Cine este vinovat pentru placa defectă?

Gaudentiu Varzaru Cu puțin timp în urmă, am răspuns la sondajul editorului Andy Shaughnessy intitulat „Whose Fault is That Bad Board?” (Cine este vinovat pentru acea placă defectă?). La prima întrebare („Dacă o placă eșuează în utilizare, a cui este vina, de obicei?”), am fost ușor dezamăgit că a folosit butoane radio și nu căsuțe de bifat. Nu am vrut să dau vina doar pe proiectant pentru toate plăcile defecte din lume. Oare Andy voia să numesc doar pe cei care sunt cel mai des învinuiți?

Cine sunt acești proiectanți? Proiectanții de plăci PCB sunt asemenea magicienilor – pot materializa o idee pornind de la o schiță, iar mulți dintre ei sunt, de fapt, și creatorii produsului. Ei generează locuri de muncă, inovează și, chiar dacă uneori proiectele lor prezintă neajunsuri, nu i-aș considera vinovați pentru toate eșecurile. Sunt primii acuzați doar pentru că fac primul pas în ciclul de viață al produsului. Și ei pot greși, dar adesea vina lor constă în încrederea excesivă acordată celor care continuă munca lor.

Îmi amintesc un antreprenor american care a mers în Polonia să deschidă un birou de proiectare PCB. A găsit pictori și arhitecți, dar puțini ingineri. A fost încântat să descopere, în schimb, mulți ingineri electroniști în România. Dar oare toți inginerii sunt automat și buni proiectanți de PCB-uri?

Ani în urmă, am lucrat într-o companie EMS unde analizam proiectele înainte ca acestea să intre în producție. Am constatat că unele dintre cele mai inovatoare circuite nu puteau fi fabricate. Motivul? Proiectantul PCB, deși era inginer electronist, nu cunoștea procesul tehnologic de fabricație. Nu avea nicio idee despre cerințele tehnologice ale producției electronice.

O întâmplare amuzantă: un proiectant a înțeles, într-un final, importanța padurilor de descărcare termică (thermal relief pads) pentru lipirea corectă în timpul refluxului. Replica lui? „Ah, pentru asta erau? Și eu am muncit atâta să le elimin!”

Figura 1: Placă de circuit imprimat (PCB) de 10” x 10” panelizată prin tăieturi în V (V-cut).

Programul CAD introdusese automat punți termice pe padurile conectate la suprafețe mari de cupru, dar proiectantului nu-i plăcea cum arătau. A fost un caz fericit, deoarece proiectantul a prezentat proiectul înainte de a trimite comanda spre fabricație.Însă, alteori, situațiile au fost mult mai grave.

Când o placă ajungea în faza de asamblare, era necesar să se încălzească manual padul și componenta cu două letconuri, pentru a repara lipiturile necorespunzătoare. Unii proiectanți au înțeles această problemă (mai ales după ce au fost duși prin fabrică pentru a vedea întregul proces tehnologic), însă alții s-au enervat, exclamând:„Voi trimite proiectul în China și ei îl vor face!”

Da, îl vor face – dar exact așa cum a fost trimis, inclusiv cu erorile de proiectare.

Un astfel de caz a apărut atunci când un proiectant a uitat să trimită fișierul Excellon, iar placa de circuit imprimat a fost fabricată fără găuri pentru pachetul DIL de 40 de pini al unui microcontroler.

Unii proiectanți sunt încântați să folosească întreaga pagină pentru a-și așeza schema electrică. Unul dintre ei a aflat, într-un final, că prin anumite modificări, suprafața plăcii de circuit imprimat (PCB) putea fi redusă, iar odată cu aceasta, și costul de fabricație. Răspunsul lui a fost:„Ah, este pentru Armată — au destui bani, nu trebuie să-și facă griji pentru dimensiunea plăcii!”

Cred că o astfel de armată a pierdut bătălia încă din faza de proiectare: mai multe materiale înseamnă arme mai grele, consum mai mare de combustibil pentru transport, ambalaje mai voluminoase, mai puține echipamente produse și mai puțini bani pentru dezvoltări viitoare.

Prin urmare, pentru a fi un proiectant profesionist în domeniul electronicii moderne, nu este suficient să fii inginer electronist; este necesar să ai și cunoștințe tehnologice adecvate sau să colaborezi strâns cu un tehnolog. Acesta este unul dintre motivele pentru care am decis să includem un curs de DFM (Design for Manufacturing) în programa de studii la facultatea noastră.

Astăzi, plăcile de circuit imprimat sunt mult mai complexe. Multe PCB-uri necesită impedanță controlată, iar structurile flex-rigid sunt mai populare ca oricând. Se folosesc tot mai des plăci din sticlă sau substraturi metalice, care au devenit componente pasive dedicate; unele chiar active, cum este tehnologia de embedding de la Würth Elektronik, ce permite încorporarea de flip-chip-uri în interiorul structurilor multistrat. În plus, un modul electronic asamblat poate conține mii de puncte de lipire, care în sine reprezintă componente funcționale.

După cum spunea colegul meu Ioan Plotog,„Lipiturile sunt organisme vii.”Ele nu sunt imuabile — în timp, din cauza condițiilor de mediu, a stresului mecanic și termic și a îmbătrânirii materialelor, se produc modificări exterioare (precum formarea de fire de cositor – tin whiskers) și interioare (în microstructură). În consecință, proprietățile electrice, mecanice și termice ale lipiturilor se modifică.

Se știe, de asemenea, că problemele cauzate de descărcările electrostatice (ESD) pot apărea mult timp după lansarea produsului pe piață.

În cazul plăcilor de circuit imprimat, se întâmplă adesea ca „mâna stângă să nu știe ce face mâna dreaptă”. De exemplu, a respectat furnizorul de componente sau producătorul de module electronice toate procedurile preventive împotriva descărcărilor electrostatice (ESD)?

Am auzit despre un caz în care o placă funcționa perfect într-un rack, dar înceta să funcționeze imediat ce era scoasă și introdusă într-un alt rack, aflat la doar câțiva metri distanță. În acea zi, operatorii de la centrala telefonică electromecanică au descoperit că mersul pe mochetă poate încărca o persoană cu mii de volți, iar straturile circuitului electronic nu trebuie atinse direct, deoarece pot fi deteriorate.

Curățarea plăcilor reprezintă o altă problemă importantă, care poate avea efecte întârziate din cauza migrației electrochimice — un fenomen prin care reziduurile conductoare rămase pe suprafața plăcii pot duce, în timp, la scurtcircuite sau defecte latente.

Figura 2: Componenta ar fi putut fi deteriorată dacă s-ar fi folosit o mașină de depanelizare a plăcii PCB.

Odată, un client a adus o placă panelizată pentru asamblare. Panoul conținea 100 de plăci mici, aranjate într-un format de 10” x 10”, pregătite pentru tăieturi de tip V-cut (Figura 1). Pentru aplicarea pastei de lipit (solder paste) pe plăci, era necesară fabricarea unui șablon (stencil). Proiectantul însă nu deținea fișierele Gerber pentru întregul panou, ci doar pentru o singură placă individuală.

După finalizarea designului de panelizare, s-a observat că dimensiunile proiectului panelizat nu corespundeau cu cele ale panoului fizic.

În urma verificărilor, s-a concluzionat că producătorul PCB-ului nu a realizat panelizarea V-cut conform recomandărilor standardului IPC, ci a calculat distanțele de tăiere pornind din zona utilă a fiecărei plăci, nu din marginile panoului. Această abatere a făcut necesară depanelizarea manuală, pentru a evita tăierea sau deteriorarea componentelor în cazul utilizării unei mașini automate (Figura 2).

Acesta este un exemplu clar de eroare a producătorului PCB, deoarece operatorii nu au respectat recomandările standardului IPC-7351A – “Generic Requirements for Surface Mount Design and Land Pattern Standard”.

Ca urmare, am decis ca facultatea noastră să includă standardele IPC (în special IPC-2221, IPC-2222, IPC-600, IPC-610 și IPC-7351) în pachetul educațional destinat studenților ingineri.

Așa cum obișnuiesc să le spun studenților mei proiectanți:

„Nu lăsați pe alții să decidă pentru voi. Trimiteți informațiile complete!”

Un alt exemplu de lanț de erori implică trei actori: proiectantul, producătorul și firma de asamblare. Modulul electronic nu funcționa corect la testul final efectuat la sediul clientului.

După investigarea situației, s-a constatat că anumite plăci PCB prezentau defecte, precum întreruperi ale traseelor și via-uri metalizate necorespunzător. Plăcile nu prezentau urme ale acelor de testare electrică, ceea ce a condus la concluzia că producătorul de PCB nu efectuase testul electric final, iar unele plăci au trecut de control deși erau defecte. Ulterior, producătorul a recunoscut că unitatea secundară din China nu realizase testarea conform cerințelor. Prima greșeală: producătorul de PCB nu a respectat procedurile de testare.

Producătorul de asamblări electronice (EMS) nu a verificat plăcile goale (bare boards) la recepție, având prea multă încredere în calitatea produselor furnizate de compania coreeană.A doua greșeală: producătorul EMS nu a respectat, la rândul său, procedurile de testare.Toate plăcile au fost asamblate, iar după o inspecție vizuală de rutină, s-a concluzionat că toate componentele au fost lipite corect — fără testări funcționale suplimentare.

În plus, proiectantul PCB-ului nu a furnizat procedura de testare pentru modulul electronic asamblat, astfel încât compania EMS a livrat plăcile fără test funcțional, bazându-se doar pe inspecția vizuală a lipiturilor.A treia greșeală: clientul (proiectantul) nu a transmis metodele de testare către compania de asamblare.

Plăcile defecte nu au putut fi reparate satisfăcător, iar toate componentele electronice, în valoare totală de peste 1.200 USD, au fost pierdute.

Un alt exemplu de lanț al erorilor: în timpul montării unei capsule BGA într-un soclu, aceasta s-a desprins foarte ușor de pe PCB (Figura 3). Din cele 12 socluri de pe același modul electronic, patru prezentau această problemă.

Reconstituind traseul parcurs de modulul electronic, au fost identificate următoarele greșeli:

Clientul (care era și proiectantul) a comandat fabricarea unei plăci foarte scumpe unei companii EMS, furnizând toate componentele, cu excepția uneia – un FPGA cu 1.156 bile (balls) – pe care distribuitorul nu a putut-o livra împreună cu întregul BOM (Bill of Materials).

Prima greșeală: asamblarea unei plăci fără un BOM complet.

Figura 3: Soclul BGA (Ball Grid Array).

Figura 4: Pasta de lipit s-a topit și a format legătura cu bilele soclului.

Având în vedere că pentru asamblarea FPGA-ului era necesar un al treilea proces de reflux (reflow), tehnicienii companiei EMS au decis să asambleze o parte a plăcii folosind pastă de lipit fără plumb, iar cealaltă parte, cu pastă pe bază de plumb (SnPb). Ei au presupus că, în timpul celui de-al doilea proces de reflow, lipiturile de pe prima parte nu se vor topi, iar componentele nu vor cădea în cuptor.

Aceasta a fost a doua greșeală: s-au amestecat două tipuri diferite de aliaje de lipire, SAC (fără plumb) și SnPb (cu plumb), deși bilele FPGA-ului erau realizate din aliaj SAC.

Pentru lipirea noului FPGA pe o placă FR-4 cu 18 straturi, având componente pe ambele fețe, s-a folosit un profil termic de lipire fără plumb. Procesul termic a avut loc pe o stație de rework și reparații SMT, utilizând aer cald pentru încălzirea superioară și radiație infraroșie pentru încălzirea inferioară.

În mod inevitabil, căldura a afectat componentele din apropierea capsulei FPGA, inclusiv mai multe socluri BGA. Conform fișei tehnice, aceste socluri aveau bile de aliaj SAC, dar anterior fuseseră lipite cu aliaj SnPb.

La prima vedere, pasta de lipit s-a topit și a format legături cu bilele soclului (Figura 4). Totuși, a fost surprinzător să se observe că aproape nicio bilă nu mai rămăsese atașată de arcul soclului (Figura 5). Se părea, mai degrabă, că bila nu fusese fixată corespunzător de arcul metalic al soclului.

A apărut astfel întrebarea: „Să fie oare vorba despre o componentă contrafăcută?” (Figura 6).Această problemă de distribuție și calitate a componentelor electronice este o altă cauză frecventă a apariției plăcilor defecte, un fenomen care, se pare, nu se va opri prea curând.

Figura 6: Este această componentă nouă autentică sau contrafăcută?

Figura 5: Unde sunt bilele de lipire?

Când apare un lanț de erori, intră în joc așa-numita „regulă a lui 10” – adică fiecare greșeală neidentificată la timp costă de zece ori mai mult să fie corectată la nivelul următor al procesului. Expresia latină „quod erat demonstrandum” („ceea ce trebuia demonstrat”) ilustrează perfect această realitate.

Poate că toate aceste exemple nu răspund direct la întrebarea simplă a lui Andy — „Cine este vinovat pentru placa defectă?” — deoarece, în niciunul dintre cazuri, plăcile nu au ajuns la clientul final; toate problemele s-au produs în timpul etapei de producție.

Dar cine este, de fapt, vinovat atunci când, de exemplu, un defect în sistemul de airbag determină compania Nissan să retragă mașini de pe piață, din cauza unei erori într-un comutator de dezactivare a controlului de croazieră, fabricat de Texas Instruments?Proiectantul PCB? Producătorul modulului electronic? Constructorul auto? Toți?

Și de ce, în ciuda atâtor inițiative DfX (Design for Excellence – care includ Design for Zero Defects, Design for Six Sigma), aceste greșeli continuă să apară?Răspunsul este simplu: regulile sunt făcute de oameni.

Am citit recent un articol de opinie care afirma că robotizarea este cea mai bună modalitate prin care America ar putea readuce producția de electronice din China.Dar, chiar dacă acest lucru s-ar întâmpla, vor dispărea greșelile?Nu, atâta timp cât roboții sunt controlați de oameni.

După cum spune un alt vechi proverb latin:

„Errare humanum est.” – A greși este omenesc.

Gaudențiu Vărzaru este cercetător la Universitatea POLITEHNICA din București și manager al conferinței TIE – PCB Design Conference.

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