IPC Del: 3. Ekonomiska fördelar med att implementera IPC Standarder? Vad kan kosta att inte använda IPC Standarder?

Transkript

1 IPC Del: 3 Ekonomiska fördelar med att implementera IPC Standarder? Vad kan kosta att inte använda IPC Standarder?

2 Produktions Kedjan (Design, CAD, CAM, PCB, PCBA och Tvättning) är länkade till varandra! 11 år senare

3 Typiska Problem? 1. Avbrott i Mönsterkort? 2. Cu täcker endast en del av ett PTH hål? 3. PTH hål Ej fyllt efter våg/selektiv lödning? 4. Lödmask täcker testpunkter? 5. Över pluggade via hål? 6. Lödkulor efter Reflow/Selektiv lödning? 7. Tomb stoning? 8. Mekaniska skador på mönsterkort? 9. Barrel Cracks i PTH på mönsterkortet?

4 Typiska Problem? 9. Dåligt utförd lödmask reparation? 10. Delaminering av lödmask efter reflow? 11. Delaminering av lödmask efter våg/selektiv? 12. Dåligt rengjorda PCBs? 13. Dendrittillväxt på PCBA i fält? 14. Voids i BTC (QFN) BGA/CSP lödfogar? 15. Dålig vätning på SMD komponenter? 16. Sprickor i komponenter? 17. Delaminering i mönsterkortet? 18. Synlig Cu/brons på HAL ytor nära komponenter?

5 Exempel och dess kostnader Case 1: PTH hål Ej fyllt efter våg/selektiv lödning? Case 2: Barrel Cracks i PTH på mönsterkortet? Case 3: Tombstoning? Case 4: Dendrittillväxt på PCBA i fält?

6 IPC Del: 3A Case #1 Vätnings problem i ett PTH

7 Case 1 Lodet fyller inte PTH hålet Defekt enligt IPC Klass 2/3

8

9 IPC-A-610F

10 Case 1 Bakgrund: En ny artikel i Din fabrik som erhållit i hård konkurrens med en av de stora internationella EMS företagen. Efter den första batchen på 500 PCBA finner den manuella inspektionen (CIS) denna defekt, se bild. Defekten är inte godkänd enligt IPC Klass 3 (IPC-610E).

11 Case 1 PCBA Data: 1. CAD och digitala filer kommer från kunden. 2. BOM och mönsterkort köps av Ditt företag Lager ämnat för en power supply enhet sittande i en bil applikation. 4. Både SMD och HMT komponenter på Toppsidan. 5. SMD på sida 2 är limmade för våg lödning. 6. Pb fri process och ytbehandlingen är HASL med Sn 100C. 7. Monterings Panel: 2 x 2 = 4 PCBA. Storlek: 200 x 300 mm.

12 Case 1 Kostnader och annan information: 1. Leveranskravet 500/vecka. I lager finns 5000 mönsterkort. 2. Varje mönsterkort kostar: 30 SEK. 3. Alla komponenter/kort kostar: 350 SEK. 4. Montering, Lödning, Avsyning och Test: 60 SEK/PCBA. 5. Förbättring och Reparation: 300 SEK/timme.

13 Några Förklaringar! Automat Montering?

14 Automat Montering

15 Automat Montering

16 Några Förklaringar! Thermal Relief?

17 Thermal Relief i ett Inner lager IPC-2221B

18 Thermal Relief i Plan IPC-2221B Mer Information i IPC-2222A

19 Här finns en Konflikt! Om det finns behov att överföra många Ampere, då kan inte Thermal Reliefs användas!

20 Några Förklaringar! Fakta i Våglödning?

21 Fakta i Våglödning? 1. Förvärmningstemperaturen på topp sidan av PCBA skall vara C just före kortet når lödvågen. 2. Om temperaturen < 100 C = Dålig vätning. 3. Om temperaturen > 130 C finns det risk att fluss aktiviteten blir för låg = Dålig vätning. 4. Om conveyer hastigheten är för hög har lodet i vågen inte tillräckligt med tid för att värma upp PCBA.

22 Case 1 PCBA Data: 1. CAD och digitala filer kommer från kunden. 2. BOM och mönsterkort köps av Ditt företag Lager ämnat för en power supply enhet sittande i en bil applikation. 4. Både SMD och HMT komponenter på Toppsidan. 5. SMD på sida 2 är limmade för våg lödning. 6. Pb fri process och ytbehandlingen är HASL med Sn 100C. 7. Monterings Panel: 2 x 2 = 4 PCBA. Storlek: 200 x 300 mm.

23 Fakta i Våglödning? 1. Förvärmningstemperaturen på topp sidan av PCBA skall vara C just före kortet når lödvågen. 2. Om temperaturen < 100 C = Dålig vätning. 3. Om temperaturen > 130 C finns det risk att fluss Power aktiviteten supply blir för = låg Tjockare = Dålig IL vätning. Kan vara 70 µm eller 105 µm Cu 4. Om conveyer hastigheten är för hög för lodet i vågen inte tillräckligt med tid för att värma upp PCBA.

24 Tjocklek av Cu Innerlager Normal IL Cu = 35µm K O M P O N E N T

25 Tjocklek av Cu Innerlager Normal IL Cu = 70µm K O M P O N E N T 30%

26 Case 1 Kostnader och annan information: 1. Leveranskravet 500/vecka. I lager 5000 mönsterkort. 2. Varje mönsterkort kostar: 30 SEK. 3. Alla komponenter/kort kostar: 350 SEK. 4. Montering, Lödning, Avsyning och Test: 60 SEK/PCBA. 5. Förbättring och Reparation: 300 SEK/hour.

27 Ekonomiska Beräkningar Undersökningskostnad: 20 timmar x 600 SEK/h = SEK Förbättringar/Reparations & avsyning: (1/3 tim/pcba x 30 /tim) x 500 = SEK PCB i lager och dess kostnad: Alla Totalt: PCB 12K+5K+150K+10K kan inte användas: = x 30 SEK SEK = SEK Leverans försenings böter (en vecka): Penalty fee: SEK

28 Case 1 Kostnader och annan information: 1. Leveranskravet 500/vecka. I lager 5000 mönsterkort. 2. Varje mönsterkort kostar: 30 SEK. Totalt: 12K+5K+150K+10K = SEK 3. Alla komponenter/kort kostar: 350 SEK. 4. Montering, Lödning, Avsyning och Test: 60 SEK/PCBA. Snacka om RÖDA siffror!! 5. Förbättring och Reparation: 300 SEK/hour.

29 Case 1 Kostnader och annan information: 1. Leveranskravet 500/vecka. I lager 5000 mönsterkort. Totalt: = Varje mönsterkort kostar: Alla komponenter/kort kostar: Montering, Lödning, Avsyning och Test: 6 /PCBA. 5. Förbättring och Reparation: 30 /hour. Snacka om RÖDA siffror!!

30 Vilka är de ekonomiska riskerna? Vem skall betala? Vad Tycker Ni?

31

32

33

34 Praktiskt Råd Vi behöver ställa frågor!!

35 Antag att kunden har eller ämnar cadda i egen regi gjordes caddningen? gjordes caddningen? har Ni utformat footprinten? Vilken Nivå enligt IPC-7351B? gjorde caddningen? Vilken IPC klass enligt IPC-2220? Vilken Nivå? undantag enligt IPC klass? enligt IPC-2220 har Ni gjort? Varför?

36 Första frågan? Vems är felet? Vad tycker Ni? Lasse W: Det beror på!

37 Alternativ 1! Har ordern/projektet passerat DRC? Har Ni lovat kunden IPC-A-610F Klass 2? Har mönstrerkortet (PCB) caddat enligt IPC-2220/7351 Klass 2/3 Level A eller B? Är mönsterkortet beställt enligt IPC-6012D och IPC-A-600H Klass 2? Ja! Ja! Ja! Ja! LW: Problemet hade inte uppstått!

38 Alternativ 2! Har ordern/projektet passerat DRC? Har Ni lovat kunden IPC-A-610F Klass 2? Nej! Nej! Har mönstrerkortet (PCB) caddat enligt IPC-2220/7351 Klass 2/3 Level A eller B? Nej! Är mönsterkortet beställt enligt IPC-6012D och IPC-A-600H Klass 2? Nej! LW: Någon är SEK fattigare!

39 IPC Del: 3B Case #2 Barrel Cracks i PTH (via holes) på PCBs?

40 SAMPLE A

41 Temp over Tg gives high CTE CTE Cu = 15 ppm/ºc CTE FR-4 in z-axis ppm/ºc over Tg CTE FR-4 in z-axis ppm/ºc under Tg

42

43 Important Parameters for Base Materials How Many FR4 material does it exist? Tg = Glass transition temperature Td = Degradation temperature. Dk = Dielektricity Constant. Df = Loss Tangent. UL 94V0 = Flame Classification. CAF = Conductive Anodic Filament. Dicy, Non Dicy and Fillers T 260 = Time to delaminating at 260 C T 288 = Time to delaminating at 288 C CTE = Coefficient of Thermal Expansion

44 Tg = Glass Transition Temperature Movie_02.wmv

45

46 How many PTH do you have in your PCB?

47 Glass Transition Temperature Tg ( PCB Laminates) Z-axis Expansion 280 ppm E x p a n s I o n Z Tg Glass Epoxy Laminate FR4 a1 Tg a1 Effects of Entrapped Moisture in PCB!!! Tg Reduction from 10 to 30 C depending on PCB material, fabric,cu % < 60 ppm P / Tg ~125 C Warping of PCB and Substrate of P-BGA P M 0 C 50 C 100 C 150 C 200 C 250 C 300 C 47

48 PCB Moisture Absorption issue Additional Since moisture acts as a plasticizer, it reduces the Glass Transition Temperature Tg (- 10 to 30 C), effects on CTEz, which in turn increases stresses on PCB features such as Plated Tthrough-Holes (PTH), and the same for P-BGA substrate (ie. FR4, BT), etc.. Room Temperature Expansion After Tg 48

49

50 Moisture reduces the glass-transition temperature (Tg) so that excess thermal stresses can cause damage (CTEz TEM) tg

51 CAF Conductive Anodic Filament

52 CAF avbrotts mekanism Conductive Anodic Filament = Electrochemical reaction between copper anode and cathode Formation of copper filaments (Electromigration)

53 Conductive Anodic Filament CAF Bad Drilling, Bad Hole Metallization, PTH Voids, Laminate Blistering, ecc, together with Moisture and DC Power, easy to have CAF Formation Power DC Anode (+) Cathode (-) Cu salts H+ions H 2 O OH- ions CAF PTH - PTV Walls Cu Moisture (H 2 O) and Ionic Impurities - ph Cu Fabric Fiber Glass plus Resin 53

54 A SEM micrograph illustrating the type of catastrophic failure that can be caused by CAF + 20 Volt Power Plane Component Through Hole CAF 54

55 Antag följande scenario I funktionstesten upptäcks avbrott i via hål på 50 PCBA av en batch på 500. Ett PCBA skickas till Hytek för analys. Svaret är Barrel Crack pga högt CTE hos valt basmaterialet. Kostnad: 5000 SEK. Kostnad för ej fungerande PCBA 50 x 1100 = Totalt: = SEK Hur tillförlitliga är de resterande 450 PCBA? Kan dessa levereras? Plus Leveransförsening på 6-8 veckor innan hela ordern kan slutlevereras!

56 Första frågan? Vems är felet? Vad tycker Ni? Lasse W: Det beror på!

57 Praktiskt Råd Vi behöver ställa frågor!!

58 Basmaterial kom Ni fram till att det skall vara just det valda basmaterialet? har beslutat att det endast skall vara FR4? basmaterial parametrar är viktiga för funktionen? Tg? Td? Df? CTE? CAF? på basmaterial har Ni?

59 Alternativ 1! Är Era krav IPC-A-610F Klass 2? Har Ni specificerats basmaterialet för mönsterkortet enligt IPC-4101D? Har Ni beställt mönsterkortet enligt IPC-6012C och IPC-A-600H Klass 2? Har beställt basmaterial levererats? Ja! Nej! Nej!??? LW: Någon är SEK fattigare! Risk: 450 PCBA

60 IPC Del: 3C Case #3 Tomb Stoning av 0402 chip

61 Tomb Stone Typiskt Tomb Stone

62 Kommer denna bok att lösa problemen? NEJ!!

63 Några Förklaringar! Hur är 0402 placerad i förhållande till transport riktningen?

64 Layout - Tomb Stoning Ökad risk för tomb stoning på små chip komponenter, 0603(?), 0402, 0201 Heat sink Transportriktning Mindre risk för tomb stoning Vi vet inte!

65 Några Förklaringar! Är P&P maskinens placerings noggranhet bra?

66 Case 2 Sett från ovan!

67 Några Förklaringar! Finns det via i pad?

68 Case 2 Ett Snitt prov Via i pad kan överföra värme till eller från padden

69 Några Förklaringar! Är CAD gjort enligt IPC-2220 Klass 2/3?

72 Några Förklaringar! Olika storlek av 0402?

73 Lika pad layout två olika Vi vet inte leverantörer Chip-kondensator second source Chip kondensator Tombstoning PWB

74 Några Förklaringar! Fakta i Reflow Lödning?

75 Fakta i Reflow Lödning? 1. Att reflow maskinen är lång & modern. 2. Kalibrering görs regelbundet. 3. Om man litar på kapillär effekten och temperaturen är för låg, då är placeringsnoggrannheten mycket viktig. 4. Vissa plast kontakter har temperaturbegränsningar på 240 C i 40 sekunder.

76 Case 2 Kostnader och annan information: 1. Leveranskravet 500/vecka. I lager 5000 mönsterkort. 2. Varje mönsterkort kostar: 100 SEK. 3. Alla komponenter/kort kostar: 200 SEK. 4. Montering, Lödning, Avsyning och Test: 30 SEK/PCBA. 5. Förbättring och Reparation: 300 SEK/timme.

77 Ekonomiska Beräkningar Undersökningskostnad: 20 timmar x 600 SEK/h = SEK Förbättringar/Reparations & avsyning: (1/3 tim/pcba x 30 /tim) x 500 = SEK PCB i lager och dess kostnad: Totalt: 12K+5K+0K+10K = SEK Alla PCB kan användas: 0 SEK Leverans försenings böter (en vecka): Penalty fee: SEK

78 Case # 2 SUMMERING

79 Summering Troliga orsaker till Tombstoning: 1. Fel/Olika/Varierande anslutnings pad storlek! 2. Ej eutektisk lod pasta! 3. Anti Tombstoning pasta håller Ej alltid vad den utlovar! 4. N2 ger ökad vätningshastighet, vilket minskar lödtiden! 5. N2 kan ge högre ytspänning!

80 Practical Advice You need to ask Questions!!

81 IPC Del: 3D Case # 4 PCBA är inte Rent! Krav enligt IPC Klass 2/3!

82 Trend: 1 Girighet! Har denna dödssynd ätit sig in i Europas elektronikindustri?

83 Liten tuva stjälper ofta stort lass! TUVA Ett exempel från Europas Elektronikindustri!!

84 Exempel 1 OEM (WE) EMS 1 (WE) Pris: 43 /st Inköp Artikel /år - 6-lager - Selektivlöd - Tvätt Marknad EMS 2 (EE) Pris: 40 /st Reklamationer Dendriter Beräknad vinst 3 x 20K = 60K. Rekl. Kost: 200 x 250 = 50K. Undersökningskost: 35K. Tickande bomb:?k. Förlorade order:?k.

85 Dendriter på PCBA! Source: Bob Willis

86 Dendriter på PCBA! Source: Graham Naisbitt, Gen3 Systems

87 Vad är den tekniska förklaringen?

88 Låt oss tänka! Vad är huvudorsaken till smutsiga PCBA? Fluss!!

89 Låt oss tänka! Var används i produktionskedjan används fluss? Har alla lika fluss? HASL av PCBs. Lödpasta. Våg- och Selektivlödning. Omarbetning/Reparation/Eftermontering av PCBAs: SMT/HMT Komponenter. Nej!! BGA/CSP Komponenter. Ej tvättbara Komponenter.

90 Låt oss tänka! Hur många olika Fluss kemier finns det på marknaden? Fluss för: Blyfritt, Blyad, NC, Tvätt, med olika aktiveringsgrad (L0, L1, RMA, RA), modifiering/reparation och eftermontering. Σ ~ 15 typer. Hur många leverantörer? Σ ~ 10. Σ ~ 15 x 10 ~ 150 olika fluss kemier. Kräver alla dessa olika fluss lika tvättmetod/medel? Nej!!

91 Rysk Roulett!!

92 Hur många patroner skall Ni ladda magasinet med?

93 Aktiviteter på Live Produktion under S.E.E Hela produktionskedjans komplexitet kommer att vara i fokus under S.E.E På 252 m 2 byggs en modern monteringslina med test- och utvärderingsfunktion inkl. röntgen och AOI samt komplett tvätt- och lackavdelning för att tvätta, lacka och mäta renheten på kretskorten under ledning av den internationellt erkände experten Bob Willis. På mässgolvet tillverkas ca 300 kretskort med avancerade komponenter i två varianter med en mängd olika produktionsutföranden. Projektledare: Lars Wallin

94 Finns det något samband mellan Pris och Kvalité?

95 Exempel 2 OEM (WE) Klass 3 OEM (WE) Klass 3 Intern El. Konst Intern El. Konst Intern CAD & CAM Intern CAD & CAM Intern MK produktion. Extern MK produktion. Intern KK produktion. Marknad Reklamationer ~ 0 KK produktion via EMS. Marknad Reklamationer ~ Många

96 Sänkt Pris Ökad Lönsamhet!

97 Misstake Costs! Courtesy of Harvard Business School ( Business Week Magazine)

98 Slutsatser Kvalité betyder mer än Pris! Det är en Myt att insourcingen är stor! Byt aldrig EMS fabrik om produktionen fungerar! Rent är sällan Rent! De EMS som klarar leverera IPC Klass 2 eller Klass 3 genom hela produktionskedjan kommer att vara en vinnare!

99 IPC QPL/QML Filling the Gap