Inbjudan till. EQS Centrum. Elektronikkvalitet genom samverkan och lean produktutveckling

Transkript

1 Inbjudan till EQS Centrum Elektronikkvalitet genom samverkan och lean produktutveckling IVF kommer tillsammans med KIMAB starta ett forskningscentrum med fokus på att stärka elektronikföretagens kompetens att tillverka robust och tillförlitlig elektronikhårdvara. Verksamheten kommer att vara inriktad på forskning om nya tillförlitlighetsrisker vid implementering av ny teknik men även på lean produktutveckling och strategi för att säkerställa kvaliteten av hårdvara under produktutvecklingen. Detta dokument ger en utförlig beskrivning av bakgrunden till EQS Centrum och inriktningen på verksamheten vid centrumet. Mer information om EQS Centrum finns på

2 Bakgrund Vi har under lång tid vant oss vid att elektronikhårdvara normalt har hög tillförlitlighet men under senare tid har allt fler fått problem med kvaliteten på hårdvaran. Det finns flera skäl till detta. En viktig orsak är att den allt snabbare implementeringen av ny teknik i produkterna vilket alltid innebär risker för barnsjukdomar och nya felmekanismer. RoHS-direktivet har inneburit att alla måste använda ny teknik även för produkter som är undantagna eftersom blyade alternativ fasas ut allt eftersom, men även den ökande användningen av sensorer och MEMS innebär ofta att ny oprövad teknik används. Outsourcing främsta orsak till kvalitetsproblem Den kanske främsta anledningen till de ökande kvalitetsproblemen är konsekvenserna av den omfattande outsourcingen inom elektronikindustrin som har medfört att det blir allt fler parter involverade i produktframtagningskedjan. Den allvarligaste konsekvensen av outsourcingen är att var och en fokuserar på att optimera sin verksamhet. För att öka sin egen vinst vill man använda så billiga material och/eller tillverkningsmetoder som möjligt. Samtidigt finns starka drivkrafter för att implementera ny teknik, t.ex. för att förbättra prestanda eller på grund av lagkrav. Kvaliteten säkerställs genom att tillverkning och testning sker enligt standarder men dessa standarder är oftast framtagna för gårdagens teknik. Det finns därför risk för att de inte är relevanta. Fokuset på att optimera lönsamheten av den egna verksamheten har dock medfört att man har nedprioriterat behovet av att ha eget expertkunnande inom tillförlitlighetsområdet och man saknar därför ofta kompetens att bedöma relevansen av standarderna. Detta gäller ofta också OEM-företagen. Följden av att alla i produktframtagningskedjan förlitar sig på att det finns relevanta standarder och tillförlitlighetstest har blivit att det ofta saknas någon i produktframtagningskedjan som har tillräcklig helhetssyn och ett utpekat ansvar för att säkerställa att såväl delkomponenter som slutprodukten uppfyller uppställda (eller förväntade) kvalitetskrav. Samtidigt som byggsätten utvecklas allt snabbare och blir allt mer avancerade och komplexa har tillvägagångssättet och kunnandet för att säkerställa tillförlitligheten inte hängt med i utvecklingen utan snarare tagit ett steg tillbaka som följd av outsourcingen. Ett illustrativt och lärorikt exempel på hur fel det kan gå är införandet av röd fosfor som flamskyddsmedel i komponenter (se bilaga 1). Åtgärder för att minska kvalitetsproblem Vad kan man då göra för att minska riskerna för kvalitetsproblem hos elektronikhårdvara? Det finns troligen mycket att lära av lean produktutveckling för att förbättra kvaliteten hos elektronikhårdvara. Toyotas koncept för lean produktutveckling har under senare år fått allt större uppmärksamhet i Sverige, dock främst i andra branscher än elektronikbranschen. Lean produktion har införts av många företag men lean produktutveckling har troligen haft mycket större betydelse för Toyotas framgångar än lean produktion. Lean produktutveckling handlar mycket om hur man skall arbeta för att kunna säkerställa kvalitet under produktutvecklingen men samtidigt ha så kort utvecklingstid som möjligt. Jeffrey Liker har i sin bästsäljare The Toyota Development System sammanfattat lean produktutveckling i 13 principer. En princip är att gå igenom och verifiera alternativa tekniska lösningar noga medan

3 det finns maximalt utrymme för design och konstruktion. En annan princip är att integrera underleverantörer i produktutvecklingen på ett sådant sätt att alla vinner på det. Andra principer är att stegra kompetensen hos alla ingenjörer, bygga in lärande och ständiga förbättringar samt skapa en kultur som uppmuntrar excellens och kunskap. Det handlar om att förbättra kvalitetskunnandet hos alla parter och utökat samarbete i produktframtagningskedjan, dvs. i mångt och mycket motsatsen till den kultur som outsourcingen har resulterat i. Scania har varit föregångare i att införa lean produktutveckling och de har nu mer än 10 års framgångsrik erfarenhet av detta. Även IVF har många års erfarenhet av att hjälpa företag att införa lean produktutveckling inom huvudsakligen andra branscher än elektroniktillverkning. Ett exempel från elektronikområdet är Kapsch TrafficCom som har deltagit i IVFs projekt Set Based Concurrent Engineering (se Ny Teknik: Effekterna av outsourcingen visar med all tydlighet att kvalitetskunnandet hos alla parter i produktframtagningskedjan och tillvägagångssättet för att säkerställa tillförlitligheten måste förbättras. Man måste bygga upp bättre kompetens att bedöma hur olika materialval och tillverkningsprocesser påverkar tillförlitligheten av slutprodukten. Men det räcker inte. Man måste förbättra samarbetet mellan konstruktörer och tillverkare och deras underleverantörer för att hitta former för att redan under konstruktionsfasen säkerställa kvaliteten på slutprodukten. Det utökade samarbetet bör inte bara ske mellan parterna i en produktframtagningskedja utan även mellan företag som tillverkar andra produkter för att lära av varandra och därigenom snabbare bygga upp kompetensen. Kompetensuppbyggnad genom samverkan Svenska elektronikföretag har en lång tradition av samverkan för att gemensamt stärka varandras konkurrenskraft. Tidigare fanns ProSam (Produktionsteknisk Samverkan) som sedan drevs vidare av IVF under namnet Epigon. I mitten av nittiotalet startade IVF nätverket MQS (Mönsterkortskvalitet genom Samverkan) för att genom samverkan mellan mönsterkortstillverkare, underleverantörer och köpare av mönsterkort förbättra mönsterkortskvaliteten. Vi avser nu att bredda verksamheten till att omfatta kvalitet på kretskortsnivå. I samband med detta kommer MQS att döpas om till EQS Centrum där EQS står för Elektronikkvalitet genom Samverkan. EQS Centrum kommer att drivas tillsammans med KIMAB och har syftet att bedriva utveckling och forskning om hur man skall säkerställa tillförlitligheten hos elektronikhårdvara och då i första hand på kretskortsnivå inklusive kontaktytor och kontaktdon. Forskningen kommer att finansieras med medlemsavgifter och åtminstone initialt med medel för institutens kompetensuppbyggnad som motfinansiering. Inriktningen på verksamheten kommer att bestämmas av en styrgrupp med representanter från medlemsföretagen. Verksamheten kommer främst att vara inriktad på forskning om nya tillförlitlighetsrisker vid implementering av ny teknik men även på lean produktutveckling och hur man skall säkerställa robusthet och tillförlitlighet under produktutveckling. Vilken strategi bör man ha för att gå igenom och verifiera alternativa tekniska lösningar? Vilka typer av test bör man utföra och av vem och när under produktutvecklingsfasen? Målet är att verksamheten skall startas den första januari Ett möte kommer att hållas på KIMAB den 7 november för företag som är intresserade av att gå med i EQS Centrum där företagen ges möjlighet att påverka utformningen av EQS

4 Centrum och inriktningen på dess verksamhet. IVF och KIMAB har som förslag på forskningsprojekt för första året nya tillförlitlighetsrisker vid blyfri lödning (se bilaga 2). IVF och KIMAB har under 2005 och 2006 utfört förstudier på dessa tre felmekanismer. Resultat från dessa förstudier presenterades vid ett seminarium i Stockholm den 8 februari för ca 60 deltagare. Förslag på fortsättningsprojekt kommer att presenteras vid mötet den 7 november. Vi kommer då även presentera vad IVF gör inom lean produktutveckling. Mer information om EQS Centrum och anmälningsblankett till mötet 7 november finns på För ytterligare information kontakta: Per-Erik Tegehall på IVF (per-erik.tegehall@ivf.se, ) eller Margareta Nylén på KIMAB (margareta.nylen@kimab.com, ).

5 Bilaga 1 Lärdomar från användning av röd fosfor som flamskyddsmedel Ett bra exempel på vikten av en genomtänkt strategi för hur man skall säkerställa tillförlitlighet hos elektronikprodukter är de tillförlitlighetsproblem som uppstod vid användning av röd fosfor som flamskyddsmedel i plastkomponenter. Minst 13 komponenttillverkare har använt röd fosfor för tillverkning av mer än miljard komponenter under början av 2000-talet. Ett av de företag som drabbades av tillförlitlighetsproblem är Fujitsu som använde komponenter med röd fosfor i hårddiskenheter. De har kostat dem över 1 miljard kronor i skadestånd till sina kunder. Rent tekniskt orsakades tillförlitlighetsproblemen av att röd fosfor sakta omvandlas till fosforsyra i närvaro av syre och vatten. Detta leder till korrosion av metaller i komponenterna som sedan resulterar i läckströmmar eller i värsta fall kortslutning. En mer intressant frågeställning är dock hur dessa komponenter kunde släppas på marknaden. En analys av detta har gjorts av Japan Science and Technology Agency ( Deras slutsats är att den främsta orsaken till felbedömningen är följderna av den långtgående outsourcingen och den starka prispress som den har lett till. Var och en i produktframtagningskedjan har fokuserat på sina egna processer och ingen har tagit ansvar för helheten. För att minska time-to-market och pressa kostnaderna har man minskat på tillförlitlighetstestningen samt gjort sig av med personal med tillförlitlighetskunnande. Den tillförlitlighetstestning som ändå har gjorts har inte räckt till på grund av att man använt outdated evaluation technology. De flesta komponenttillverkare testar och kvalificerar sina komponenter enligt JEDEC JESD47 som innehåller en uppsättning standardtest. Dessa tester användes vid kvalificeringen av röd fosfor som flamskyddsmedel. Det är tydligt angivet i standarden att om det finns risk för nya felmekanismer så är det inte tillräckligt att använda dessa test. Då skall man testa enligt JESD34 som innebär att man måste identifiera kritiska felmekanismer och utifrån dessa designa relevanta tillförlitlighetstest. Ingen av de 13 komponenttillverkare som har använt röd fosfor gjorde detta trots att den nya felmekanismen med röd fosfor var väl känd och beskriven i patenten för användning av röd fosfor som flamskyddsmedel i elektronikkomponenter. De slutsatser som Japan Science and Technology Agency dragit gäller effekterna av outsourcingen vid komponenttillverkning men slutsatserna är kanske i än högre grad giltiga vid mönster- och kretskortstillverkning eftersom ofta ingen tillförlitlighetstestning alls görs av mönster- och kretskort.

6 Bilaga 2 Nya tillförlitlighetsrisker vid blyfri lödning Det är framförallt tre felmekanismer för blyfria produkter som har uppmärksammats. Dessa är sprödbrott i lödfogar, bildning av tenn-whiskers samt bildning av Conductive Anodic Filaments (CAF) i mönsterkort. Felmekanismerna är inte unika för blyfri lödning men det är främst för blyfria produkter som de orsakar felutfall. Sprödbrott i lödfogar Sprödbrott kan uppstå i lödfogar vid snabb mekanisk belastning. En böjning av ett kretskort vid hantering eller att en produkt tappas i golvet kan vara tillräckligt för att ett sprödbrott skall ske. Den högre styvheten hos blyfria lod baserade på tenn, silver och koppar jämfört med tenn-blylod är orsaken till den förhöjda risken vid blyfri lödning. Framförallt är det lödfogar mot nickelytor (dvs. lödytor belagda med nickel/ guld) som är känsliga för denna typ av brott men även lodets egenskaper samt tjockleken och sammansättningen av det intermetalliska skiktet som bildas i gränsskiktet mellan lod och lödyta påverkar risken för sprödbrott. Risken för sprödbrott minskar om man använder icke-lödmaskdefinierade lödytor men då ökar risken istället för att lödytorna dras loss från laminatet (pad cratering). Lödfogar mot kopparytor har länge ansetts som riskfria för sprödbrott men även för dessa kan sprödbrott uppstå. Under vissa betingelser bildas små håligheter (Kirkendall voids) i det intermetalliska som ökar risken för sprödbrott. Ny forskning har visat att i 5-10% av lödfogar mot koppar kan tillräckligt mycket håligheter uppstå för att det ska kunna orsaka felutfall i applikationer där lödfogarna utsätts för mekaniska belastningar. Störst är risken för applikationer som utsätts för hög temperatur under lång tid men det finns också exempel på omfattande bildning av håligheter vid låga temperaturer, till och med efter endast ett års lagring vid rumstemperatur. Man vet ännu inte orsaken till att detta uppstår men det verkar vara kopplat till egenskaper hos kopparytan. Man kan ofta se stor variation mellan olika batcher från samma tillverkare och ibland till och med mellan olika lödytor på samma mönsterkort. I ett fortsättningsprojekt kommer vi att utvärdera hur olika kombinationer av lod och metalliseringar på mönsterkort och komponenter påverkar risken för sprödbrott. KIMAB har tagit fram en unik metod för att kunna testa risken för sprödbrott på monterade komponenter genom skjuvning med mycket hög skjuvningshastighet (se figur 1).

7 Figur 1 Sekvens tagen med höghastighetskamera från skjuvning av komponent med en skjuvhastighet på 1 m/s. Bildning av tenn-whiskers Bildning av tenn-whiskers är ett sedan tidigare välkänt problem som kan uppstå då man har pläteringar med rent tenn. Tenn-whiskers är hårliknande utväxter som består av rent tenn (se figur 2). Dessa kan orsaka kortslutningar. Botemedlet för att förhindra bildningen av whiskers har varit att använda beläggningar med ca 15% bly. På grund av utfasningen av bly har man i många fall återgått till pläteringar med rent tenn på framförallt komponenter men i vissa fall även på mönsterkort. Det finns tillverkare av metalliseringar som anger att deras beläggningar är whiskersfria, tyvärr har flera undersökningar visat whiskers även på dessa metalliseringar. Någon grundläggande förståelse för whiskersbildning och tillväxt finns inte idag. Det är dock inte här som en studie inom EQS skulle fokusera utan på att utveckla metoder för att förutsäga risken för whiskers i en metallisering och på produktionsmetoder och material-

8 kombinationer där risken för whiskers kan minimeras. Tidigare studier har indikerat möjligheter att styra processer så att whiskers kan undvikas. Exempel på viktiga faktorer att kontrollera är, renhet i beläggningsprocessen, legering och jämnhet i underliggande skikt, lagring, värmebehandling, hantering. Figur 2 Fotografi av whiskers tagen med svepelektronmikroskop. Bildning av Conductive Anodic Filaments (CAF) i mönsterkort Den högre lödtemperaturen som används vid blyfri lödning medför en större påfrestning på mönsterkortet som kan resultera i delamineringar mellan glasfibrer och epoxyn i laminatet. Om glasfibrerna ligger mellan två viahålspläteringar kan läckströmmar uppstår längs glasfibrerna. Vid den viahålsplätering som har positiv potential kommer kopparjoner att bildas och dessa kommer att diffundera längs glasfibrerna. Med tiden blir kopparjonskoncentrationen så hög att kortslutning uppstår. Denna felmekanism kallas CAF som är en förkortning för Conductive Anodic Filament. Traditionella FR4-laminat är benägna för denna felmekanism, ju fler lager och lödcykler desto större är risken för att CAF skall uppstå. Fuktupptag i mönsterkortet innan lödningen ökar också risken för CAF. Nya laminat som tål högre lödtemperaturer har utvecklats men dessa kan sämre egenskaper ur andra synpunkter, t.ex. högre sprödhet som ger sämre egenskaper vid borrning. Den utförda förstudien visade att fuktupptag i mönsterkortet innan lödning kraftigt ökar risken för CAF. I fortsättningsprojektet kommer olika laminat som tagits fram som ska vara mer CAF-resistenta att testas.