătorul din circuitul imprimat nu a efectuat testul electric și au trecut unele plăci, deși erau defecte. Ulterior, producătorul a fost de acord că instalația lor secundară din China nu a făcut treaba corect. Iată prima greșeală:

Producătorul de PCB nu a urmat procedurile de testare. Producătorul de ansambluri electronice nu a verificat plăcile goale din cadrul departamentului de calitate, deoarece avea prea multă încredere în calitatea produselor companiei coreene de PCB. Aceasta a fost a doua greșeală: producătorul de montaj electronic nu a mai urmat procedurile de testare. El a asamblat toate plăcile și după o inspecție optică de rutină și a ajuns la concluzia că toate componentele erau lipite corect. Proiectantul PCB nu a furnizat procedura de testare a modulului electronic asamblat, astfel încât compania EMS a livrat plăcile fără a le testa, cu excepția inspecției optice a îmbinărilor de lipit. Aceasta a fost a treia greșeală: clientul nu a livrat companiei EMS nicio metodă de testare a plăcilor asamblate. Plăcile proaste nu au putut fi reparate satisfăcător, astfel încât toate componentele electronice (un cost total de peste 1.200 USD) s-au pierdut.

Încă un alt exemplu de greșeală în lanț: Când încercați să fixați capsula BGA într-o priză, aceasta s-a detașat foarte ușor de PCB (Figura 3). Din cele 12 prize de pe același modul electronic, patru aveau această problemă. Revenind pe ruta parcursă de modulul electronic, au fost găsite următoarele greșeli : Un client (de asemenea, un designer) a comandat fabricarea unei plăci foarte scumpe unei companii EMS, furnizând toate componentele, cu excepția uneia – un 1.156- bilă FPGA, pe care distribuitorul nu a putut să o livreze împreună cu toată factura de materiale (BOM). Aceasta a fost prima greșeală: Asamblarea unui consiliu fără BOM complet.

Având în vedere că un al treilea proces de reflow ar fi necesar pentru asamblarea FPGA, tehnicienii companiei EMS au asamblat o parte a plăcii cu pastă de lipit fără plumb, iar cealaltă cu plumb din staniu. Ei au presupus că în timpul celui de-al doilea proces de reflux, rosturile de lipit din prima parte nu se vor topi și componenta nu va cădea în cuptor. Aceasta a fost a doua greșeală: au amestecat aliajele de lipit SAC cu SnPb; FPGA conținea bile din aliaj SAC. Pentru a lipa noul FPGA pe o placă FR-4 de 18 straturi cu componente pe ambele părți, a fost utilizat un profil termic de lipit fără plumb. Procesul termic s-a desfășurat pe o stație de refacere și reparare SMT folosind aer fierbinte pentru încălzirea în sus și radiații infraroșii pentru încălzirea din spate. În mod inerent, căldura a afectat componentele din apropierea pachetului FPGA, mai multe prize BGA printre ele. Conform fișei tehnice, aceste prize au bile SAC, dar au fost anterior lipite cu un aliaj SnPb. La prima vedere, pasta de lipit s-a topit și a făcut rosturi cu bile de priză (figura 4). Cu toate acestea, a fost foarte curios să vedem că aproape o singură bilă nu a rămas pe arcul soclului (figura 5). Se pare că, în schimb, mingea nu ar fi fost atașată corespunzător la arcul soclului. Ar putea fi o componentă falsă (figura 6)? Această problemă de distribuție este o altă cauză a plăcilor proaste, care pare să nu se oprească niciodată.

Când apare o greșeală în lanț, regula celor 10 intră în joc. Expresia latină „quod erat demonstrandum” este ilustrativă. S-ar putea să credeți că nimic din toate acestea nu oferă un răspuns la întrebarea simplă a lui Andy, deoarece în niciunul dintre aceste cazuri, consiliul nu a ajuns la client; totul s-a întâmplat în stadiul de producție. Cine a fost vinovat când o defecțiune a sistemului airbag a obligat firma Nissan să retragă mașinile de pe piață din cauza unei erori a comutatorului de dezactivare a controlului de croazieră fabricat de Texas Instruments? Proiectant PCB? Producătorul modulului electronic? Producătorul auto? Toată lumea?

De ce, în ciuda numeroaselor inițiative DfX (inclusiv Design for Zero Defects și Design for Six Sigma), se mai întâmplă aceste erori? Practic, regulile sunt pentru om. Am citit recent o coloană de opinie care a descris robotizarea ca fiind cea mai bună modalitate de a readuce înapoi produsele electronice din China. Dacă se întâmplă acest lucru, greșelile vor dispărea? Nu, nu dacă roboții sunt controlați de oameni. După cum spune o altă veche zicală latină, „Errare humanum est”.

 

Gaudențiu Varzaru este cercetător

la Universitatea Politehnica din

București și show manager pentru

conferința TIE PCB.

Sursa: http://iconnect007.uberflip.com/i/860275-pcbd-aug2017/11?m4