Bristande tillförlitlighetskunnande ett hot mot elektroniktillverkande och elektronikberoende svenska företag

Transkript

1 Swerea IVFrapport Bristande tillförlitlighetskunnande ett hot mot elektroniktillverkande och elektronikberoende svenska företag Per-Erik Tegehall

2 Om Swerea IVF Swerea IVF är ett ledande svenskt industriforskningsinstitut inom material-, process-, produkt- och produktionsteknik. Vårt mål är att skapa affärsmässig nytta och att stärka våra medlemmars och kunders konkurrens- och innovationsförmåga. Swerea IVF bedriver industrinära forskning och utveckling i samarbete med såväl industri som högskola, i Sverige och internationellt. Våra cirka 150 högt kvalificerade medarbetare med bas i Mölndal och Stockholm arbetar inom följande områden: Arbetsliv, miljö och energi Industriella tillverkningsmetoder Material- och teknikutveckling Polymerer och textil Verksamhetsutveckling och effektivisering Vi arbetar ofta med tillämpade lösningar på konkreta industriella behov. Våra industrierfarna forskare och konsulter kan leverera de snabba och handfasta resultat som företag behöver för att säkra sin konkurrenskraft på marknaden. Swerea IVF ingår i Swerea-koncernen, som består av fem forskningsbolag inom material- och verkstadsteknik: Swerea IVF, Swerea KIMAB, Swerea MEFOS, Swerea SICOMP och Swerea SWECAST. Swerea-koncernen ägs gemensamt av industrin och statliga RISE Holding AB. Swerea IVF AB Box Mölndal Telefon Telefax Swerea IVF-rapport ISSN X Swerea IVF AB

3 Innehållsförteckning Sammanfattning 3 Inledning 6 Traditionellt arbetssätt för att säkerställa tillförlitlighet 6 Ursprung av och förutsättningar för det traditionella arbetssättet 6 Metodik använd i det traditionella arbetssättet för att säkerställa tillförlitlighet av militära produkter 7 Standarder för standardbaserad kvalitetssäkring av kommersiella produkter 9 Faktorer som gör standardbaserad metodik för kvalitetssäkring otillräcklig vid implementering av ny teknik 10 Kvalitetssäkring vid komponenttillverkning 11 Risken med att inte överväga förekomsten av eventuella nya felmekanismer 13 Risken med att inte överväga effekten av montering på kretskort på komponenters tillförlitlighet 15 Risken med att inte överväga tillförlitligheten av förbindningen mellan komponent och mönsterkort 15 Renhet av mönsterkort 17 Renhet av kretskort 23 Kvalitetssäkring av kretskort 25 Kvalificeringstestning på produkt/systemnivå 26 Konsekvenser av att använda traditionell metodik för kvalitetssäkring 26 Kvalitetssäkring baserat på Performance terms 27 Military Specifications and Standards Reform i USA Drivkrafter för ny inriktning i standarderna 28 Varje applikation unik 28 Krav i IEEE s och SAE s standarder för tillförlitlighetsprogram 29 Leverantören ska säkerställa att han har förstått kundens krav 29 Leverantören ska tillmötesgå kundens krav 30 Leverantören ska verifiera att kundens krav har uppfyllts 30 Utvecklingsteam 30 GEIA-standarder för tillförlitlighetsprogram 31 Generell GEIA-standard 31 GEIA-standarder för blyfri lödning 33 Konsekvenser av performance-based kvalitetssäkring 35 Hur ser situationen ut i Sverige jämfört med omvärlden 36 Situationen i omvärlden 36 Situationen i Sverige 37 Vad krävs för att bättre säkerställa kvalitet av mönster- och kretskort 39 Kompetensbrist på grund av försumlighet och bristande insikt 41

4 Slutsatser 44 Referenser 45

5 Sammanfattning Företags förmåga att säkerställa hög producerbarhet och tillförlitlighet blir allt mer avgörande för deras konkurrensförmåga. Medan det är stort fokus i USA och Asien på hur man ska säkerställa producerbarhet och tillförlitlighet under produktutveckling är det i det närmast en helt död fråga i Europa inklusive Sverige. Det bristande tillförlitlighetskunnandet som följd av detta utgör ett allvarligt hot mot Europiska företags konkurrenskraft. Det är inte bara företag som tillverkar elektronik som påverkas utan alla företag som har någon form av elektronik i sina produkter. Om man inte ska riskera sämre tillförlitlighet, eller förseningar i produktlanseringen, så krävs det att man kontinuerligt förbättrar sitt arbetssätt för att säkerställa tillförlitlighet. Man behöver ha ett väl genomtänkt och dokumenterat arbetssätt (tillförlitlighetsprogram) där man definierar vilka aktiviteter som krävs för att säkerställa tillförlitlighet och hur ansvarsfördelningen ser ut för att de olika aktiviteterna utförs. Det finns standarder för tillförlitlighetsprogram vid produktutveckling men få om ens några svenska företag använder dessa. De flesta företag har inte heller tagit fram ett eget dokumenterat tillförlitlighetsprogram. Istället förlitar man sig på praxis som kan se lite olika ut för olika branscher och sällan är dokumenterad. Generellt bygger denna praxis på att man säkerställer att produkten uppfyller specifikationer vid design, tillverkning och testning. För design och tillverkning av mönster- och kretskort används främst IPC-standarder. Dessa är huvudsakligen baserade på best manufacturing practice, dvs. de har krav på hur man ska kvalificera material och komponenter samt hur man kontrollerar tillverkningsprocesserna för att kvaliteten ska bli så bra som möjligt. Standarderna innehåller få eller inga krav på tillförlitlighetstestning. Till exempel innehåller IPC s standard för lödda kretskort, J-STD-001 enbart visuella krav på lödfogarna och inga krav på verifiering av lödfogarnas tillförlitlighet. I andra fall kan specificerade testkrav sakna relevans, som t.ex. renhetskrav för mönster- och kretskort, vilket till och med påpekas i andra IPC-dokument. I början av nittiotalet konstaterade amerikanska militära myndigheter att det traditionella arbetssättet att säkerställa tillförlitlighet inte levererade vad det förväntades leverera: reliable and state-of-the-art products. Man konstaterade att det inte är möjligt att kräva att produkter ska vara tillförlitliga och state-ofthe-art och samtidigt kräva att de ska tillverkas enligt out-of-date -standarder som i detalj reglerar hur tillverkning ska utföras. Därför genomförde försvarsdepartementet i USA 1994 The Military Specifications and Standards Reform enligt vilken man skulle ha en Performance-based Approach to Reliability. IEEE Reliability Society ombads ta fram en ny standard för tillförlitlighetsprogram med denna inriktning. Detta resulterade i standarden IEEE 1332, Reliability Program for Electronic Systems and Equipment, Development and Production, som publicerades 1998 [1]. Parallellt och i samarbete med IEEE 3

6 tog även SAE fram en snarlik standard, SAE JA1000, Reliability Program Standard [2]. För sju-åtta år sedan konstaterade militära myndigheter återigen att elektronikprodukter hade för dålig tillförlitlighet. Därför tog GEIA (Government Electronics and Information Technology Association) fram en ny generell standard för tillförlitlighetsprogram ANSI/GEIA-STD-0009, Reliability Program Standard for Systems Design, Development, and Manufacturing [3]. Denna bygger på IEEE och SAE-standarderna men är mycket mer detaljerad i vilka aktiviteter och ansvarsfördelning som krävs under produktutveckling av elektronikprodukter för att säkerställa tillförlitligheten. Standarden har krav på att: Developers/contractors and customers/user s work as a team to plan and implement a reliability program that provides systems/products that satisfy the user s requirements and expectations over their life cycle. Multifunctional groups consisting of individuals representing various product disciplines such as engineering, manufacturing, software, quality, reliability, etc. shall collaborate during each phase of the program. GEIA har även tagit fram standarder och handböcker för att säkerställa tillförlitlighet vid implementering av blyfri lödning. Fokus i standarderna är produkter för aerospace and high performance systems där det senare definieras som produkter som require continued performance or performance on demand, or equipment down time cannot be tolerated, or end-use environment may be uncommonly harsh, and equipment must function when required, such as life support or other critical systems. Det vill säga en stor del av de elektronikprodukter som tillverkas i Sverige omfattas av GEIA-standarderna. I standarderna pekas leverantören av en produkt eller ett system ut som ansvarig för att ta fram en dokumenterad lead-free control plan som beskriver de processer som kommer att användas för att säkerställa att produkten kommer att vara tillförlitlig under den specificerade livslängden. Planen ska beskriva vilka testmetoder som ska användas för att verifiera tillförlitligheten för den aktuella applikationen utgående från förväntade kritiska felmekanismer i den aktuella driftsmiljön. Att säkerställa tillförlitlighet enligt GEIA-standarderna kräver ett helt annat arbetssätt än den traditionella praxisen. Det duger inte att hänvisa till de traditionella standarderna baserade på best manufacturing practice. Åtminstone ett svenskt företag har fått förfrågan från kund hur deras lead free control plan enligt GEIA-standarderna ser ut. Det är dock troligt att fler företag inom en snar framtid får krav från kunder att redovisa en lead free control plan, speciellt om man har amerikanska kunder. Fokus i de nya standarderna är att designa in producerbarhet och tillförlitlighet. Detta innebär att designlösningar hela tiden måste värderas inte enbart utifrån hur de påverkar funktionalitet utan även hur de påverkar producerbarhet och tillförlitlighet. Då konstruktörerna inte kan förväntas ha all kunskap som behövs för detta har GEIA-0009 krav på att individer från olika discipliner som design, tillverkning, kvalitet och tillförlitlighet ska vara involverade och samarbeta i alla 4

7 faser i utvecklingen av en produkt. Till exempel ska de som kommer att producera produkten kunna påverka designen för att förbättra producerbarheten. Den långtgående outsourcingen av produktionen av mönster- och kretskort innebär en stor svårighet att få till detta samarbete. Detta gäller speciellt om produktionen sker långt bort men även om produktionen sker hos en lokal svensk legotillverkare kan det bli problem. Legotillverkare är mycket hårt konkurrensutsatta och satta under stark prispress. Få har därför resurser och kompetens att kunna arbeta tillsammans med sina kunder enligt kraven i GEIA-standarderna. De nya standarderna för tillförlitlighetsprogram innebär inte enbart att det krävs ett nytt arbetssätt för att säkerställa tillförlitlighet. De kräver också mycket djupare tillförlitlighetskunnande än tidigare arbetssätt har krävt. Det är få svenska företag som har personer med det tillförlitlighetskunnande som krävs för detta arbetssätt och det är bara ett fåtal personer på dessa företag som har den kunskapen. För år sedan var det ett stort antal universitet, högskolor och forskningsinstitut som bedrev forskning och utbildning inom elektronikproduktion och hur ny teknik påverkade producerbarhet och tillförlitlighet. Denna verksamhet är idag i stort sett helt utplånad pga strypta anslag. Det är därför mycket svårt för företag att rekrytera ny personal med tillförlitlighetskunnande. Detta kommer att leda till att svenska företag som tillverkar elektronikprodukter kommer att ha mycket svårt att leva upp till kraven i de nya standarderna för tillförlitlighetsprogram. Det är dock inte bara dessa företag som kommer att påverkas. Många svenska företag tillverkar produkter som innehåller elektronik tillverkade av underleverantörer, t.ex. Volvo och Scania. För att säkerställa tillförlitligheten av inköpta elektronikkomponenter behöver dessa företag ställa krav på underleverantörer att de har ett dokumenterat arbetssätt att säkerställa tillförlitlighet, t.ex. enligt GEIA-standarderna. Det räcker dock inte med att ställa krav på att vissa standarder följs. Man måste också kunna bedöma relevansen av underleverantörernas tillförlitlighetsprogram och för det krävs att man själv har tillräckligt tillförlitlighetskunnande för att kunna göra den bedömningen. Men även om man inte själv har kunder som kräver att man har dokumenterade tillförlitlighetsprogram, eller kräver det av egna underleverantörer, så kommer det krävas bättre tillförlitlighetskunnande för att kunna vara konkurrenskraftig. En följd av outsourcingen och den starka prispressen på underleverantörer är att många av dessa inte har kunnat upprätthålla sin kompetens. Man måste därför kunna bedöma underleverantörers förmåga att leverera tillförlitliga produkter men även kunna ställa relevanta krav vid upphandling på hur tillförlitligheten ska verifieras. Man kan även själv behöva verifiera att kraven är uppfyllda. Allt detta kräver djupt tillförlitlighetskunnande. Det bristande kunnandet om hur man säkerställer tillförlitligheten av elektronikprodukter men även bristen på resurser för att kunna göra tillförlitlighetstestning utgör därför ett starkt hot för konkurrenskraften hos svenska företag som tillverkar elektronikprodukter eller har elektronik i sina produkter. 5

8 Inledning Samtidigt som det finns krav/förväntningar från kunder att tillförlitligheten av elektronikprodukter hela tiden ska förbättras så innebär många pågående förändringar en ökad risk för sämre tillförlitlighet. Exempel på de viktigaste förändringarna är: Ny teknik implementeras allt snabbare i nya produkter. Det kan vara för att förbättra funktionalitet, sänka tillverkningskostnader eller på grund av lagkrav. Ny teknik utvecklas främst för konsumentprodukter med kort förväntad livslängd och snäll driftsmiljö. Produktcyklerna blir allt kortare vilket ställer krav på allt kortare Time-to- Market. Allt fler produkter är bärbara och/eller används i strängare driftsmiljö. Fler parter är involverade i produktframtagningskedjan på grund av den omfattande outsourcingen. Det är ett starkt tryck på att minimera kostnaderna i alla led i produktframtagningskedjan. Det är uppenbart att om man inte ska riskera sämre tillförlitlighet, eller förseningar i produktlanseringen, så krävs det att man kontinuerligt förbättrar sitt arbetssätt för att säkerställa tillförlitlighet. Man behöver ha ett väl genomtänkt och dokumenterat arbetssätt (tillförlitlighetsprogram) där man definierar vilka aktiviteter som krävs för att säkerställa tillförlitlighet och hur ansvarsfördelningen ser ut för att de olika aktiviteterna utförs. Det traditionella arbetssättet uppfyller inte de behov som finns för att kunna säkerställa tillförlitligheten. I de följande avsnitten kommer fördjupade beskrivningar av problembilden att ges. Först kommer en beskrivning ges av det traditionella arbetssättet för att säkerställa tillförlitlighet och orsaker till att det inte längre är relevant. En utförligare beskrivning av det traditionella arbetssättet och dess brister ges i referens 4. Därefter ges konkreta exempel på tillförlitlighetsproblem orsakade av detta arbetssätt följt av en beskrivning av ett mer relevant arbetssätt att säkerställa tillförlitlighet. Slutligen diskuteras status för tillförlitlighetskunnandet i Sverige jämfört med resten av världen och vad som behöver göras för att stärka de svenska företagens konkurrenskraft. Traditionellt arbetssätt för att säkerställa tillförlitlighet Ursprung av och förutsättningar för det traditionella arbetssättet Det traditionella arbetssättet för kvalitetssäkring av elektronikhårdvara härstammar från den metodik 1 som utvecklats i amerikanska MIL-standarder efter andra världskriget. Den beskrivs i detalj i MIL-HDBK-338, "Electronic 1 Metodik för att säkerställa tillförlitlighet syftar till användandet av korrekt tillvägagångssätt för att säkerställa tillförlitlighet 6

9 Reliability Design Handbook" [5]. Som titeln antyder läggs huvudfokus i handboken på metodiken för att säkerställa tillförlitlighet vid konstruktion av elektronik. Den behandlar också metodik för att förbättra tillförlitligheten under produktionsfasen samt hur man säkerställer underhållbarhet av produkterna, men producerbarhetsaspekter behandlas mycket kortfattat. Handboken riktar sig endast mot militära tillämpningar. Metodiken bygger på två antaganden, vilket tydligt anges i MIL-HDBK-338. För det första antas att den brukbara livslängden av utrustningen kan begränsas till perioden med konstant felnivå i badkarskurvan. För att detta antagande ska vara giltigt måste tidigt felutfall kunna förhindras antingen genom att använda mycket mogen teknik eller genom att använda effektiva ESS-test (environment stress screening) för att sortera ut defekta produkter. Dessutom måste utmattnings/åldringsfel förhindras genom användning av mogen teknik eller genom effektivt underhåll. För det andra antas att tillförlitligheten hos elektronikutrustning är nästan uteslutande bestämd av den inneboende tillförlitlighet hos ingående komponenter och då främst halvledarkomponenterna. Dessa antaganden har långtgående konsekvenser för den metodik som används i det traditionella arbetssättet. Det är viktigt att förstå hur metodiken har påverkats av dessa antaganden för att förstå varför den är otillräcklig vid implementering av ny teknik. Metodik använd i det traditionella arbetssättet för att säkerställa tillförlitlighet av militära produkter I militära kontrakt krävdes normalt att tillförlitligheten skulle säkerställas enligt MIL-STD-785, Reliability Program for Systems and Equipment Development and Production, [6]. Detta var en generell tillförlitlighetsstandard. Den var inriktad mot förebyggande, upptäckt och korrigering av designbrister och tillverkningsdefekter. Tyngdpunkten låg på "reliability accounting" som definierades som "that set of mathematical tasks which establish and allocate quantitative reliability requirements, and predict and measure quantitative reliability achievements". Tillförlitlighetspredikteringar skulle göras enligt förfaranden beskrivna i MIL- HDBK-217, Reliability Prediction of Electronic Equipment [7]. Predikteringsmodellerna i MIL-HDBK-217 bygger på kurvanpassning av fältdata till matematiska modeller för att bestämma felintensiteten för olika komponenttyper. Detta innebär att man förlitar sig på fältdata som enbart kan finnas tillgänglig för komponenter som använts i fält under en längre tid. Felintensiteten för en produkt eller ett system beräknas sedan genom att addera felintensiteten för alla ingående komponenter i produkten. Detta förutsätter en konstant felintensitet under produktens livslängd men också att tillförlitligheten nästan uteslutande är bestämd av komponenternas inneboende tillförlitlighet. De enda andra typer av fel som beaktas är fel orsakade av defekta hålpläteringar i mönsterkort för hålmonterade komponenter samt utmattning av lödfogar till vissa äldre typer av ytmonterade komponenter. 7

10 Även om tillförlitlighetspredikteringarna gjordes genom att beräkna felintensitet så specificerades tillförlitlighetskrav oftast som krav på MTBF (Mean Time Between Failure) som beräknas som inversen av felintensiteten. Förutom Tillförlitlighetspredikteringar krävde MIL-STD-785 även att tester utfördes för att verifiera tillförlitligheten. Obligatoriska tester var Environmental Stress Screening (ESS) för att eliminera tidiga fel (första fasen i badkarskurvan), Reliability Development/Growth Test (RDGT), Reliability Qualification Test (RQT), och Production Reliability Acceptance Test (PRAT). RDGT var ett förkvalificeringstest som skulle ligga till grund för att lösa de flesta tillförlitlighetsproblem tidigt i utvecklingsfasen. Tyngdpunkten skulle ligga på prestandaövervakning, feldetektering, felanalys, samt införlivandet och verifiering av designkorrigeringar för att förhindra att felen skulle återkomma. Testerna skulle utföras enligt MIL-HDBK-781 [8]. Titeln på MIL-HDBK-781 var "Handbook for Reliability Test Methods, Plans and Environments for Engineering, Development, Qualification, and Production. Detta är också en bra beskrivning av dess innehåll, det vill säga den innehåller den information som behövdes för att utföra proven ESS, RDGT, RQT och PRAT. Testerna skulle användas under utveckling och tillverkning i syfte att förbättra och verifiera tillförlitligheten. Eftersom en konstant felintensitet antogs, måste tidiga fel elimineras med ESS innan RDGT, RQT, och PRAT testerna utfördes. Antagandet om konstant felintensitet innebar också att man uteslutet att fel kunde orsakas av åldrande eller utmattning, men detta var inte specifikt uttryckt i handboken. Med undantag för ESS och initialt RDGT, skulle de miljömässiga testförhållandena och deras variation över tiden vid testerna vara representativa för vad produkterna skulle utsättas för vid lagring och användning. Vidare skulle testerna utföras under inflytande av elektrisk belastning, temperatur, vibrationer, fukt och andra lämpliga testförhållanden. Syftet med RDGT, RQT och PRAT var att fastställa eller verifiera MTBF-värdet för ett objekt eller utrustning. På grund av antagandet om en konstant felintensitet, påpekades att ett test av 100 enheter under 1 timme var matematiskt ekvivalent med ett test av 1 enhet under 100 timmar. Testning skulle fortsätta tills den totala testtiden tillsammans med det totala antalet relevanta fel möjliggjorde en beräkningen av ett statistiskt giltigt MTBF-värde för att antingen godkänna eller underkänna produkten. För att verifiera ett MTBF-värde rekommenderades det att den totala testtiden skulle vara två gånger det specificerade MTBF-värdet under förutsättning att inga fel inträffade under denna tid. En förutsättning för att denna metodik ska fungera är att man kan säkerställa en konsekvent hög och jämn kvalitet på material, komponenter, och mönster- och kretskort som används för tillverkningen av elektronikprodukterna. Metoden för att säkerställa detta var att i detalj reglera i standarder hur man producerar och kvalificerar material och komponenter som används för tillverkning av elektronik samt hur man designar och producerar elektronik. Av denna anledning kallas denna metodik för att säkerställa tillförlitlighet ofta för standardbaserad metodik. 8

11 Det fanns tusentals MIL-standarder (de flesta av dem är idag annullerade). Eftersom det antogs att tillförlitligheten hos elektronikutrustning nästan uteslutande bestäms av den inneboende tillförlitlighet hos ingående komponenter var de flesta av standarderna inriktade på hur man skulle kvalitetssäkra dessa komponenter. Tillverkare av komponenter behövde både certifiera och kvalificera komponenterna. Certifieringen innebar att den ansvariga militära myndigheten skulle godkänna tillverkarens program för att säkerställa kvaliteten. Noggrann dokumentation krävdes för att bevisa att alla komponenter skulle tillverkas på exakt samma sätt. Kvalificering innebar att "Defense Electronics Supply Center" skulle verifiera att en specifik komponent uppfyllde kraven för denna komponenttyp. Under 1980-talet blev det möjligt att kvalificera processlinan för produktionen av komponenterna i stället för att kvalificera varje specifik komponenttyp. Komponenter och processlinor som kvalificerats enligt MILstandarderna listades i "Qualified Product List" och "Qualified Manufacturers List". En av de viktigaste standarderna för att säkerställa kvaliteten av komponenter var MIL-STD-883 som innehåller testmetoder och förfaranden för kvalificering av halvledarkomponenter [9]. Detta är en av de få MIL-standarder som fortfarande uppdateras. Den innehåller en rad stresstester för att kvalificera komponenter. Testmetoderna är designade för att hitta designsvagheter eller tillverkningsdefekter. Däremot innehåller den inga testmetoder för att hitta åldrings- eller utmattningsfel. Standarder för standardbaserad kvalitetssäkring av kommersiella produkter Det finns ett antal standardiseringsorganisationer som utvecklar standarder för kommersiella produkter av vilka några även täcker militära produkter. Några av de viktigaste inom området elektronikhårdvara, är Telcordia, IPC, JEDEC och IEC. Vid sidan av MIL-standarderna är troligen standarderna utvecklade av Telcordia Technologies (tidigare Bellcore) de mest omfattande och kompletta. Liksom MILstandarderna är Telcordias standarder utvecklade för en specifik bransch (telekommunikation) och används nästan uteslutande för denna bransch. JEDEC utvecklar standarder endast för halvledarindustrin och deras standarder är numera de mest använda för kvalificering av halvledarkomponenter. IPC utvecklar standarder med krav på konstruktion och tillverkning av mönster- och kretskort inklusive de material som används för tillverkning av dessa. IPC s standarder är förmodligen de internationellt mest kända och använda standarderna för tillverkning av mönster- och kretskort. Även IEC utvecklar standarder med samma inriktning som JEDEC och IPC men de används främst av företag inom vissa av länder i Europa. IEC utvecklar också standarder för miljötestning [10] och mer allmänna tillförlitlighetsstandarder, till exempel för dependability management [11] och tillförlitlighetsbedömning [12]. Gemensamt för de kommersiella standarderna är att de har utvecklats efter de amerikanska militära standarder och att de till stor del bygger på samma filosofi 9

12 som MIL-standarderna. Vissa av standarderna är till och med mer eller mindre kopior av MIL-standarder, men ofta med mindre stränga krav anpassade till kommersiella produkter. Detta innebär att den militära metodiken och de antaganden den bygger på även ligger till grund för de kommersiella standarderna trots att detta inte specifikt uttrycks någonstans. Det finns inte heller någon kommersiell standard eller dokument motsvarande MIL- HDBK-338 som beskriver en metodik för hur tillförlitlighet ska säkerställas (möjligen med undantag av Telcordia som jag inte känner till så väl). Därför är det fel att säga att någon av de standardiseringsorganen för kommersiella standarder har en genomtänkt metodik för hur tillförlitlighet skall säkerställas. Inte heller har någon av dem en standard för tillförlitlighetsprogram motsvarande MIL-STD-785. Istället har icke skriftliga sedvanor utvecklats för hur tillförlitlighet säkerställs som varierar för olika branscher. Jämfört med MIL-STD-785 saknas ofta viktiga delar i dessa sedvanor för att säkerställa att produkterna kommer att vara tillförlitliga vid implementering av ny teknik och främst då kraven på tillförlitlighetstestning. I vissa branscher finns det krav på testning av slutprodukten med test motsvarande RQT (Reliability Qualification Test). Faktorer som gör standardbaserad metodik för kvalitetssäkring otillräcklig vid implementering av ny teknik Den standardbaserade metodiken har utan tvekan varit oerhört framgångsrik och möjliggjort att även små företag har kunnat producera tillförlitlig elektronik. Eftersom konstruktörer och tillverkare av elektronik inte har behövt ha djup kunskap om de faktorer som påverkar tillförlitligheten hos deras produkter har det varit möjligt att mycket kostnadseffektivt producera elektronik. Det som gjorde detta möjligt är det faktum att ny teknik tidigare i huvudsak utvecklades för mycket krävande tillämpningar som militära produkter. När dessa tekniker användes för tillverkning av konsumentprodukter hade man en mycket stor säkerhetsmarginal och så länge alla standarder följdes var sannolikheten stor för att produkterna skulle bli tillförlitliga. Följaktligen är kärnan i det traditionella tillvägagångssätt att så länge alla vet vilka standarder som är tillämpliga och följer dessa kan man förvänta sig att produkten kommer att vara tillförlitlig. Konstruktörer och tillverkare av elektronik behöver därför bara veta vilka standarder som ska tillämpas. Den föreskrivna kontrollen av kvaliteten begränsas huvudsakligen till visuell inspektion och relativt korta tester för att visa att produkterna har låga nivåer av defekter. Eftersom metoden bygger på antagandet att åldrings- och/eller utmattningsfel inte kommer att inträffa finns inget behov av mer omfattande och dyra tillförlitlighetstester för att verifiera den långsiktiga tillförlitligheten hos produkterna. Det som har gjort den standardbaserade metodiken så framgångsrik är likväl också dess akilleshäl. Standarderna innehåller huvudsakligen "how-to" instruktioner för hur design och produktion skall utföras samt kvalitetskrav på material och processer. Huvudkonceptet är att förlita sig på processtyrning för att säkerställa kvaliteten på produkterna, dvs genom att använda kvalificerade 10

13 material och processer så kommer produkterna få hög kvalitet. Förutsättningar och restriktioner för kraven i standarderna ges sällan i standarderna. Eftersom det förväntas att användarna skall följa standarderna bokstavligen (och inte ta något eget initiativ) finns inte heller något behov av denna typ av information. Därför är det mycket svårt för en person som inte har varit involverad i utvecklingen av standarderna att bedöma relevansen av instruktionerna och acceptanskriterierna i dessa vid implementering av ny teknik i en produkt. Dessutom, genom att inte inkludera förutsättningar och begränsningar och genom att använda ord som "måste", "skall" och "bör" ges en bild av att krav och instruktioner i standarder inte kan ifrågasättas. Detta avskräcker användare från att kritiskt bedöma relevansen av kraven i standarderna för deras specifika applikationer. En annan svår frågeställning med den standardbaserade metodiken är hur man ska hantera situationer när användningen av standarderna resulterar i otillförlitliga produkter. Vem ska hållas ansvarig om en produkt redan har producerats och alla anvisningar har följts till punkt och pricka och alla acceptanskriterier har uppfyllts men ändå är otillförlitlig? En sak som är säker är att standardiseringsorganisation som utvecklade standarderna inte kan hållas ansvarig. Situationen är inte mycket bättre om produkten inte har producerats ännu och tillverkaren anser att användningen av befintliga standarder kommer att resultera i en otillförlitlig produkt. Om han vill frångå instruktionerna och/eller kraven i standarderna måste han övertyga kunden att standarderna inte bör följas i detta fall. Skulle han lyckas övertyga kunden skulle han förmodligen få ta det fulla ansvaret om produkten inte uppfyller köparens krav [13]. En tillverkare skulle förmodligen överväga om det skulle vara värt besväret. Således uppmuntrar det traditionella arbetssättet inte människor att ta ansvar för att förbättra tillförlitligheten. Tvärtom, så länge man följer de standarder som en kund har refererat till kan ingen klandra dig oavsett resultatet. Om du inte följer standarderna däremot kan du få ta hela ansvaret om något går fel. Dessutom är det inte troligt att någon kommer att tacka dig om produktens kvalitet förbättras eftersom det är okänt hur resultatet skulle ha blivit om standarderna hade följts. Du kan även få skulden för ökade kostnaderna. Strikt följande av standarder har setts som en kvalitetsgaranti som inte lämnar något utrymme för kritiskt tänkande och egna initiativ. Således, om förutsättningarna som kraven i standarderna är baserade på inte är giltiga kan det resultera i otillförlitliga produkter. Vad som är än värre är att den standardbaserade metodiken lämnar användaren av standarderna utan någon förståelse för vad som orsakade den bristande tillförlitligheten och inte heller någon vägledning för hur man ska gå vidare. Några exempel för att illustrera detta kommer att ges i följande avsnitt. Kvalitetssäkring vid komponenttillverkning Kvalificering av halvledarkomponent består av två delar. Dels kvalificering av chippet med integrerade kretsar och dels kvalificering av den kapslade komponenten av vilka endast den senare kommer att täckas här. Förbindningen mellan komponenten och ett mönsterkort (oftast lödfogar) ingår vanligtvis inte i kvalificeringen. 11

14 Kvalificeringstest för halvledarkomponenter togs först fram för militära produkter sammanställda i MIL-STD-883 och MIL-M [9, 14, 15]. I början av talet såg sig medlemsföretagen i JEDEC om efter alternativa metoder för att kvalificera halvledarkomponenter vilket resulterade i JEDEC-standarden JESD34, "Failure-Mechanism-Driven Reliability Qualification of Silicon Devices" [16]. Denna var baserad på att först identifiera de kritiska felmekanismer som kan påverka tillförlitligheten av komponenterna för att sedan verifiera att dessa felmekanismer inte skulle påverka tillförlitligheten. Detta är det angreppssätt som alltid har använts för kvalificering av chippen med integrerade kretsar [14]. Ändå fortsatte de flesta komponenttillverkarna med att kvalificera sina komponenter enligt MIL-STD-883. Därför tog JEDEC fram en modifierad version av MIL- STD-883 som publicerades som JESD47 "Stress-Test-Driven Qualification of Integrated Circuits" [17]. Den kräver att ett antal kvalificeringstests utförs av vilka de flesta finns sammanställde i JESD22-serien med "Reliability Test Methods for Packaged Devices". De flesta av JESD22-testerna är i grunden kopior av testmetoder i MIL-STD-883 fast med mindre ändringar. Som titeln på JESD47 indikerar är testerna stresstester avsedda för att upptäcka design- och tillverkningsfel som kan resultera i tidiga fel. Eftersom MILstandarderna (och följaktligen även testerna i JESD22) bygger på antagandet att åldrings- och utmattningsfel inte kommer att inträffa under produktens livslängd är inga test utformade för att hitta den typen av fel. Av denna anledning betonas i JESD47 att testerna inte kan användas urskillningslöst. Varje kvalificeringsprojekt bör därför bedömas med avseende på: a) Eventuella nya och unika felmekanismer. b) Eventuella situationer där dessa test/testförhållanden kan framkalla irrelevanta fel eller överbelastningsfel. Om det är känt eller misstänks att fel antingen kan orsakas av nya mekanismer eller är unikt orsakade av strängheten av testförhållandena så rekommenderas inte att kvalificeringen utförs enligt JESD47 utan istället enligt JESD34 (senare ersatt med JESD94, Application Specific Qualification Using Knowledge Based Test Methodology [18]). Testupplägget i JESD34 beskrevs påföljande sätt: This standard presents a new concept of failure-mechanism-driven qualification. To utilize this standard to its fullest potential, a supplier must know the potential failure mechanisms of a given product/process. Then, from the list of potential failure mechanisms, a supplier must identify those mechanisms that may be actuated through a given product/process change(s) and design and implement reliability tests adequate to assess the impact of those failure mechanisms on system level reliability. JESD34 innehåller således inga färdiga test som användaren kan använda rätt upp och ner. Den ställer istället krav på att användaren har kunskap att kunna identifiera kritiska felmekanismer och själv kan designa test som är relevanta att använda för att bedöma inverkan av dessa felmekanismer på tillförlitligheten. 12

15 Risken med att inte överväga förekomsten av eventuella nya felmekanismer I en rapport från SEMATECH (SEmiconductor MAnufacturing TECHnology) från 2000 [14] drogs slutsatsen att the JESD47 was used as a prescriptive cookbook without consideration of the failure mechanisms. A person using JESD47 may just go to the table of tests without noting that Section 1.1 of the document states This set of tests should not be used indiscriminately and that potential failure mechanisms should be considered. Vid ungefär samma tidpunkt som SEMATECH-rapporten publicerades skulle risken med att använda JESD47-testerna urskiljningslöst utan hänsyn till potentiella nya felmekanismer tydligt manifesteras introducera Sumitomo Bakelite ett nytt ingjutningsmaterial för inkapsling av halvledarkomponenter där man hade ersatt det bromerade flamskyddsmedlet med partiklar av röd fosfor för att få en mer miljövänlig produkt [19, 20, 21]. Materialet användes av minst 13 komponenttillverkare inkluderande flera av de största tillverkarna [22]. Mycket snabbt fick många företag problem med felutfall efter kort tid i fält. Felutfallet var oftast relativt litet men katastrofalt för produkter med förväntad felfri funktion. De flesta företag sekretesstämplade tillförlitlighetsproblemen men ett företag, Fujitsu, offentliggjorde tillförlitlighetsproblemen de hade med en produkt, en hårddiskenhet. Felutfall i denna kostade företaget ner än 10 miljarder yen. De första felen uppstod efter mindre än ett års användning hos kunden. Felundersökning visade att det var komponenterna med röd fosfor som orsakade felen. Den direkt tekniska orsaken till felutfallet orsakades av instabiliteten hos röd fosfor. Röd fosfor är en av tre former av elementärt fosfor. Den är inte helt stabil utan oxiderar långsamt till bland annat fosforsyra i närvaro av syre och fukt. Den bildade fosforsyran orsakade korrosion av leadframen inuti komponenterna vilket orsakade läckströmmar och i vissa fall elektriskt överslag. Sumitomo Bakelite gjorde flera förändringar av materialet för att förbättra stabiliteten men lyckades aldrig eliminera problemet helt och stoppade därför produktionen Då hade troligen mer är en miljard komponenter med röd fosfor producerats. Eftersom felnivån var relativt låg är det troligt att få företag gjorde den omfattande felanalys som krävdes för att verifiera att felen berodde på ingjutningsplasten med röd fosfor. Det är därför sannolikt att många fler företag drabbades av felutfall orsakat av röd fosfor men utan att förstå vad felutfallen berodde på. Den avgörande frågan är hur komponenter tillverkade med detta material kunde passera alla kvalificeringstester som komponenttillverkarna hävdade att de hade utfört. Men med tanke på att de kvalificerade komponenter enligt JESD47 och att testerna i denna är utformade för att upptäcka design- och tillverkningsfel så är det inte så förvånande. Fel orsakade av röd fosfor berodde på åldringsfel (fas III i badkarskurvan) och inte av tillverkningsdefekter. Den typen av felmekanism adresseras inte i JESD47-testerna (eftersom de antas inte kunna ske). Varningen i JESD47 för att använda testerna urskillningslöst borde ha tagits på allvar och potentiella nya felmekanism borde ha övervägts. 13

16 De komponenttillverkare som använde materialet försvarade sig med att felen berodde på en felmekanism som var omöjlig att förutse och upptäcka med testning. Det räcker dock med grundkunskaper i kemi för att känna till att röd fosfor inte är stabilt utan oxiderar till fosforsyra i närvaro av syre och fukt. Dessutom fanns tillförlitlighetsproblemet med röd fosfor väl beskrivet i patenten för användning av röd fosfor i ingjutningsmaterial för halvledarkomponenter. Ursprungligen tillverkades partiklarna med röd fosfor genom en pulveriseringsprocess. Detta material var ganska instabilt. För att stabilisera den röda fosforn utvecklades en process för att belägga partiklarna först med en metallhydroxid och sedan en härdplast [19]. Rinkagaku Kogyo som var en stor producent av röd fosfor uppgav i en patentansökan 1987 att den dubbla beläggningen av pulveriserad röd fosfor inte uppfyllde kraven för ingjutningsmaterial avsedda att användas i högpresterande elektroniska komponenter där en extremt hög motståndskraft mot fukt och korrosion krävs [23]. The electronic parts or components using, as an insulator, the non-flammable resinous composition containing the conventional red phosphorus flame retardants are subjected to degradation of insulation and corrosion at metallic portions due to deterioration of the used resin with the passing of time. Istället patenterat de ett material med små partiklar av röd fosfor som producerats direkt utan ett pulveriseringssteg. Detta material var mycket mer stabilt men behövde fortfarande beläggas med metallhydroxider och/eller härdplast för att förbättra dess stabilitet. Det var ett liknande material som Sumitomo Bakelite använde i produkten som de började producera under 1996 och med storskalig upprampning under Emellertid visar ett antal nya patentansökningar från Sumitomo Bakelite att de var tvungna att ständigt göra fler förändringar av materialet för att förbättra dess stabilitet [[24, 25, 26]. I en patentansökan inlämnad 1998 anges det till och med att den röda fosforen reagerar med en mycket liten mängd vatten varvid det bildas fosfin och korrosiv fosforsyra och därför har ett problem i fuktbeständighet vilket omöjliggör dess användning i ingjutningsplast för inkapsling av halvledarkomponenter som har ett strängt krav på fuktbeständighet [25]. Åtminstone en komponenttillverkare hävdade att de utförde en omfattande utvärdering av ingjutningsplasten innehållande röd fosfor som flamskyddsmedel [27]. Denna utvärdering visade att ingjutningsplasten inte uppfyllde deras höga krav på kvalitet och tillförlitlighet och därför användes den aldrig i deras komponenter. Följaktligen var det inte bara möjligt att förutse felmekanismen, den var känd och beskriven i patenten för materialet. Detta visar att utsagan i SEMATECH-rapporten om att många av komponenttillverkarna använder JESD47 som en preskriptiv "kokbok" utan överväganden om potentiella nya felmekanismer var sann. Detta exempel visar tydligt riskerna med att inte beakta risken för nya potentiella felmekanismer vid implementeringen av ny teknik. Trots detta skriver många komponenttillverkare fortfarande i sina kvalitetsdokument att de kvalificerar sina komponenter enligt JESD47 [28, 29, 30], även om vissa skriver att de också 14

17 använder felmekanismbaserad testning för kvalitetssäkring [31]. Jag har inte hittat någon som skriver att de använder JESD34 eller efterföljaren JESD94 för att kvalificera komponenter. Risken med att inte överväga effekten av montering på kretskort på komponenters tillförlitlighet När komponenter kvalificerade enligt JESD47 testas de som lösa komponenter, dvs inte monterade på ett kretskort. Många moderna typer av komponenter är benlösa, exempelvis BGA- och QFN-komponenter. På grund av avsaknaden av ben kommer termomekanisk stress orsakad av temperaturförändringar och olika utvidgningskoefficient för komponenterna och mönsterkortet att överföras till dessa komponenter i mycket större utsträckning än för benförsedda komponenter. För benförsedda komponenter kommer flexibiliteten hos benen att begränsa den termomekaniska belastning som överförs till komponenten. Den belastning som överförs till komponenterna kan påverka tillförlitligheten av dessa. Eftersom JESD47 inte behandlar inverkan av monteringen på tillförlitligheten av komponenterna har JEDEC tagit fram en standard som adresserar detta, JEP150 Stress-Test-Driven Qualification of and Failure Mechanisms Associated with Assembled Solid State Surface-Mount Components [32]. Standarden nämner bland annat LCC-, BGA- och QFNkomponenter som exempel på komponenter vars tillförlitlighet kan påverkas av monteringen. Förutom att påkänningar och fördelningen av påkänningarna kan vara olika så kan även felmoderna vara olika. Fel kan uppstå i olika delar av komponenten inklusive inkapslingsmaterialet, förbindningar och chippet på grund av interaktioner mellan chippet och kapslingen. JEP150 ger vägledning för val av lämpliga tester för kvalificering av komponenter monterade på ett kretskort. Det påpekas att valet av tester ska vara baserat på de faktiska felmekanismer som kan påverka tillförlitligheten på kretskortsnivå. Det är upp till användaren att avgöra vilka av testerna som är tillämpliga för hans applikation. Även om många av de komponenter som tillverkas idag är bland de listade komponenttyperna i JEP150 vars tillförlitlighet kan påverkas av monteringen har jag inte kunnat hitta något komponentdatablad som anger att komponenten har kvalificerats enligt JEP150. Detta indikerar att komponenttillverkare inte överväger effekten av monteringen på komponenternas tillförlitlighet. Risken med att inte överväga tillförlitligheten av förbindningen mellan komponent och mönsterkort Sedan omkring 2005 har många komponenttillverkare återigen förändrat sammansättningen av ingjutningsplasten för halvledarkomponenter. Förändringen man gjort är att man använder multiaromatic resin MAR med hög halt av fyllmedel. Det är framförallt tre skäl till att man gjort denna förändring. Det nya materialet minskar upptaget av vatten och därigenom minskas risken för delamineringar (pop-corning) vid blyfri lödning. Det matchar också bättre 15

18 plastens CTE mot chippets CTE vilket förbättrar tillförlitligheten av chippet. Dessutom, eftersom det nya materialet uppfyller kraven på flamskydd utan tillsats av flamskyddsmedel har man kunnat ta bort de bromerade flamskyddsmedlen. Det nya ingjutningsmaterialet har ett CTE på 6-10 ppm vilket är i nivå med keramiska komponenter. Livslängden på lödfogar till BGA- och QFNkomponenter är redan idag ett problem för applikationer med stora temperaturvariationer och lång förväntad livslängd. Den låga utvidgningskoefficienten för det nya ingjutningsmaterialet gör att livslängden för lödfogar till BGA- och QFN-komponenter minskar ännu mer. Simuleringar har visat att det nya ingjutningsmaterialet kan minska livslängden av lödfogar till BGA- och QFN-komponenter med 10-90% beroende på komponentuppbyggnad mönsterkortsegenskaper [33, 34]. För produkter som mobiltelefoner och datorer har detta inte så stor betydelse men för produkter med lång förväntad livslängd kan detta få stora konsekvenser. Den förväntade livslängden för vissa BGA- och QFN-komponenter i krävande fordonsapplikationer kan vara endast några få år. Den här förändringen har skett i tysthet och idag har troligen de flesta komponenter denna ingjutningsplast. Komponenttillverkarna har visserligen angett i PCN:er (process change notification) att man har bytt till det nya ingjutningsmaterialet men samtidigt angett att förändringen inte kommer att påverka form, fit or function [35, 36, 37]. Andra formuleringar som använts i PCN:er med i princip samma innebörd är The device s function and reliability as specified by the product datasheet will be unaffected by these changes [38] eller Customer should not be adversely impacted by this change [39]. Jag har inte hittat någon PCN som angett att tillförlitligheten av slutprodukten kan påverkas negativt. Eftersom komponenttillverkare fortfarande kvalificerar sina komponenter enligt JESD47, dvs lösa komponenter, är påståendet att tillförlitligheten inte påverkas negativt strikt tolkat korrekt om man begränsar sig till komponentens tillförlitlighet. Problemet är att de flesta kunder som får PCN:erna tolkar det som att slutproduktens tillförlitlighet inte kommer påverkas negativt. Däremot är påståenden som att Customer should not be adversely impacted by this change definitivt felaktigt. JEP150 som nämnts tidigare har även krav på att utvärdera hur komponentförändringar påverkar tillförlitligheten av lödfogar till mönsterkort men som nämnts tidigare har jag inte hittat någon komponenttillverkare som anger i datablad till komponenter att de kvalificerats enligt JEP150. Detta visar att komponenttillverkare fortfarande kvalificerar sina komponenter enligt JESD47 och att de fortfarande använder standarden som en preskriptiv kokbok. En konsekvens av denna okunskap om hur den nya ingjutningsplasten påverkar tillförlitligheten av lödfogar är att ingjutningsplasten som använts i komponenter vid tillförlitlighetsutvärderingar mycket sällan anges. Därför är relevansen av de flesta om inte alla tillförlitlighetsdata för lödfogar till benlösa komponenter mycket osäker. 16

19 Renhet av mönsterkort IPC publicerade tidigare i år en renhetsguideline för mönsterkortstillverkare, IPC- 5703, Cleanliness Guidelines for Printed Board Fabricators [40]. I inledningen till standarden konstaterar man att individer som är ansvariga för att bedöma kvaliteten på inkommande mönsterkort vid många arbetsmöten för IPC s standardiseringsgrupper beklagat det faktum att renheten på mönsterkort ofta är en okänd kvalitetsparameter, många gånger med oönskat resultat. Detta beror ofta på bristande kunskap hos mönsterkortstillverkaren men man konstaterar också att detta oftast är förorsakat av att industrin har drivit marginalerna så låga att mönsterkortstillverkarna inte har råd att behålla experienced process professionals. Detta är dock bara en del av problemet. En minst lika viktig orsak till renhetsproblemen är att kraven i IPC s standarder är oklara, otillräckliga och ofta irrelevanta. IPC har tagit fram ett antal standarder med renhetskrav för mönsterkort. Den övergripande kravspecifikationen för mönsterkort är IPC-6011, Generic Performance Specification for Printed Boards [41], med generella krav för mönsterkort. Mer specifika krav för olika typer av mönsterkort finns i separata standarder. Kraven för rigida mönsterkort finns i IPC-6012, Qualification and Performance Specification for Rigid Printed Boards [42]. Dessutom har man tagit fram en workmanship-standard IPC-A-600, Acceptability of Printed Boards [43], med visuell tolkning av kraven i bl.a. IPC Det är i allmänhet dessa standarder som mönsterkortsköpare refererar till vid upphandling av mönsterkort. Det är inte ovanligt att man bara refererar till IPC-A-600 trots att det bara är en visuell tolkning av en del av kraven i IPC-6011 och IPC IPC-6011 anger att Printed boards furnished under this specification shall meet or exceed all the requirements of the specific class of this specification as required by the procurement documentation. Vidare ska upphandlingsdokumentationen ange specifika undantag, variationer, tillägg eller villkor till standarden som köparen har. Man påpekar att there is no minimum level of Qualification Assessment Verification required by this specification. Det är alltså upp till köparen och tillverkaren att komma överens om omfattningen på verifieringen. Det räcker således inte att generellt hänvisa till IPC-6011 utan man måste i upphandlingsdokumentet specificera vilka verifieringar som krävs om man vill ha belägg för att mönsterkortstillverkaren uppfyller kraven. Det krävs också i IPC-6011 att mönsterkortstillverkaren har ett processkontrollsystem och att alla material som används ska uppfylla krav i tillämpliga standarder. Han ska till kund kunna redovisa hur processkontrollsystemet är uppbyggt och hur han säkerställer att använda material uppfyller krav i tillämpliga standarder. Kraven i IPC-6012 är avsedda att komplettera kraven i IPC-6011 med specifika krav för regida mönsterkort. För många av kraven anges as agreed by user and supplier (AABUS). Detta innebär att köpare och tillverkare måste komma överens om vilka av kraven som ska gälla och hur de ska utformas. AABUS-krav ska anges i upphandlingsdokumentet. Om inga AABUS-krav anges i upphandlingsdokumentet finns en lista i IPC-6012 på default -krav som gäller. 17