La demande augmente pour réduire les défauts de PCB

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Les fabricants de cartes augmentent leurs investissements dans l'inspection, les tests et l'analyse pour répondre aux exigences de plus en plus strictes en matière de fiabilité dans des secteurs critiques pour la sécurité comme l'automobile.

Cela représente un changement significatif par rapport au passé, où les préoccupations concernant la fiabilité visaient principalement les appareils connectés aux cartes de circuits imprimés. Mais à mesure que les SoC sont désagrégés en packages avancés en raison du coût croissant et de la complexité technique des puces de mise à l'échelle, les cartes sur lesquelles ces différents composants sont montés deviennent de plus en plus denses. Les lignes et les espaces entre les fils se rétrécissent et la technologie d'interconnexion haute densité qui relie tous ces composants est de plus en plus sophistiquée.

Le résultat est une demande croissante pour le même type de techniques de surveillance avancées que l'on trouve dans les puces de pointe. C'est un incontournable pour l'automobile, ainsi que pour les implants médicaux, l'avionique et certaines applications industrielles. Pourtant, même les produits de consommation tels que les téléphones intelligents et les boîtiers de commande audio / vidéo ont commencé à exiger une qualité supérieure en raison de la sensibilité de la technologie d'interconnexion haute densité (HDI), ainsi que des préoccupations concernant la façon dont les médias sociaux peuvent mettre en évidence les pannes. En réponse, les fabricants et les assembleurs de cartes électroniques ont augmenté l'inspection et investi dans davantage de collecte de données, qui peuvent être utilisées dans des plates-formes d'analyse de données.

«Il y a eu trois grands changements», a déclaré Craig Hillman, directeur de la gestion des produits pour les technologies nouvelles et émergentes chez Ansys. «Le premier est l'utilisation croissante de l'inspection à chaque étape du processus de fabrication des PCB / PCBA – en particulier aux premières étapes, comme l'impression au pochoir. Deuxièmement, l'inspection optique automatique (AOI) est de plus en plus sophistiquée. Et troisièmement, au lieu de s'appuyer sur des décisions «go / no-go», on utilise de plus en plus les données paramétriques pour prédire la présence d'anomalies »,

Les applications système nécessitant la technologie HDI PCB sont également assorties d'exigences de détection de défauts qui vont bien au-delà des ouvertures et des courts-circuits.

«Au cours de la dernière décennie, nous avons constaté une tendance croissante aux nouvelles technologies de circuits imprimés pour les téléphones intelligents, les communications, les serveurs Big Data, ainsi que pour les circuits imprimés automobiles», a déclaré Micha Perlman, responsable du marketing produit pour via une formation chez Orbotech, une société KLA. «Les défauts de qualité de ligne du PCB peuvent avoir un impact sur tout type d'électronique, et ils sont particulièrement critiques pour les industries telles que l'aviation, le médical ou l'automobile, où une défaillance sur le terrain présente un risque élevé pour les utilisateurs et leur environnement. Les fabricants de produits de consommation tels que les téléphones intelligents et les ordinateurs portables accordent également plus d'attention à ces types de défauts. »

Les demandes de fiabilité à long terme ont également un impact sur la sensibilité des fabricants de panneaux aux coûts de la ferraille. «Les applications critiques ne permettent plus la réparation de fin de ligne des cartes», a déclaré Dave Huntley, directeur du développement commercial chez PDF Solutions. «Trouver et isoler les problèmes tôt dans le processus est essentiel pour réduire les rebuts. Le fait de disposer de données d'assemblage et de consommables stockées et pouvant être corrélées aux données de test permet cela. »

Toutes ces données fournissent une vue plus granulaire d'un appareil, ce qui peut avoir un impact important sur la fiabilité. Il peut également être utilisé pour identifier et isoler les problèmes plus tôt dans le processus de fabrication.

Des efforts sont en cours pour faciliter le partage des données entre des équipements disparates, ce qui permet de collecter et de corréler les données entre plusieurs processus. Ainsi, au lieu de simplement tester ou inspecter les défauts, les plates-formes d'analyse de données permettent davantage aux ingénieurs de réduire les défauts.

Types de défauts de PCB
Les joints de soudure restent la principale source de défauts en ligne et sur le terrain, mais ce ne sont pas les seuls problèmes. Comprendre les mécanismes des défauts fournit une perspective technique sur les raisons pour lesquelles un simple test électrique ouvert et court ne suffit pas pour la détection des défauts.

Entre la carte et le composant, les connexions des billes de soudure doivent être alignées et la pâte à souder doit être exempte de contamination. Un contact peut réussir le test électrique – de simples courts-circuits / ouvertures, mais échouer sur le terrain en raison d'un défaut d'alignement ou d'un problème de matériau qui s'aggrave sur le terrain. Prenons par exemple un décodeur TV.

«L'unité était chez quelqu'un et a échoué. L'environnement de l'armoire dans lequel il a été utilisé est devenu suffisamment chaud pour qu'un joint de soudure soit tombé en panne », a déclaré Michael Ford, directeur principal de la stratégie industrielle émergente chez Aegis Software. «Un désalignement entre le composant et le tampon de la carte s'est produit, mais c'était juste dans la tolérance de fabrication. Mais lorsque vous avez commencé à appliquer beaucoup d'énergie à travers elle dans certaines conditions d'utilisation, combinée à une température supérieure à la température idéale, la panne s'est produite. »

Alors, quand une variation de fabrication – un drapeau jaune – provoque-t-elle réellement un échec? Il est presque impossible de le dire sans les commentaires du terrain.

«La plupart des éléments que nous trouvons ne peuvent pas être détectés par des tests fonctionnels», a déclaré Anna-Katrina Shedletsky, PDG et fondatrice d'Instrumental. «Nous examinons des choses qui peuvent être difficiles à tester. Considérez qu'une partie du bouclier ne peut pas s'enfoncer complètement. "

Pourtant, les défauts de soudure peuvent encore passer, ce qu'Instrumental a découvert lors de la construction de la boîte lorsqu'il a examiné une agrégation de données. L'entreprise a analysé 100 000 défauts provenant de 4 millions d'unités client (Figure 1). «Une des choses intéressantes est que la soudure est numéro 4 dans le top 10. Nous voyons donc en fait une prévalence de défauts de soudure qui traversent tout le chemin jusqu'à l'inspection de fin de ligne, ce qui représente le pourcentage qui pourrait s'échapper sur le terrain. . »

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Fig. 1: Top 10 des défauts de production (non biaisés pour les nouveaux produits). Source: Instrumental

La technologie HDI s'accompagne d'une augmentation des défauts ouverts et courts. Pourtant, le besoin de traces de haute qualité entraîne les besoins de métrologie et d'inspection.

«Les défauts de qualité tels que les entailles de ligne, les défauts de coupure ou les coussinets anormaux sont extrêmement critiques dans les industries où la sécurité et la fiabilité sont essentielles à la mission, comme l'aviation, le médical et l'automobile», a déclaré Perlman d'Orbotech. «Ces défauts de qualité présentent un risque potentiel bien plus important que les défauts ouverts ou courts.»

HDI autorise des dizaines de milliers de minuscules vias entre les couches, ce qui se traduit par un nombre égal de possibilités de défauts.

«En raison du stress élevé du processus d'assemblage des composants ou pendant le fonctionnement de l'appareil final, les défauts latents présentent un risque élevé de défaillance future», a déclaré Perlman. «Par conséquent, le laser par inspection, relativement rare il y a dix ans, est plus courant aujourd'hui. Il est très demandé par les fabricants d'électronique automobile qui exigent une fiabilité et une sécurité élevées. Plusieurs experts en circuits imprimés automobiles nous ont récemment dit qu'une partie importante des problèmes de qualité auxquels ils sont actuellement confrontés est due à un dysfonctionnement des cartes HDI en raison de mauvaises connexions intercouches à travers les vias laser. Cela se produit malgré le fait que les PCB aient passé avec succès tous les tests électriques avant leur expédition. »

Inspecter, collecter, tester
Le processus de fabrication de la carte et l'assemblage des composants à la carte sont en grande partie des processus mécaniques. Pour détecter les défauts, les fabricants de cartes s'appuient sur une inspection visuelle et un test de fin de ligne.

L'inspection optique fait partie de la production de PCB depuis plus de trois décennies, qu'il s'agisse de regarder des images pour des joints de soudure appropriés ou de détecter des problèmes sur les couches internes de la carte avant la stratification.

«L'inspection est passée des défauts cosmétiques 2D à l'inspection 3D et à la métrologie», a déclaré Subodh Kulkarni, président et PDG de CyberOptics. «Des rapports de réussite / échec aux mesures quantitatives, les fabricants peuvent désormais non seulement effectuer une inspection AOI et de la pâte à souder (SPI), mais également réaliser des mesures de coordonnées avec des capacités de mesure de coordonnées en ligne (CMM) qui sont beaucoup plus rapides qu'avec une MMT traditionnelle système. Le besoin de données de métrologie continue d'augmenter afin qu'ils puissent non seulement détecter les défauts critiques, mais aussi mesurer les paramètres critiques. »

Les systèmes d'imagerie à des fins de métrologie sont devenus plus courants. «Direct Imaging (DI) assure un enregistrement précis entre le motif et la connexion de dimension Z via les vias», a déclaré Perlman. «De plus, la qualité d’imagerie des motifs de DI est très précise et stable le long de la carte, avec une rugosité minimale des bords. Cela répond au besoin d'imagerie et de gravure de lignes précises pour les lignes de transmission exigeantes à impédance contrôlée. » Il a ajouté que l'AOI pour les vias laser était de plus en plus mis en œuvre par les fabricants.

Bien que l'inspection ait été le pain et le beurre du contrôle de la qualité des PCB, les fabricants ont commencé à examiner de plus près les données de l'inspection de la pâte à souder, du pick-and-place et d'autres étapes avant le test électrique.

«Historiquement, les données des capteurs se sont concentrées sur les paramètres go / no-go», a déclaré Hillman d’Ansys. «À l'avenir, les données des capteurs plus paramétriques peuvent être directement intégrées aux prévisions de fiabilité. Par exemple, il existe actuellement des systèmes permettant de mesurer le volume des dépôts de pâte à braser. Les données de capteur qui peuvent fournir des mesures en temps réel du volume de soudure peuvent être utilisées pour prédire la durée de vie en fatigue. Cela serait très bénéfique et donnerait aux fabricants plus de discrétion sur ce qui est bon et ce qui est mauvais. »

L'accès à ces données d'équipement a motivé l'Institut des circuits imprimés (IPC) à développer une norme appelée Connected Factory Exchange (CFX). «Il s’agit d’un mécanisme d’échange de données basé sur l’IIoT», a déclaré M. Ford d’Aegis. «Nous avons défini les champs de données exacts et leur signification pour chaque type de technologie, de sorte que toutes les communications de la machine soient modélisées numériquement en fonction de leur fonctionnement et de leurs capacités. Fondamentalement, toute mesure ou tout événement qui se produit, visuellement ou électroniquement, est transmis via CFX, étant signalé en temps réel dans un seul environnement de langage «plug and play». "

Cela permet aux ingénieurs de répondre à des analyses en temps réel et fournit un ensemble de données plus large qu'ils peuvent analyser pour comprendre les échecs de rendement et de terrain.

Les tests électriques de la carte jouent un rôle clé de contrôle de l'intégrité des interconnexions. Au-delà des simples vérifications de connectivité pour les ouvertures et les courts-circuits, il est possible de prendre des mesures paramétriques – fréquence, tension, courant, capacité, résistance et temps de stabilisation, qui fournissent des informations sur les variations de performances et peuvent être liées aux performances de fabrication. Les informations paramétriques, associées aux données de test du système / aux données de terrain, peuvent mieux informer les ingénieurs sur leurs indicateurs de performance de fabrication.

Ce niveau de données a fait défaut en raison de l'accent mis sur la connectivité, la diminution de l'accès aux signaux et les limites de l'équipement de test.

«Dans les lignes de fabrication de PCB d’aujourd’hui, il y a un manque de bonnes données de test paramétriques riches», a déclaré Huntley de PDF. «Par exemple, les testeurs en circuit (TIC) n'enregistrent pas la plupart des données de test qu'ils pourraient. La raison en est que cela a un impact significatif sur le temps de test, ce qui créerait des goulots d'étranglement sur la ligne. De plus, dans les tests de fin de ligne (EOL) PCB, les testeurs ne sont pas sophistiqués. Il existe de grandes variations entre les testeurs en termes de précision de mesure. Cela entraîne une augmentation des rebuts et une mauvaise qualité des pièces expédiées. »

Après la fabrication au niveau de la carte vient la construction de la boîte de test, et cela peut causer de nouveaux problèmes. Le processus mécanique consistant à enfermer la carte entièrement assemblée dans son conteneur peut entraîner un changement physique, qui a un impact sur les performances électriques. Considérez les réseaux d'antennes délicats que l'on trouve dans les produits dotés de fonctionnalités sans fil, par exemple. Souvent appelés «tableaux princess», un changement mineur de position peut nuire aux performances WiFi. Si les ingénieurs ne parviennent pas à fournir un test RF / Wifi lors du test au niveau du système, ceux-ci peuvent se transformer en retours clients.

Connecter les données entre les étapes de production
Les données collectées à chaque étape de la production ont une valeur. En fait, la connexion des données tout au long de la chaîne d'approvisionnement peut être assez puissante. Mais il existe certains obstacles – manque de normes, disponibilité des données, connexion des données via la traçabilité des produits et données significatives qui relient les étapes de fabrication.

Avec CFX fournissant une norme pour les données, les systèmes de gestion d'usine permettent aux ingénieurs de trouver les faiblesses dans le processus de fabrication et d'assemblage des cartes. Cela se traduit par une amélioration du rendement et de la qualité.

"Au cours des deux dernières années, les choses commencent à changer d'une manière nouvelle et différente", a déclaré Ford. «Plutôt que de dépendre de l'inspection physique pour exposer les défauts, qui ne peuvent tous être trouvés dans la plupart des cas, nous utilisons désormais une analyse de tendance basée sur six sigma de données contextualisées pour augmenter ce processus d'inspection ou de test. Ainsi, à un stade plus précoce, vous pouvez identifier et éliminer les causes potentielles de défaut de la variation dans tous les différents processus, ce qui révèle des choses qui étaient auparavant cachées par des tests optiques ou électroniques isolés.

La connexion des données tout au long de la chaîne d'approvisionnement permet aux ingénieurs de résoudre les problèmes à la source plutôt que par une inspection de fin de ligne.

«Nous avons créé une plate-forme de données afin que nos clients puissent ingérer des données produit traçables», a déclaré Shedletsky. «Les données comprennent des images de différentes étapes, des données de stations de test et des tests de performance comme le test ICT. La plate-forme permet ensuite à différentes parties prenantes du côté de l'ingénierie ou du côté de la fabrication d'obtenir les informations dont elles ont besoin pour résoudre réellement le problème en premier lieu. »

Pour les chaînes d'approvisionnement complexes, la source d'un problème identifié peut souvent être en amont de l'endroit où il est détecté. La combinaison de ces données dans une seule plate-forme d'analyse permet aux ingénieurs de résoudre le problème à la racine, ce qui se traduit par un rendement accru, une réduction des rebuts et une qualité améliorée.

Cependant, les données ne sont pas toujours cohérentes et disponibles. «Le plus souvent, les données sont placées dans des placards (lacs de données) sans trop de tri», a déclaré Sam Jonaidi, vice-président des solutions automobiles chez OptimalPlus, qui fait partie de NI. «Les données sont également stockées sur les machines dans la mesure du stockage sur disque dur disponible. Dans le pire des cas, les données ne sont utilisées que pour prendre des décisions en temps réel, puis ignorées. Nous prescrivons une discipline d'ingénierie des données complète dans laquelle l'ensemble de l'univers des données est mappé et les éléments de données de grande valeur sont attribués à un faisceau de données avec une gouvernance précise et surveillée.

SEMI et IPC ont développé des normes pour la traçabilité des produits, qui aident à connecter les données tout au long de la chaîne d'approvisionnement de fabrication. Pourtant, le suivi des matières premières est également utile pour une analyse plus rapide des causes profondes des problèmes de production.

«Cela pourrait être aussi simple que de garder une trace des consommables comme les lots de pâte à souder utilisés, jusqu'à l'analyse des données de test de fin de ligne pour trouver des problèmes de processus de semi-conducteurs qui ont échappé au processus de test de semi-conducteurs», a déclaré Huntley. «Il a été démontré qu'en ayant toutes ces données collectées et corrélables, l'évitement des cas de fiabilité peut être amélioré de 50%.»

Conclusion
Avec les technologies de PCB anciennes et nouvelles, les fabricants ont augmenté leurs investissements dans la collecte de données, ce qui à son tour alimente le besoin de solutions analytiques pour exploiter pleinement les données. La collecte et le stockage des données appropriées peuvent conduire à la détection des défauts, et la compréhension de leur cause profonde peut conduire à réduire les défauts.

Cela représente un changement important dans cette partie de l'industrie électronique. «Il y a dix ans, la fabrication de PCB était principalement orientée vers l'intégration des bonnes recettes de fabrication dans les lignes grâce à la mise en œuvre de MES (Manufacturing Execution Systems)», a déclaré Huntley. «L'objectif était de s'assurer que les machines étaient correctement configurées pour assembler toutes les pièces du puzzle qui se terminaient par un tableau terminé. Les communications étaient plus unidirectionnelles du MES à la machine. Aujourd'hui, à l'ère de l'apprentissage automatique et de l'IA, le flux est bidirectionnel. Cependant, il reste un énorme écart par rapport à la fabrication de semi-conducteurs. L'énorme quantité de données qui est maintenant collectée n'est pas bien stockée ou collectée de manière unifiée, cohérente et intelligente pour pouvoir établir des corrélations inter-opérationnelles. »

Les ingénieurs de fabrication de cartes ne peuvent pas changer ce qu’ils ne mesurent pas. Lorsqu'elle est mesurée, les ingénieurs devraient pouvoir l'analyser.

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